（材料加工工程专业论文）基于数据挖掘的冲压成形创新知识发现技术研究.pdf

摘要 基于数据挖掘的冲压成形创新知识发现技术研究 摘要 在冲压设计决策过程中，如何对获取的信息进行分析，将其提取为知识，从 而辅助和支持设计人员的决策，提升企业的创新能力，已成为企业在市场竞争中 获得有利地位的重要保障。近年来，由于c a x 的广泛应用，人们获得设计、分 析数据变得更加方便，这就更加迫切需要挖掘隐藏在这些数据之后的更重要的信 息和知识，反馈指导工艺设计。开展将数据挖掘技术引入冲压工艺智能设计的研 究，对提升冲模开发的竞争力，推动模具工业的发展具有重要的意义。 本文根据冲压工艺设计信息流及设计空间状态转化的特点，创新性将数据挖 掘融入冲压工艺智能设计系统。在分析设计原理的基础上，将设计系统的功能、 信息流的传输以及与功能相关联的对象紧密衔接，提出了融入数据挖掘的冲压工 艺智能设计系统的理念与流程，它强调了设计数据价值的重要性，并以此为基础 建立了系统的体系结构。根据系统论思想，通过抽象地对系统的问题进行分层分 类，设计了系统的层次模型，实现系统内信息通讯的同步与协调。新的系统流程 与体系使系统信息流成为双向，设计流程不仅仅为设计一验证，而成为设计一验 证一设计，实验设计分析数据和数值模拟的结果能够反馈指导工艺设计。 提出和建立了系统综合信息模型。该信息模型包含了产品几何信息、工艺信 息、工艺设计知识信息、模具与设备信息，以此实现知识驱动设计的开发目标。 在非线性工艺规程理论的基础上，提出了基于a o s 树的冲压工艺表达模型，它 通过特征将几何信息和工艺信息衔接。本文采用面向对象技术，借助类的层次结 构，设计了几何信息、工艺信息和工艺知识的层次结构及信息传递机制，实现特 征、工艺以及设计知识信息的集成。 本文结合冲压工艺设计实验和数值模拟数据的特点以及实际应用的需求，设 计了基于模糊相似比的连续属性离散化算法，该算法能够有效的处理冲压工艺设 计数据中的噪声数据。根据粗糙集、主成分分析、神经网络数据挖掘理论，以粗 糙集为研究重点，在研究现有数据挖掘算法的基础上，设计了基于属性粗糙度的 属性约简算法、条件属性值约简算法、粗糙集归纳学习算法、以及基于属性区分 能力的启发式粗糙集约简算法，主成分分析算法和神经网络算法，并就这些算法 的特点与现有算法进行了对比，在冲压工艺设计中，它们互相结合实现挖掘工艺 设计知识的目标。 基于双库协同机制，将冲压工艺设计任务与数据挖掘控制相结合，建立了由 分析数据、知识发现主体部分和控制部分构成的数据挖掘模型，并提出了相应的 控制协调机制。为了实现数据挖掘的通信，采用类似s q l 语言的语法，基于巴 克斯一诺尔范式( b n f ) ，设计了一种针对工程应用领域的结构化数据挖掘语言 - - f e d m l ，给出了实现的途径。同时分析了有限元模拟结果数据的特点，基于 s t e p 标准，对模拟数据进行面向对象的层次化建模，构建了有限元数值模拟结 果的中性文件的表述形式及其e x p r e s s 描述。它采用单元、节点或材料参数、 工艺参数表编号作为列表数据的标识符建立实体对象问的联系。 提出了针对数据挖掘的知识管理的模型，将挖掘的知识应用于冲压工艺设计 摘要 过程中，并体现到产品的价值中。设计了对挖掘知识实现评价的算法，提出了基 于人工神经网络结构学习的知识求精算法和策略。同时基于“分丽治之”的思想， 对冲压工艺设计任务进行了分解，建立将设计任务与相应的知识对象连接的沟通 机制，构建了冲压工艺设计知识的结构模型，并结合黑板模型，建立了基于黑板 模型的冲压工艺设计推理模型。 最后通过多个实例分析来验证本文研究工作。针对生产实验数据的特点，结 合生产实践中豹两个实铡一微型、高精度多工序冲压零件工艺设计和板料折弯下 料尺寸计算，详细探讨了在目前的生产工艺和方法中，产品面临的问题，应用开 发的数据挖掘方法，对其进行了分析，并通过实践验涯了数据挖掘方法的有效缝。 同时在验证数据挖掘对数值模拟数据的实用性时，结合u 形弯曲回弹问题和车 门内板覆盖件数值模拟实例，采用本文设计的相对应的数据挖掘算法，实现了基 于数值模拟数据的知识挖掘。 关键词：冲压成形工艺设计数据挖掘智能设计粗糙集主成分分析 人工神经网络数值模拟 a b s t r a c t r e s e a r c ho nk n o wle d g edis c o v e r yo fs h e e tm e t aif o r min g b a s e do nd a t aminin g a b s t r a c t d u d m gs t a m p i n gp r o c e s sd e s i g n ，i ta l r e a d yb e c a m ea l li m p o r t a n tf a c t o rf o r ac o m p a n yt o a n a l y z et h eo b t a i n e di n f o r m a t i o n ，e x t r a c tk n o w l e d g ea n du s et h ek n o w l e d g et oa s s i s ta n ds u p p o r t d e s i g n e r s b e c a u s et h et e c h n o l o g yo fc a x i sw i d e l yu s e d ，i ti se a s i e rt h a tp e o p l eg e tt h ed a t a i ti s m o r eu r g e n ta n di m p o r t a n tt oe x t a c tt h ev a l u ek n o w l e d g ea n di n f o r m a t i o nb i d e di nd a t aa n d f e e d b a c kt og u i d ed e s i g n t or e s e a r c ha n dd e v e l o pd a t am i n i n gt e c h n o l o g yi ns t a m p i n gp r o c e s s d e s i g ni ss i g n i f i c a n tf o ri m p r o i n gc o m p e t i t i o no fs t a m p i n g t o o ld e s i g na n dp u s h i n gt h e d e v e l o p m e n to ft o o l i n gi n d u s t r y a c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo fi n f o r m a t i o nf l o wo fs t a m p i n gp r o c e s sd e s i g na n ds t a t eo fd e s i g n , d a t am i n i n gt e c h n o l o g yi sc r e a t i v e l yb r o u g h ti ni n t e l l i g e n td e s i g ns y s t e mo fs t a m p i n gp r o c e s s d e s i g n b a s e do na n a l y s i so fd e s i g nt h e o r y , t h ef u n c t i o no fd e s i g ns y s t e m , i n p u to fi n f o r m a t i o n f l o wa n dt h eo b j e c t i v er e l a t e dt h ef u n c t i o na r cc l o s e l yl i n k e du p t h ei d e a la n df l o wo fi n t e l l i g e n t d e s i g ns y s t e mf o rs t a m p i n gp r o c e s sd e s i g ni n t e g r a t e dd a t am i n i n ga r ef i r s t l yp r o p o s e d i t e m p h a s i z e st h ei m p o r t a n c eo fd a t av a l u e o nt h ef o u n d a t i o no fn e wd e s i g ni d e a la n dt l o w ，t h e a r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e mi s e s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt oi d e o l o g y o fs y s t e ma p p r o a c h , t h e h i b e r a r c h ym o d e lo f t h es y s t e mi sd e s i g n e db ya b s t r a c t l ys t r a t i f y i n ga n dc l a s s i 矽i n gs y s t e m , w h i c h i m p l e m e n t ss y n c h r o n o u sa n dh a r m o n i o u si n f o r m a t i o nc o m m u n i c a t i o ni nt h es y s t e m t h e i n f o r m a t i o nf l o wb e c o m e sb i d i r e c t i o n a li nt h en e ws y s t e m t h ef l o w o fd e s i g ni sn o tf r o md e s i g n t ov a l i d a t i o nb u td e s i g nt ov a l i d a t i o nt od e s i g n t h er e s u l to fe x p e r i m e n td a t aa n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nc a nb ef e db a c kt og u i d es t a m p i n gp r o c e s sd e s i g n t h es y n t h e t i c a li n f o r m a t i o nm o d e lo fs y s t e mi sp u tf o r w a r da n de s t a b l i s h e d , w h i c hi n c l u d e s g e o m e t r i c a li n f o r m a t i o no fp r o d u c t , p r o c e s si n f o r m a t i o n , k n o w l e d g eo fp r o c e s sp l a n n i n ga n d i n f o r m a t i o no fd i ca n de q u i p m e n t s t h es 仃u c n | r ea n dr e p r e s e n t a t i o nw a yo ft h e s ei n f o r m a t i o ns u b m o d e l sa r er e s p e c t i v e l ys t u d i e d e s p e c i a l l y , o nb a s i so fn o n - l i n e a rp r o c e s sp l a n n i n g ( n - l p p ) t h e o r y ，t h er e p r e s e n t a t i o nw a yo fs t a m p i n gp r o c e s sd e s i g nb a s e da o s t r e ei ss e tf o r t h t h e i n f o r m a t i o no fg e o m e t r ya n dp r o c e s si si n t e r g r a t e di n t h i sm o d e l i nt h i sp a p e r , p r o c e s sa n d k n o w l e d g ei n f o r m a t i o ni nt h es y n t h e t i c a li n f o r m a t i o nm o d e l ，h l o e r a r c h yo fg e o m e t r y ，p r o c e s sa n d k n o w l e d g ei n f o r m a t i o na n dm e c h a n i s m o fi n f o r m a t i o nd e l i v e r ya r cp r o p o s e dt or e a l i z ei n t e g r a t i o n o ff e a t i l r c ，p r o c e s sa n dk n o w l e d g ei n f o r m a t i o nb ya p p l y i n go o ma n dh i e r a r c h i c a ls 仇l c t u r eo f c l a s s c s a c c o r d i n gt oe x p e r i m e n ta n dn u m i c a ls i m u l a t i o nd a t af e a t u r eo fs t a m p i n gp r o c e s sd e s i g n , t h e p a p e rp r o v i d e sd i s c r e t i z a t i o na l g o r i t h mf o rc o n t i n u o u s a t t r i b u t eb a s e do nf u z z ys i m i l a r - r a t i o t h e o r y b yp r o f o u n d l yr e s e a r c ho nt h e o r i e so fr o u g hs e t , p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s a n d a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，t h ep a p e rc r e a t i v e l yd e s i g n ss e v e r a ld a t am i n i n ga l g o r i t h m s t h e f o l l o w i n gd a t am i n i n ga l g o r i t h m sa r ep r o p o s e db a s e do ns t u d yo ne x i s t i n ga l g o r i t h m , w h i c h m a i n l yf o c u s e so nr e s e a r c ho nr o u g hs e t t h e s ea l g o r i t h m si n c l u d eh e u r i s t i cr e d u c t i o na l g o r i t h m a b s t r a c t b a s e do nd i s c e r n i b l i t ya b i l i t yo fa t t r i b u t e ，a t t r i b u t er e d u c t i o na l g o r i t h mb a s e do nr o u g h n e s so f a t t r i b u t e ，v a l u eo fc o n d i t i o na t t r i b u t er e d u c t i o na l g o r i t h m , r o u g hs e ti n d u c t i o nl e a r na l g o r i t h m , p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i sa l g o r i t h ma n da r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ka l g o r i t h m t h et r a i t so f t h e s e a l g o r i t h m sa r ec o m p a r e dw i me x i s t i n ga l g o r i t h m s i ns t a m p i n gp r o c e s sd e s i g n , t h eo b j e c t i o no f e x t r a c t i n gp r o c e s sk n o w l e d g ec a nb ea c h i e v e db yu s i n gt h e s ea l g o r i t h m s b a s e do nd o u b l eb a s e sc o o p e r a t i n gm e c h a n i s m , t h em o d e l o fd a t am i n i n gi si n i t i a l l y p r e s e n t e db yi n t e g r a t i n gb l a np r o c e s sp l a n n i n gt a s kw i t hc o n t r o lo fd a t am i n i n g ，w h i c hi s c o m p o s e do f a n a l y z i n gd a t a ，m a i nb o d ym o d u l eo f d a t am i n i n ga n dc o n t r o lm o d u l e m o r e o v e r , t h e m e c h a n i s mo fc o n t r o l l i n ga n dh a r m o n i z i n gi sp r o v i d e d i nt h ep a p e r ，i no r d e rt oi m p l e m e n t c o m m u n i c a t i o no fd a t am i n i n g ，t h es t r u c t u r a ld a t am i n i n gl a n g u a g e - f e d m lf o re n g i n e e r i n gf i e l d i sd e s i g n e db ya d o p t i n ga n a l o g o u ss y n t a xw i t hs q l , w h i c hi sb a s e do nb a c k u s - n a u rf o r m m o r e o v e r ，t h ew a yo fi m p l e m e n ti sg i v e n b ya n a l y z i n gc h a r a c t e r i s t i co ff e ar e s u l td a t aa n d o b j e c to r i e n t e dh i b e r a r c h ym o d e l i n go fs i m u l a t i o nd a t a ，n e u t r a l f i l e sm o d e lo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nr e s u l td a t aa n di t se x p r e s sd e s c r i p t i o na r ee s t a b l i s h e db a s e do ns t e ps t a n d a r d i t e s t a b l i s h e st h er e l a t i o nb e t w e e ne n t i t yo b j e c t i v eb yu s i n ge l e m e n t s ，n o d e so rs e r i a ln u m b e ro f m a t e r i a lp a r a m e t e r sa n dp r o c e s sp a r a m e t e r st a b l ea si do fd a t at a b l e i nt h i sp a p e r , k n o w l e d g em a n a g e m e n tm o d e lf o rd a t am i n i n gi sp r o p o s e d t h ek n o w l e d g e e x t r a c t e di sa p p l i e di n t os t a m p i n gp r o c e s sd e s i g na n de m b o d i e di n t ov a l u eo fp r o d u c t t h e e v a l u a t i o na l g o r i t h mo fk n o w l e d g em i n e di sd e s i g n e d t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r da l g o r i t h ma n d s t r a t e g yo fm i n e dk n o w l e d g er e f i n e m e n tw h i c hi sb a s e do i la r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ks t r u c t u r e m e a n w h i l e ，b a s e do ni d e o l o g yo fd e c o m p o s i n gc o m p l e xp r o b l e mt og e ts o l u t i o n , t h et a s ko f s t a m p i n gp r o c e s sd e s i g ni sd e c o m p o s e di n t os o m es u b t a s k t h em e c h a n i s mo fc o m m u n i c a t i o n a b o u td e s i g nt a s ka n dr e l a t e dk n o w l e d g eo b j e c t i v ei sp r o v i d e d s t r u c t u r em o d e lo fb l a n k i n g p r o c e s sp l a n n i n gk n o w l e d g e i ss e tf o r t h t h et a s ko f b l a n k i n gp r o c e s sp l a n n i n gi sd e c o m p o s e di n t o m u l t i - s u b t a s k s t h er e a s o n i n gm o d e lo fb l a n k i n gp r o c e s sp l a n n i n gb a s e do nb l a c kb o a r dm o d e li s e s t a b l i s h e d a tl a s t , r e s e a r c hw o r k sa r cv a l i d a t e db yf o u rc a s e sa n a l y s i s t oc h a r a c t e ro fe x p e r i m e n td a t a , t h ep a p e ru s e st w oc a s e st ov a l i d a t ea p p l i c a t i o no fd a t am i n i n g t h eo n ei sm u l t is t e ps t a m p i n g p r o c e s sd e s i g no fm i n it y p ea n dh i g hp r e c i s i o np a r t t h eo t h e ro n ei sc a l c u l a t i o no fd e v e l o p e d l e n g t hf o rb e n d i n gp a r t i nt w oc a s e s ，t h ep a p e rd i s c u s s e si s s u e so fc u r r e n ts h e e tm e t a lf o r m i n gi n d e t a i l t h em e t h o do fd a t am i n i n gi su s e dt oa n a l y z ee x p e r i m e n td a t a t h ev a h d i t yo fd a t am i n i n g i na p p l i c a t i o no fs t a m p i n gp r o c e s sd e s i g nt oe x p e r i m e n td a t ai sp r o v e i lb yp r a c t i c e m e a n w h i l e ， d u r i n gs t u d yo nd i s c o v e r i n gk n o w l e d g ef r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o nd a t ab yd a t am i n i n g ，t h ep a p e r a l s ou s e st w oc a s e st oe x p l a i na p p h c a f i o no f d a t am i n i n g t h eo n ei ss p r i n gb a c ka n a l y s i sd u r i n gu s h a p eb e n d i n g t h eo t h e ri sn u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a s e sa n a l y s i so fi n n e rd o o rp a n e lo fa u t o m o b f l e t h ea l g o r i t h m so fd a t am i n i n gd e s i g n e di nt h ep a p e ra r ea p p l i e dt ot h e w i t ht w oc a s e s k n o w l e d g e d i s c o v e r yf r o mn u m e r i c a ls i m u l a t i o nd a t ai sr e a l i z e d k e y w o r d s ：s t a m p i n gp r o c e s sd e s i g n ，d a t am i n i n g ，i n t e l l i g e n td e s i g n ，r o u g hs e t , p r i n c i p a l c o m p o n e n ta n a l y s i s ，a r t i t i c i a ln e u r a ln e t w o r k , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：才劢兴歹皮 日期：z 7 年7z 月乙日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被套湄和稽阅。本人授权上海交 逶大学可以将本学位论文的全部黢部分内容编入有关数据淖进行检索，可以聚用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰。 ( 请在以上方框内打球”) 学位论文作者签名：杨；共力曼 日期：劾d 7 年，z 月碉 哟修尹 日期：7 年胁月7 日 第一章绪论 第一章绪论 人类社会经历了从农业经济时代到工业经济时代的发展，而今正进入一个崭新的时代一 一知识经济时代。作为人类社会赖以生存和发展的基石、国民经济的支柱产业，制造业同其 它新兴产业一样不可避免地受到这两股变革力量的推动，发生了翻天覆地的变化。为了适应 以信息和知识为特征的外部环境，各国纷纷制定并实施研究开发计划，“先进制造技术”便 应运而生【l 叫。基于知识的产品创新和相应的先进制造技术不仅成为知识经济的重要支柱， 而且还是最活跃的驱动因素【5 】。 与以机器资本为特征的传统制造不同，先进制造技术的重要特征是信息和知识，在生产 过程中，对信息和知识进行处理、加工的信息流成为与物流同等甚至更加重要的一个环节。 特别是对于设计阶段，透彻了解数据、信息如何在知识层次化结构中提升到知识并转化为决 策，将是判断企业创新设计能力的重要指标 6 - 7 ) 。 作为现代制造业的重要组成部分，冲压成形由于具有优质、高效、低成本等优点，其在 国民经济各个部门中，特别是汽车、航空、电子电器、仪表和日用品工业中得到极为广泛的 应用。冲压工艺设计能力的强弱、水平的高低，直接影响着新产品的开发和旧产品的更新换 代、关系着产品质量和经济效益的提高。同时作为现代制造业的一部分，冲压成形同样面临 着知识经济和智能技术的冲击，这些促使了传统设计方式的变革。 冲压工艺设计是一个基于经验和知识的创造性思维过程，进行合理的工艺设计是模具设 计和制造的基础，冲压成形时坯料上个部分的变形形态很复杂，而且各处的应力也很不均匀， 一个零件的成形往往需要通过拉深、翻边、修边等多道工序完成，由此给工艺设计提出了很 高的要求。传统的成形工艺设计通常是设计者根据书本中的规则和积累的经验，采用试错法 ( t r i a l - a n d - e r r o r ) 来实现。由于试错法通常会带来设备、材料和时间上的浪费，因此产品的 开发成本将显著增加，严重影响了企业的竞争力。在设计决策过程中，如何对所获取的信息 进行分析、综合，将其提取为知识，从而辅助和支持设计人员的决策，提升企业的创新能力， 已成为提高企业竞争力的一个迫切需要解决的问题。 近年来，随着计算机辅助技术( c a x c a d c a e c a m ) 应用的日渐成熟，设计人员不 再仅仅满足依靠以往积累的经验和知识进行工艺设计，集成化和智能化正逐渐成为冲压工艺 设计发展的一个方向。研究人员正在探讨如何利用人工智能技术，对原始设计、分析数据和 信息进行深层次的分析，提取工艺设计知识，支持冲压工艺设计。而且由于设计人员越来越 多地利用c a e 对设计进行精确评价和分析，人们获得设计、分析数据变得更加方便。这就更 加迫切需要挖掘隐藏在这些数据之后的更重要的信息和知识，反馈指导工艺设计，实现“设 计一验证一再设计”层次的提升。数据挖掘技术的诞生为解决和实现该目标提供了一种有效 的途径。顾名思义，作为人工智能学科的一个分支，数据挖掘主要研究如何从海量数据中挖 掘、提取潜在、有效的知识。 信息技术和人工智能技术是当前科学研究的前沿学科，也是目前最活跃的领域，而且目 前学科的发展趋势是多学科的交叉。如要提高设计效率和产品质量，缩短产品的开发周期， 提升企业基于知识的创新开发能力，非常有必要在冲压工艺设计中采用基于知识的智能技术 和数据挖掘技术，这既是工程设计发展的需要，又是当前学科发展的方向。 上海交通大学博士学位论文 1 1 现代制造业中的信息和知识 在以信息和知识为基础的“知识经济”时代，现代经济的特征正转变为将知识和信息作 为基本生产要素的经济。与此同时，各行各业几乎都受到这股变革力量的影响。在制造业， 知识经济和信息技术全面地转变着制造业生产模式垆叫“。 信息技术促进制造业的革命性变革。在传统的制造观中，企业的主要资源是人力和设备， 而在信息制造观中，信息资源也是企业的宝贵财富，构成制造系统的三大要素：物质、能量 和信息，信息这一要素迅速上升为制约现代制造系统的主要因素，并对制造业产生了实质性 的影响u 4 , t 5 。企业的制造过程是信息驱动的物质转变过程，企业对于市场信息、产品信息、 生产信息、质量信息、人员、设备及管理等企业运行的各方面信息都要进行收集、加工、存 储，从而形成了无所不在的信息流，贯穿生产经营的全过程( 图1 1 ) 。现代制造业加工、 处理信息，并将制造信息转化在原材料和毛坯上，提高其信息含量，使之转化为产品。 圈1 1 物质翻造观向信息制造观的转变 f i g 1 1t r a n s f o r m a t i o no f m a t e r i a lm a n u f a c t u r i n gv i e wt oi n f o r m a t i o n 一般而言，现代制造中的设计过程，包括了四个基本阶段：测量、整理、分析和行为四 个阶段。这四个阶段对应着从数据、信息、知识，到最后依据知识而做出决策，这一连串价 值提升的流程( 图1 2 ) 。数据价值的体现和判断，就是依照该数据作出决策的价值。在现代 制造中，企业的活动除了物质的转化过程，很大部分就是就是对数据的分析，将信息转换成 知识，进而形成决策，将信息和知识形态转嫁到产品内，提升产品价值。 肴 誉 秦黧 一 蠢錾毯0 目_ _ ? 熏灏囊誊荔黪等 图1 2 数据，信息、知识与决策的转变 f i g 1 2t r a n s f o r m a t i o no f d a t a ，i n f o r m a t i o n , k n o w l e d g ea n dd e c i s i o n 基于上述讨论，可以得出如下结论：作为以知识经济为推动力、信息技术为支撑的现代 制造业，产品设计和制造成为一个运用知识进行创造性活动的技术过程，其每一个环节都贯 穿着基于知识的活动。现代工程设计中，随着设计问题的规模和复杂度增加，设计是否成功 2 夔一 耋 第一章绪论 越来越取决于所应用的知识，尤其是新知识含量。而数据挖掘作为一种能够将数据和信息转 化为知识的新技术，将对传统智能设计产生变革，基于数据挖掘的工程智能设计正是面向现 代设计要求而产生、发展的新型智能设计方法。这也是本文将数据挖掘技术引入冲压工艺智 能设计的出发点之一。下面将讨论冲压工艺智能设计和数据挖掘的发展现状。 1 2 冲压工艺设计智能技术的发展 2 1 世纪制造业竞争的焦点是新产品的竞争，创新产品的开发是赢得竞争的关键所在， 而创新产品的竞争优势在于其所拥有的知识含量。冲压成形是一种对经验知识有很强依赖的 传统制造技术，它在全球制造业中占有十分重要的地位，直接影响着许多工业部门新产品的 质量、成本和生产周期。随着信息技术，特别是智能技术的飞速发展，传统的制造业获得了 很大的提升，如何将人类知识作为改造传统制造业的原动力已成为各发达国家制造业的重要 研究课题。自c a x ( 如c a d 、c a m 、c a e 、c a t 等) 和人工智能技术引入塑性成形领域 以来，传统的冲压成形工艺及模具设计与制造方法不断得到发展，并已为实践所证明【1 6 , 1 7 。 1 2 1 冲压工艺和模具设计 冲压加工工艺是许多塑性成形加工方法中应用最广泛而且具有悠久历史的加工方法。同 其它加工技术一样，冲压加工技术也是以生产实践为基础发展起来的。冲压加工具有生产率 高、尺寸精度好、重量轻、成本低和易于实现机械化与自动化等特点，在现代汽车、航空、 航天、仪表、船舶及家用电器等国民经济的各个部门占据十分重要的地位。 冲压加工的过程包括成形材料选择、成形件坯料制备、成形工序制定、模具设计、模具 制造、成形操作、后续处理等部分。由于成形过程的多样性和复杂性，多数情况下，成形工 序与工艺参数要通过多次试验才能确定。加工过程的控制、模具的设计和制造都直接影响到 产品的质量和成本。加工过程不当或模具设计不合理很容易造成产品出现破裂、起皱、回弹 或其它形状不良问题。为避免这类成形缺陷，通常需要修改成形工序与工艺参数或修改模具 形状，这导致企业生产成本上升和周期变长。在这个过程中，冲压工艺设计是最重要的一个 环节。实际生产中冲压产品形状、尺寸和精度要求各异，具体生产条件不同，但是工艺和模 具设计中的流程大致相同，可以概述为：收集工艺和模具设计必需的原始产品资料；产 品可成形性分析；确定合理的工艺方案、工序数和顺序；建立工序件模型；工艺缺陷 的预测和工艺方案的优化；模具可制造性评估；模具结构详细设计；成本的估计，如 图1 3 所示。传统的设计方法主要依靠定性分析和实际经验，是一个反复的研制过程，时间 圈1 3 传统冲压工艺设计 f i g 1 3c o n v e n t i o n a ls t a m p i n gp r o c e s sp l a n n i n gf l o w 3 上海交通大学博士学位论文 长、费用高 1 8 - 2 0 1 。随蓿工业化的快速发展，产品更新换代周期日益缩短，传统的设计方法已 不能适应现代工业的发展要求。 近年来，隧着计算机技术、图形学、力学、人工智能、工艺学的发展，计算机辅助设计 ( c a d ) 、计算机辅助工程( c a e ) 、计算机辅助制造( c a m ) 和计算机辅助工艺设计( c a p p ) 已经广泛应用予模具生产的各个环节，包括工艺方案设计、成形过程模拟、模其零件设计、 制造、检测和管理等。 1 2 2 冲模数字化与智麓亿设计 c a x 技术弓l 发的模具工业掰的技术孳命，使得冲模数字化和翅能化逐渐从概念走向应 用。新的思想、技术和方法不断融入冲模设计之中，推动着冲模数字化和智能化的发展，冲 模系统的功能不叛完善和强大。下文将对冲摸数字化粕智熊佬的发震历程俸一回鼷。 1 2 2 1 冲模数字化 早在2 0 世纪7 0 年代，h i t a c h i 、n i p p o n 电机、机械工程实验室、f u j i t s u 和松下电器公 霹的磷究人员在冲摸c a d 系统的耢究和应用上已经取得了一定的成果【2 l 哪l 。这时期的各类 系统利用基本的计算机图形设备和f o r t r a n 程序来提高模具设计的效率。几何信息一般 采瘸类a p t 语富壶入王输入。进入8 0 年代，一些醍究久员在通用c a d c a m 系统翦平台上 进行二次开发，产生了许多商用冲压模具设计c a d c a m 软件。如美国通用汽车公司依托 u g i i 平螽开发了s h e e tm e t a ld e s i g n 、p t m c h p r e s s 等板金和渖垂设计模块滞l 。霞本鑫立公司 开发的冲裁一弯曲级进模c a d 系统，该系统采用人工与计算机相结合的方法完成模具的设 诗玎。在诧时期，系统研究的核心仅仅在于凡何信惠的建立，计算祝只是俸秀模其设计中 一些计算的辅助工具。进入8 0 年代中期，出于计算机图形学的快速发展触发了新一轮 a 扫心涯的开发熟潮，出现了许多冲模设计c a d c a m 系统，如f a n u c 冲模a 国舵a m 系统、a u t o - t r o l 冲模设计系统、a d m sd i em a s t e r x i t o n gg r a p h 模具辅助设计系统、 p r o ，s h e e t m e t a l 、m e t a l c a d 和e x c 嚣s s & s 儆e r 系统等。这些系统以交互操作为燕，为 设计人员提供了大量的计算贫析功能，佧必设计人员的辅助工具以提高工作效攀。 c a e 的广泛应用是建立在c a d c a m 系统的基础上。在冲压加工工艺中c a e 的主要功 能是根据c a d 的模型，对_ 巾压产品成形过程进行数馕模拟，验证成形工艺的可行性，从两 达到保证产品的质量，减少试模时间和成本的翻的。翻前研究人员开发出大量的板料成形数 值模拟软馋，并在工业实践中褥刘广泛的应用。邋黑公溺的n 。m 。w a n g 和禳特公司憋 s c t a n g 等经过长期的探索，应用有限元方法对汽车行李箱盖的冲压成形过程进行了研究， 开创了汽车覆盖箨冲压成形谤真系统鹃疲瘸领域。蘧嚣众多学者在材料揍型、攀元类型、缺 陷预测、拉延筋模型和求解算法等数值模拟的关键技术方面展开了深入地研究。b a r l a t 和l i a n 掇出了正交各肉异馁的屈照准羹| j ，能够合瑾选缮述其有较强缓梅各蠢吴校金属的震服行为， 并且有效的模拟板料拉深成形过程中凸缘的塑性流动规律。c h u n g y e hs a 通过数值模拟发 现翼子檄的中心部位由于工艺设计