（材料加工工程专业论文）基于知识的汽车覆盖件模具标准件库的实现.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘摘 要要 汽车覆盖件模具是制造汽车车身的重要工艺装备，其设计制造周期的长短和质 量对新车型的开发周期、汽车产品的质量和竞争力有着直接影响。在汽车冲压模具 结构设计时，所涉及的零件除了凸模、凹模和压料圈等主要零件外，其他多为导套、 导柱等己经系列化的标准件，或者是诸如上、下模架等包含相同结构单元的典型件。 大量高效的使用这些标准件，可以减少大量的重复劳动，节约设计时间，降低成本， 提高汽车覆盖件模具设计与制造的效率。因此，在通用cad平台上进行二次开发建 立三维参数化汽车冲模标准件库，将是一条可行之路。 本文分析了现有模具设计中标准件库应用模具设计中面临的问题，回顾了cad 及基于知识工程（kbe）的研究现状。为了进一步提高汽车覆盖件模具设计中标准 件库的使用效率，采用面向功能技术、模块化技术，将知识工程应用到覆盖件模具 标准件库的设计中，提出了汽车覆盖件模具标准件库标准件件智能化操作向导系 统，对智能化操作向导系统的支撑技术、体系结构、组成、智能化原理及工作流程 进行了研究。 根据汽车覆盖件单动拉延模设计的相关经验和规则总结出设计知识与流程，完 成了知识的获取，建立了标准件库知识库。在此基础上，以 ug 为开发平台，以功 能为向导，结合框架、产生式规则、实例的混合知识表示及推理模式，建立了以知 识为基础的智能化的汽车覆盖件模具标准件库。该系统是一个针对汽车覆盖件模具 开发设计的专家系统，能够引导与协作客户端设计工程师逐步完成标准件的使用及 相关操作，从而缩短了覆盖件模具产品的设计周期，实现在覆盖件模具标准件使用 的智能化。 关键词关键词: 覆盖件模具 标准件库 面向功能 kbe 知识库 智能化操作 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract panel die is one of important technologic equipments in automotive body manufacturing. the design and manufacturing time and the quality of panel dies have direct effects on the development period, quality and competitive capability of new cars. the parts used in designing of automotive stamping die are usually serialized standard parts including guide-bush and guide-post etc or typical parts like upper die-set or lower die-set which have the same structural unit. efficient design of these standard parts can reduce the repeated work, save design time, decrease the cost and improve the design and manufacturing of panel dies. so it is a feasible way to build parameterized standard part library for punching die on the general cad platform. in this paper we analyzes the problems that the standard part library confronted in the design of automobile panel dies, presents status and trends of the research on cad and kbe are discussed. to improve the efficiency of the standard library in die design, the knowledge engineering (kbe) was applied to the standard part library design，the supporting technology, the frame work, the constitution, the intelligent principle and the workflow of the system, and design an intelligent operation wizard system for the standard part library was studied. the knowledge and the flow of design are concluded according to the relevant experience of design of the single action drawing dies of automobile panel, then the acquirement of the knowledge is completed and the knowledge library is built. on the development platform of ug, the hybrid knowledge method, which was based on function method and combined with frame, rule and case, was established. the frame structure and the implementing process have been described. this system is an expert system especially for the automobile panel dies, which can guide and assist design engineers to perform the standard part. as a result, the system shortens the design cycle and enables the intelligent operation of standard part library. key words: panel die standard part library function-oriented kbe knowledge library intelligent operation 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的来源、目的及意义课题的来源、目的及意义 汽车工业是全球制造业的支柱产业之一，在国民经济中占有及其重要的地位。 近年来，通过引进和消化吸收国外先进汽车设计和制造技术，我国的汽车工业得到 了迅速的发展。同时由于我国经济持续健康发展，消费者的消费能力不断提高，汽 车消费市场规模持续扩大。面对市场需求的不断变化，以及消费者差异化的购车需 求，各大厂商都加快了车型的更新换代速度。据统计，仅2006年就有40余款已开发 的汽车覆盖件模具标准件库系统，大多都是一个孤立的系统，独立于模具的结构功 能设计而存在。标准件没有继承模具主体设计时体现出来的设计意图，同时由于标 准件也包含覆盖件模具类型和典型结构方面的知识，标准件的设计只能交互完成。 这种状况导致了标准件设计过程中操作，对使用者的依赖性大。 新车上市，若是再加上改型改款车型，2006年的新车将会超过百款。为适应市 场需求，汽车制造商迫切需要加快新车上市速度，缩短新车研发及制造周期。 汽车覆盖件模具的设计制造是汽车制造业的核心技术之一，也一直是制约我国 汽车工业发展的一个瓶颈环节。在这方面，我国与工业发达国家相比还有相当大的 差距。究其原因，一是设计制造周期太长，二是制造质量和可靠性较差1。特别是 覆盖件模具设计制造周期长，这是汽车生产厂家所无法接受的。全国各大汽车公司 每年耗资十几亿元采购海外模具，成为国产整车制造成本居高不下的主要原因之一 2。 我国汽车工业起步较晚，虽然经过数十年的努力，我国汽车工业有了长足的发 展， 覆盖件模具行业也不断与发达国家缩短差距。 计算机辅助设计与制造(cad/cam) 逐渐在我国覆盖件模具行业中的运用和普及,有力的促进了我国汽车工业的进一步发 展3。 现代模具产品中标准件的比例非常高, 据统计，平均每套模具中有 40%60% 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 的零部件为标准件或具有一定的固定结构4。随着模具零件标准化技术的发展,标准 件在模具零件中的比例将更高。标准件的重复设计、造型,不仅浪费了大量的人力、 物力,更限制了模具设计人员的创造性。因此，抽取零部件的标准结构，选定尺寸系 列优先值，建立标准模架和标准件库，对于快速绘制模具装配图及拆分零件图，缩 短设计周期具有重要的意义5。 近年来，计算机软硬件技术、计算机图形系统、人工智能技术、板料成型理论 的发展和交叉集成开创了计算机辅助设计、计算机辅助制造和计算机辅助模拟技术 （cad/cam/cae）进行覆盖件模具设计的新领域。随着kbe技术的发展， kbe 技术开始运用于覆盖件模具的设计，并取得了良好的效果6。 1.2 国内外相关技术研究状况国内外相关技术研究状况 1.2.1 覆盖件模具生产制造的发展概况覆盖件模具生产制造的发展概况 早在60年代初，国外一些汽车制造公司就开始了模具cad的研究。这一研究开 始于汽车车身的设计，各大汽车公司都开创了自己的cad/cam系统，并将其用于 模具设计和制造8。目前，世界著名的汽车公司都有自己的覆盖件模具cad/cam系 统。福特公司于80年代初就着手cad/cam系统的规划，福特公司90年代全面实现 了产品开发的cad/cam，应用可达1009 。 ford公司的cad/cam系统包括模具 的cad/cam部分，取代了人工设计与制造，设计方面采用人机交互和三维图形处 理、工艺分析与实际计算等工作10。通用汽车公司应用cad/cam技术的情况与福 特公司比较类似，经过二十多年的不断发展，用于汽车模具的cad/cam系统已趋 成熟1114。其自行开发的用于模具型面设计的cgs系统、cadam公司的cadam 系统、eds公司的ug(unigraphics)系统，构成了通用汽车公司三维cad/cam的数 据库基础。该公司还开发了用于评价设计结果的gmform系统，以及对从实验模 具的塑料工艺模型上获得的曲面数据进行光滑处理并自动生成曲面的autoshape等 子系统15，16。 此外，其他国家汽车行业的cad/cam应用也取得了很大的成功。日本丰田汽 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 车公司很早就应用cad/cam技术于车身工程17，18 , 1989年丰田公司正式推出汽车覆 盖件模具cad/cam系统，即dieface-cad软件19。 2003年eds公司在ugnx1.0版本以后推出了模具工程（die engineering）和模 具设计（die design）两个模块，分别用来做汽车覆盖件的冲压工艺设计和模具设 计，从而开辟了覆盖件模具设计的新思路20。 与发达国家相比，我国的cad技术的研制工作起步较晚。我国模具cad/cam 的研究开发工作始于七十年代末，发展也很迅速。在覆盖件模具的设计制造中应用 cad/cam技术的尝试始于八十年代中期，一汽、东风汽车公司等相继购买了一些 商品化系统，如cadam、catia、duct、ug等，应用的领域首先从cam开始， 并逐步向cad发展。 东风汽车公司模具厂于1986年开始了cad/cam的应用21。1987年底实现了大 型覆盖件修边冲孔模的数控加工。随后，大型拉延模型面的数控加工也试验成功， 并应用于生产。“八五”期间应用cims单元技术22，使模具的设计制造水平又上了一 个新台阶。1998年该厂又从美国引进了ug软件，在该软件平台上开发模具结构设计软件， 并致力于cad/cam集成。 第一汽车集团公可的cad/cam也有一个良好的开端23。1985年，从美国引进 了cadcam 系统，已经积累了经验，培训了人员，并在产品设计中得到了应用。 1994年，又从美国引进了当前最好的图形工作站从法国、美国引进了当前最好的 cadcam 系统，即euciid和pro/engineer，以及最好的cae软件系 nastran、patran 和adams。 迄今为止，还没有一个汽车公司在市场上选用一个cad/cam 软件系统就能满 足自己的全部需要的情况，正确的方法，是购入cadcam 的主导软件，并在此 基础上救二次开发，以满足自己公司的需要24。 1.2.2 汽车冲压模具汽车冲压模具 cad 中存在的主要问题中存在的主要问题 目前国外汽车冲压模具cad/cam技术的发展已经进入实质性的应用阶段，不 仅全面提高了模具设计的质量，而且大大缩短了模具的生产周期。近些年来，我国 在汽车冲压模具cad技术的应用方面取得了显著的进步，但依然存在着一些问题25， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 26。主要表现在以下几个方面: (1)设计效率低。由于我国cad 技术起步较晚， 专业人员水平低，既懂专业又 熟悉cad/ cam应用软件技术的人员相对缺乏，因而自我开发能力差，自主开发的 cad软件质量不高。可靠性差，设计效率低。 (2)标准化程度低。由于各行业、各企业都有自己的标准，各模具生产厂家之间 没有形成一定的设计、制造规范，因而造成现有汽车覆盖件冲模cad系统的标准化 程度都比较低。 (3)现有cad软件专用性不强。目前国内自主开发的cad软件较少，而多数厂 家引进的国外先进软件多为通用型软件，未经针对性的二次开发，专用性差。 (4)开发手段比较落后。汽车覆盖件冲模cad技术的开发手段比较落后，开发的 cad系统在质量、可靠性上难以保证， 开发周期长。 1.2.3 当前国内外标准件库现况当前国内外标准件库现况 在实际需求的不断推动下，标准件库应用系统的开发作为cad应用的一项重要 技术得到了广泛重视和研究。国内外在标准件库应用系统方面开展了大量研究工 作，并取得了一些成果。 目前，企业运用的标准件库主要为二维标准件库和三维标准件库。 (1)二维标准件库。 国内二维标准件库建库的工作已经开展了很长时间，并取得了丰硕的成果，在 不同的二维cad平台上建立了一大批技术成熟的系统。这些系统按照平台的不同可 以分为两类，一类是基于autocad平台27，28，还有一类是基于自有版权的cad平 台29，30。其中绝大部分系统都是基于autocad平台,只有少部分基于自有版权 cad。这两类系统经过长时间的客户使用和再开发过程，都己经比较成熟，可以满 足大部分制造企业的要求。 (2)三维标准件库 目前，在普及和使用二维 cad 系统的基础上，企业已经使用三维 cad 系统 作为其主要设计平台，并将大数的装配设计和仿真工作转移到三维 cad 平台31。 由此，三维标准件库作为三维 cad 最重要的附属产品，它的需求量也日益增大。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 三维 cad 的产品很多，从常见的中高端产品如美国 ug、pro/e、catia，低 端产品如 solidworks 等。虽然某些三维 cad 软件业提供自己的标准件库，但他不 会也不可能兼顾到具体某一行业的方方面面，同时也面临不同国家、不同行业标准 不同的问题。 国内三维标准件建库的工作已开展了一段时间，取得了一些成果，在多个三维 cad 平台上建立了标准件库。如 ug、pro/e、catia、mdt、solidworks 等 cad/cam 系统上开发了标准件库3236。这些已开发的汽车覆盖件模具标准件库系 统，极大的方便了汽车覆盖件模具的设计，提高了设计效率，但也存在着一些问题。 标准件的设计只能交互完成。这种状况导致了标准件设计过程中操作，对使用者的 依赖性大。 1.3 汽车冲压模具汽车冲压模具 cad 发展趋势发展趋势 cad是一项划时代的新技术，而模具技术是20世纪下半叶制造业中发展最快的 技术之一。尽管我国政府历来十分重视模具cad的作用，而且许多研究人员也为之 付出了巨大的努力， 但目前模具cad的成果并不十分显著，尤其表现在汽车冲压 模具cad技术应用方面，这项技术的巨大潜力还未充分发挥出来。解决这个问题的 关键是提高模具的设计质量和效率，在提高模具设计质量和效率的途径方面，存在 着以下几个趋势。 1.3.1特征造型技术特征造型技术 特征是产品几何信息和非几何信息的载体，是零件或产品上重复出现的、具有 特定拓扑关系的一组几何实体，这些几何实体反映了工程人员习惯的思维方式，是 工程人员交流信息的共同语言，是推理决策的基本对象。 1.3.2 参数化造型技术参数化造型技术 参数化技术是采用参数预定义的方法建立图形的集合约束集，指定一组尺寸作 为参数使其与几何约束集相关联，并将所有的关联式融入到应用程序中，然后通过 对话框以人机交互方式修改参数尺寸，最终由程序根据这些参数及其变化顺序地执 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 行表达式来实现设计的方法。参数化设计过程中，参数与设计对象的控制尺寸有明 显的对应关系，通过参数化尺寸驱动完成对设计结果的修改。正是有了这种参数化 建模技术，才使得数据的改变在不同层次之间的传递具有唯一性和即时性。 1.3.3 模具模具 cad 的集成化的集成化37 模具cad的集成化就是从传统的设计方式向cad/cae/capp/cam 一体化方向 发展。模具设计是一个十分复杂的过程，需要综合运用设计建模、仿真分析、工艺 设计与制造等知识和工具。模具cad/cae/capp/cam一体化能够方便地将设计、 分析、工艺和辅助制造过程中信息的产生、转换、存储、流通管理等进行分析和控 制，将它们有机地集成在一起，这样有利于取得最佳效益。 1.3.4 模具结构通用化与模具零件标准化模具结构通用化与模具零件标准化 一般模具结构可分为典型结构和非典型结构两大类，而模具零件可分为标准件 和非标准件两大类。在模具设计中尽量采用典型模具结构和标准件，能极大地提高 模具设计效率，高模具设计的可靠性和规范化程度便于模具的生产和制造。 1.3.5 模具模具 cad 的智能化的智能化38 汽车冲压模具设计过程中，工程师的经验仍然是十分关键的因素，工程师通过 将成功的经验应用到模具设计中去，形成计算机中的知识库和智能库，生成专家系 统，在以后的设计工程中重复利用。 1.3.6 模具模具 cad 的专业化的专业化 未来的模具cad将走向更加专业化的道路。一些通用的软件由于其功能繁多、 专业性较差，己经不能满足大型模具cad的需要。更好的方法是软件公司与专业模 具厂商密切合作，开发专用性强的模具cad软件。如美国ptc公司与日本丰田公司 在pro/e软件基础上开发的模具型面设计模块prodieface等，这也是模具cad的 一个发展方向。对于国内的模具厂家来说，在引进国外先进cad软件(如ug. pro/e 等)的基础上，可以针对本部门产品的特点，利用cad二次开发技术开发专用的模 具cad系统。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 1.3.7 网络化网络化39 微机cad/cam系统发展的一条主要途径是网络化。 随着计算机技术的发展， “网 络就是计算机”已逐渐成为人们的共识。作为先进的设计制造方式，将能在网络上 组织设计，通过网络来共享设计资源，实现覆盖件模具的网上制造，整个网络和大 型、巨型计算机相连，可以解决更复杂的问题。 1.4 论文的选题和研究内容论文的选题和研究内容 二十世纪九十年代以来，华中理工大学模具国家重点实验室对覆盖件模具 cad/capp/cam作了大量的理论研究与实际应用。 在国家高技术研究发展计划 （863 计划）东风汽车公司cims应用示范工程中，开发了车身及覆盖件cad/capp/cam 系统，包括覆盖件冲压工艺设计、模具结构设计，建立了覆盖件模具的零部件库， 并采用大变形有限元法进行了覆盖件冲压成形过程模拟的研究，成功地模拟了发动 机罩等典型覆盖件的变形过程。所有的这些为本课题的开展奠定了很好的基础。 本文在已有成果的基础上开展进一步的研究与开发，主要研究工作如下： 1.进一步完善标准件库标准件、非标准件的建模理论，建立起功能齐全、形式 多样的标准件表达机制。 2.研究覆盖件模具的功能与结构实现，规范覆盖件模具的设计流程，并在此基 础上实现“功能结构”映射关系的知识化。 3.研究 kbe 技术的特点及覆盖件模具标准件知识的特点,实现覆盖件模具标准 件知识的知识化，建立覆盖件模具知识库。 4.建立基于知识的汽车覆盖件模具标准件库框架，实现标准件的智能选取、智 能生成和智能定位。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 2 基于知识的覆盖件模具标准件库实现方法的研究基于知识的覆盖件模具标准件库实现方法的研究 标准件库并不是一个简单的数据管理系统，不仅包含有普通的数据管理技术， 还牵涉到很多其它方面的关键技术，如标准件参数化与特征造型、kbe 技术、标准 件库的建模、标准件的功能及其结构实现等。 2.1 汽车覆盖件模具标准件建模技术的研究 汽车覆盖件模具标准件建模技术的研究 建模技术是cad的核心技术，建模技术的研究、发展和应用就代表了cad技 术的研究、发展和应用40。参数化造型技术和特征造型技术是新一代智能化、集成 化cad系统应用研究的热点理论,也是汽车冲模标准件建模的基础理论依据， 对零 部件的建模和系统的设计起着指导性作用。 2.1.1 参数化造型技术参数化造型技术 参数化设计是新一代智能化、集成化 cad 系统的核心内容，也是当前 cad 技 术的研究热点。参数化技术解决的是任意约束情况下的产品设计问题41，42。参数化 设计技术以其强有力的草图设计、尺寸驱动修改图形的功能，成为初始设计、产品 建模及修改、系列化设计、多种方案比较和动态设计的有效手段。 参数化技术一般是指设计对象的结构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺 寸的关系。参数的求解较简单，参数与设计对象的控制尺寸有显式的对应，设计结 果的修改受到尺寸驱动。变量化设计是指设计对象的修改需要更大的自由度，它通 过求解一组约束方程来确定产品的尺寸和形状。约束方程可以是几何关系，也可以 是工程计算条件。变量化设计结果的修改受到约束方程的驱动。事实上，我们现在 所用的参数化技术就是改造后的变量化技术。 参数化技术解决的是任意约束情况下的产品设计问题，不仅可以作到尺寸驱 动，亦可实现约束驱动，即由工程关系来驱动并改变几何形状。 正是因为参数化技术可以做到尺寸驱动的特性，这一技术在标准件建模中得到 广泛的应用。对于系列化的标准件，可以建立其参数化模型，在标准件设计时就可 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 以通过尺寸驱动，得到标准件的一个实例。 2.1.2 特征造型技术特征造型技术 特征是 80 年代中后期为了表达产品的完整信息而提出的一个概念，它是对诸 如零件形状、工艺和功能等与零件描述相关的信息集的综合描述，是反映零件特点 的、可按一定的规则分类的产品描述信息43。描述特征的信息中，除表达形状的几 何信息及约束关系信息外，还包括材料、精度等制造信息等。 特征可以有不同的分类方式，比如按几何形状分类、按产品开发过程分类、按 制造方法分类、按产品定义数据的性质分类等。特征一般可以分为形状特征、精度 特征、技术特征、材料特征、装配特征、有限元特征、制造特征等。其中最重要的 是形状特征，其它特征通常作为一种产品的定义的数据和操作方法附加到形状特征 上，作为形状特征的属性和映射。 特征造型技术用于标准件的建模，可以在标准件形状建模的基础上，附加标准 件的名称、材料、规格和购买方等信息，这些信息可以用于后续的设计过程，特别 是在自动生成材料明细表时能自动提到这些信息。 在基于特征的标准件建模中，用户自定义特征得到广泛的应用。在标准件建模 中可将设计中的常用结构用标准特征或以其它方式构建的特征进行组合建立用户自 定义特征（udf, user defined feature） 。利用用户自定义特征可以减少零件设计过 中特征之间的互依赖性，避免设计的不规范问题，将自定义的特征综合起来成为功 能更全、意义更完整的设计单元。这样，在自定义特征中可预先设定变化的参数， 使复杂的特征彼此间有更好的独立性，并使某一行业的设计人员可充分利用已有的 自定义特征，而不必进行大量的重复工作，既可以实现本企业特定的设计风格，又 可使设计历程与零件族和谐一致，以便实现快速设计。有些简单的标准件也可以建 立成一个用户自定义特征。 自定义特征主要由创建特征、修改特征和基准特征组成。 创建特征指通过一系列属性和约束，从草图中生成新的特征元素。草图可由变 化的参数和尺寸来约束。草图所在的平面可以是一个实体的面或有空间约束的基准 平面。草图在草图平面中的位置可以由已存在的几何元素为参考进行约束。最后， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 通过对草图的拉伸和旋转等操作创建几何实体，这个实体可通过去除材料和添加材 料来修改已存在的几何特征。 修改特征指对点和边作局部修改的倒角或到圆。通过制定要修改的边或点，并 给定修改属性如倒角偏执长度、倒圆半径进行修改。 基准特征是一个构造点、线或平面。这些特征的位置有一系列空间约束制定。 其目的是为了直观的放置创建特征，而无需复杂的坐标系计算。 自定义特征的设计者提供给终端用户的是一个功能完整的独立的特征单元，特 征内部的结构对于用户是不可见的，用户只需要根据特征界面提供的信息去使用特 征。因此，设计者需要对自定义特征进行封装，提供一个良好的接口界面。接口包 括标识特征的名字和一系列参数，参数又可分为变量和基准参数。 基准参数指附着特征时所使用的几何参照，即特征必须有一个类似“根”的集合 作为参照，系统才能由此计算生成想要的实体。基准一般为点、曲线、实体边或平 面（基准平面或者实体平面） 。系统默认的变量名和参数名是一般性的概念，如 r1、 p2、curve1 等。这些名称不便于用户识别，因此设计人员除需制定合适的接口参数 外，还需要给出明确的名称。 自定义特征的建立在已定义好的几个特征基础上，通过 fileexportuser defines feature 将其导出成自定义特征，主要包括：自定义特征库名称、相关视图 图形、需要选取的基本特征、特征的附着基准、需要进行变化的几何尺寸。 2.2 标准件建模实现方法的研究标准件建模实现方法的研究 2.2.1标准件的建模原则标准件的建模原则 （1）标准件应采用参数化设计，标准件的主要参数实现全参化，使用特征造 型技术，实现标准件的参数化、特征化。 （2）每个标准件都应有一个中心基准（如基准点、基准轴或基准面，主要是 使用三面基准） ，建立标准件时，坐标系（相对坐标系和绝对坐标系）应该在标准 件的对称中心位置。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 （3）特征数应尽量少。特征间尺寸用关系表达式来表示。将特征参数分为主 要参数和次要参数，用主参数去控制和约束次要因素。 （4）每个标准件应在菜单装配(assemblies)中设置“参考集(reference sets)，调 出时仅显示特征实体(solid)。 （5）对于一个由几个标准零件装配在一起而组成的标准部件，要注意建立标 准部件内各个标准零件之间的参数传递，即建立各个标准零件之间的尺寸链接关 系，并用一个主要的标准零件去控制和约束他的次要标准零件。 2.2.2 标准件建模的实现方案标准件建模的实现方案 目前，标准件的建模方法最常用的就是参数化特征建模技术。在参数化特征设 计中，首先必须建立参数化的几何模型，主要考虑的是几何关系和拓扑关系。在基 于特征的三维造型中，参数化建模是根据特征和几何形体的生成过程，将特征造型 和参数化处理融合在一起来实现。为了有效地降低参数化的复杂程度，一般将基于 特征造型的三维参数化处理方法分解为单个特征的参数化和特征之间的约束参数 化。 单个特征的参数包括特征的二维轮廓草图几何参数和特征生成参数，前者可沿 用二维参数化技术对其处理，后者比较简单，主要是指拉伸特征的拉伸长度、切除 深度、圆角半径等生成特征的定义参数。下面主要讨论特征之间的参数化。在特征 造型过程中，特征是通过基准特征(基准点、基准轴和基准平面)定位的，也就是说， 特征间的约束关系体现在基准特征的确定中。因此，特征之间的参数化则可通过它 们的基准特征之间的约束关系求解来实现。 特征之间的约束有几何约束和尺寸约束两种。几何约束定义零件几何元素或特 征之间拓扑关系，尺寸约束则定义了特征定形几何参数或特征之间定位几何参数。 特征间的几何约束类型有如下几种：平行、相交、垂直和共面，点位于轴上，点、 轴位于平面上等，具体的软件可能名字不同，如 ug 描述几何约束的有水平、垂直、 共线、全等、同心、相切等。尺寸约束又分两种形式：赋值约束和判断约束。赋值 约束是等式关系，计算出右边表达式的值赋给左式中的参数。判断约束是不等式关 系。赋值约束解完后处理判断约束，若有判断约束不能满足，则要将相关的赋值约 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 束提取出来，交设计者调整后重新求解，直至约束全部满足。尺寸约束求解必须在 满足几何约束的条件下进行。通常情况下，很少改变特征之间的几何约束，只是通 过改变特征草图生成平面中草图位置和形状的尺寸约束或者是特征尺寸数值来改变 零件的形状。 表达式是ug建模中实现参数化建模的关键技术。ug的表达式功能非常强大， 可以内置函数、内置规则（条件等式）。将ug的表达式功能与实例、参考集等相 结合，可以实现标准件拓扑结构的智能控制。图2.1所示为ug系统表达式输入界面。 图 2.1 自定义参数表达式 2.2.3 基于功能的标准件库多零件建模基于功能的标准件库多零件建模 覆盖件模具的标准件往往按其实现的功能分类，如导向零件、限位零件、定位 零件等。因此对于标准件，可以按功能对标准件分类建模。在标准件建模时，如果 单单对覆盖件模具的标准件进行单个零件的参数化建模，则设计时对于实现同样功 能的多个标准件，需要多次输入和装配，大大降低了设计效率。另外，很多工作零 件上的特征会与标准件相关，如导板安装台和导板、平衡块的安装台和平衡块，后 者是标准件而前者是与之存在尺寸关联和装配关系的铸件上的标准结构。如果将二 者分开生成，不仅降低了设计效率而且不利于关联设计和实现参数化。作者用功能 组件的概念代替标准件，则可以完全解决这一问题。 覆盖件模具的总体功能可以分解为各子功能，如何完整地表达一个功能成为真 正实施面向功能设计的关键。一个零件可以实现一个子功能，比如一个定位销实现 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 定位功能，而一个由导柱导套实现的导向功能却是由导柱和导套组合实现的，显然 单一的零件和子功能之间并不是一一对应的关系，因此引入组件的思想来表达子功 能是有必要的44 。 功能组件除了要含有上述几何信息外，还应该有一些功能信息，用于后续装配 的预定义信息，表达该功能组件的功能属性，以及指明哪部分是虚零件。图2.2给 出了功能组件信息组成的用户视图。 一个功能可以有几个不同的组件实现，但一个功能组件只实现一个功能。以实 现导向功能的功能组件为例来说明。实现导向功能的功能组件有导板组件、压板固 定式导柱合件、装配式导套导柱合件等。有些组件只有一个零件所组成，比如定位 销。 如何在功能组件中包含相关几何特征，从而保持设计一致性，是首先必须解决 的问题。由于有些相关几何特征，比如安装孔，不能直接把其定义在功能组件上。 为此，把相关几何特征定义为功能组件的虚零件，在功能组件调用时就在基零件上 生成对应的虚零件，最后通过布尔运算，生成基零件上的相关几何特征，并给相关 几何特征赋予相应的功能属性。这种方法有效地解决关联设计的问题。 图 2.2 功能组件的信息组成 图 2.3 是由子装配构成的拉延模平衡块功能组件。平衡块功能组件包括平衡块、 平衡块安装螺钉、虚零件 1、虚零件 2。其中，虚零件 1 是带螺钉孔的平衡块安装 功 能 组 件 指明虚零件 子装配体 零件 特征 功能类别 虚零件相关几何特征 几何信息 后续装配的预定义 功能信息 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 台，虚零件 2 是与平衡块配合的上配合凸台。经过分析，螺钉和螺钉孔特征对无图 纸生产没有什么实际的指导意义，按照尽量简化的原则，可以将其从功能组件中删 除。而对于虚零件 1 和虚零件 2，根据功能组件的原理转换成相关几何特征 1 和相 关几何特征 2。经过简化和转换，得到了图 2.3 中右侧的拉延模平衡块功能组件。 当调入该功能组件时，导向功能的实现过程如下： 1）选择装配面将功能组件装配到目标对象中。 2）通过布尔运算，将相关几何特征 1、2 分别与基零件“并”在一起，从而形成 所需的结构。 在组件中包含功能信息，即实现了将功能结构映射关系融入到组件中，不再 需要另外提供功能结构映射表。通过功能信息就可以找到实现这些功能的组件， 通过组件也可以询问到其可以实现的功能。相关几何特征的加入可以保持设计一致 性并避免装配关系的冲突。 图 2.3 功能组件及其生成 以往在构建功能组件时，往往是单个建模后加到标准件库中。但是在覆盖件模 具中实现同一功能的标准件大多不止一个，例如，导板一般根据被导向零件的大小 要设计 4-8 块，如果导板组件按单个建模，则设计人员在使用时必须反复装配或输 入，而且这些操作都是重复性的工作，这样就大大的降低的设计效率。 为了解决这一问题，提高设计效率，可以在功能组件建模时就充分考虑设计时 功能组件的数量，按照设计原则和规律事先将功能组件按三维空间阵列的形式排 虚零件2 虚零件 1 相关几何特征 2 相关几何特征 1 平衡块 螺钉 平衡块 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 列，并记录下每个功能组件的空间位置。当设计人员调用该功能组件时，整个功能 组件阵列被输入，用户通过修改阵列的位置尺寸来将各个功能组件放到所需的位置 上，再通过修改功能组件的规格得到想要的结果。 阵列式的功能组件的建立要遵循以下原则： 1、要按照最大的数量建模，调用时可以将不需要的功能组件通过抑制的方法 去掉。 2、每个功能组件的位置和规格尺寸都要能单独可调。 3、为避免参数过多，要将功能组件按使用情况分类，如用于上模和用于下模 的导板组件，其情况是不一样的，将这两种情况下的导板组件分开建模可以简化功 能组件的使用。 图 2.4 所示就是拉延模导板功能陈列式组件。 图 2.4 单动拉延模导板功能阵列式组件 覆盖件模具一般都由模具端头、模架、模座、导向装置、安装装置、起重装置、 限位装置、冲切装置、成翻装置、定位装置、压退料装置、进出料装置、气动装置、 侧冲（斜楔）装置、弹性装置、紧固元件其中的一些零件以及覆盖件模具的工作件 组成。这些结构中有些是通用结构，在各类模具普遍使用并在多数情况下可以相互 替换，有些则是专用的结构，是根据不同的工序的要求选用的，所以每种模具甚至 每套模具都各不相同，但是可以总结出来一些典型结构。由于这里面有些典型结构 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 件在汽车冲模标准中已经标准化，其结构和几何参数已有明确的规定，因此对于它 们的设计，我们就可以通过建立标准件库来提高设计效率。 2.3 覆盖件功能到结构的映射覆盖件功能到结构的映射 对功能分解的最终目的是找到能表达这些功能的基本结构。产品的功能定义和 结构设计是决定产品的功能的两个主要阶段45，把这两个阶段的解的结果分别用集 合 f 和 s 表示，f 是功能集，s 是结构集，这个两个集合之间存在一定的映射关 系。一个功能可以由几个不同的结构实现，但一个结构只实现一个功能，功能和结 构之间存在一对多函数关系，如图 2.5 所示，其中 n1,n 为功能个数；m1，m 为 结构个数；f 是功能结构映射关系。 图2.5 功能结构映射表 在功能分解和功能结构求解的基础上可建立功能结构库和功能结构映射表。 功能结构映射表确立了功能和结构的对应关系。当要实现某功能时，通过查找功 能结构映射表，可结合相关模具知识从功能结构库中调入符合要求的功能结构， 图 2.6 所示为覆盖件模具功能结构求解示意图。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 图 2.6 覆盖件模具的功能结构映射关系 2.4 kbe 技术技术 2.4.1. kbe 概念概念 人工智能实际上是一门综合性的交叉学科和边缘学科。人工智能把知识看作智 能系统高级行为的关键，kbe 则是人工智能研究的热点。由于 kbe 技术的开放性， 世界各地不同的研究人员有不同的理解和描述。美国 ford 公司认为知识工程就是运 用知识完成工程任务，利用人工智能、信息技术和计算机硬件技术来解决工程问题 46。英国的 coventry 大学指出 kbe 就是基于产品模型、存储处理与此相关知识的 计算机系统47。欧洲面向 kbe 应用的方法和软件工程研究联盟认为 kbe 是计算机 辅助工程领域的一个进步，一种将面向对象方法、人工智能和 cad 技术三者集成 的方法48。ugs 公司认为 kbe 是获得智能对象或人造型的生命周期内的方法学， 是可以记录和重用工程设计规则的系统49。 2.4.2 kbe 中知识的表示中知识的表示 人工智能研究人员发现万能的逻辑推理体系至今没有创造出来并不是因为技术 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 不成熟，而是因为这种万能的体系从根本上说就是不可能的50。它最大的弱点就是 缺乏知识。在实际生活中，人是根据知识行事的，而不是根据在抽象原则上的推理 行事。即使就推理形式来说，它的主要技术是状态空间搜索，而在执行中遇到的主 要困难是“组合爆炸”51，52。事实表明，单靠一些思维原则是解决不了组合爆炸问题 的。要摆脱困境，只能大量使用理性的知识。 知识是人们对客观事物的认识，是人们在社会实践、生产实践和思维活动中对 各种信息进行处理、提炼而形成的各种对于客观事物规律性的认识，包括经验、事 实、公式、图表、规则、潜意识、元知识和数据等5。机械产品设计知识内容丰富， 形式多样，但决定企业生存和发展的还是企业工程师长期积累的设计经验和技能。 确保智能设计系统高效运行的知识主要有： （1）事实：事物的分类、属性、事 物间关系、科学事实、客观事实等，常以“是“的形式出现（2）规则：事物的 行动、动作和联系的因果关系只是，常以”如果那么“的形式出现。 （3）控制： 有关问题的求解步骤、技巧性知识，包括有多个动作同时被激活时，选择哪一个动 作来执行的知识（4）元知识：关于知识的知识，是知识库中的高层知识，指在复 杂问题求解过程中，用老集成、协调、控制和使用领域知识的知识。 这四种知识要素需要通过合理的描述方式，存储在知识库中，以便于有效的利 用它们解决领域问题。因此，人工智能问题的求解是以知识表示为基础的。如何已 获得的有关知识以计算机内部代码形式加以合理的描述、存储、有效的利用便是知 识表示应解决的问题。知识表示（knowledge representation，kr）是知识符号化并 传给计算机的过程，用给定的知识结构和解释所表示的知识的意义两部分53。同一 知识可以根据不同语义环境有不同的表示形式，产生不同的效果。常见的知识表示 方法如下： 1)基于规则的知识知识表示方法 产生式推理（production reasoning）是一种基于规则的推理，是使用最早、最 广泛的一种推理技术。产生式系统由“if 模式 then 操作”的规则形式捕捉人类间问 题求解的行为特征，并通过“认识行动”循环过程求解问题。其表现形式单一、直 观，有利于知识的提取与形式化。其求解过程符合人类的认识过程，且计算机容易 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 实现，有利于问题求解和专家系统的实现。 产生式系统主要由数据库、产生式规则和控制系统三部分组成，如图 2.7 所示。 控制系统 （推理机） 产生式规则 库 综合数据库 图 2.7 产生式系统 在基于产生式规则的系统中，存在着确定性的规则表示和不确定性的规则表 示。 确定规则表示形式如下： if (number parameter) len：300; (number parameter) width： 300; (number parameter) n1：if( len： 300) then 1 else 2; (number parameter) n2：if(width： 300) then 1 else 2; 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 22 3 基于知识的覆盖件模具三维标准件库设计基于知识的覆盖件模具三维标准件库设计 3.1 建立基于知识的汽车覆盖件模具标准件库的必要性建立基于知识的汽车覆盖件模具标准件库的必要性 3.1.1 建立标准件库的必要性建立标准件库的必要