（机械制造及其自动化专业论文）基于cbr的冲压工艺设计系统关键技术研究.pdf

摘要 摘要 随着电子、轻工、汽车等行业的发展，冲压产品使用量日趋增大，冲压模 具行业成为现代制造业的重要组成部分。冲压工艺作为冲模设计的灵魂，其设 计的结果直接影响模具的结构和冲压产品的质量。冲压工艺设计是工程师利用 知识进行的创造性的劳动，对知识和经验的要求很高。考虑到在设计过程中相 似的冲压件会存在相似的冲压工艺的特点，c a s eb a s e dr e a s o n i n g ( c b r ) 将会在 冲压工艺设计中显示出独特的优势。本文正是从这个实际需求出发，对c b r 在 冲压工艺设计领域的应用进行了研究。 论述了c b r 的基本原理、关键技术及冲压工艺设计的特点，阐述了研究基 于c b r 的冲压工艺设计系统的意义，分析了c b r 应用于冲压工艺设计的现状与 存在问题，引出本文的主要研究内容，奠定了本文的理论基础。 通过对基于c b r 的冲压工艺设计系统的分析，构建了系统的体系结构，建 立了系统的功能模型，明确了将系统实现中较为关键的两项技术：实例表示和 实例检索，作为本文研究的重点。 为提高实例表示的准确率和表示信息的完整性，并考虑到系统的操作效率， 提出了基于特征的实例表示方法，建立了冲压实例的信息模型，阐述了结合 i n v e n t o ra p i 的冲压件三维模型的特征自动识别方法，从三维模型中提取形状特 征等，并设计了系统的实例库。 本文研究了冲压件实例检索的特点和处理方法，设计出适用于冲压件实例 检索的基于相近邻法的综合特征匹配算法，分三个步骤完成检索运算。通过对 计算时间和检索结果的分析，证明本文提出的算法是准确且可靠的，并完成了 实例检索模块的系统设计。 通过开发基于c b r 的冲压工艺设计的原型系统。该系统对某一冲压件实例 进行了“实例表示一实例检索实例参考一冲压工艺设计一实例管理”的完整设计 流程，验证了本文对基于c b r 的冲压工艺设计的研究是切实可行且有效的。 关键词：冲压工艺，实例表示，实例检索，c b r ，i n v e n t o r a p i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c s ，l i g h ti n d u s t r y , m o b i l ei n d u s t r y , t h eb s eo f s t a m p i n gp r o d u c t si n c r e a s e s s t a m p i n gp r o c e s sd e s i g ni n v o l v e sm u l t i p l ea n dc o m p l e x f a c t o r s ，s oi ti sh a r dt od e s c r i b et h ep r o b l e me x a c t l yw i t hs y s t e mc a u s e - a n d e f f e c t m o d e lo rr u l em o d e l a n di ti sac r e a t i v ew o r kt h a td e m a n d sf o rk n o w l e d g ea n d e x p e r i e n c ei sh i 【g h t h i n k i n gt h a ts i m i l a rs t a m p i n gp r o d u c te x i s t ss i m i l a rp r o c e s s p l a n n i n g ，c b rw i l ld i s p l a yi t su n i q u ea d v a n t a g e s t h i sa r t i c l es t a r t sp o i n t sh e r ea n d r e s e a r c h e so nt h ea p p l i c a t i o no fc b ru s e do ns t a m p i n gp r o c e s sd e s i g na r e a t h ea r t i c l ed e s c r i b e st h eb a s i cp r i n c i p l ea n dk e yt e c h n o l o g i e so fc b r ，a n a l y z e s t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n ds t a t u so fs t a m p i n gp e o c e s sd e s i g n ，a n da n a l y z e st h es t a t u sa n d p r o b l e m so fa p p l i c a t i o no fc b r o ns t a m p i n gp r o c e s sd e s i g n b ya n a l y z i n gt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n to fs t a m p i n gp r o c e s sd e s i g ns y s t e m ， e s t a b l i s h e dt h ea r c h i t e c t u r eo fc b rb a s e ds t a m p i n gp r o c e s sd e s i g ns y s t e m ，s e tu pt h e s y s t e mt r u s s ，a n dt a k et h et w ok e yt e c h n o l o g i e so fc b rb a s e ds t a m p i n gp r o c e s s d e s i g ns y s t e m ：c a s er e p r e s e n t a t i o na n dc a s er e t r i e v a la st h ef o c u so ft h i ss t u d y t oe n h a n c et h ea c c u r a c yo fc a s er e p r e s e n t a t i o na n dt h ec o m p l e t e n e s so ft h a t i n f o r m a t i o n ，a n dt a k i n gi na c c o u n tt h es y s t e m so p e r a t i o n a le f f i c i e n c y , b r i n gf o r w a r d t h ef e a t u r e - b a s e dm e t h o do fc a s er e p r e s e n t a t i o n ，e s t a b l i s h e di n f o r m a t i o nm o d e lo f s t a m p i n gc a s e ，e x p a t i a t et h e a u t o m a t i o nf e a t u r er e c o g n i z i n gm e t h o df r o m3 d e m e n s i o ns t a m p i n gp a r t sb yi n v e n t o ra p i ，a n dd e s i g n e dt h es y s t e md a t a b a s e t om a k eg o o du s eo fn e i g h b o r - n e a r e s tm e t h o dt oc a s er e t r i e v a l ，d e v e l o p ea n e i g h b o r - n e a r e s tb a s e dm e t h o df o rc a s er e t r i e v a ls u i t e d f o rs t a m p i n g p a r t c a s e r e t r i e v a la n dd e s i g n e dt h em o d u l eo fc a s er e t r i e v a l ac b r - b a s e ds t a m p i n gp r o c e s sd e s i g ns y s t e mw a ss e tu pt ov e r i f yt h er e s e a r c h r e s u l t s ，t h i ss y s t e mf i n i s h e st h ep r o c e s sd e s i g no fa nt y p i c a ls t a m p i n gp a r ta n d v a l i d a t et h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e ri sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e k e yw o r d s ：s t a m p i n gp r o c e s s ，c a s ep r e s e n t a t i o n ，c a s er e t r i e v e l ，c b r ，i n v e n t o ra p i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 曰 口1 弧卧 嫡哆 tii_ll，】叶i列1 年 绦 矿 签者作文沦 位 学 同济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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 旁f 丽民 妒j 年 f 口) 月门日 f 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 冲压产品被广泛地应用于机电、轻纺、汽车、仪器仪表、家用电器等领域。 冲压技术已成为国防工业及民用工业生产中必不可少的加工方法，在现代工业 生产中占有十分重要的地位【l 】。随着工业生产和科学技术的发展、市场需要的 增加以及产品更新换代速度的加快，产品生产正向复杂、精密、多品种、高质 量和交货期短的方向发展【2 】，各企业间围绕着时间、质量和成本的竞争越来越 激烈。如何在新的形势下高质、高速地完成冲压工艺的设计，是相关企业所面 临的难题。 冲压工艺设计是连接产品设计与产品制造之间的桥梁，它对组织生产、保 证产品质量、提高劳动生产率、降低成本、缩短生产周期及改善劳动条件等都 有着直接的影响，因此是生产中的关键工作【3 】。长期以来，传统的工艺设计是 由工艺设计师逐件设计的，因此工艺文件的内容、质量和编制时间主要取决于 工艺师的经验和熟练程度，从而导致工艺文件多样性，设计时问长和质量不易 保证【4 】；冲压工艺设计是工程师利用知识进行的创造性的劳动，要求设计人员 有丰富的生产经验【5 】，对设计人员的领域知识和解决问题的技巧要求都相当高； 在设计过程中虽有一定的指导性理论，但是涉及因素多而复杂，设计经验知识 有很大的模糊性和不确定性，无法采用因果模型或规则系统对问题进行完整描 述【6 】：如何持久化以往的设计经验和设计成果等宝贵的企业资源，一直是企业 非常关心而且迫切希望解决的问题。 考虑到在冲压工艺设计过程中，相似的冲压件会存在相似的冲压工艺的特 点，有效地重用以往的设计和他人的设计【7 】，将会对开发效率的提高以及产品 设计周期的缩短起到重大的作用。同时设计者在接到设计任务时，往往也会回 忆设计过的类似产品，在此基础上作出修改与创新，从而获得新设计的理想结 果。c b r ( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ) 作为人工智能的一种推理技术岱】，它的基本 第1 章绪论 原理就是把以前的实例按照一定的方式组织起来，存储在知识实例库中，即直 接模拟人类思维模式，利用相似实例的解来求解当前问题，当被检索出的事例 与新问题相似但不一致时，可在旧的实例基础上做适当的调整和修改，以满足 新的情况并获得问题的解，其解决问题的方法与以经验设计为主的工艺设计过 程极为相似【9 】。c b r 提供灵活的机制，使用户充分利用以往的成功经验，且易 于变化和更新【1 0 1 ，将会在冲压工艺设计中显示出独特的优势。 由此可以看出c b r 在冲压工艺设计领域的运用具有很好的方法基础和实 际意义【1 2 1 ，建立一个智能化的冲压工艺设计系统，对减少工艺设计的时间和费 用，提高设计人员的设计效率和技术水平、降低产品生产制造成本、缩短生产 周期、提高产品质量等方面有着积极的意义【j 。 本课题来源于“十一五”科技支撑计划“行业专业应用软件开发基于知识 的冲压工艺及模具设计系统开发”( n o 2 0 0 6 b a f 0 1 a 4 3 ) 。 1 1 2 研究意义 冲压工艺设计是一个技术性和经验性很强的工作。c b r 支持经验本身的描 述和记忆，相对于基于知识和规则的推理技术，具有很强的扩充性和自适应性， 这对很难用知识或规则表达的冲压工艺设计非常合适。应用c b r 的实质就是根 据新问题的描述，从以往的实例经验中找到与新问题类似或完全相同的解决方 法，对成功的实例加以利用和修改，得到新问题的解。 本课题对基于c b r 的冲压工艺设计系统中的关键技术进行了深入研究。该 系统囊括了包含知识和经验的各种实例，能够为设计者提供智能的辅助，实现 冲压工艺实例表示，检索出目标冲压件的相似实例，在相似实例的基础上加以 改进，设计出具有专家水平的冲压工艺。基于c b r 的冲压工艺设计系统可以借 鉴以往成功设计的范例，提高冲压工艺设计的智能化程度，提高设计的可靠性、 设计效率和合理性，主要表现在以下几个方面【乃。15 j ： 从人类认知心理学的角度出发，c b r 更符合工艺设计人员的思维过程， 因为工艺人员在设计工艺时，总是首先考虑以前的设计实例，找出相似工艺设 计方案并对其进行修改，以获得新的工艺实例。 将传统的构造式设计变为修j 下式设计，充分利用以往成功的工艺设计实 例，有利于克服冲压设计本身存在的不足，缩短企业新产品的工艺设计周期， 2 第l 章绪论 提高工艺设计的效率，同时减少工艺设计过程中的人为错误，提高设计的正确 性。 利用实例库将设计知识保存下来，适用于规律较难发现、 的冲压工艺这类领域，实现弱理论的冲压工艺实例的有效管理， 量的行之有效的工艺方案。 新的工艺设计结果都可以存入工艺实例库，扩充了知识， 利用和保护企业现有的工艺知识，使知识与经验得以继承。 知识较难总结 为企业积累大 不仅可有效的 从提升企业竞争力的角度看，c b r 可有效缩短设计周期，提高设计质量， 降低成本，从而实现快速响应设计与制造。 将c b r 技术引入冲压工艺设计领域，对设计经验的合理组织和重用、缩短 工艺设计周期、提高设计效率、推动冲压工艺设计的发展有着一定的实用价值。 此项研究是c b r 在冲压工艺设计领域内应用的一次深入的实践，同时也为c b r 在其他领域的应用积累经验。因此，研究开发基于c b r 的冲压工艺设计系统是 具有理论价值和实际应用价值的。 1 2 基于c b r 的冲压工艺设计技术现状 1 2 1c b r 技术 1 2 1 1c b r 概述 c b r 来源于对认知科学的研究，是人工智能发展过程中涌现出来的区别于 基于规则推理( r u l e b a s e dr e a s o n i n g ，r b r ) 和基于模型的推理( m o d e l b a s e d r e a s o n i n g ，m b r ) 一种推理模式【1 6 】。它是通过访问知识库中过去同类f q 题的求 解，从而获得当前问题解决的一种推理模式【1 7 1 1 9 7 7 年s c h a n k 和a b e l s o n 提 出的概念依赖理论以及脚本的知识表示法被公认为c b r 的起源一j 。j a n e t k o l o d n e r 以此为基础，开发出名为c y r u s 的c b r 系统【l8 1 ，从此c b r 理论突 破了认知科学的理论框架，开始走向人工智能领域的研究和应用。 二十世纪7 0 年代术8 0 年代初期的c b r 系统或是体现c b r 系统的程序， 其情景记忆模型模拟研究的对象主要针对自然语言领域。8 0 年代后期以来，随 着c b r 技术逐步成熟和推广，涌现了大量的c b r 系统，广泛应用于机械、电 子、冶金、医药、化工、军事等领域9 1 。c b r 在现实社会生活中的应用前景广 第1 章绪论 一圈t 罴、幂一 荚钶馕庆、芎矽筮霉+ 1 相似实例l li98 由卤 4 第l 章绪论 1 2 1 3c b r 关键技术 c b r 的关键技术包括实例的表示、实例库的组织、实例的检索以及实例的 修正与保存等【2 6 1 ，目前关于c b r 系统的实现一般都围绕以上关键步骤进行。 ( 1 ) 实例表示 实例表示是关于如何描述事物所作的一组约定，是知识符号化的过程。它 将实例的特性知识转变为计算机可以识别的符号知识【2 7 1 。在c b r 中，实例表示 是实例推理技术的基础【2 引，是实例检索的前提，一个合理的、一致的以及有效 的实例表示方法是必须的。实例表示与检索、修改等过程有着紧密的联系，因 而直接关系到推理的效率和解的优劣。 实例表示的内容包括两部分【2 9 】：问题的描述部分和问题的解决方案部分， 其中问题描述部分主要用于实例的分类标志，实例的相似性匹配和相似性检索。 问题的解决方案部分是一个实例成功的解决方案，主要用于解决当前存在实例 问题。实例表示的形式有：剧本、框架表示法、文本方式、因果图、数据库等， 表示的内容有图片、声音、影像等。 实例表示的方法有两个特点【2 7 】：实例表示的方法因实例描述对象以及应 用环境的不同而表现出多样性，具体方法选用应以是否能对问题进行完备表述， 有利于检索、修改和实例库的维护为标准；多种方法的混合使用可以弥补采 用单一方法的不足，是实例表示的趋势。 ( 2 ) 实例检索 实例检索是指根据给定的问题描述，通过比较目标对象特征与实例对象特 征得出最相似实例【3 】。这是c b r 系统的一个关键步骤，也是c b r 关键技术中 第一个热点问题【2 6 1 。它直接影响着系统的好坏【1 9 】，其检索策略直接影响着检索 的效率和质量，决定以后实例修改的难易程度。从c b r 的提出开始，学者们就 一直致力于此项研究。 因为实例检索是在相似性比较的基础上进行的，因此如何定义两个实例的 相似度对检索结果至关重要。实例是由多个特征来共同表示的，实例间的相似 度就是依据各个特征之问的相似度来定义的1 3o 一。为了衡量实例之间的相似性， 学者们提出了相似度、差异度、模糊的相似度等概斜1 7 3 1 1 ，并针对这些概念提 出了许多算法。对实例检索的研究主要集中在检索算法上。c b r 已发展了多种 第1 章绪论 实例组织和检索的策略与算法，但由于各个应用领域的不同，目前还没有在各 领域都能通用的检索算法，最常用的检索算法d o l 有三种：最近邻法 ( n e a r s e t n e i g h b o r , n n ) 2 0 , 2 6 1 ，该方法采用属性间的加权匹配来估计实例间的相 似度，其关键是如何去定义属性的权重；归纳法( i n d u c t i o n ) ，采用归纳法可 以确定哪个特征在区分实例时最好，该方法能生成决策树，有效组织实例； 模板检索( t e m p l a t e r e t r i v a l ) ，该方法能返回在一定参数范围内的所有范例。这 些方法能单独使用或者相互结合起来使用。 随着三维建模技术的r 益成熟和各种三维c a d 软件的普及应用，产品及其 设计结果越来越多的表现为三维模型的形式，因此，三维零件模型的检索成为 解决工艺实例检索的新问题【3 2 1 ，精确高效的零件检索方法对有效利用已有的零 件工艺实例，提高工艺设计效率，重用企业资源有重要的现实意义。三维模型 检索技术经历了基于文本信息检索和基于图形内容检索两个发展阶段【3 引。通用 三维模型相似性比较算法主要有三类，基于轮廓形状的几何相似性比较算法、 基于视觉的三维模型几何相似性比较算法和基于拓扑形状的三维模型几何相似 性比较算法【m j 。 ( 3 ) 实例修正 从实例库中检索出来的旧实例往往不会与新问题能够完全匹配，因此c b r 系统一般都必须经过适当调整以往的问题的解决方案以期能够获取适合新问题 的较好的解决方案。目前，虽然对实例的自动修改方法的探索己有一些成果， 由于很难找到一种相对通用的实例的修正方法，只能具体问题具体分析，实例 的修j 下问题构成了c b r 关键技术研究中的一个难点和具有挑战性的课题【3 5 1 。大 多数c b r 系统的实例修改是通过人机交互过程来完成的【3 6 】。 本系统的实例修j 下模块是通过人工改写的方法实现的。这样c b r 系统所充 当的角色主要是“实例库”，包括各实例的表示、组织及浏览，而将实例修改、 新方案的产生交由用户完成。 ( 4 ) 实例的保存 实例保存则是将经过分析后认为有保存价值的新案例的解保存到实例库 中，起到扩充实例库的作用。新问题一旦获得圆满的解决，其解决方案( s o l u t i o n ) 可能会对与之相类似的一系列问题有一定的帮助。如果要解决的问题与实例库 6 第1 章绪论 中的实例相差很远，那么就需要更多的领域知识或人为介入重用的过程，因此 有必要把新的解决方案或实例加入到实例库中2 6 1 ，这就是c b r 的学习和记忆的 过程，也就是c b r 系统中知识获取的过程，即c b r 的4 r 循环中的最后一个 部分。 1 2 2 冲压工艺设计技术 冲压是建立在金属塑性变形理论基础上的材料成形技术【3 7 1 。冲压件的原材 料一般为板料或带料等薄板件。冲压加工是利用安装在压力机上的模具，对模 具里的板料施加变形力，使板料在模具里产生变形，从而获得一定形状、尺寸 和性能的产品零件的生产技术【1 2 1 。冲压工艺是指冲压加工过程与具体方法，包 括各种加工工序。它是根据冲压零件的形状、尺寸精度及技术要求来制定冲压 加工方案【列j 。 冲压加工与其他加工方法相比，在技术和经济方面具备如下特点，冲压件 质量稳定，生产效率高、操作方便，可获得其他加工方法所不能或难以制造的 壁薄、重量轻、刚性好、表面质量高、形状复杂的零件【1 2 】。但同时需要注意到 冲压加工的模具要求高，制造复杂、周期长、费用昂贵。 冲压工艺设计是冲压模具设计中关键的一个环节，设计结果直接影响模具 的结果和产品质量。冲压工艺设计包括工艺性判断、毛坯展开、毛坯排样、工 步排样与工艺方案确定，其中以工步排样与工艺方案确定最为复杂。冲压工艺 设计具有以下特点【2 l 】： 冲压工艺设计是一项经验性很强的工作，设计中所用到的一些经验性知 识是靠设计人员在生产实践中不断摸索获得的，往往需要借鉴以往大量的案例 以及经验数据。 工艺设计过程是数值计算、图形处理、符号处理、优化设计等的集合， 在设计中要通过查表检索设计参数，同时工艺设计往往有多种方案可供选择， 在设计中不仅要考虑到设计的技术可行性，而且必须符合经济性原则，以最小 的代价生产出满足要求的产品。 工艺设计是一个创造性劳动过程。因为冲压产品的多种多样、形状各异、 变化复杂，不仅需要设计人员掌握丰富的设计知识，而且要求能充分发挥其创 造力，设计出各种冲压件的加工工艺。 7 第1 章绪论 1 2 3 基于c b r 的冲压工艺设计 近几年国际上开展了c b r 应用于制造领域的研究，主要集中在简化知识获 取、实例检索等方面，且主要是针对简单规则零件工艺设计的c b r 应用研究 3 9 - 4 2 】。国内c b r 的研究相对较晚，但是近几年国内专家投入了大量的精力，上 海交通大学、华中理工大学、西北工业大学等一大批高校及研究所在这方面进 行了研究，发展很显著，并取得了一定的成果。 在冲压工艺设计方面，新加坡南洋理工大学和新加坡国立大学做了深入的 研究。新加坡南洋理工大学的s b t o r 和g a b r i t t o n 等人将c b r 技术应用于冲 压模具设计，重点研究了实例的索引和检索，建立了基于冲压件特征关系的图 形表示，采用二层检索策略检索出相似实例，取得较大成剽4 引。新加坡国立大 学的k s l e e 和c l u o 重点研究了冲压工程中折弯加工的工艺特点，应用c b r 进行工艺设计，并建立了基于c b r 的冲压模具设计系鲥4 4 书】。 国内主要是对冲压工艺设计的某一方面或者某类冲压件做出研究。针对拉 深件的拉深工艺，邱智富等人1 9 9 8 年设计了基于实例推理的拉深工艺设计系统 【删；针对冲裁模设计，南京工程学院的柯旭贵等人2 0 0 2 年开发了面向冲裁模设 计的c b r 系统【47 1 。针对冲压模中级进模具，同济大学的林建平等人进行了基于 c b r 的级进冲模结构c a s e 系统的研刭4 8 1 。华中科技大学刘胜烈4 9 】等人将c b r 技术应用在开发覆盖件冲压c a p p 系统中，提出了建立覆盖件冲压工艺特征模 型和覆盖件分类索引树的方法，实现了覆盖件冲压件工艺设计。西北工业大学 机电学院的王俊彪、盛威等人【5 0 巧1 】运用实例推理方法开发钣金工艺辅助设计系 统，采用面向对象技术表达飞机饭金工艺实例，采用模糊相似算法进行实例相 似性匹配，提出了一种基于实例的飞机钣金工艺设计系统构建方法。袁国华在 级进冲模工步排样c b r 领域作了许多开创性的工作【5 2 1 。雷贺功等人【5 3 】对冲模 c a d 中实例匹配的相似度定量计算进行了研究。马露杰和林兰芬等人分别采用 基于b r e p 建立形状向量邻接矩阵的工艺实例检索方法 5 4 1 和面形位码的模型检 索方法【5 5 】完成实例的表示并检索出相似实例。 目前基于c b r 的冲压工艺设计的研究主要存在以下三个问题： 在应用对象方面，主要对冲压工艺某一方面或者某一类冲压件进行研究， 或是针对规则简单零件的应用研究，没有覆盖完整的冲压件类型与工艺设计内 容： 第1 章绪论 在实例表示的研究方面，主要采用人机交互的方式完成冲压件的特征建 模或信息编码，需要较多的人工干预，降低了系统的智能化【2 6 】和运行效率； 在冲压件相似检索方面存在比较分析内容的不完整，忽略冲压板材特性 或三维拓扑关系的比较，没有考虑到实际应用中设计特征对于工艺的影响，影 响检索结果的准确性。 因此，本文将对基于c b r 的冲压工艺设计系统中的关键技术一实例表示和 实例检索作重点的研究。 1 3 主要研究内容 本文以冲压工艺设计为研究背景，通过对冲压工艺设计过程的分析，将c b r 运用到这一领域，力求创建基于c b r 的冲压工艺设计系统。针对研发过程中所 存在的难点，本文主要围绕c b r 在冲压工艺设计系统中应用的两个关键技术实 例表示和实例检索展开研究，提出了基于特征的实例表示方法和基于相近邻法 的综合特征匹配算法。系统的其余技术问题不作为本文研究的重点，将在系统 应用实例中进行介绍。 本文的具体安排如下： 第1 章：阐述了本文的研究背景和研究意义，指出将c b r 运用到冲压 工艺设计中的重要性和可行性。同时介绍了c b r 技术，包括其概述、基 本原理和关键意义，以及冲压工艺设计技术，概括了c b r 在冲压工艺设 计领域的应用情况，提出了本文的主要研究内容。 - 第2 章：建立基于c b r 的冲压工艺设计系统的体系结构，按照功能需 求构建系统的功能模型，确定系统各个模块的具体功能及模块间的逻辑关 系，并在此基础上建立整个系统的运行流程，从而为本文后续的研究打好 基础。 - 第3 章：研究了常见实例表示方法，对冲压工艺实例的表示进行了分析， 建立冲压工艺实例的信息模型，重点研究了冲压件三维模型特征的自动识 别方法，并建立系统的实例库，为实例检索做好准备。 - 第4 章：研究了冲压件实例检索的特点和处理方法，设计出适用于冲压 件实例检索的基于相近邻法的综合特征匹配算法，分三个步骤完成检索计 算的过程，并设计了实例检索模块。通过一组检索计算结果对本文提出的 9 第l 章绪论 检索方法进行分析与评价。 一第5 章：在前几章研究的基础上，阐述了基于c b r 的冲压工艺设计系 统的实现技术，并介绍了系统运用的实例。对一典型的冲压件进行了完成 的工艺设计，验证了本文提出的基于c b r 的冲压工艺设计是切实可行的。 - 第6 章：总结全文，并对今后研究的方向和发展趋势做出展望。 1 4 本章小结 本章主要介绍了c b r 技术和冲压工艺设计技术的概况，并且分析了c b r 在冲压工艺设计领域的运用情况，指出了将c b r 运用到冲压工艺设计中的重要 性和可行性，从而确定了本文的研究意义及研究内容。 i o 第2 章基于c b r 的冲压工艺设计系统的架构与开发环境 第2 章基于c b r 的冲压工艺设计系统的架构 2 1 基于c b r 的冲压工艺设计系统的体系结构 基于c b r 的冲压工艺设计系统依据其基本思想和用户需求，在冲压工艺实 例和设计资源的支持下，对输入的零件模型进行冲压工艺设计。基于c b r 的冲 压工艺设计系统的体系结构如图2 1 所示，主要包括应用层、基础平台和数据 接口。其中应用层又分为用户操作界面、功能实现层( 包括实例表示、实例检 索、实例参考、冲压工艺设计和实例管理) 和支持层( 包括设计流程向导、工 艺设计知识库、设计资源管理、实例库) 。由于c b r 检索的复杂性和工艺设计 影响因素的多样性，所以系统将在实现智能化的同时提供交互设计的平台，以 帮助用户更优的完成设计。 g 罗缈弼呖缪缈弼黝# 窄缈邵8 一”磷霹绷弼獬黝移释嚣9 呖 鳓 s t e p l操作界面荔 2 数 基于c b r 的冲压 缓貔磊糍荔施磊磊酝荔旋纽施貔澎i 箍貔锯籀蠡垅女女施觏。，磊：磊l 蠡簇菇灞 据： 冲压工艺 ；接 工艺设计系统 实例表示实例检索实例参考实例管理口j i g e s 设计 ；层4 嗓 专用接口： “ “q o ， ，7 ，管理，月l 5 ” 库 l 暖s t l ，v r m l 设计流程7 工艺设计 xt a c i s ， 应用层 毳 导航 l 知识库 瓣| j “ ，。 - i l - l - ：t ：= ：= ：= ：= = 一一 = 京 接口： a u t o d e s k ；接t c a p p c a m 数据库系统 m sa c c e s s c a d 平台 c a e r p i n v e n t o r 圆 通用文档 基础平台 操作系统m sw i n d o w s w o r d ，e x c e l , p d f 图2 1 基丁c b r 的冲压t 艺设计系统的体系结构 在该结构中，本文主要对c b r 应用于冲压工艺设计过程中的实例表示、实 例检索、实例参考和实例管理这四个模块进行了研究，同时建立实例库，尤其 对c b r 应用的关键技术实例表示和实例检索作了更多的深入的研究。由于冲压 工艺设计模块在文f f i 戈 5 6 d p 已经详细阐述，因此不作为本文研究的重点。 第2 章基于c b r 的冲压工艺设计系统的架构与开发环境 2 2 基于c b r 的冲压工艺设计系统的功能模型 根据c b r 的基本原理以及冲压工艺设计的实际情况，将系统的任务分解为 5 个方面： 实例表示：由冲压件产品的信息输入和特征分析两个部分来共同完成。 其中冲压件信息主要包含三维模型、精度信息、材料信息、生产批量等，是工 艺设计的基础和依据：特征分析部分用于自动识别冲压件的形状特征。 实例检索：根据以上目标冲压件的信息，完成检索的条件设置一权重设 置和检索设置，经过算法检索出最相似的实例，辅助后续的工艺设计。 实例参考：提供检索出的相似实例的基本信息及工艺设计成果，由用户 选出最有参考价值与意义的实例作为最终设计的参考。 基于实例的工艺设计：参考所选择的相似实例的工艺设计描述，根据实 际的情况，分别对弯曲件展开、毛坯排样、工步排样和工艺参数计算这四部分 作出合理的工艺设计。 实例管理：包括实例类别的管理和实例项的增加、修改、删除，保证实 例检索的效率和质量，防止出现实例库过于膨胀。 系统功能模型采用i d e f 0 方法建立。系统的a 0 图主要起确定范围的作用， 也反映建模的目的和观点。如图2 2 所示，其中4 个方向的箭头分别代表了一 个冲压工艺设计系统的外部接口和外部环境，它是进一步功能分解的基础。 图2 2 基y - c b r 的冲压：i ：艺设计系统的a 0 功能模型 1 2 第2 章基于c b r 的冲压工艺设计系统的架构与开发环境 a 0 图是a 0 图经过一次分解形成的，反映了整个系统的主要组成及其相互 关系，如图2 3 所示。在模型分解中，根据功能活动的具体情况，按活动顺序 进行层次分解，得到如图2 。3 所示的系统a 0 图。其中a 0 图由5 个模块组成： 实例表示a l 、实例检索a 2 、实例参考a 3 、基于实例的工艺设计a 4 和实例管 理a 5 。整个系统在c a d 软件系统、数据库和工作站等软硬件的支撑下进行。 图2 3 基于c b r 的冲压：i ：艺设计系统的a 0 功能模型 通过对系统a 0 图进行自顶向下逐层分解的方法，可建立完整的系统功能 模型，作为系统总体结构及各个功能模块设计的主要依据。 在这5 个模块中，结合冲压工艺设计和c b r 技术的特点，实例表示a 1 和 实例检索a 2 是系统各模块中较难实现的模块也是系统的关键所在，因此将把 这两个模块作为本文的研究重点。 第2 章基t - c b r 的冲压工艺设计系统的架构与开发环境 2 3 基于c b r 的冲压工艺设计系统的运行流程 基于c b r 的冲压工艺设计系统实现了c b r 在冲压工艺设计领域中的应用。 系统模型以c b r 的一般流程为主线，包括实例表示、实例检索、实例修改、实 例存储等技术，同时结合冲压工艺设计领域的特点，经研究和分析，在冲压工 艺实例表示、实例检索中的权重设置、实例库的设计等方面作了符合冲压工艺 设计特点的改进。基于c b r 的冲压工艺设计流程如图2 4 所示。 2 4 本章小结 图2 4 基于c b r 的冲压工艺设计图 本章基于系统开发的平台背景以及功能需求，构建了基于c b r 的冲压工艺 设计系统的体系结构，分析了基于c b r 冲压工艺设计系统的功能要求，建立了 系统的功能模型，阐述了系统各个模块的具体功能及模块间的逻辑关系，从而 确定了本文研究的两个重点：冲压实例表示和冲压实例检索。 1 4 第3 章冲压工艺实例表示 第3 章冲压工艺实例表示 3 1 基于特征的冲压实例表示方法 实例检索是对实例所包含的信息进行匹配检索，具体的说是将新实例所包 含的信息与实例库中的实例所包含的各种信息相比较，找出其中信息最相近的 一个或多个实例，比较的基础就是对实例的信息进行描述与表示，即实例表示。 实例表示是实例检索的前提，准确和完整的表示实例是进行c b r 操作的重要步 骤之一【2 引。 c b r 中的实例表示包括实例表示的内容和实例表示的方法两个方面。 实例表示的内容又包括“问题的描述”和“问题的解”。其中“问题的描述” 主要用于实例的分类标识、实例相似性匹配和相似性检索；“问题的解”是一个 实例成功的解决方案，主要用于解决当前存在的实际问题。 对于冲压工艺实例来说，“问题的描述”即为实例所对应的冲压件的信息 描述与表示，“问题的解”则为实例所包含的冲压工艺方案。对于目标设计而 言，由于设计方案尚未生成，实例表示仅包含“问题的描述”。由于冲压工艺 方案的描述可直接用毛坯排样图和工步排样图等方案来表示，本章主要讨论冲 压件信息的描述与表示。 对冲压件信息的描述与表示的过程也就是构建冲压件信息模型的过程，其 先后经历了基于数值型的二维模型、基于几何信息的三维模型、到基于特征的 建模技术【5 7 】，并在不断发展中。只有对冲压件的所有信息充分关注，才能保证 检索结果的可靠性和准确性。 特征的出现使冲压件信息的描述更具有工程信息，影响着冲压工艺设计系 统的工艺决策的制定。按照特征模型思想，依据工程语义分为【5 s j 形状特征： 携带了某些特定工程意义的几何实体，包含特定的几何形状、拓扑关系等，又 可分为主形状特征和辅形状特征。主形状特征( 简称主特征) 用于构造零件的 总体形状结构；辅形状特征( 简称辅特征) 用于对主特征的局部修饰，它依附 于主特征上。材料特征：用于描述材料的类型和性能等信息。精度特征： 零件公称几何形状的变化量，包含形状公差、表面粑糙度和尺寸公差等。一个 第3 章冲压工艺实例表示 好的特征分类有助于对特征进行更深入的研究。 实例表示的方法直接关系到推理的效率和准确度，需要按照实例知识的特 点和系统的需要而定，可分为两类：图纸信息描述法和c a d 系统信息直接获取 法【5 1 1 。图纸信息描述就是以零件图纸为依据，将零件图纸信息转化为计算机 可识别的数据信息，再输入到计算机中。c a d 系统直接获取法就是经过数据转 换处理而形成系统所需的几何、工艺信息，直接从c a d 中得到零件的信息，这 种方法可以节省大量的信息转换工作，真正、彻底地实现c a d c a p p 系统集成。 c a d 系统直接获取法又包含特征识别法、数据交换法和特征设计法，其中目前 比较可行的是特征识别法。由于三维建模软件的推广与普及，从三维模型中识 别出工艺设计所关心的形状特征及特征尺寸等信息已具有相当程度的可行性。 本文将以上两种方法相结合共同来完成冲压实例的表示：对于可在c a d 三 维模型中包含的信息，如形状特征，采用特征识别法；对于无法在三维模型中 体现的信息，比如材料特征和精度特征，采用图纸信息描述法，在系统中建立 面向对象界面，输入此类特征。 3 2 冲压实例信息模型 冲压实例信息模型主要分为：针对“问题的描述的冲压件信息模型和针 对“问题的解”的工艺设计方案信息模型，如图3 1 所示。冲压件的信息分为 内容形式的三维模型和内容形式的板材、精度等信息。 形 状 特 征 冲压实例信息模型 冲压件 信息模型 广 + 一 - ， 材ii 精 料i l 度 特l i 特 征li 征 工艺设计方案 信息模型 图3 1 冲压实例信息模型结构图 1 6 冲压力 压力中心 工步排样图刃口排样图 毛坯排样图 第3 章冲压工艺实例表示 3 2 1 冲压件信息模型 冲压件信息模型主要由三部分构成：形状特征、材料特征和精度特征，如 图3 2 所示。 冲压件 信息模型 精度特征 精度等级 表面粗糙度 垂嚆 一 图3 2 冲压件信息模型 塑壁到 圃匡阿 约束特征l 按照冲压工艺的区别将冲压件的形状特征分为8 大类：平面特征f a c e ； 弯曲特征b e n d ；封闭圆孔特征h o l e ；封闭长方孔s l o t ；异形孔特征 p r o f i l e ；成形特征，包括卷边，卷缘，凸起，翻孔等；拉深特征d r a w i n g ： 约束特征r e s t r i c t i o n 。其中平面特征和弯曲特征为主特征，其他为辅特征。 材料特征包括材料厚度和材料的各项力学性能参数，包括材料类型、材料 状态、抗剪强度、抗拉强度、屈服强度、伸长率和弹性模量等。 冲压件的精度特征分为加工精度等级和表面粗糙度。 下面用一个实例来说明各类形状特征及相互之间的关系，某一冲压件的3 d 模型如图3 3 所示，图上标注了其所有形状特征。该模型一共包含5 个平面特 征：平面1 、平面2 、平面3 、平面4 和平面5 。平面1 上有1 个异型孔和4 个 弯曲特征；每个弯曲特征又同时属于另外的4 个平面；平面2 上包含2 个长方 孔特征；平面3 上有3 个圆孔特征；平面4 上包含1 个长方孔特征；平面5 上 包含1 个圆孔特征。所有的特征都包含各自的参数，如面积、长、宽、直径、 角度等。需要特别说明的是，弯曲特征所属平面为与它相连的两个平面。 1 7 第3 章冲压工艺实例表示 r 煳口d “( 二) # 蚶铀 t $ n * r m * 倒34 某一冲爪川的特征天系幽 住冲压件信息模型的建立过程中垃复杂的就是从三维模型。p 提取出所有特 征，即二维模型的特征泌刖。对于无法扯模型中提嫩的信息，山用户输入或选 择相应的材料羊精度特征，并将这两类特女f 信息保存在数据库巾，同时还包括 冲压件的一维模型。 第3 章冲压工艺实例表示 3 2 2 工艺设计方案信息模型 该系统中的工艺设计方案是指经过验证的成功的方案，是一套完整的设计 结果，包括毛坯排样图、刃口排样图、工步排样图、工艺参数计算结果以及生 成参数等。工艺设计方案信息模型的结构如图3 1 所示。 工艺设计方案信息模型的建立相对比较简单，主要是各个设计图和工艺数 据，其中工艺数据在v c + + 程序中表示如下。 i n t m _ l a y o u t t y p e ； 崩 样模式 i n t m _ _ p r o t a t e a n g ； 旋转角度 f l o a tm 步距_pdistance； f l o a t