冲压工艺方案黑板架构数据库在级进模设计中的应用.doc

冲压工艺方案黑板架构数据库在级进模设计中的应用S.B. Tor，G.A. Britton，W.Y. Zhang摘要排样设计的冲压工艺方案是级进模设计的一个关键的任务已经被大家广泛的接受了，然而，相对于科学性来说，冲压工艺方案显示出更多的艺术性。为了解决这个问题，尽管人工智能的新发展，在各种不同知识的集成内置智能化方面获得了很多的成功，但最主要的问题是现存的冲压工艺方案数据库专家系统缺乏一个正确的结构来在一个协调的决策制定环境中管理各种不同知识源。本文介绍了一种制定冲压工艺方案的数据库黑板架构。这种方法利用自动化的条料排样设计加速了级进模的设计进程。本文利用一个实例来证明使用这种方法的效果。关键词 黑板架构；图库；数据库；面向对象的；级进模设计；冲压工艺方案1.介绍使用级进模大批量的生产板状金属零件已经被广泛的应用于各种工业中，比如航空，电子，工作母机。汽车以及冷藏等。这些级进模只用一套就可以完成冲孔，切槽，切断，拉延，切缝，弯曲，修整，拉伸，滚花，整形，切边等各种不同形式的成型操作。因此，通常情况下级进模结构非常复杂，冲压工艺方案及模具结构设计都是难度及要求都很大的任务。制定冲压工艺方案首先要将一个成型件展开，由此展开件来生成一个平面模型，然后调整这个图形的放置位置来生成胚料布置图，接着制定冲压操作方法并把此方法分派给模具生产车间。最终确定的排样方法会被绘制成排样图，以指导后面的模具结构设计。而级进模的生产率，准确度，制作费用和质量都取决于排样方法，当然还有冲压工艺。然而，相对于科学性来说，冲压工艺方案依然显示出更多的艺术性。而以前的排样过程主要依靠人力，依靠设计者反复实验积累的经验，技术以及知识来完成。在人工智能领域的新发展已经使创建基于人工智能的集成内置智能和应用多种知识解决极进模设计问题的系统成为可能，包括实现排样的自动化设计。这里提到的多种冲压工艺方案相关的数据源包括生成平面模型的展开技术，胚件布置所需嵌套技术，将冲压特点转换为冲压操作的转换技术以及为制定冲压操作顺序的分级技术。与我们的研究相关的一些级进模设计问题在本文第二段已经有所提及，但是现有的基于传统架构的数据库专家系统，不能有效的管理多种数据源，这限制了它的可实施性和可测量性。要解决上述问题，需要有一个能够促进不同数据源之间协作交流的问题解决方法，并提供一个有集成框架的异种数据表示方案。由此，数据库黑板框架由黑板控制系统及少数已开发的独立运行的资料源组成，这种框架提供了一个相互协作的方案制定环境及促进混合资料表示方案，包括工艺规程，生产规定和面向对象的表示法。通过C+，使用面向对象的专家系统程序CLIPS（C语言集成产生系统）1实现了一个基于参数化和特征化的CAD原型系统，Solid Edge。下面来举例说明我们的方法及此方法在冲压工艺规化中的作用。2.相关工作计算机辅助冲压工艺方案的研究工作自从1970年开始就已经被广泛的报道，自动化工艺方案的优点是生产力进步，费用减少及设计自动化。从70年代中期到80年代中期，开发出了第一代级进模设计CAD/CAM系统，但是这些系统中很少是基于人工智能技术开发的2-5。这些早期系统的特点是具有基本的计算机制图设备，标准化的模具部件和标准化的设计方法。它们减少了设计及绘图的周期，但是，当用这些系统以传统的程序设计语言形式来表现设计结果时，计算机只能产生模具零件表及绘制出模具装配图和零件图。设计者仍然需要通过交流来确定大部分重要的决定，包括排样及确定模具设计图。80年代末，全世界的研究员做出重大努力，集成了多种人工智能及传统CAD方法来开发用于包括自动化排样的级进模自动化设计系统。数据库方法是一个在智能化冲压工艺方案和级进模设计中常用的人工智能技术，比如，美国马萨诸塞州立大学的研究员描述了为一个简单铰接零件而设计的级进冲压模的数据库系统6，这个系统可以生成平面几何模型并能自动生成排样图。新加坡国立大学的研究员在80年代后期就开发出了智能化的级进模设计系统，他们利用特征模型和基于规则的处理方法来实现自动选择冲孔形状，自动导出排样图和3-D模具结构。可绘制已成型件并利用其拓扑信息、基于模型库的推理方法、空间推理技术来推理出特定冲压过程并指导整个冲压进程来开发出一个基于特征关系树的自动化排样方法。印度技术研究所的研究员开发出一种基于规则的启发式推理法及参数方案技术的计算机辅助金属板料落料模设计系统，CADDS9。这个系统的最大优势是可以快速计算出最有效的排样方法。利物浦大学的研究员正在研究冲孔落料级进模的自动化设计10，11，他们先利用了一种编码技术来产生成型件的几何形状，然后利用这种技术生成冲孔凸模的形状和布局，由此开发出自动化排样方法。中国华中科技大学的研究员已经开发出了一种智能化的级进模设计系统，HPRODIE12，利用特征映射，规则库推理法及实例推理技术，能够自动的实现包括排样设计在内的大多数设计。韩国釜山国立大学的研究员，开发出了一种小型的级进模设计计算机辅助工艺设计系统（CAPP）13，在遵循生产规则的基础上，它可以智能化的实现自动导出坯料布置图，排样图及摸具图等冲压工艺。虽然数据库系统在冲压工艺方案中获得很多的成功，但是回顾前面所介绍的大多数智能的级进模自动化设计型，它们在具体的应用领域中受到很大的限制，或者说还需要有经验的设计者相当多的交互式输入来生成排样图。这是因为它们仍然沿袭了传统数据库专家系统的缺点，不能够有效的管理各种不同的数据源。台湾技术研究所的研究员采用多种包括模糊推理，模式识别，规则库推理，后传播神经网络，遗传算法及佩特里网络在内的人工智能技术来制定冲压工艺方案和设计剪切弯曲级进模14-16。但是他们的工作缺少一个清晰一致的模式来把那些人工智能技术整合到一个全面的设计环境中。本文还介绍了另一种常用的人工智能技术，黑板结构，它被用来开发压工艺方案黑板框架冲系统。在最近的二十年里，黑板结构已经被成功的用于各种各样的领域，比如语音识别，信号处理，工程设计和进程规划等。汤普生和卢17用黑板结构提供了一个协作的指令制定环境，它很适合并行产品及进程设计。Srihari 和其他人19利用集成的多数据源一起开发出一种实时印制集成电路板的CAPP系统，此系统的黑板结构包括规划专家和动力信息分析模块。陈以及其他人利用黑板结构一起开发出了根据性质将知识分类并归入合适的数据源的并行产品设计评估系统和数量评估。在过去的几年中，黑板结构已经被证明适合用于加工设计，比如夹具设计20，注射模设计21等，虽然在这些方面的应用还属于幼年期。Roy和廖20做了初步的黑板结构做为解决夹具设计问解决模型的研究的报告。报告中描述了夹具设计多功能数据源的创建及它们的相互协作的问题解决环境的结构。Kwong等一些人21为多腔注射模设计设计了一个基于黑板框架的系统，它能够尽可能早的在总体设计阶段就可以很容易的同时考虑模具的零件设计，注射机选择，生产调度，以及制模费用等。但是，我们没有发现任何关于尝试在金属薄片零件的冲压工艺方案应用黑板结构的文献，我们在早期的工作中22已经提到黑板结构非常适用于解决比如冲压操作的工艺方案等问题空间很大而且需要整合大量不同的数据源才能解决的结构性问题。本文非常详细的介绍了这方面的问题。3.冲压工艺方案的黑板架构 冲压工艺数据库的决策制定包括多种不同的数据源，比如生成平面模型的展开技术，胚件布置所需嵌套技术，将冲压特点转换为冲压操作的转换技术以及为制定冲压操作顺序的分级技术。这些数据源以不同的表达方式例如规程，规则，对象等方式表现出来。这可以说明使用黑板架构可以有效的管理多种不同的数据源。这些数据源通过黑板架构相互作用来产生增量解法。 上面提到的黑板架构由三个主要部分组成：黑板数据结构，数据源，一个控制模块（如图1）以及开发出的面向对象的专家系统界面CLIPS。下面具体叙述这些不同的黑板框架组成部分。图1 冲压工艺方案的黑板框架结构3.1.1 向黑板框架中输入数据输入黑板框架的的数据主要包括零件以及冲压件的参数，一般来说，零件对象包括它的基本特性，比如零件形状，零件尺寸、重量、表面热处理、毛坯厚度、毛坯材料、年产量、毛坯尺寸等。下面将具体的介绍那些构成冲压元件特征的对象。冲压件所含的特征包括冲压类型、冲压力、夹具尺寸、开模高度、闭摸高度、冲程数量等。3.1.2 成型件面向对象的特征模型 在这个工作中，利用面向对象的特征表示法将设计及生产信息压缩入一个冲压特征对象中。3.1.3 从冲压特征对象映射冲压操作对象一个冲压特征可以由一个特殊的冲压工序（一对一的映射）来完成，也可以由一个组合的冲压工序（一对多的影射）来完成。多个冲压特征也可以由一个冲压工序（多对一的影射）来完成。3.1.4以图形库础的冲压工艺方案使用图形库为基础的冲压工艺方案可以用计算机自动生成排样图，这种方法适合计算机来操作并且可以实现有效的表达及解决方案。3.2 数据源3.2.1 专家数据源3.2.2 面向对象的KSs数据结构3.3 程序库控制模块3.4 现有的集成CAD系统3.5 原型系统的有效性4.实例证明 如图4所示的用Solid Edge CAD系统制作的一个典型金属冲压件，可以用它来证明黑板架构冲压工艺方案接近生产实际。首先系统从零件CAD模型中提取必须的几何信息，然图4 一个简单金属冲压件的3-D特征模型后使用者再输入其它的技术信息（比如零件质量，表面热处理，毛坯材料，年产量，压力机类型，压力机吨位，工作台尺寸，压力机装模高度，闭合高度等。）来生成黑板架构的第一层，也就是冲压的第一工序。 然后，CAD数据（CAD API函数）分析零件和冲压对象的几何及技术信息，提取黑板架构的第二层冲压特征对象，如图5所示。使用者可能会经常利用黑板架构里内置的人机交互工具来修改特征信息。在这个操作界面上，右边的窗口显示的是生成的特征关系图，它展示了冲压特征（包括三个孔，一个槽，四个弯曲，三个胀形，两个挤压孔，五个平面）四种特征关系的相互影响，比如“在里”，“在上”，“靠近”“累积精度”，等。左边的窗口显示了被选择特征对象的具体信息。 接着在黑板架构的第三层，系统随机的与不同的映射数据源协商来把冲压特征转换为一组冲压操作，也就是冲压工序。使用者依然可以利用黑板架构里内置的人机交互工具来添加或修改冲压操作信息。 在和分段数据进一步的协商之后，在黑板架构的第四层，利用图形库冲压工艺方案制定冲压操作的步骤，也就是制定冲压工艺（如图6）在这个操作界面上，右边的窗口显示了基于图形库的冲压工艺设计方案，即不同的冲压操作被分组到一个相同的工序或在不同的工序里循环使用。图6显示了八个冲孔工序，两个弯曲工序，三个胀形工序，两个挤压工序，五个冲槽工序和两个修整工序。左边的窗口显示了被选中的冲压操作的具体信息。 图7显示了相应用计算机生成的零件2-D排样方案，当然，使用者可以利用CAD系统里内置的人机交互工具修改默认的解决方案来改变计算机生成的排样图。 一般情况下，原型系统包括120个数据规则驱动，在一台配置为CPU P4 2.4GHz，内存512MB的个人计算机上设计一个优化的排样图只需要不到三十分钟的时间，这远远小于设计相同复杂程度的零件的排样图在工业生产实际中所需要的45天。