级进模的自动化设计系统(翻译)

1、武汉科技大学本科毕业设计外文翻译本科毕业论文外文翻译外文译文题目（中文） ：级进模的自动化设计系统 学 院:材料与冶金学院专 业:材料成型及控制工程学 号:201102131133学生姓名:李成龙指导教师:熊九郎日 期:2015年4月1日An automated design system for progressive die S. Kumar，R. Singh Expert Systems with Applications，2011， 38 ：44824489 级进模的自动化设计系统S.库玛尔，R.辛格专家系统及其应用，2011，38：44824489摘要本文描述了一种为级进模设计开发的

2、自动化设计系统。这个系统由27个知识库模块组成。系统模块按照基于知识库的生产规则所构建。模块是用户交互设计的并且可以加载到AutoCAD的命令提示区。该系统能自动控制级进模设计中的许多主要工序，例如：检查钣金零件的设计特征，工序排样设计，级进模组件的选择，模具组件的建模和模具装配，以及级进模零件材料的选择。由于此系统在安装有AutoCAD的电脑上就能使用，因此它的安装成本很低，这样就使得中小型企业能够负担使用。关键词：级进模 知识库系统 生产规则 AutoCAD1 引言级进模在全球范围内大规模用于生产钣金零件。级进模的设计不仅需要复杂和高度专业化流程,而且从概念设计到最终冲压生产,一般的级进模

3、设计需要耗费20%的生产准备期。级进模能生产出丰富多样的产品,这就要求冲模设计者具有从多年的实际经验中获得的专业知识。设计级进模的主要工作内容包括：检查钣金零件的设计特点,工序排样设计,模具元件的选择,模具元件所用材料的选择,模具元件和模具生产线的建模。传统方法需要设计者具有专业知识,人力工作量大而乏味,耗费世间,容易出错。过去模具设计的质量很大程度赖于设计者的技术,经验和知识。如今许多研究者正在为级进模开发计算机辅助系统。例如，Murikama 和Shirai在1989年开发出了CAD/CAM计算机系统,该系统能够作出组合模具和标定尺寸的零件示图, 但式样草图和模具展开图还需要设计人员手工制

4、作。新加坡国立大学和新加坡高性能计算机研究院的研究人员2002年报告说已为级进模的弯曲操作开发出一种完整的建模和过程设计系统。司马，李，张在2004年进行了U形弯曲工艺中心承运式级进模的发展的研究。Ghatrehnaby 和 Arezoo 2009年报道称为级进模研究出一种自动运行和排样系统。一些研究人员称已经为级进模研究出了自动CAD系统。例如，杜菲和孙1991年开发了一种用于连续冲压模设计的基于知识的系统，这个系统使用基于基于特征的方法。李，林，倪在1993年开发出了IKOOPP，它是一种用于级进模板生产的基于信息的智能化工艺设计系统。Cheok，Foong，和 Nee 1996年报道说利

5、用电脑发展工具开发了一种智能设计辅助系统用于级进模的设计。Ismail，Chen和 Hon在1996年也开发出了用于冲孔落料级进模设计的专业系统。郑，王，和李2007年开发了用于汽车面板的智能CAPP系统。商业用途的CAD/CAM等系统软件业只是提供了画图和分析的协助而已，要想最终设计出好模具，还需要模具设计人员的专业经验。同时，建立这样系统的高额费用往往超出了小型板型材厂的经济承受能力。一些研究人员用人工智能技术来保存那些模具设计专家的经验。但是那些系统的使用是非常受限制的。它们要么只能进行落料冲孔操作，要么只能制造几何形状相对简单的零件。看起来级进模的自动化发展并没有跟上人工智能技术的发展

6、。因此，开发出一种低成本且同时使用CAD和人工智能技术的级进模设计系统的需求非常迫切，这样的系统让中小型金属企业能负担的起。本文介绍了一种在短时间内便捷的完成级进模设计中繁琐而耗时任务的自动化设计系统。2 级进模设计的准备2.1 条料排样设计作为在生产钣金零件过程中的第一步，检查其某些设计特征是否有利于缓解制造程序是十分有益的。这种检查对于避免制造缺陷，部件缺陷，以及对于新的模具，工具或机器的需求也是很有必要的。应根据测试规则对内部结构的尺寸、位置和外部特征如孔，长孔，内部、外部轮廓，剪切，切口，套筒，杯，槽和弯曲程度正确得作出检测。排样设计的目的是安排操作布局及确定随后所需站点数目。条带排样

7、主要是受部件的几何特征，公差尺寸，常备条的锐边方向和其他技术要求所支配的。在排样设计这个重要的过程中并没有独特的最佳方案，但一些基本的规则(Kumar, 2006)普遍被人们认可。2.2 模具组件的选择级进模的主要组成部分有滑块，模具量具，卸料板，凸模固定板，挡板，凸模，轴，模架，紧固件。滑块的大小取决于板材厚度，锐边方向，带钢宽度，模具材料类型，条料排样长度。模具量具的大小主要取决于板材厚度。但是模具量具的最小尺寸也受工艺热处理过程中产生拱曲的风险所限制。为了保证级进模的对称性，有时候会增加模具量具的宽度。卸料版有固定卸料板和弹压卸料板两种类型。卸料板的大小与滑块的大小相一致。卸料板上通道的

8、宽度应等于带钢宽度加上足够的间隙以允许带钢宽度的变化。冲孔板起定位的支撑作用。凸模固定板应足够厚来起支撑作用，且有好的销钉来精确定位以及足够的螺钉来承受冲压负荷。凸模固定板的厚度与凸模的直径有关，如果有两个以上的凸模，那么应用最大的凸模直径来确定合适的冲孔板厚度。凸模固定板的厚度也应与全部凸模的高度成比例关系。冲孔板的长度和宽度与滑块大小保持一致。上模座通常安装在穿孔凸模和冲柄之间。固定板一般是1012毫米厚。在模架的选择过程中，需考虑零部件特性，零件的尺寸公差，凸模和模具之间的间隙，以及导柱和导套之间的间隙。为了防止模座的断裂，使用钢材模具结构是不错的选择。模架选择的主要步骤是确定模具结构形

9、式（双柱，四柱，后柱，中心柱，斜柱，等），确定模具工作面积以及模座的选择。模架的选择取决于金属板料的类型，零件的数量以及工作精度。模具构件的尺寸取决于模具的长度和宽度以及它在模具中的位置。如果允许的话，标准模具构件或定制的模具构件是很好的选择。在工业生产中，紧固件（螺钉、销钉）的数量和大小是依据模块的大小选择的。为了定位效果的最大化，销钉通常在模块上成对角线布置。螺钉和销钉的最佳布置位置是离边缘或冲裁轮廓1.52.0个自身直径。螺钉用于上、下模座处的零件装配。螺钉的大小和数量可以通过有效工作面积和承受负荷计算出来。2.3 模具组件材料的选择 对于特定应用的级进模组件材料的选择取决于哪种模具失效

10、机制占主导地位。在模具组件材料选择的过程中，模具设计者首先正确分析组件的功能需求，然后进行一个探究性实验来确定所需的机械性能以及可能导致组件失败的因素。一个模具设计师的根本想法是要为特定的组件选择一种除了磨损不会出现任何其它失效机制的材料。磨损可以最优化的匹配钣金零件产品的需求量。为了获得较长的模具寿命和提高生产率，工具钢被广泛用于模具零部件的材料。刀具材料采用钢其中一个最大的优点就是，他们原本是软的，可加工，采用适当的热处理，他们变得非常坚硬耐磨。组件材料硬度范围的选择取决于在级进模上加工的零件的几何形状。2.4 模具组件的建模和模具装配 级进模的建模包括单元建模和模架建模。模板的建模需要模

11、块，模具量具，卸料板，凸模固定板，承料板的尺寸数据。智能系统推荐和储存在不同输出数据文件中的模板数据可以用于建模。AutoCAD的绘图命令如线，多线段，圆，圆角命令，层等可以调用来做单元建模。进一步对板件的自动建模，你可能会回忆起存储在一个文件中条带布局可以插入适当的板单元平面图。可以利用储存在输出数据文件中的导柱导套的直径和上下模座的尺寸数据来进行模架的自动化建模。 基于以上考虑，INTPDIE自动化系统已开发出来用于级进模组件的设计和建模。3 自动设计系统：INTPDIE3.1 对所提出的自动设计系统的开发过程对所提出的自动化系统的开发过程包括知识的获取，生产规则框架，产生式规则的验证，生

12、产规则排序，硬件和计算机语言识别，知识库的建设，搜索策略的选择，和用户界面的制备。通过模具设计手册，工业手册，技术报告，和经验丰富的模具设计师和工具制造商收集开发系统的技术知识。由此获得的知识经过分析之后以表格的形式列在“IF-THEN”系列产品的生产规则中。生产规则框架是经过一个团队的级进模设计专家和工具制造商验证了的。该系统的各个模块的生产规则由一个结构化的公式所分类整理。该系统对电脑的配置要求是：奔腾4 CPU, 2.4 GHz, 256 MB RAM，AutoCAD2004。该系统中所有模块的生产规则全部用AutoLISP语言编码。生产规则和系统的相关知识通过一个运用正向链接推理机制联

13、系起来。在正向链接中，用户交互式的提供系统数据和亟待解决的问题的本质。该系统通过处理用户输入的信息和储存在知识库中的知识来得出结论或建议。该系统通过搜索IF条件数据来确定哪些规则与给定的条件相符合。如果一个IF条件符合要求，接着规则中的THEN部分就被激活，最终的出结论或建议。一个发达的INTPDIE知识库系统包含IF-THEN系列的超过1000条规则。INTPDIE系统各个模块的生产规则范例见表3.1。3.2 系统的组成由于级进模设计过程包括许多工序，整个系统INTPDIE已分为许多子系统，模块和子模块。完整的INTPDIE系统组织如图3.1。INTPDIE系统的各个模块和子系统简要描述如下

14、：3.2.1 CCKBS模块CCKBS模块是用来从可制造性的角度来分析钣金零件的设计特点。该模块能够检查零件的设计特征如坯料的尺寸，孔的尺寸，孔间距，转角半径之间，从零件的边缘到内部特征的距离，两个内部特征之间的距离，凹陷或槽或投影宽度，弯角半径等。该模块还能给出在级进模上制造零件的最小废料量。模块包含一个界面能给用户在协商会议期间亲切的提示指导。由用户提供的数据也存储在一个叫做COMP.DAT的文件中以便后续模块的使用。3.2.2 SELDIE模块SELDIE模块是用来帮助模具设计师和工艺师为钣金零件生产选择合适的模具类型。该模块用来从COMP.DAT文件中获取生产需求和零件公差等必要输入数

15、据。用户也需要在AutoCAD提示区输入包括冲压操作的数量和形式的必要数据。当用户完成这些数据输入后，模块就提供智能的建议来选择合适的模具类型。3.2.3 MAXUTL模块MAXUTL用于确定坯料排列方向的角度。模块逐渐地改变坯料的排列方向，每次变化1度，然后计算每个角度的材料利用率，直到坯料相对初始位置旋转180度。选择材料利用率最大的坯料放置方向。该模块的输出数据自动的保存在MAXUTL.DAT文件中。3.2.4 ISSLD子系统ISSLD子系统开发用于级进模中冲压金属的排样自动设计。该系统的流程图如图3.2。这个子系统包含六个模块。第一个OPRPLAN模块确定所需生产的金属零件的冲压类型

16、。该模块需用户提供相关的数据即零件的尺寸公差和几何特征。该模块以对所生产零件的冲压操作的建议的形式输出结果。子系统的下一个模块OPRSEQ决定所建议的冲压操作的先后顺序。它直接从OPRPLAN模块中产生的输出数据文件OPRPLAN.DAT中提取输入数据。PLTSEL模块的作用是选择合适的试点方案用于带材在级进模各工位中的准确定位。随后的OPRSTAGE模块的作用是给专家提供建议关于级进模中所需工位的数量和首选的工作台。这个模块有两个子模块，即OPRSTAGE1和OPRSTAGE2。第一个模块设计用于给一般专家关于操作台的建议。第二个模块的作用是确定所需工位的数量以及级进模各工位需完成的操作。O

17、PRSTAGE模块的输入数据来源于OPRSEQ模块生效期间产生的OPRSEQ.DAT数据输出文件，同时需要用户输入每部分特征的具体数据。SWLSEL模块确定金属带材的合适尺寸。该模块已经分成两个子模块，即SWLSEL1和SWLSEL2。第一个子模块SWLSEL1用于带钢宽度的选择和之后步距的选择。建模模块STRPLYT删除所有储存在AutoCAD绘图编辑器中的图样并为条带布局建模选择合适的屏幕。然后，它需要用户在AutoCAD屏幕中选择起始点。当用户使用光标或在AutoCAD提示区输入起始点后，STRPLYT模块在AutoCAD编辑器中自动完成条带布局的建模。3.2.5 PRSSEL模块PRS

18、SEL模块的作用是协助用户为在级进模上生产所需金属板选择合适型号的压力机。该模块需要用户利用AutoCAD命令“区域”来计算在级进模所有工位中需要剪切的总周长。需要用户输入的数据有总周长、要求的操作类型（剪切/成型/剪切成型）、每分钟的生产速度和板材的切变强度。当用户正确的输入所以的需要数据后，模型显示执行所需金属板材的冲压的最小压力并确定合适的具有足够吨位容量的替代机。随后模块需要用户准备好包含压力机的固定成本和运行成本的数据库随时可用。然后该模块的程序计算并显示每个备用压力机各个零件的费用。最后，模块确定生产金属零件最经济的压力机。3.2.6 PROCOMP子系统PROCOMP子系统用于解

19、决级进模零件的选择问题。由于级进模有几个组成部分，因此我们决定将PROCOMP系统分为如下模块：（1） 模块DBLOCK选择模具块尺寸。（2） 模块DIEGAGE选择模具量具（正面和背面计间隔）和模具量具之间的最佳距离。（3） 模块DIALCL选择合适的模具角度、模口成型面和冲裁间隙。（4） 模块STRPR选择卸料装置和卸料板。（5） 模块PCHPL选择凸模结构、上模座和凸模固定板。（6） 模块IDSS选择模架的类型和尺寸，该模块包含两个子模块，即：a，DSSEL模块选择模架类型；b，DSDIM模块选择模架尺寸。（7） 模块FSTNR选择紧固件（螺钉和销钉）。表3.1 INTPDIE系统中生产

20、规则样本S. No. IF (condition)THEN (action)1Sheet material = soft steel or brass or aluminium; and shape of hole = round; and 0.4 mmminimum round hole diametersheet thicknessAccept the diameter of round hole2Production quantity100,000; and 0.001 < tolerance required on part0.2; and number of operation

21、s2Design progressive die30.001 < minimum accuracy required on part in mm 0.2; and feature required on part = hole or slot or internal contour cutRequired operation = piercing4The center to center distance between holes has tolerance range within ± 0.05 mmPierce these holes at the same statio

22、n5Required operations = piercing (two holes), punching, parting off, and notchingNumber of stations required = 5 preferred staging of operations first station: piercing, second station: punching, notching & piloting, third station: notching & piloting, fourth station: notching & piloting

23、, and fifth station: parting off6Required tonnage > 4.0; and required tonnage 8.0, and required production rate/min > 50; and required production rate/min 1200; and type of sheet metal operations = shearingSelect hand or mechanical or hydraulic or pneumatic press of 10 or 20 tons capacity7Shee

24、t thickness 1.6 mm; and die material = tool steelSelect thickness of die block = 28.0 mm8100.0 < selected length of die (parallel to die-set) in mm 175.0; and 110.0 < selected width of die (parallel to die-set) in mm 175.0; and tolerance required on part 0.1 mmPlace die in the four pillar die-

25、set with pillar diameter 25 mm and bolster dimensions in mm as length = 280.0, width = 280.0, and height = 309Sheet material = Al or Cu or Brass or Pb or Beryllium copper; and shear strength of sheet material > 5 Kgf/mm2; and shear strength of sheetmaterial 20 Kgf/mm2; and type of operations = sh

26、earing; and production quantity 100,000Please select an easily available material for punch and die/inserts from the following: EN-31 (5660 HRC) (AISI 52100) (IS 103 Cr 2) ORUHB-ARNE (5462 HRC) (AISI O1, W.-Nr. 1.2510)图3.1 INTPDIE系统组织图子系统PROCOMP的流程如下图3.3。由该子系统建议的合适模具零件尺寸自动地储存在如下输出数据文件中：DBLOCK.DAT（滑块

27、尺寸）、DG.DAT（模具量具尺寸）、DIALCL.DAT（模具间隙）、STRPR.DAT（卸料装置尺寸）、PP.DAT（凸模固定板尺寸）、BP.DAT（挡板尺寸）、DSSEL.DAT（模架类型）、DSDIM.DAT（上、下模座尺寸，导柱、导套直径）、FSTNR.DAT（螺钉、销钉直径）。图3.2 ISSLD子系统流程图3.2.7 AUTOPROMOD子系统AUTOPROMOD子系统开发用于在AutoCAD的图形编辑器中完成级进模零件的自动建模的装配。该子系统与之前为级进模零件的选择而开发的模块配合工作。PROCOMP子系统被分成八个模块，即：DBMOD，STRPRMOD，BPMOD，PPMO

28、D，BBDSMOD, TBDSMOD，BDAMOD 和TDAMOD。第一个模块DBMOD用于滑块的自动建模。它将AutoCAD图形编辑器中之前的所有图样删除，然后选择屏幕上模块的设置和模块三维建模。接着，它计算模板主视图和俯视图的转角点并找出螺钉和销钉的孔的位置。该模板还计算模板的各个视图中隐藏点的位置。模板主视图的建模会自动调用AutoCAD的线、圆、层等命令。下一个模块STRPRMOD的作用是在AutoCAD图形编辑器中完成卸料板的自动建模。BPMOD模块在AutoCAD图形编辑器中完成挡料板主视图的建模。PPMOD模块完成凸模固定板的建模。BBDSMOD模块和TBDSMOD模块分别用于级

29、进模模架中下模座和上模座的自动建模。BDAMOD模块被开发用于级进模下半部分的装配建模。最后一个模块TDAMOD用于级进模上半部分的装配建模。用户可以选择通过编辑模具零件各自的数据文件或使用AutoCAD命令来修改这些图纸。图3.3 PROCOMP子系统流程图3.2.8 SMPDC子系统SMPDC子系统用来选择级进模零件的材料，它包含DIEMAT和SELHRD两个子模块。设计子模块DIEMAT的目的是用它来选择级进模零件的材料，而第二个模块SELHRD的作用是确定级进模凸模和模具嵌入部件的强度。上述两个模块接受所有的工具钢。该子系统的输出结果包括级进模零件材料选择的智能化建议和级进模凸模和模具

30、嵌入部件材料硬度范围的选择。4 系统运行示例开发完成的INTPDIE系统用于解决级进模设计的问题，且已经通过了不同类型的钣金零件的测试。表4.1给出了一个典型提示的示例、用户的反馈以及用户在一个示例零件（如图4.1）的系统执行期间所获得的建议。该系统所生成的条料排样如图4.2，下半部分模具装配的主视图和俯视图如图4.3。该系统在这个示例零件运行中所获得的提示和生成的图样和印度亚洲熔断器私有公司在这个示例零件所采用的非常接近。该系统只需要30分钟就可以完成级进模的设计，并以详细零件和装配图纸的形式输出。图4.1 示例零件（所有尺寸以毫米，材质：黄铜，厚度= 0.6毫米）图4.2 系统对示例零件生

31、成的条料排样图4.3 AUTOPROMOD子系统的BDAMOD模块建模的下半部分装配的主视图和俯视图表4.1 INTPDIE系统执行期间产生的专家意见、用户反馈和一个典型提示样本S. No.PromptExample data entryAdvice to the user1Please enter sheet materialBrass2Please enter sheet thickness in mm0.63Please enter minimum width of recesses or slots or projections along blank profile in mm1.6

32、Accept width of recesses or slots or projections4Please enter shape of holes on the partRound & rectangular5Please enter diameter of round hole on part in mm2.5Accept the diameter of hole6Please enter minimum dimension of rectangular hole on part in mm5.2Accept the dimension of hole7Please enter

33、 minimum hole pitch in mm6.1Accept the hole pitch8Please enter the minimum corner radius on part in mm0.001Set minimum corner radius on part in mm = 0.429Please enter the shape of component edgeStraight10Please enter the maximum dimension of the component inmm (length/width)62.0Set lead end scrap we

34、b allowance in mm = 1.511Enter number of operations required3Set front/back scrap web allowance in mm = 1.512Are holes located on opposite sides of the part?YesSelect the two largest holes located on opposite sides of partfor piloting13Is the center-to-center distance between holes has tolerance ran

35、ge within ± 0.05 mm?YesPierce these holes at the same station14Enter number of notch in the part215Enter number of holes in the part2Number of stations required = 5 preferred staging of operations first station: piercing, second station: punching, notching & piloting, third station: notchin

36、g & piloting, fourth station: notching & piloting, fifth station: parting off16Please enter command DSDIM for invoking the second submodule DSDIM of the system IDSS17DSDIMPlace die in the four pillar die-set with pillar diameter 25 mm and bolster dimensions in mm as length = 280.0,width = 28

37、0.0, and height = 305 结语本研究提出了一种级进模自动化设计系统，该系统是通过基于人工智能的生产规则建立的。检查零件的设计特点、模具类型的选择、排样设计、级进模零件的选择、零件的自动建模、级进模装配和级进模零件材料的选择等级进模设计中的任务已经随着模块的发展实现了自动化。所提出的系统即将在钣金行业中使用。在中小型冲压行业中，该系统是过程操作人员和模具设计人员的低成本替代者。由于它的知识库可以根据设计生产能力和新技术的发展来修改和更新，所有这个系统是非常灵活的。模块都是用户交互设计式的并被加载到AutoCAD的提示区。该系统已完成了各种各样的工业钣金零件的测试。关于零件设计特

38、征、排样设计、级进模零件的选择以及级进模零件材料的选择的建议和该系统生成的图纸是合理的，并和实际钣金工业中所采用的非常相似。该系统能在短时间内完成级进模设计中繁琐耗时的任务。虽然这个系统仅限于级进模的设计，但是它也可以进一步扩展为其他类型的模具设计。在未来，研究力量将用于开发用于连接所提出的自动设计系统和计算机辅助模具组件的制造系统的模块。致谢 在此作者诚挚的感谢S.L. Gupta先生、Mindarika公司总经理、Gurgaon、Haryana、India和所有其他领域的专家在INTPDIE自动化系统设计中所提供的专业知识。同时，作者感谢DST、新德里提供的经济支持和印度快速轨道在 “开发

39、级进模零件材料选择的智能化系统”项目的三年工期（20082011）投入。参考文献Cheok, B. T., Foong, K. Y., & Nee, A. Y. C. (1996). An intelligent planning aid for the design of progressive dies. Proceeding of Institution of Mechanical Engineers Part B: Journal of Engineering Manufacture, 210, 2535.Duffy, M. R., & Sun, Q. (1991). Knowledge-based design of progressive stamping dies. Journal of Materials Processi