（机械设计及理论专业论文）基于proe的冷冲裁模架智能化设计研究.pdf

硕士学位论文 摘要 采用先进的计算机技术，以集成的方式，获取和重用冲压模具设计过程中的 知识并应用于新的模具设计，减少开发费用和缩短开发周期，是知识经济时代对 于模具行业的必然要求。深入研究冲压模具设计知识的发掘技术，最大限度地利 用人工智能的最新研究成果，并结合网络技术加强冲压模具设计知识的共享和交 流对于促进模具智能化设计技术的发展和应用有着重要的理论和现实意义。 冲压件特征模型是知识发掘的基础，其特征和属性定义的准确与否将直接影 响到知识发掘的成败。本文在研究了冲裁特征及其属性对模具设计的影响之后， 建立了面向知识发掘的冲裁件特征模型，并提出了冲裁件的关键特性定义。该模 型改变了以往冲压特征定义沿袭机械制造领域的特征定义方式，将材料属性、几 何特征等有机地融合到一起，并综合应用了多种模糊化技术，符合设计人员的思 维习惯，有利于知识的发掘。在上述的理论和方法研究的基础上，本文作出以下 研究内容和成果： 1 阐述了通过模糊推理技术实现冲压模具设计隐性知识外显化的理论基础， 提出建立冲压模具设计知识的统一表达模型，有助于知识的积累和重用。 2 对基于特征信息的典型冲裁属性进行了归纳定义，本文针对系统设计过程 中的模糊性知识，通过引入模糊理论，并将它与特征知识处理模型结合起来，发 挥各自的优势，最大限度地找到问题解。 3 提出建立面向知识发掘的冲压件特征模型，和基于事例的方法进行冲裁模 架设计。 4 本文根据冲裁件的特征知识，结合数据库的定义提出了既有动态记忆模型 又有分类一范本模型的事例储存模型。 5 在p r o e 中实现了冲压模架的参数化建模。 关键词：冲压模具，智能化设计，特征，模糊理论，p r o e a b s t r a c t t h eu s eo fa d v a n c e dc o m p u t e rt e c h n o l o g yi na l li n t e g r a t e d m a n n e r a c c e s sa n d r e u s ei nt h ep r o c e s so fs t a m p i n gd i ed e s i g na n da p p l yn e w k n o w l e d g ei nm o l dd e s l g n ， r e d u c e dd e v e l o p m e n tc o s t s a n ds h o r t e nt h ed e v e l o p m e n tc y c l e ，i s t h ek n o w l e d g e e c o n o m van e c e s s a r yr e q u i r e m e n t f o r t h em o l di n d u s t r y s t a m p i n g d i ed e s l g n k n o w l e d g e d e p t hs t u d yo ft h ee x c a v a t i o nt e c h n i q u e s ，m a x i m i z e t h eu s eo ft h el a t e s t r e s e a r c ho na r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e ，c o m b i n e dw i t hn e t w o r kt e c h n o l o g ys t a m p i n g d i e d e s ig nk n o w l e d g et o e n h a n c et h es h a r i n ga n de x c h a n g e f o r t h ep r o m o t l o no f i n t e l l i g e n td e s i g nm o l dd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no f t e c h n o l o g yh a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e s t a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d e l i st h eb a s i sf o rk n o w l e d g ed l s c o v e r y ；i t s c h a r a c t e r i s t i c sa n da t t r i b u t e sd e f i n e da c c u r a t e l yo r n o tw i l ld i r e c t l ya f f e c tt h es u c c e s s 0 fk n o w l e d g ed i s c o v e r y t h i sp a p e rs t u d i e dt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n da t t r i b u t e sb l a n k l n g e f f e c to nm o l dd e s i g n ，t h ee s t a b l i s h m e n t o fak n o w l e d g e - o r i e n t e df e a t u r em o d e i b l a n k i n ge x c a v a t e da n dm a d et h ed e f i n i t i o n o ft h ek e yf e a t u r e so fb l a n k i n g t h e m o d e lc h a n g e st h ed e f i n i t i o no fp r e s sf e a t u r e s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef i e l df o l l o w t h ed e f t n i t i o n o fm a c h i n em e t h o d s ，t h e m a t e r i a lp r o p e r t i e s ， a n dg e o m e t n c c h a r a c t e r i s t i c so ft h eo r g a n i cb l e n dt o g e t h e r ，a n di n t e g r a t e da p p l i c a t i o n o fav a r l e t yo t f u z z vt e c h n 0 1 0 9 y ，m e e tt h ed e s i g n e r st h i n k i n gh a b i t s ，c o n t r i b u t e s t ot h ek n o w l e d g e e x c a v a t i o n i nt h ea b o v et h e o r i e sa n dm e t h o d sb a s e do nt h e c o n t e n t so ft h i sp a p e ra n d r e s u l t so ft h ef o l l o w i n g ： 一 1 d e s c r i b e db yf u z z yr e a s o n i n gt e c h n o l o g y s t a m p i n gd i ed e s i g n o ft a c i t k n o w l e d g ee x p l i c i tt h e o r e t i c a l b a s i sf o rt h ee s t a b l i s h m e n to ft h eu n i t yo fs t a m p i n g d i e d e s i g nk n o w l e d g er e p r e s e n t a t i o nm o d e l ，c o n t r i b u t e t ok n o w l e d g ea c c u m u l a t i o na n d 2 b a s e do nt h et y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n f o r m a t i o ns u m m a r i z e d b l a n k l n g a t t r i b u t e sd e f i n e di nt h i sp a p e r ，t h ef u z z ys y s t e md e s i g np r o c e s sk n o w l e d g e ，t h r o u g h t h ei n t r o d u c t i o no ff u z z yt h e o r y ， a n di tf e a t u r e si n t e g r a t e dp r o c e s s i n g m o d e lo f k n o w l e d g e ，p l a yt ot h e i rs t r e n g t h s ，t h em a x i m u m t of i n dt h ep r o b l e ms o l u t l o n 3 p r o p o s e d t oe s t a b l i s hak n o w l e d g ed i s c o v e r y 。o r i e n t e d f e a t u r em o d e lo f s t a m p i n gp a r t s ，a n de x a m p l e so fm e t h o d s b a s e do nb l a n k i n gd i ed e s l g n 4 t h i sk n o w l e d g e ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fb l a n k i n g ，c o m b i n e d w l t h t h ed e f i n i t i o n0 fad a t a b a s em a d ea st h e r ea r e b o t hd y n a m i cm e m o r ym o d e l - t h em o d e i n e x a m p l eo fs t o r a g em o d e lt e m p l a t e 硕士学位论文 5 i nt h ep r o et oi m p l e m e n tt h es t a m p i n gd i e - p a r a m e t r i cm o d e l i n g k e yw o r d s ：s t a m p i n gd i e ，i n t e l l i g e n td e s i g n ，f e a t u r e s ，f u z z yt h e o r y ，p r o e 基于p r o e 的冷冲裁模架智能化设计研究 插图索引 图2 1 信息间的关系形式。1 0 图2 2 冲裁件的特征分类一1 1 图3 1 部分冲压特性的隶属函数。1 9 图4 1 标准模架分类2 1 图4 2 中间导柱模架2 2 图4 3 冲裁模架设计流程2 3 图4 4 模架设计系统模块图2 4 图4 5c b r 流程图2 5 图4 6 冲裁事例模块设计流程。2 6 图4 7 事例存储模型2 8 图5 1p r o t o o l k i t 工作方式3 1 图5 2a u x i l i a r y a p p l i c a t i o n s 对话框3 4 图5 3 注册程序对话框3 4 图5 4 选项i n c l u d ef i l e s 3 6 图5 5 选项l i b r a r yf i l e s 3 6 图5 6p r o j e c ts e t t i n g s 的c c + + 属性对话框3 7 图5 7l i n k 属性对话框3 7 图5 8c u s t o m i z e 对话框3 8 图5 9 模架参数化系统图3 8 图5 1 0 菜单模型图4 4 图5 1 1 模架材料选择对话框4 4 图5 1 2 模架族表项目选择4 6 图5 1 3 模架族表编辑对话框4 7 图5 1 4 新的模架生成模型4 7 i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 律后果由本人承担。 作者签名：耆羔兰 日期：乃f p 年歹月弓f 日 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，即：学 校有权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 文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收 录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：曹三兰 刷醛辄和 日期：f d 年歹月3f 日 日期：埘口年多月ze l 硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 模具工业概述 模具是生产工业产品的主要工艺装备，作为成型工具与冲压、锻造、铸造等 金属制品成型设备以及非金属材料制品成型设备相配套。据国际生产技术协会预 测，2 1 世纪机械制造工业零件粗加工的7 5 和精加工的5 0 都将依靠模具完成。 因此，模具工业是整个国民经济的基础工业。目前，世界模具市场仍供不应求。 近几年，世界模具市场总量一直为6 0 0 6 5 0 亿美元左右，其中美国、日本、法国、 瑞士等国每年出口模具约占本国模具总产量的1 3 。在日本，模具被誉为“进入富 裕社会的原动力”，在德国，冠之为“金属加工业中的帝王 ，在罗马尼亚称“模 具就是黄金 。随着全球经济一体化的深入，模具工业在国民经济中所发挥的 作用越来越明显。机械、电子、汽车、石化、建筑五大支柱产业都要求模具工业 的发展与之相适应。可以说模具工业已成为国家新技术产业的重要组成部分，是 现代工业的基础工艺装备，是企业的“效益放大器”。用模具生产出的制品表现出 来的高精度、高复杂度、高一致性、高生产率和低能耗都是其它制造方法所不能 比拟的。模具生产技术水平的高低，决定着产品的质量、效益和新产品的开发能 力，它是衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。 1 1 1 模具c a d c a m 技术 模具计算机辅助设计与制造( c o m p u t e ra i d e dd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ) ，简称 模具c a d c a m ，是指以计算机作为主要技术手段来生成和运用各种数字信息和 图像信息，以进行模具的设计和制造心1 。它可以将远非单纯人脑所能承担的模具 设计任务当作日常工作处理，其处理的复杂程度，将随着一代又一代新的计算机 硬件和软件的出现而不断提高。模具c a d c a m 系统为设计人员提供了一个高效 的设计环境，使人的创造性得到完美的发挥，摆脱了大量烦琐的重复性绘图工作。 更重要的是改变了传统的图纸设计和实物传递方式，大幅度提高了模具设计制造 质量和效率。 模具c a d c a m 技术是在模具c a d 和模具c a m 分别发展的基础上发展起来 的，它是计算机技术在模具生产中综合应用的一个新的飞跃，也是模具技术适应 计算机技术发展的必然。模具c a d c a m 技术的显著特点是设计制造的一体化， 其实质是通过设计与制造的紧密联系实现设计制造的综合计算机化。在模具 c a d c a m 系统中，产品的几何模型是关于产品的最基本核心数据。通过模具 c a d c a m 系统的计算、分析和设计而得到的结果，可以应用数据库和网络技术 基- j - p r o e 的冷冲裁模架智能化设计研究 将其储存和直接传送到生产制造环节的各个有关方面，从而实现设计制造的一体 化1 。智能化设计就是建立专家知识库进行索引、类比和推演，自动设计出模具 结构，并与加工设备数据联系，实现网络化加工制造，对提高模具的设计制造质 量、效率都有重要意义。 1 1 2c a d c a m 的发展 c a d c a m 技术起源于航空工业和汽车工业。c a m 的发展以1 9 5 6 年m i t 开发的数控加工自动编程语言a p t ( a u t om e t r i c a l l yp r o g r a m m e dt 0 0 1 ) 作为开端。 而c a d 的发展通常以1 9 6 1 年m i t 实验室的i e s u t h e r l a n d 发表的一篇关于人机 交互的图形系统博士论文为起点h 1 。c a d c a m 技术经过半个世纪的发展，在理 论、技术、系统和应用等方面都有了较大的进步。 从总的发展历程来看，c a d 的发展过程经历了四次关键的技术革命。 第一次c a d 技术革命曲面造型系统 6 0 年代出现的二维c a d 系统只是极为简单的线框式系统。这种初期的线框 造型系统只能表达基本的图形信息，不能表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏 形体的表面信息，c a m 及c a e 均无法实现。 进入7 0 年代，正值飞机及汽车工业的蓬勃发展时期，此间飞机及汽车制造中 遇到了大量的自由曲面问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方式来近似 表达设计的自由曲面。由于视图方法表达的不完整性，往往出现制作出来的样品 与设计者所想象的有很大差异甚至完全不同的情况。 曲面造型系统c a t i a 为人类带来了第一次c a d 技术革命，改变了过去借助 油泥模型来近似表达曲面的落后工作方式，使得人们在用计算机处理曲线及曲面 问题时变得可以操作。它的出现，标志着计算机助设计技术从单纯的模仿工程图 纸的三视图模式中解放出来，首次实现了计算机完整描述产品零件的主要信息， 同时，也使得c a m 技术的开发有了现实的基础。 第二次c a d 技术革命实体造型技术 由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以表达零件质量、重心、惯 性矩等其他恃征，对c a e 的发展十分不利，最大的问题是分析的前处理特别困难。 基于对c a d c a e 一体化技术发展的探索，s d r c 公司于1 9 7 9 年发布了世界上第 一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件一1 d e a s 。 由于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一 c a d 、c a e 、c a m 的模型表达，给设计人员带来方便，它代表着未来c a d 技术 的发展方向。可以说，实体造型技术的普及应用标志着c a d 发展史上的第二次 技术革命。 第三次c a d 技术革命参数化技术 硕士学位论文 在此之前的造型技术都属于无约束自由造型。进入8 0 年代中期，出现了一种 比无约束造型技术更新颖、更好的算法参数化实体造型方法。它的主要特点 是：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动的设计和修改。著名的p r o e 即为参数化软件，早期的p r o f e 软件性能很低，只能完成简单的设计工作，但是， 由于是第一次实现了尺寸驱动零件设计修改，使得人们看到了它今后将给设计者 带来的方便。可以认为，参数化技术应用主导了c a d 发展史上的第三次技术革 命5 | 。 第四次c a d 技术革命变量化技术 参数化技术的成功应用，使得它在1 9 9 0 年前后几乎成为c a d 业界的标准，许 多软件商纷纷起步追赶。s d r c 的开发人员以参数化技术为蓝本，提出了一种比 参数化技术更先进的实体造型技术一一变量化技术。s d r c 在开发i d e a sm a s t e r s e r i e s 软件中形成了一整套独特的变量化造型理论及软件开发方法晦1 。变量化技 术既保持了参数化技术的原有优点，同时又克服了它的许多不利之处。它的成功 应用，为c a d 技术的发展提供了更大的空间和机遇。 设计一般包括两类工作：一类为数值计算，包括计算、分析、绘图等，这类 工作主要依靠建立设计对象的数学模型来进行数值处理；另一类为符号推理，包 括方案设计、评价、决策、结构设计等，它们均属于创造性活动，必须依靠思考 与推理，这类工作主要依靠建立设计对象的知识模型来进行处理。 传统c a d 技术都以数值计算为基础，处理第二类问题很困难。可是实际的设 计工作中，第二类工作才是设计工作中最重要的方面，对设计的优劣具有决定性 的影响。因此必须引进人工智能的原理与方法，以适应创造性设计的要求。早在 1 9 8 7 年，荷兰的p j w t e nh a g e n 和美国的j p o h l 就提出了智f l 邕c a d ( i n t e l l i g e n t c a d ，简称i c a d ) 的概念，认为i c a d 本身是一个系统，它将专家系统内嵌于c a d 中，i c a d 依靠知识库、数据库、专家系统来解决各种设计问题1 。智能c a d ， 智能工程和智能设计的出发点都是一致的，就是要采用系统集成的方法将专家系 统、人工智能与传统c a d 技术有机地结合起来，形成智能化、集成化c a d 系统， 为复杂工程及产品提供支持。 智能c a d ( i n t e l l i g e n tc a d ，i c a d ) 形成大概经历了： 1 ) 单一专家系统向协同式专家系统( c o o p e r a t i v ee x p e r ts y s t e m ，c e s ) 繁荣发 展，c e s 的目标是在网络及分布式数据库环境下，用多个独立智能体进行集群推 理，通过相互协作与通信求解问题。c e s 的基本思想是哺1 ： ( 1 ) 智能体的自主性； ( 2 ) 智能体的分布； ( 3 ) 智能体之间的协作。 2 ) 专家系统与传统c a d 系统向集成复杂系统的发展； 基于p r o e 的冷冲裁模架智能化设计研究 3 ) i c a d 的应用开发促进了i c a d 的发展。 近十年来由于协同式专家系统的发展和c i m s 、并行工程、敏捷制造等复杂 系统对新产品设计的迫切需求，使集成环境以及众多实际应用系统的开发实践， 逐渐促成了i c a d 的形成。智能化设计是为了将人们从常规的、规范化的、重复 的设计工作中解放出来，让这些工作由计算机自动或半自动的完成，而将自己的 精力集中在创造性设计上。 1 2 模具智能化设计的发展及问题 1 2 1 智能化设计的发展 随着人们生活水平的提高，社会进步和经济发展，企业生产逐步转化为小批 量多品种和客户定制的生产方式。随着计算机辅助设计制造技术、计算机软硬件 技术和网络技术的发展应用，企业产品设计日趋复杂多样化，产品开发设计周期 不断缩短。这要求企业在传统计算机辅助设计的基础上强化集成功能，将人工智 能技术和理论引入c a d 系统，将c a d 提高到一个新的阶段即集成智能计算机辅 助设计系统，它可对产品设计全过程提供集成一体化的技术和数据支持。因此， 智能设计可定义为将人工智能技术应用在企业产品设计领域的一种先进的设计方 法n 3 。智能设计的目的是利用计算机全部或部分的代替设计人员从事产品设计过 程，这一过程也可理解为利用计算机实现设计决策自动化的过程，它受设计决策 过程的知识特征模型和计算机本身处理该模型的能力的影响阴1 。设计型专家系统 主要根据逻辑推理解决问题，而人机智能设计系统则由于其体系的开放性和高度 的集成性可在人的参与下进行一定的创造性的设计工作阳9 1 。 1 2 2 模具智能化设计存在的问题 由于在模具材料、工艺设计、企业管理体制、生产管理模式、技术研发水平、 到设计人员素质水平等各个方面都存在着差距，在智能化设计方面存在着下列问 题： ( 1 ) 重硬件、轻软件。模具设计的知识管理及知识重复利用的水平较低。我国 的模具企业长期存在片面注重硬件投资，一方面导致一些设备的利用率不高，另 一方面占用了大量的资金，影响了软件方面的投入，阻碍了其技术研发水平的提 高。而国外的模具企业普遍是“小而精，重点放在模具产品的开发和设计，并 注重知识的积累，因而具备了较高的研发能力。 ( 2 ) 模具设计的智能化、集成化和网络化应用不够。目前c a d c a m c a e 技术 已经在模具行业得到了广泛的应用，大大提高了模具的设计制造水平。但是从整 个行业来看，计算机技术的应用水平在不同地区和不同企业之间的水平参差不齐， 硕士学位论文 交流和协作渠道不畅，软件的利用效率不高。充分利用计算机技术，发挥后发优 势，是我国追赶世界模具先进水平的一条捷径。 以知识的观点来看待企业的发展是一种新兴的观点n 们，它认为企业的竞争优 势在于企业创建、保存和使用知识的能力。从现代企业的发展来看，不仅资源和 设备是分布在不同的地方的，其知识和专家也是呈现分布形态的。一个企业对于 知识的应用好坏取决于两个因素：l ) 知识集成的效率，即企业对于获取、转化和 应用特定知识的能力；2 ) 使用知识的广度，即企业连接其知识域和产品域的能力。 企业一方面需要充分发掘和利用内部的知识，另一方面在缺乏某方面知识的时候 需要有一个良好的机制去获取外部的知识。能够很好地应用其外在知识的企业将 会比那些不能充分应用的企业更具有竞争力。 在知识经济时代，模具企业要进一步发展，必须改变以往过于重视硬件而忽 视软件的做法。未来模具企业的竞争核心将是企业的技术人员和研发水平，而不 仅仅是企业所拥有的先进设备。例如，目前在珠江三角洲已经出现了很多专业小 厂，专门进行机加工、线切割、电火花、加工中心等加工。一个模具设计人员在 完成模具设计后，甚至可以完全依靠和这些专业小厂进行协作，完成整套模具的 制造。当这种大规模的协作发展成熟之后，现在一些模具企业依靠高端的加工设 备所具备的竞争优势将大大削弱。一旦普遍的专业化协作形成，一个协作厂的设 备可以为多家企业服务，原来昂贵的购置和维护成本相当于由多家企业分担，其 进入的门槛将大大降低，从而降低了单纯靠硬件所获得的竞争力。因此未来模具 企业的核心竞争力将在于一个企业对于模具设计和制造知识的掌握。 也正是看到了这一点，将基于知识的工程( k n o w e l d g e b a s d ee n g i n e r i n g ， k b e ) 弓i 入模具设计和制造领域已经成为近年来的研究重点和热点。美、日和欧洲 各国都将k b e 技术的开发和应用列为其发展的重要核心技术。 1 3 人工智能和知识工程的理论研究与现状 在相当长的时间内人们对知识工程的研究只停留在领域知识中，并用相应的 领域知识建立领域专家系统，成功地解决领域问题，因此知识工程和专家系统成 为同义词。但是，在领域专家系统的发展走向一般化时，产生了已下问题：1 ) 智 能系统的实时性以及与应用环境的交互性不尽人意，感知问题不容易得到解决， 声音、图像、文字信息等多媒体信息同样难于处理，人的直觉、灵感等智能信息 就更难模拟；2 ) 专家系统的专用领域有质的变化，目标判断( 属于哪个领域的问题) 要求更高层的知识：常识、推理元知识、通用概念和理论等3 。为了解决以上问 题，人工智能现在的研究主要集中在：知识的模型化和表示方法，启发式搜索理 论，演绎推理、常识性推理、归纳推理等推理方法，以及产生式系统、分布式系 统、多主体系统等人工智能系统结构等方面。 基y - p r o e 的冷冲裁模架智能化设计研究 随着计算机仿真技术的出现和应用，计算机辅助工程一c a e 得到了飞速发展。 人们认识到将c a e 技术和人工智能技术、知识工程技术集成起来就可以解决一些 领域专家系统无法解决的问题，这就促进了基于知识的工程一k b e ( k n o w l e d g e b a s e de n g i n e e r i n g ) 的产生。k b e 是面向对象设计要求而产生的，是发 展新型智能设计方法和设计决策自动化的重要工具，并成为实现工程设计智能化 的重要方法n 刳。由于k b e 技术的开放性，其内涵和外延在目前还没有一致的认识。 英国c o v e n t r y 大学k b e 中心认为：k b e 是一种存储并处理与产品模型有关的知识， 基于产品模型的计算机系统。k b e 技术基于产品本身和设计过程的信息来建立工 程模型，它表达了产品的整个设计过程，保存了产品和设计过程的全部信息。上 海交通大学阮雪榆院士等提出：k b e 是通过知识驱动和繁衍，对工程问题提供最 佳解决方案的计算机基础处理技术，是领域专家知识的继承、创新和管理，是c a x 技术与a i 技术的集成n 厶1 3 1 。总的说来，k b e 技术是一个开放式环境，它能对产品 的整个开发设计过程建立产品模型，将产品设计、工程分析、评价、数据库集成 起来，构成智能化设计的基础。k b e 技术是一个新的智能研究领域，目前还未形 成完整的理论体系和实现方法，具有极大的理论研究和实际应用前景。 为了解决专家系统应用时出现的问题，有人提出了用哲学中的本体论研究知 识的本体，从不同领域知识，不同性质知识中抽象和概括出一组概念和概念间的 关系，构造出知识领域的本体13 1 。根据国内外学者的研究，本体论公认的定义 是被共享的概念化的一个形式的规格说明。当前本体论的研究包含三个层次的内 容：1 ) 本体论工程主要致力于研究和开发本体的内容，包含研究和建立特定领域 和通用领域的本体库；2 ) 本体的表达、转换和集成，主要研究各种知识表示系统 提供形式化方法和工具，使建立的本体得以方便的被共享和重用，提供不同的本 体评价和比较框架，研究不同本体之间的转换和集成方法，提供不同本体间的互 操作手段；3 ) 本体的应用研究以特定领域本体或通用知识为基础3 1 。 1 4 冲压模具智能化设计技术的研究现状 从7 0 年代中期开始，日本的企业，如n i p p o ne l e c t r i c ，f u j i t s ua n dm a t s u s h i t a e l e c t r i cw o r k s 等公司，开始大规模的引入冲压模具c a d 系统n4 1 。虽然以现在的标 准来看，这些系统还比较原始，但是这些系统己经采用了诸如刃口分割，模具零 件和设计过程标准化等思想，为日后冲压模具c a d 技术的发展打下了良好的基 础。 从8 0 年代开始，由于各个c a d 软件厂家开始提供一些高级语言的编程接口， 冲压模具c a d 技术得到了迸一步的发展。模具c a d 的建模能力和交互能力更强。 可以进行一些简单的计算和图形信息的抽取。但是由于当时的开发环境还是基于 图形的，在智能方面的发展还是非常有限。其间比较有代表性的系统是芬兰的金 硕士学位论文 属加工和热处理实验室开发的基于a u t o t r o l 的冲压模具c a d c a m 系统n5 1 。该系统 以f o r t r a n 语言为开发接口，实现了冲压力、弯曲力、弯曲半径、材料利用率、 拉伸次数等的计算，并能够自动地选择模具零件和设置参数，输出零件清单。此 外也出现了一些商业化的冲压模c a d c a m ，包括t h ef a n u cp r o g r e s s i v ed i e c a d c a ms y s t e m 、t h ea d m sd i e sm a s t e rs y s t e m 、p r o s h e e t m e t a l 等15 1 。 随着人工智能技术的发展，很多学者开始探索如何将人工智能技术引入到 c a d 设计当中。作为人工智能技术的一个分支，专家系统( e x p e r ts y s t e m s ，e s ) 在 6 0 年代中期开始得到了发展。专家系统是将人的大脑中针对某个特定问题的知识 和理解，以特定的形式储存到计算机中。当用户需要的时候，可以向计算机系统 咨询和求解。计算机设计系统结合储存的知识，通过推理得到结论，并给出建议 和解释，在需要的情况下，还可以给出推理的过程，由用户检验其合理性和正确 性。专家系统具有强大的功能和良好的柔性，可以解决很多传统的方式不能解决 的问题，因而在很多领域都得到了众多的应用n 制。 从8 0 年代末到9 0 年代初开始，由于人工智能技术和c a d 技术的进一步成 熟，很多学者开始探索如何将二者结合，发展出智能的冲压模具设计系统。人工 智能的模式识别( p a t t e r nr e c o g n i t i o n ) 、基于规则的推理( r u l e b a s er e a s e o n i n g ， r b r ) 、基于事例的推理( c a s e b a s er e a s e o n i n g ，c b r ) 、模糊逻辑( f u z z yl o g i c ) 、 神经网络( n e u r a ln e t w o r k ，n n ) 等方面的技术都在冲压模具的c a d 系统中进行 了研究和应用。但从目前的研究情况来看，冲压设计知识获取方面的研究还是非 常初步的。 1 5 本课题研究的内容及意义 本课题主要对产品设计开发中智能化设计的技术和理论进行研究，虽然现有 的c a d 软件能在产品设计和开发的某些方面支持智能化，但是将这些智能化技术 应用到实际产品设计中的方法和理论技术仍需要研究，所以本课题重点研究了知 识在冲压模具设计中发掘，并对冲压件的某些工艺特征进行定义，提出了基于事 例的冲压模架设计，最后实现冲压模架的参数化造型。 提高模具设计技术水平，对于促进国民经济的发展具有特别重要的意义。而 模具设计制造发展到今天，数控加工及c a m 技术的引入已大大提高了模具的制 造水平，但确定模具品质的模具结构设计仍处于低水平重复的手工设计阶段，与 制造技术的发展不相适应。 随着科学技术的发展，机械产品设计技术、人工智能技术、决策支持技术等 在企业各领域中得到广泛应用，企业的生产经营状况得到进一步改善。但是，企 业内部，产品设计开发、生产制造和经营决策部门之间仍然不够协调。企业为了 在激烈的市场竞争中取得优势，必须采用先进的产品设计开发和经营管理理念， 基于p r o e 的冷冲裁模架智能化设计研究 重组和优化企业内部结构，消除企业内部的信息孤岛，因此为企业开发集成智能 化设计系统具有重要意义。 计算机硬件技术、网络技术、数据库技术、面向对象的系统分析与设计方法 为集成智能化设计系统的开发提供了技术基础；数据库管理系统与编程软件的集 成技术，c a d 通用软件和软件系统的集成技术等为实现集成智能化设计系统中各 个环节的无缝集成提供了技术基础。 总之，开发模具智能化设计系统是可行的、必要的，通过系统的开发，使企 业的产品设计开发过程中的各个环节无缝集成起来，其数据流动、信息流动更加 顺畅，使设计开发的质量和效率更高，进一步，使企业从传统的生产、经营理念 中逐步走向先进的生产、经营理念上来，为企业提供先进的生产管理和经营决策 的手段。 硕士学位论文 2 1 引言 第2 章冲裁模架设计知识的获取和表达 随着计算机技术和网络技术的应用和发展，我们比以往任何时候都更能够方 便地获得各种信息，但是这并不意味着我们可以很快地找到所需要的信息。在冲 压模具设计方面，通过图书馆、期刊、主题网站、图库、设计手册等各种来源可 以获得相关的模具设计信息。但面对具体的模具设计任务时，知识不足仍然是影 响模具设计效率和正确性的重要问题。 1 9 5 8 年，英国物理学家和哲学家m p o l a n y i 从知识的可转移性出发，在其代 表作个体知识中首先提出了隐性知识和显性知识的概念n 。简言而之，显性 知识是以书本、专利和文件等方法传达规范的知识信息。模具设计手册、产品图 纸、工艺文件等也都属于显性知识。而隐性知识是存在于设计人员的头脑中，难 以明确地被他人观察、了解，是与人的智能活动有关的判断、经验和体会、感觉 等难以言传、测算和计量的知识，它依赖于体验、直觉和洞察力n 引。 知识按照其性质和来源可分为事实方面的知识( k n o w w h a t ) 、原理和规律方面 的知识( k n o w w h y ) 、技能和能力( k n o w h o w ) 和知识在哪里的信息( k n o w w h o ) u 8 1 。 事实方面的知识、原理和规律方面的知识属于显性知识，显性知识的管理技术已 经比较成熟，困难的是技能和能力和知识在哪里的信息的管理，其属于隐性知识 的管理。冲压模具设计的k n o w h o w 知识往往隐藏在其所设计的模具图纸当中，这 一类知识的发掘在目前还是一个难题。此外，针对具体的问题，知道哪里有所需 要的相关知识是一种k n o w w h o 的知识。在这个信息爆炸的时代，这种知识显得更 重要。 2 2 知识的认知 2 2 1 数据、信息和知识 冲压模具设计的知识发掘是从大量的数据中发掘出对设计工作有指导和借鉴 意义的知识。从知识工程的角度来理解知识，首先要了解数据、信息和知识的关 系。 数据是指“客观事物的属性、数量、位置及其相互关系等的抽象表示 n 钔。 比如说冲压零件的一个尺寸值，冲压孔的半径等都是数据。 信息是指“数据所表示的含义”n 引。它是已经排列成有意义的形式的数据， 是组织化或结构化了的数据，是放在上下文中的并赋予其特定含义的数据n 8 i 。比 如冲压模具图纸、实验数据、数值模拟计算结果和冲压零件的规格要求等等都是 基于p r o e 的冷冲裁模架智能化设计研究 信息。 “知识是以各种方式把一个或者多个信息连接在一起的信息结构。简言之，知 识是一个或多个信息之间的联系“引。如果以圆圈节点代表信息，以有向弧线代 表关系，知识就可以形象地表示为如图2 1 的关系形式。可以看到，其关系是有方 向性的，而且关系的形式也是多种多样的，有一对一、一对多、多对一和多对多 的关系。在掌握了大量的信息之后，知识发掘的目的就是寻找出信息之间的相互 关系。 1 一对一关系 3 多对一关系 图2 1 信息间的关系形式 4 多对多关系 2 2 2 隐形知识及其外显化 在冲压模具设计中，显性知识的编码和运用已经有了比较成熟的技术，但是， 冲压模具设计中存在着大量的隐性知识，模具设计的成败与设计者的经验知识密 切相关。隐性知识的显性化及其管理是管理科学中知识管理的一个重要研究内容， 日本著名的知识管理专家野中郁次郎提出的知识螺旋模型就是一个说明显性与隐 性知识的相互转化关系的模型n 。 从模具设计的角度来看，直接通过设计人员本人或者由知识专家和设计人员 合作来实现模具设计经验的外显化，还是比较困难的。但是可以肯定的是，设计 人员的绝大部分经验在其设计的模具图纸中已经得到了体现，如果从设计的图纸 出发，结合人工智能的机器学习技术，使设计人员的经验、知识外显化，则是可 行的。 硕十学位论文 2 3 冲裁模架设计知识 2 3 1 基于特征知识的冲裁事例定义 一个冲裁事例由冲裁件和冲裁模具两个部分构成。通过建立冲裁件特征和冲 裁模具设计之间的关系来进行冲裁模具设计知识的发掘。 特征与零件类型及工程应用相关。本文所描述的冲裁件特征是指与冲裁件及 冲裁模设计相关的有意义的信息集合。冲裁件的特征可分为以下几类：形状特征、 材料特征、精度特征、附加特征，如图2 2 。其中形状特征作为描述信息的核心， 是其它特征赖以存在的主体乜引。各特征定义如下： 形状特征：指冲裁件上具有拓扑关系的一族集合元素所组成的特征形状，它 具有特定的功能且与一定的加工方式相对应。 精度特征：指产品集合体的许可变动量相关的信息集合，分为尺寸公差、形 状公差、位置公差特征以及断面质量特征( 断面粗糙度、毛刺) 。 材料特征：是反映产品的材料状况，分为材料性能特征：表示材料类型( 名) 的有关性能参数；毛坯特征表示毛坯的外形及材料厚度等；表面特征表示材料表 面的处理要求。 附加特征：是反映产品其他方面的信息，它的元素包括零件的名称，加工时 应该达到的要求、生产批量等。 冲裁件的特征 形状特征 il 精度特征 ii 材料特征ll 附加特征 兰蚤茎l l 蓁ll 差l i 霎l l 纂l i 毳l l 篓ll 霾l l 纂i l 蓁 图2 2 冲裁件的特征分类 其 他 要 求 特 征 基于p r o e 的冷冲裁模架智能化设计研究 2 3 2 基