基于知識驅(qū)動的覆蓋件模具型面參數(shù)化設(shè)計研究

康愛英

（湖南信息職業(yè)技術(shù)學院，長沙 410013）

0 引言

覆蓋件模具是決定產(chǎn)品外形、質(zhì)量、性能、安全的薄板覆蓋件的制造工具和方法，將知識工程這一國際研究熱點融入覆蓋件模具的設(shè)計當中，已成為覆蓋件模具開發(fā)的發(fā)展趨勢。當前，我國汽車需求量急劇增長，在這一背景之下，我國的汽車工業(yè)必然會面臨著快速的增長。同時，我國的CAD/CAM在快速的應(yīng)用過程之中，也促進了我國的汽車制造技術(shù)的大幅提高。但是，在工藝設(shè)計方面，我國的水平依然比較低，這已經(jīng)成為了制約我國汽車工業(yè)發(fā)展的一個的瓶頸。因此，通過運用先進的汽車制造思想以及信息技術(shù)來有效地提升我國的汽車覆蓋件的工藝設(shè)計水平，對于我國的汽車工業(yè)的快速發(fā)展具有非常重要的現(xiàn)實意義，這也要求我們必須不斷地提升汽車覆蓋件的模具設(shè)計核心技術(shù)，進而推動我國整個模具工業(yè)的發(fā)展以及我國汽車工業(yè)的進步。

1 知識工程的定義和關(guān)鍵技術(shù)

1.1 知識工程的定義

任何問題的解決都需要一定的知識或者經(jīng)驗作為基礎(chǔ)，而知識工程的核心問題就在于如何獲取經(jīng)驗和知識，并且將其表達出來。通過決策、分析、設(shè)計、規(guī)劃以及實施，使得相關(guān)的問題，能夠在現(xiàn)有的條件之下得到解決。其主要的研究對象是如何利用計算機信息技術(shù)來獲取需要的知識和經(jīng)驗，并且通過計算機信息技術(shù)對相應(yīng)的知識進行組織分析，確保建立的知識庫的質(zhì)量，并且在此基礎(chǔ)上運用相應(yīng)的知識來對實際的問題進行分析和處理，以期能夠順利的解決實際問題。知識工程相較于以數(shù)據(jù)為主的信息處理其處理的對象時只是，因此涉及到大的問題也非常的寬泛，同時也更為復(fù)雜[2]。

1.2 知識工程的關(guān)鍵技術(shù)

科學技術(shù)的迅速發(fā)展及計算機應(yīng)用領(lǐng)域的日益廣泛，使得計算機已經(jīng)從傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)變?yōu)橹R處理，數(shù)值處理轉(zhuǎn)變?yōu)榉菙?shù)值處理。在數(shù)據(jù)庫技術(shù)人工智能的有效結(jié)合和相互促進下，演繹數(shù)據(jù)庫、專家數(shù)據(jù)鏈、知識數(shù)據(jù)庫方面的研究成果顯著，這些都為知識驅(qū)動的工程應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。歸結(jié)起來，知識工程的關(guān)鍵技術(shù)包括：知識獲取、知識建模、知識推理和知識管理[3]。

2 基于知識驅(qū)動的覆蓋件模具型面設(shè)計流程

如圖1所示，為基于知識驅(qū)動的覆蓋面模具型面設(shè)計流程模型。在模具型面的設(shè)計過程當中，采用面向?qū)ο蟮目蚣芙Y(jié)構(gòu)來對工藝知識進行描述，包括沖壓方向類、截面線類等，且每一類都具有一組知識參數(shù)和設(shè)計方法。

實施對沖壓件的預(yù)處理，工藝方案設(shè)計結(jié)果為系統(tǒng)初始輸入，對導(dǎo)入UG后的產(chǎn)品零件，確定其拉伸工序相關(guān)內(nèi)容。為便于對工藝的設(shè)計補充，對初始模型中的缺角、邊界缺口和孔等部位進行填充處理，形成光滑的孤獨，以保證曲面的連續(xù)性。

圖1 基于知識驅(qū)動的覆蓋件模具型面設(shè)計流程

實施對沖壓方向的設(shè)計。應(yīng)用交互式或自動化方式來對沖壓方向加以確定，以便利后續(xù)對工藝補充面和壓料面的設(shè)計。應(yīng)用三維優(yōu)化算法來對沖壓方法進行判斷，實現(xiàn)自動化的沖壓方向。

實施對壓料面的設(shè)計。以沖壓件模型的輪廓和邊界信息及沖壓方向為依據(jù)，轉(zhuǎn)復(fù)雜零件形狀為截面線，截面線是零件走向的代表，用以滿足壓料面的設(shè)計準則。

實施對凹?？诘脑O(shè)計。在沖壓方向制約下，以預(yù)處理制件信息為依據(jù)，控制零件邊界線在一個可控距離，并按照一定規(guī)則將偏置曲線整合成光滑的一條曲線，通過壓料面曲面投影，來得到凹模口的輪廓線。

實施對工藝補充面截面線的設(shè)計。以匹配的工藝補充面截面線類型、凹?？诰€、壓面料、零件主體曲面模型為依據(jù)，生成約束于凹?？诰€下的工藝補充截面線。

實施對工藝補充面的設(shè)計。將合理的曲線構(gòu)造方法匹配于截面線信息，應(yīng)用變量化、參數(shù)化技術(shù)，由相應(yīng)的截面線對象驅(qū)動和知識，來形成工藝補充面的型面[4]。

實施對拉伸筋的布置設(shè)計。以拉伸凹?？诘睦旒Y(jié)構(gòu)和輪廓特點，來對拉伸筋的位置、類型和幾何參數(shù)進行確定。

實施對毛坯修邊線設(shè)計。將一步法有限元程序集成與UG環(huán)境中，便可準確高效地確定毛坯的修邊線位置和形狀。

3 壓料面參數(shù)化設(shè)計研究

3.1 壓料面的定義

壓料面是覆蓋件工藝補充面的組成部分，即凹模圓角半徑外的那部分毛坯。

3.2 壓料面的造型選擇

依據(jù)創(chuàng)建順序的差異，壓料面造型包括三種形式：第一種，工藝補充部分、壓料面依次生成；第二種，通過截面特征同工藝部分一同創(chuàng)造；第三種，壓料面、工藝補充部分依次生成。實踐表明，前兩種方式在保證壓料面平滑簡單方面很難做到。故選用第三種方式。此時，一般由零件邊界、零件截面、直線來生成壓料面外輪廓曲線。本文應(yīng)用第三種方式來對壓料面參數(shù)設(shè)計進行系統(tǒng)研究。

3.3 壓料面參數(shù)化的知識表達

壓料面外輪廓線參數(shù)槽包括：對象的基準點、對象的參數(shù)、對象的類型等，規(guī)則槽包含了各種外輪廓線的設(shè)計規(guī)則，關(guān)系槽主要為線和零件的連接。歸結(jié)壓料面參數(shù)如下：對象單元包括組成壓料面的線和基準點；參數(shù)槽包括類型（用戶自定義曲面、單曲面、雙曲面、平面）、范圍（拉延極限值、拉延主特征尺寸）、基準點；關(guān)系槽包括面與零件（近似、平行）、面與凹模口線（內(nèi)邊界）、面與拉延筋；規(guī)則槽包括規(guī)則一（光滑平順、形狀簡單）、規(guī)則二（拉延深度均勻）、規(guī)則三（極限值大于拉延深度）、規(guī)則四（凹?？诰€內(nèi)，凹模頂部表面長度大于壓料面長度）。歸結(jié)壓料面外輪廓線參數(shù)如下：對象單元為基準點；參數(shù)槽包括類型（曲線、直線）、參數(shù)（控制點、類型）、基準點；關(guān)系槽為零件與線（近似、平行）；規(guī)則槽包括規(guī)則一（線曲率變化不大，且不能過?。?、規(guī)則二（與線垂直的零件截面小于極限值，且拉延深度相差不大）、規(guī)則三（零件對應(yīng)截面線長度大于線長度）。

3.4 壓料面設(shè)計的實現(xiàn)

確定壓料面外輪廓線是設(shè)計實現(xiàn)的首要工作，獲取零件信息是創(chuàng)建壓料面的關(guān)鍵，以零件的外邊界線或截面線為依據(jù)確定其外淪陷，進而依據(jù)系統(tǒng)構(gòu)造方法來對其完成其曲面的構(gòu)造。壓料面參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn)流程如下：第一，依據(jù)壓料面設(shè)計知識規(guī)則以及具體汽車覆蓋件的零件特點，來對壓料面的類型進行確定；第二，根據(jù)用戶交互輸入，從汽車覆蓋件的零件之上提出相對比較合適的截面線，以完成外輪廓線的初始構(gòu)造；第三，根據(jù)用戶實際輸入的參數(shù)來對壓料面的外輪廓線進行修改、優(yōu)化；第四，將優(yōu)化生成的汽車覆蓋件零件外輪廓線作為依據(jù)，并且生成曲面；第五，對生成的曲面實施有限元分析，并且依據(jù)分析的結(jié)果進行改進；第六，依據(jù)汽車覆蓋件的設(shè)計規(guī)則、生成曲面以及具體的零件信息來生成凹模口線；第七，對曲面實施剪切，然后據(jù)此得出壓料面。

4 工藝補充面參數(shù)化設(shè)計研究

工藝補充面的創(chuàng)建在實際的應(yīng)用過程之中，大多為手動方式，通過運用CAD造型的方法對零件的邊緣曲面進行關(guān)鍵部分的而為截面線優(yōu)化。這種手動形式完全依賴于設(shè)計人員經(jīng)驗，加之復(fù)雜的造型過程，很難保障設(shè)計精度，且對于設(shè)計的修改難度極大。本文應(yīng)用運用工藝補充面引導(dǎo)線和截面線，來完成對壓料面的分段創(chuàng)建，因截面線的參數(shù)化定義，使得表達式同截面線相關(guān)聯(lián)，使得所在修改工藝補充面時十分簡單，流暢了覆蓋件沖壓工藝設(shè)計，有效提升了設(shè)計的整體效率。

1）實施對工藝補充面截面線的設(shè)計

模板法可以實現(xiàn)對截面曲線全參數(shù)化特征的創(chuàng)建，在設(shè)計模具型面過程中，應(yīng)用這種全參數(shù)化的界面曲線，便可促進設(shè)計和修改效率的大大提升。在實施設(shè)計修改時，只需要對其截面線參數(shù)進行修改，便可自動完成截面線的更新，進而驅(qū)動引導(dǎo)線的更新，從而更新工藝補充面的特征，實現(xiàn)對型面設(shè)計的修改。依據(jù)模板法來實現(xiàn)工藝補充面截面線創(chuàng)建的設(shè)計思想是：以用戶輸入截面線起點為依據(jù)，對起點所在邊界條件進行計算，得出其坐標系，通過運用截面線的控制線以及坐標系能夠得出截面線的終點，然后運用上述的個點來對截面線的末班進行約束處理，得到覆蓋件所需的截面線。在系統(tǒng)之中，可以對典型的覆蓋件截面線進行定義，將每一種典型都固定一個特征，在進行修改的時候，就能夠運用參數(shù)化的截面線坐標更為便利的進行控制。

2）實施對工藝補充面的設(shè)計

因網(wǎng)格方法構(gòu)建的曲面精度高，且可對邊界連續(xù)性進行控制，故本文采用這一方法來生成工藝補充面。以保證不同工藝補充面間的連續(xù)性。在實際設(shè)計應(yīng)用當中，來對零件周邊截面線的分布密度進行控制[6]，以保障曲面的設(shè)計質(zhì)量。在實施曲面構(gòu)建時，首先將截面線關(guān)鍵點煉成一條一條的引導(dǎo)線，用引導(dǎo)線和控制線來共同完成工藝補充面曲面網(wǎng)格的組建，從而生成工藝補充面。

5 結(jié)束語

模具型面設(shè)計是沖壓工藝設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過本文對基于知識驅(qū)動的覆蓋件模具型面參數(shù)化設(shè)計的研究得出以下成果：分析了現(xiàn)代制造環(huán)境下的覆蓋件模具設(shè)計過程，闡述了基于知識驅(qū)動的模具型面設(shè)計的理論依據(jù)和組織方法；與有限元分析軟件相結(jié)合，分析了壓料面的生成，并依據(jù)分析結(jié)果完成設(shè)計優(yōu)化；實現(xiàn)了利用零件本體和壓料面來生成工藝補充面截面線的方法；實現(xiàn)了對壓料面、工藝截面線、工藝補充面的一體化設(shè)計。雖然本文研究取得了一定的成果，但其仍需在日后實踐中不斷完善和擴充設(shè)計功能，以進一步提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實用性和通用性。

[1] 黃勇.知識驅(qū)動的覆蓋件模具拉深工序件設(shè)計[J].鍛壓設(shè)備與制造技術(shù), 2008, (2).

[2] 楊平武.基于知識的覆蓋件修邊工藝設(shè)計研究[J].鍛壓裝備與制造技術(shù), 2009, (5).

[3] 王義林.知識驅(qū)動的覆蓋件模具型面參數(shù)化設(shè)計[J].現(xiàn)代制造工程, 2010, (2).

[4] 魏偉.知識驅(qū)動的汽車覆蓋件智能模具系統(tǒng)研究[J].機械制造及自動化, 2008, (6).

[5] 羅仕鑒.知識驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計情境[J].浙江大學學報(工學版), 2008, (11).

[6] 王隆娟.基于知識的覆蓋件工藝型面設(shè)計系統(tǒng)的研究[J].材料加工工程, 2008, (5).