基于CBR和KBE的拉深模設(shè)計(jì)系統(tǒng)

鄒修敏

（四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，四川 瀘州 646000）

模具設(shè)計(jì)是一個(gè)極其復(fù)雜的過(guò)程。在企業(yè)里，模具的設(shè)計(jì)過(guò)程，需要由具有一定經(jīng)驗(yàn)的工程師來(lái)完成。模具CAD/CAM的研究熱點(diǎn)之一，是開(kāi)發(fā)出一種適合于企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際的模具智能化、自動(dòng)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

隨著計(jì)算機(jī)輔助工具的不斷發(fā)展與完善，應(yīng)用KBE（Knowledge Base Engineering）的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，使沖壓工藝和模具設(shè)計(jì)自動(dòng)化以及智能化成為可能。

本文主要研究基于CBR（Case Based Reasoning）和KBE 相結(jié)合的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計(jì)了拉深模設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。在研究拉深件描述方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)造相似度函數(shù)，以判斷當(dāng)前拉深件與事例庫(kù)中檢索到的拉深件的相似程度，用最近鄰法來(lái)檢索實(shí)例，確定新產(chǎn)品與已經(jīng)保存在產(chǎn)品庫(kù)中的拉深件的幾何和成形相似性；并根據(jù)拉深件的形狀和尺寸特征，構(gòu)造拉深件的特征骨架；在CAD 軟件UG 的平臺(tái)下，建立拉深件實(shí)例庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、模具標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)庫(kù)和人機(jī)交互界面；采用分層次參數(shù)驅(qū)動(dòng)模具原型，通過(guò)拉深件特征骨架與模具結(jié)構(gòu)原型中對(duì)應(yīng)零部件的邏輯運(yùn)算，形成模具工作部分零件，實(shí)現(xiàn)拉深模具的三維設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

CBR 和KBE 的拉深模設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要包括：拉深件在其實(shí)例庫(kù)中的檢索、拉深件產(chǎn)品實(shí)例庫(kù)、拉深模結(jié)構(gòu)原型庫(kù)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)和拉深件成形性知識(shí)庫(kù)。

系統(tǒng)包括3個(gè)實(shí)例庫(kù)：拉深件實(shí)例庫(kù)、模具結(jié)構(gòu)原型庫(kù)和有限元模型庫(kù)。

拉深件實(shí)例庫(kù)，儲(chǔ)存了以往成功拉深件實(shí)例的數(shù)學(xué)模型；新產(chǎn)品的檢索采用了CBR 技術(shù)，對(duì)拉深件實(shí)例庫(kù)中已有產(chǎn)品進(jìn)行相似性分析，在拉深件成形性知識(shí)庫(kù)的支撐下，進(jìn)行成形性比較。當(dāng)成形難度大于拉深件實(shí)例或已有知識(shí)無(wú)法判斷時(shí)，進(jìn)行有限元分析，并保存有限元分析的結(jié)果；當(dāng)成形難度小于拉深件實(shí)例時(shí)，進(jìn)入模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)階段。當(dāng)相似度沒(méi)達(dá)到要求或產(chǎn)品庫(kù)中沒(méi)有與新拉深件相匹配的實(shí)例時(shí)，則在知識(shí)庫(kù)的輔助下，重新建立基于知識(shí)的拉深件模型，根據(jù)已有知識(shí)分析成形性，進(jìn)入模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；當(dāng)試模合格后，將拉深件產(chǎn)品模型存入拉深件實(shí)例庫(kù)中。

模具結(jié)構(gòu)原型庫(kù)中，主要儲(chǔ)存了各種典型模具結(jié)構(gòu)的三維裝配模型。模具結(jié)構(gòu)原型參數(shù)化引用、模具結(jié)構(gòu)的生成以及拉深件特征骨架的修改、形成都采用KBE 技術(shù)。

有限元模型庫(kù)中，儲(chǔ)存了成功產(chǎn)品的有限元分析模型和結(jié)果，主要是用來(lái)輔助評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可成形性。這樣使得模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠依據(jù)用戶需求，基于知識(shí)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)支持下，實(shí)現(xiàn)拉深模設(shè)計(jì)的自動(dòng)化與智能化。

2 基于CBR 的產(chǎn)品（拉深件）描述和檢索

基于事例的推理（CBR）技術(shù)，模擬了人腦思維過(guò)程，通過(guò)類比和聯(lián)想，從實(shí)例庫(kù)中得到相似問(wèn)題的求解策略，并通過(guò)一定修改，得到新問(wèn)題的解。將事例的推理（CBR）技術(shù)用于拉深模設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)搜索和回憶成功的拉深件實(shí)例，在拉深件成形性知識(shí)庫(kù)的支撐下，來(lái)評(píng)估、比較新拉深件的成形性[5~7]。

基于實(shí)例的推理通常描述為：產(chǎn)品檢索、產(chǎn)品描述、產(chǎn)品的修改保存與產(chǎn)品評(píng)價(jià)。其中產(chǎn)品檢索與產(chǎn)品描述，決定了產(chǎn)品識(shí)別的品質(zhì)、效率和產(chǎn)品庫(kù)的大小，是系統(tǒng)的重要組成部分。

2.1 產(chǎn)品描述

產(chǎn)品描述是將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，正確完整地描述為符號(hào)化的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言過(guò)程。產(chǎn)品描述包括幾何信息描述和非幾何信息描述。

幾何信息指產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、形狀等幾何特征。

非幾何信息主要包括產(chǎn)品材料、生產(chǎn)批量、尺寸精度等內(nèi)容，描述方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單。

本文用特征建模與成組編碼相結(jié)合的方法，對(duì)特征信息編碼，并將編碼按一定的順序封裝到產(chǎn)品清單中。對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢索時(shí)，通過(guò)匹配清單中的編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。

對(duì)圖1 所示典型矩形盒拉深件，本文采用圖2所示編碼方案。其中，虛線表示特征的具體結(jié)構(gòu)編碼，實(shí)線表示產(chǎn)品的特征及其類型編碼。虛線所示內(nèi)容是用不同數(shù)字或數(shù)字的組合，來(lái)表示特征的具體結(jié)構(gòu)、參數(shù)屬性等內(nèi)容；實(shí)線所示內(nèi)容中的大寫(xiě)字母表示產(chǎn)品特征，數(shù)字表示特征種類。

圖1 方盒編碼清單

圖2 矩形盒結(jié)構(gòu)及主要尺寸

2.2 產(chǎn)品檢索的最近鄰法

產(chǎn)品檢索利用產(chǎn)品描述中的編碼，對(duì)當(dāng)前產(chǎn)品與產(chǎn)品庫(kù)中產(chǎn)品進(jìn)行編碼相似性判斷。在CBR 系統(tǒng)中，產(chǎn)品庫(kù)隨著應(yīng)用的累積而不斷擴(kuò)大，如何高效地檢索與當(dāng)前產(chǎn)品最相近的產(chǎn)品，是成功應(yīng)用CBR 的關(guān)鍵之一。

本文采用最鄰近法，分別計(jì)算底面、凸緣、側(cè)壁、孔口線等拉深件結(jié)構(gòu)特征相似程度，最后綜合這4 部分的特征，從產(chǎn)品庫(kù)中選出與新產(chǎn)品最相似的產(chǎn)品。

3 基于知識(shí)的模具結(jié)構(gòu)建模與知識(shí)庫(kù)的建立

3.1 拉深模具結(jié)構(gòu)

典型拉深模結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 模具結(jié)構(gòu)示意圖

模具設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品建模，大致可分為兩部分：一部分是壓邊圈、凸凹模、凹模固定板等與產(chǎn)品尺寸、形狀直接相關(guān)的工作部件。另一部分是上下模座、導(dǎo)套、導(dǎo)柱等標(biāo)準(zhǔn)件。

對(duì)于第二部分標(biāo)準(zhǔn)件，根據(jù)一定參數(shù)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。采用拉深件毛坯長(zhǎng)、寬、高以及拉深件厚度參數(shù)作為主要參數(shù)，用電子表格保存零件的特征尺寸系列。在選定拉深模結(jié)構(gòu)原型后，對(duì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行零件幾何尺寸的更新。與產(chǎn)品形狀、尺寸直接相關(guān)的工作部件與專業(yè)知識(shí)、產(chǎn)品特征信息等內(nèi)容有關(guān)，采用基于知識(shí)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，在形成拉深件特征骨架基礎(chǔ)上，與模具標(biāo)準(zhǔn)裝配結(jié)構(gòu)一起生成相關(guān)模具零部件。

3.2 基于電子表格的裝配結(jié)構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計(jì)

在一套模具中，有許多標(biāo)準(zhǔn)化零件，這些標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸參數(shù)，都可以用表格的形式存儲(chǔ)。使用時(shí)采用拉深件毛坯的長(zhǎng)、寬、高以及拉深件厚度參數(shù)作為主要參數(shù)，用參數(shù)查表得到一系列據(jù)作為驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)件原型的參數(shù)。

針對(duì)模具的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，分別建立模具零部件的電子表格和模具裝配結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)電子表格，裝配數(shù)據(jù)電子表格內(nèi)容包括模具長(zhǎng)、寬、閉合高度、裝配零部件名稱和主要幾何參數(shù)等，用表達(dá)式提取凹模周界尺寸和閉合高度，作為查詢的參數(shù)；模具的零部件數(shù)據(jù)電子表格所包含內(nèi)容，為零部件參數(shù)時(shí)所需要的幾何參數(shù)。

3.3 模具設(shè)計(jì)專家知識(shí)庫(kù)

上述方法可以用于設(shè)計(jì)公式、數(shù)據(jù)等簡(jiǎn)單的知識(shí)或經(jīng)驗(yàn)引入到設(shè)計(jì)過(guò)程，并且能夠在一定程度上通過(guò)表達(dá)式中的條件語(yǔ)句，來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的選擇。但存在以下兩大缺點(diǎn)：

（1）各組件之間尺寸，可以通過(guò)表達(dá)式進(jìn)行關(guān)聯(lián)和計(jì)算，但驅(qū)動(dòng)這些尺寸的產(chǎn)品中，各尺寸之間沒(méi)有相互的關(guān)聯(lián)和制約，產(chǎn)品中的尺寸應(yīng)用范圍沒(méi)有限定。

（2）上述方法雖然可以實(shí)現(xiàn)特征的驅(qū)動(dòng)，但卻無(wú)法滿足由不同產(chǎn)品材料、生產(chǎn)批量等內(nèi)容引起的工序特征變化。

因此，用于檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否合理的各種檢驗(yàn)、推理、糾錯(cuò)等內(nèi)容所涉及的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，必須由知識(shí)庫(kù)完成。

知識(shí)庫(kù)是由大量的專家經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)以及行業(yè)規(guī)范等內(nèi)容組成，通過(guò)檢驗(yàn)、推理、糾錯(cuò)等方式，來(lái)輔助產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與分析的系統(tǒng)。主要是根據(jù)產(chǎn)品的輸入信息，按一定的推理方式，來(lái)檢驗(yàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，如果發(fā)現(xiàn)有不合理的內(nèi)容，則給出產(chǎn)生錯(cuò)誤的原因和修改意見(jiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件的有機(jī)結(jié)合，首先對(duì)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，將產(chǎn)品的信息提取到知識(shí)庫(kù)；然后采用一定方法，對(duì)產(chǎn)品信息進(jìn)行表示；最后將專家經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)、行業(yè)規(guī)范等與產(chǎn)品信息相結(jié)合，形成對(duì)產(chǎn)品信息進(jìn)行知識(shí)的推理，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)與設(shè)計(jì)的糾錯(cuò)。

拉深件產(chǎn)品的信息，不僅包括產(chǎn)品的長(zhǎng)、寬、高及料厚等特征信息，還包括產(chǎn)品材料、產(chǎn)品特征、生產(chǎn)批量等非尺寸信息。所以基于知識(shí)的模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)，不但可以實(shí)現(xiàn)合理的尺寸驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，還可根據(jù)不同的產(chǎn)品成形特征、生產(chǎn)批量等內(nèi)容，進(jìn)行合理的工序安排和模具裝配結(jié)構(gòu)原型的選擇，實(shí)現(xiàn)非尺寸信息驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

為實(shí)現(xiàn)上述功能，采用C++與UG/Open API 函數(shù)結(jié)合的方法，對(duì)UG 軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。對(duì)需要交互修改的尺寸，用UIStyle 制作成用戶的輸入界面。對(duì)尺寸信息，用表達(dá)式進(jìn)行關(guān)聯(lián)。再用函數(shù)UF_MODL_eval_exp（）、UF_STYLER_ask_value()的模型特征值和交互修改值提取到知識(shí)庫(kù)。

由于非尺寸信息中的產(chǎn)品材料、生產(chǎn)批量等內(nèi)容，在模型中沒(méi)有相關(guān)信息，所以只有通過(guò)用戶界面輸入。因建模時(shí)采用Wave 方法引用的特征形狀、結(jié)構(gòu)等內(nèi)容已進(jìn)行關(guān)聯(lián)，不需進(jìn)行提取，但特征的有無(wú)（如矩形盒凸緣的有無(wú)）需要通過(guò)用戶界面進(jìn)行輸入。非尺寸信息是通過(guò)輸入界面的交互，并且通過(guò)函數(shù)UF_STYLER_ask_value()提取到知識(shí)庫(kù)。

為了便于進(jìn)行管理與操作，采用面向?qū)ο蟮姆椒ū硎局R(shí)庫(kù)。典型的產(chǎn)品信息表示方法如下：

對(duì)于分類產(chǎn)品的信息，根據(jù)不同信息類型采用不同知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行推理。本文將專家經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)、行業(yè)規(guī)范等內(nèi)容概括為IF……THEN……形式，進(jìn)行基于規(guī)則的推理。

對(duì)產(chǎn)品尺寸等在設(shè)計(jì)過(guò)程中受一些標(biāo)準(zhǔn)約束的變量，或有一定的范圍限制，以及有些變量的突變，會(huì)引起其他的變量甚至整個(gè)模型發(fā)生畸變。對(duì)于這類參數(shù)，應(yīng)設(shè)置報(bào)錯(cuò)信息和修改意見(jiàn)，并提前定義范圍和約束關(guān)系。

由于生產(chǎn)批量、產(chǎn)品材料、產(chǎn)品特征的有無(wú)等信息改變，引起裝配部件、生產(chǎn)工序、零件特征等模型內(nèi)容相應(yīng)變化，所以應(yīng)該對(duì)相應(yīng)模型或特征設(shè)置特定的屬性。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，知識(shí)庫(kù)根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)等進(jìn)行推理，當(dāng)模型的屬性為false 時(shí)，采用函數(shù)UF_PART_close()關(guān)閉不同的工序模型，或者采用函數(shù)UF_ASSEM_suppress_instance()抑制不必要的模型特征；當(dāng)模型的屬性為true 時(shí)，采用函數(shù)UF_PART_open()打開(kāi)不同的工序模型，或者采用函數(shù)UF_ASSEM_unsuppress_instance()取消抑制的模型特征，通過(guò)這樣來(lái)實(shí)現(xiàn)知識(shí)庫(kù)的輔助模具裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與修改功能。

3.4 基于知識(shí)的拉深件特征骨架設(shè)計(jì)

拉深件特征骨架的尺寸特征和結(jié)構(gòu)特征，都間接或直接地由拉深件的尺寸和結(jié)構(gòu)以及模具總體尺寸決定。在拉深件特征骨架設(shè)計(jì)時(shí)，采用拉深件幾何形狀，并通過(guò)參數(shù)化的建模方法，將其與模具零部件尺寸及總體尺寸相互關(guān)聯(lián)。

在UG 中進(jìn)行具體實(shí)施時(shí)，尺寸用表達(dá)式（Expression）進(jìn)行引用和關(guān)聯(lián)；形狀特征用Wave 幾何連接器引用，Wave 幾何連接器可以引用組件間的點(diǎn)、曲線、面、體、草圖等幾何特征。表達(dá)式可以根據(jù)一定的條件進(jìn)行選擇，還可以引用其他組件的尺寸，并進(jìn)行函數(shù)計(jì)算，其語(yǔ)法為

VAL=if(exp1)(val1)else(val2)。

這樣得到的拉深件特征骨架，能根據(jù)拉深件的模具結(jié)構(gòu)尺寸和幾何、尺寸特征的變化而變化。

3.5 基于知識(shí)的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于知識(shí)的模具設(shè)計(jì)，是將產(chǎn)品信息、專家經(jīng)驗(yàn)、領(lǐng)域知識(shí)等內(nèi)容，按一定方法封裝到模型或知識(shí)庫(kù)，從而達(dá)到輔助設(shè)計(jì)人員進(jìn)行分析、判斷、推理和決策，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過(guò)程的自動(dòng)化、智能化的技術(shù)。

充分考慮到拉伸模的設(shè)計(jì)特點(diǎn)及目前三維CAD軟件功能，本文采用拉深模三維設(shè)計(jì)的構(gòu)造關(guān)系如圖4。

圖4 系統(tǒng)功能模型

在完成模具三維設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)主要涉及的功能有：模具標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)原型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、拉深件特征骨架設(shè)計(jì)、零部件輔助設(shè)計(jì)及修改。

其中，知識(shí)庫(kù)主要用來(lái)分析和檢驗(yàn)其他模塊設(shè)計(jì)的合理性，同時(shí)處理和管理產(chǎn)品信息、參數(shù)傳遞和配合關(guān)系，管理和輔助拉深件的特征骨架，調(diào)用模具的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)原型庫(kù)，參數(shù)驅(qū)動(dòng)生成所需拉深模結(jié)構(gòu)及零部件。

零部件輔助設(shè)計(jì)及修改，是在模具知識(shí)庫(kù)的輔助設(shè)計(jì)完好后，模具設(shè)計(jì)人員進(jìn)行局部修改，進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)的工具。

在矩形盒拉伸實(shí)例中，若進(jìn)入系統(tǒng)的新產(chǎn)品為不帶凸緣的矩形盒，通過(guò)CBR 系統(tǒng)進(jìn)行相似度的判斷后，從產(chǎn)品庫(kù)中找到的相似產(chǎn)品為帶有凸緣的矩形盒，知識(shí)庫(kù)就會(huì)根據(jù)函數(shù)UF_ASSEM_suppress_instance(flange)抑制矩形盒凸緣，并且驅(qū)動(dòng)相關(guān)參數(shù)修改模具裝配體，從而實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品自動(dòng)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用CBR 與KBE 相結(jié)合的技術(shù)，構(gòu)造了拉深模設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在研究拉深件描述方法的基礎(chǔ)上，通過(guò)構(gòu)造相似度函數(shù)，判斷當(dāng)前的拉深件與產(chǎn)品實(shí)例庫(kù)中檢索到的拉深件相似程度。用最近鄰法檢索產(chǎn)品庫(kù)中的實(shí)例，確定新產(chǎn)品在系統(tǒng)中的成形相似性。研究了模具的零件、標(biāo)準(zhǔn)裝配結(jié)構(gòu)原型等參數(shù)化實(shí)施方法。在知識(shí)庫(kù)的支撐下，根據(jù)拉深件尺寸特征生成拉深件骨架特征，并形成最終的拉深模具結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)根據(jù)拉深件特征和尺寸，基于產(chǎn)品材料、生產(chǎn)批量等內(nèi)容進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)原型的選擇并進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，完成模具的設(shè)計(jì)與修改過(guò)程。本文所研究、開(kāi)發(fā)的拉深設(shè)計(jì)系統(tǒng)有效地采用已有的成功的拉深實(shí)例，合理利用現(xiàn)有的零件標(biāo)準(zhǔn)化資料和模具結(jié)構(gòu)，縮減和簡(jiǎn)化了模具典型結(jié)構(gòu)庫(kù)和拉深件產(chǎn)品庫(kù)。為降低模具設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)成本，提高拉深件設(shè)計(jì)、分析效率，提供了有效的方法和手段。

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