基于知識元的沖壓模具設計方法

李海生，寇菲菲，蔡 強，李 楠，姜同強

（1.北京工商大學 計算機與信息工程學院，北京 100048；2.北京郵電大學 計算機學院，北京 100876；3.北京工商大學 材料與機械工程學院，北京 100048）

0 引言

沖壓模具的設計要考慮許多方面的情況，如沖壓力的計算、模具結(jié)構(gòu)的選擇、標準件與非標準件的選擇、零件之間的互相約束、零件的尺寸參數(shù)、刃口間隙等，是一項非常復雜的過程［1］。如果設計過程中的豐富經(jīng)驗和規(guī)則能夠轉(zhuǎn)化成顯性知識［2］，則將大大降低設計的難度和對設計人員的要求，從而提高設計效率。

模具設計知識來源很廣，設計過程中要考慮設計理論、行業(yè)規(guī)定和設計經(jīng)驗等［3］許多方面因素，既有尺寸計算公式又有選型規(guī)則，設計過程既遵循一定規(guī)則又可以靈活地對已完成的設計內(nèi)容進行修改。因此，如何對模具設計知識進行表示并將知識融合到動態(tài)設計過程中，成為一個難點。

目前常用的知識表示方法有框架表示法、產(chǎn)生式規(guī)則法、語義網(wǎng)絡表示法、謂詞表示法和面向?qū)ο蟊硎痉ǖ?，與這些方法相比，本體在知識共享和系統(tǒng)互操作等方面具有顯著的優(yōu)勢［4］。如文獻［5-7］分別對沖壓工藝知識領域、夾具設計領域、幾何學領域的領域知識以本體的形式進行了表達，文獻［8］建立了一個基于本體驅(qū)動的鐵路框架系統(tǒng)，文獻［9］提出基于本體的協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)的界面設計和控制方法。基于本體對領域知識進行表示［10］，可以提高知識共享和重用的程度，因此本體表示法在模具設計中有很大的應用潛力。然而本體僅能表示事實性知識，對于過程性知識，還需要采用其他表示方法，其應用仍存在一定局限性。

本文針對模具設計知識復雜、設計過程動態(tài)決策的特點，提出一種基于設計過程知識元的沖壓模具設計方法，即基于本體和規(guī)則對模具設計知識進行表示，構(gòu)建沖壓模具領域本體來組織和描述沖壓模具領域的概念及概念之間的關系，以產(chǎn)生式規(guī)則和公式表示設計規(guī)則；在分析各結(jié)構(gòu)組件特征聯(lián)動性的基礎上，建立關聯(lián)矩陣和關聯(lián)模型，并將知識元［11］的概念引入設計過程中。根據(jù)本體術語構(gòu)建其設計過程知識元，在實際設計過程中與相應的關聯(lián)矩陣和推理規(guī)則匹配，完成每個設計過程。最后，基于該沖壓模具設計方法，設計開發(fā)了針對定子切邊沖槽模的專用沖壓模具設計系統(tǒng)，成功地將沖壓模具設計領域的知識融合到系統(tǒng)中，并以設計過程知識元為驅(qū)動動態(tài)地決策出設計結(jié)果，最終輸出設計圖紙和模具配置文件等，有效地提高了設計人員的工作效率。

1 沖壓模具設計知識分析

1.1 沖壓模具設計知識內(nèi)容

在沖壓模具的設計中，由于模具結(jié)構(gòu)類型較多、模具零件紛雜，對模具結(jié)構(gòu)和模具零件的圖形信息進行總結(jié)，并融合行業(yè)規(guī)定與設計經(jīng)驗，對模具結(jié)構(gòu)和模具零件的各種選擇規(guī)則和尺寸計算原理方法進行歸納，是非常必要的。沖壓模具設計知識的總結(jié)歸納如圖1所示。

從圖1可以看出，模具設計知識主要來源于理論概括、行業(yè)標準和經(jīng)驗總結(jié)，具有多源性、異構(gòu)性和多樣性的特點。從宏觀的角度出發(fā)，可以將沖壓模具看作一個整體，沖壓模具的整體結(jié)構(gòu)包含許多知識，根據(jù)知識的不同作用可以將沖壓模具的結(jié)構(gòu)設計知識分為模具結(jié)構(gòu)圖形知識、模具結(jié)構(gòu)選擇知識和模具信息管理知識。其中，模具結(jié)構(gòu)圖形知識指模具結(jié)構(gòu)的幾何信息、相關參數(shù)、公差系數(shù)等；模具結(jié)構(gòu)選擇知識指在選擇模具結(jié)構(gòu)時所遵循的規(guī)則，如模具結(jié)構(gòu)內(nèi)部之間的尺寸關聯(lián)規(guī)則、位置約束規(guī)則等；模具信息管理知識是指采用某種形式或者幾種形式的組合對模具的設計信息進行管理，如采用明細表和可擴展標記語言（eXtensible Markup Language，XML）配置文件對模具信息進行管理。另外，沖壓模具還可以被看作為許多零件的一種有機組合，這些零件都包括各自的圖形信息和選擇各零件的規(guī)則，因此又可把零件設計知識劃分為零件圖形知識和零件選擇知識。沖壓模具的設計涉及大量的公式、經(jīng)驗、行業(yè)標準等，以此為依據(jù)可以對整個模具的壓力中心線、各功能零件的尺寸進行計算。

1.2 領域本體的建立

本文在分析沖壓模具設計知識的基礎上，采用Gruber等［12］對本體定義方法，對沖壓模具設計領域本體的定義如下：沖壓模具設計領域本體是用于描述沖壓模具設計領域知識概念的一種專用本體，它精確地反映了概念自身的特征以及概念和概念之間的關系。由于沖壓模具設計的領域知識復雜多樣且來源廣，如何在復雜的知識中抽象出概念集合，提取和分析概念的特征屬性以及概念間的關系，就成為一個難點。目前構(gòu)建領域本體比較常用的方法主要有Uschold［13］本體建立法、多倫多虛擬企業(yè)本體（TOronto Virtual Enterprise，TOVE）法和Meth本體法等，幾種方法共有的構(gòu)建原則為：必須確定本體應用的領域、本體構(gòu)建的目的、本體的表示形式，而且本體中的概念應該足夠小，以避免概念的冗余。因此本文首先確定了本體應用的領域，即沖壓模具設計領域；定義了本體所有術語的意義及其之間的關系，并采用三元組DO=｛CS，AS，RS｝對領域本體進行表示，最終建立沖壓模具設計領域本體。其中：DO 表示沖壓模具設計的領域本體；CS 表示沖壓模具設計領域的概念集合，概念的實例化就是具體的對象；AS 表示概念自身的特征，即屬性；RS 表示概念之間的關系。圖2給出了以定子切邊沖槽模具為例建立的定子切邊沖槽模具設計領域本體的部分模型。

本文定義的沖壓模具設計領域本體中主要有如下關系集：①組成關系part＿of／has＿part，表示概念之間部分與整體的關系；②屬性關系attribute＿of／has＿attribute，表示某個概念是另外一個概念的屬性；③同類關系sibling＿of，表示一個概念是另一個概念的同類，同屬一個分類；④繼承關系kind＿of／has＿kind，表示一個概念是另一個概念的子類；⑤實例關系instance＿of／has＿instance，表示一個概念是另一個概念的實例。

1.3 沖壓模具設計規(guī)則表達

沖壓模具設計領域存在大量的設計規(guī)則。作為設計原則和經(jīng)驗知識的濃縮與升華，這些規(guī)則大多以邏輯判斷或者公式的形式出現(xiàn)。本文以產(chǎn)生式規(guī)則和公式知識表示法對沖壓模具設計領域內(nèi)的規(guī)則類知識進行表示。產(chǎn)生式規(guī)則的一般形式為“規(guī)則號IF〈前提〉Then〈結(jié)論〉”，表示了A 和B的因果關系。沖壓模具設計規(guī)則主要包括尺寸計算公式、裝配結(jié)構(gòu)選擇規(guī)則、結(jié)構(gòu)組件選擇規(guī)則。其中裝配結(jié)構(gòu)選擇規(guī)則和結(jié)構(gòu)組件選擇規(guī)則采用產(chǎn)生式規(guī)則表示，零件尺寸計算公式用公式知識表示法表示，公式中的參數(shù)用變量表示。以定子切邊沖槽模具設計規(guī)則的表示為例，其產(chǎn)生式規(guī)則如表1所示。

在表1中，mode表示凸模的不同方式，x 表示槽形長度，y 表示槽形寬度，依據(jù)x 和y 的不同取值范圍，可以選取相應的凸模方式，不同凸模方式的圖形不同，凸模方式又影響著裝配結(jié)構(gòu)的選擇。選擇模架時，condition為模架選擇的條件，三個條件分別從幾何尺寸、位置約束和特征輪廓的角度給出了模架選擇的規(guī)則約束。

2 結(jié)構(gòu)組件的特征相關性

根據(jù)本體中的概念集，本文依據(jù)沖壓模具的各組成部分構(gòu)建結(jié)構(gòu)組件。在沖壓模具設計過程中，采用分治法的思想，對不同的結(jié)構(gòu)組件分別建模，從而完成整個沖壓模具的設計過程。在構(gòu)建組件時，如果組件的粒度過大，則會導致概念上的混淆冗余，而粒度過小又將增加不必要的組件管理信息，因此在粒度的選取上應遵循在保證概念無交叉重復的基礎上降低組件管理信息的原則。結(jié)構(gòu)組件具有如下特性：①包含工程特性，如材料特征、表面粗糙度、公差等；②具有一定幾何特征和拓撲特征；③可以實現(xiàn)某種功能。結(jié)構(gòu)組件之間的關聯(lián)關系有很多種表現(xiàn)形式，結(jié)構(gòu)上的關聯(lián)表現(xiàn)為位置約束，參數(shù)上的關聯(lián)表現(xiàn)為尺寸關聯(lián)，形狀上的關聯(lián)表現(xiàn)為特征輪廓的關聯(lián)。

沖壓模具設計過程中，由于結(jié)構(gòu)組件間具有關聯(lián)關系，選取或修改某一結(jié)構(gòu)組件時將會影響其他結(jié)構(gòu)組件的選擇。以定子切邊沖槽模具設計為例，由于凸模與凹模是吻合的關系，如果改變凸模尺寸，則凹模尺寸也要隨之變化。若改變的尺度超過所在型號設定的誤差范圍，則凸模與凹模的型號都將發(fā)生變化，而又由于組件之間存在位置約束，當凸模凹模的型號發(fā)生變化時，需要重新依據(jù)選型規(guī)則判斷其他（如固定板等）組件是否需要改動。因此，在設計沖壓模具時，通過分析各組成部件的特征聯(lián)動性來指導模具設計非常必要。

表1 定子切邊沖槽模具設計部分規(guī)則

為了能夠清楚明了地表示結(jié)構(gòu)組件間的復雜關系，本文采用關聯(lián)矩陣描述結(jié)構(gòu)組件間的關聯(lián)關系與類型，從而實現(xiàn)沖壓模具的動態(tài)設計。關聯(lián)矩陣結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。

圖3中：SC 表示結(jié)構(gòu)組件，結(jié)構(gòu)組件間的關聯(lián)類型取值范圍為｛0，1，2，3，4｝，取值代表結(jié)構(gòu)組件之間的關聯(lián)關系。當關聯(lián)類型為0時，表示結(jié)構(gòu)組件間不存在關聯(lián)關系；1表示存在位置約束，如結(jié)構(gòu)組件間存在干涉，且不能和導向元件相碰；2表示存在尺寸關聯(lián)，即如果改變一個結(jié)構(gòu)組件的尺寸參數(shù)，則另一個結(jié)構(gòu)組件的尺寸參數(shù)也會隨之改變，例如固定板尺寸變化時，卸料板尺寸也會相應變化；3表示存在特征輪廓關聯(lián)，即一個結(jié)構(gòu)組件的特征輪廓改變時，另一個結(jié)構(gòu)組件的特征輪廓也會隨之改變，例如凸模特征輪廓改變時，凹模的特征輪廓也會改變；4表示特征組件本身的特征關聯(lián)關系。

3 動態(tài)設計過程

沖壓模具設計的關鍵在于如何將知識應用到設計過程，并以知識為驅(qū)動對設計過程中的問題給出最佳的解決方案。設計中的每個過程都會調(diào)用與之對應的模具設計知識，并依據(jù)本體、規(guī)則和關聯(lián)關系進行參數(shù)化設計。完成每個過程后都會形成中間過程知識，以該知識為依據(jù)依次進行下面的設計過程，從而完成整個模具設計過程。沖壓模具設計中有時會根據(jù)設計需求對已完成的設計結(jié)果進行修改，此時需要調(diào)用結(jié)構(gòu)組件間的關聯(lián)關系來確定與其相關聯(lián)的結(jié)構(gòu)組件的尺寸參數(shù)和零件型號等。為此，針對以上特點，本文將知識元的概念引入沖壓模具動態(tài)設計過程中。

設計過程知識元指將設計過程進行分解后形成的，設計過程中所包含的具有完備知識表達的、最小的、不可再分的知識單位。設計過程知識元基于本體術語的形式化定義如下：

設計過程I的知識元Ki=（Ti，CSi，ASi，RSi，Ii，DTi）。其中：T 表示知識元的類型，包括尺寸輸入、尺寸計算、裝配結(jié)構(gòu)選擇、零件選擇、設計修改等知識元類型；CSi，ASi，RSi和Ii分別表示過程I中涉及的概念集、屬性集、關系集、實例集；DTi表示設計過程I的設計任務。

設計過程知識元驅(qū)動下的動態(tài)設計過程如圖4所示。

由圖4可知，每個設計過程I都是在其相應的設計過程知識元Ki的驅(qū)動下，調(diào)用與之相關的關聯(lián)矩陣，并提取規(guī)則庫中的相應規(guī)則，通過推理完成的。圖5所示為以凸模方式的選擇為例，當槽形長度x=78、槽形寬度y=13時，根據(jù)規(guī)則庫中的規(guī)則得到選擇結(jié)果為凸模方式1的推理過程。

圖4 和圖5 中的設計過程知識元來自兩個方面：①對當前設計過程的設計任務與輸入?yún)?shù)的分析與提??；②通過分析本體庫中的概念集、關系集、屬性集、實例集獲得。當設計過程I推理結(jié)束后，若對此設計過程I的當前結(jié)果進行修改，則需要明確修改項，重新輸入?yún)?shù)，獲取設計任務，并再次提取本體庫中的各項集合，通過分析綜合得出當前的修改知識元Ki′，以此指導修改過程I′，結(jié)束后進入下一個設計過程I+1。

動態(tài)設計過程的算法描述如下：

步驟1 將模具設計分解為具體的設計過程，按照本體和規(guī)則術語集構(gòu)造設計過程知識元Ki。

步驟2 For each i

｛提取其過程知識元Ki，以Ki為規(guī)則前件，根據(jù)本體庫、規(guī)則庫、關聯(lián)矩陣推理完成設計任務，得到規(guī)則后件，即尺寸參數(shù)、裝配結(jié)構(gòu)、零件型號等。對完成的過程I進行整理，得到新的設計過程知識元Ki+1，即與新的設計任務與領域本體融合后的下一個設計過程知識元｝

next

步驟3 If modify I Then

明確修改項，形成修改知識元Ki′，對此知識元進行分析，以其為規(guī)則前件，調(diào)用關聯(lián)矩陣；

依據(jù)本體庫和規(guī)則庫進行推理，判斷是否給予調(diào)整；

通過逐層調(diào)用，最終完成過程I的設計；

｝

步驟4 對新得到的設計過程知識元進行整合分析，判斷是否完成整個沖壓模具設計，若滿足則基于知識的沖壓模具設計結(jié)束。

4 應用實例

以定子切邊沖槽模具的設計為例，利用Protégé本體建模工具建立的定子切邊沖槽模具設計領域的本體模型如圖6 所示。采用外部開發(fā)機制，以objetCRX 為開發(fā)平臺，以CAXA 電子圖版為宿主程序，結(jié)合Visual Studio 2010進行二次開發(fā)編程，開發(fā)了基于知識的定子切邊沖槽模具設計系統(tǒng)。

定子切邊沖槽模具設計遵循一定的流程，每個設計過程都有各自的設計目標，設計過程中會涉及不同的概念、屬性、關系、實例等本體術語。以修改固定板型號的設計過程為例進行分析，其設計過程如下：

（1）設計過程知識元中涉及到的本體術語有零件名稱、零件編號、模架集、材料代碼、關鍵尺寸和視圖基點。此修改固定板型號的設計過程知識元K=（T，CS，AS，RS，I，DT）。其中：T=｛設計修改｝；CS=｛零件編號，模架集，零件名稱，材料代碼，關鍵尺寸，視圖基點｝；RS=｛attribute＿of／has＿attribute，part＿of／has＿part，instance＿of／has＿instance｝；I=｛G8.102.001，G8.102.002，G8.102.003，…，G5.011.001，固定板，1370A025，lg，lg1，wg，wg1，主視圖基點，右視圖基點｝；DT=｛修改固定板型號form G8.102.003 to G8.102.004｝。

（2）由當前知識元可知，此設計過程修改了固定板型號，因此調(diào)用圖6所示的定子切邊沖槽模具中結(jié)構(gòu)組件間的關聯(lián)矩陣。圖中：SM 表示標準模架，SP表示卸料板，PH 表示上模座，DH 表示下模座，PU 表示凸模，CP表示分切凸模，DH 表示凹模，PP表示固定板，KB表示頂料器。

查找此關聯(lián)矩陣可知，與固定板具有關聯(lián)關系的結(jié)構(gòu)件組件包括標準模架、卸料板、上模座、凸模和分切凸模。分析當前知識元，根據(jù)規(guī)則庫對上述結(jié)構(gòu)件按照設計的先后順序依次進行推理，得出結(jié)論：標準模架需要由當前型號G5.011.001 調(diào)整為G5.011.002。

（3）對標準模架進行修改后，需再次調(diào)用關聯(lián)矩陣。查找圖7所示的關聯(lián)矩陣可知，與標準模架具有關聯(lián)關系的結(jié)構(gòu)組件包括固定板、卸料板、上模座、下模座、凸模、分切凸模、凹模和頂料器。對上述結(jié)構(gòu)組件依次進行推理，對需要修改的組件依次調(diào)用關聯(lián)矩陣，判斷與其相關的結(jié)構(gòu)組件是否需要修改。

（4）通過調(diào)用結(jié)構(gòu)組件的關聯(lián)矩陣，得到了滿足設計要求的結(jié)構(gòu)件資源，最終完成整個設計過程，輸出總裝配圖紙、零件圖紙、明細表和配置文件。

此系統(tǒng)的設計過程界面如圖8所示。

在如圖9所示的設計預覽過程中，用戶可以對已得到的選擇結(jié)果進行預覽，并可以根據(jù)需要進行修改。在點擊下一步按鈕時，系統(tǒng)會在設計過程知識元的驅(qū)動下調(diào)用關聯(lián)矩陣，對與之相關的結(jié)構(gòu)組件進行選擇，最終完成整個設計。設計結(jié)束后，用戶可以得到各零件圖、裝配結(jié)構(gòu)圖、明細表以及XML格式的模具配置信息。圖10所示為采用此系統(tǒng)自動出圖的固定板圖紙，圖紙包括零件的的尺寸信息和標注信息。

該系統(tǒng)有效地將存放于零散文檔中和專家頭腦中的企業(yè)模具設計知識形式化地存儲在知識庫中。采用此系統(tǒng)設計圖紙可以將幾個小時的手工設計圖紙過程縮短為幾分鐘。在設計過程中，系統(tǒng)會自動計算壓力中心線并判斷組件之間是否干涉，因此省去了人工計算的過程，減少了人員參與，縮短了設計流程，提高了設計效率。

5 結(jié)束語

本文對沖壓模具設計進行研究，提出一種基于知識的沖壓模具設計方法。該方法以領域本體和規(guī)則對沖壓模具設計領域知識進行表示，分析和提取了模具結(jié)構(gòu)組件的關聯(lián)關系，建立了關聯(lián)矩陣并對其進行管理。根據(jù)設計過程動態(tài)決策的特點，對每個設計過程按照本體術語構(gòu)建其過程知識元，通過匹配關聯(lián)關系數(shù)據(jù)庫和推理規(guī)則庫，完成了模具的全部設計與修改過程。在上述方法的基礎上，開發(fā)了定子切邊沖槽模具設計系統(tǒng)。以定子切邊沖槽模某型的設計為例，描述了領域本體、規(guī)則和關聯(lián)矩陣在動態(tài)設計過程中的驅(qū)動作用，并給出了設計過程界面圖。實例表明，本文提出的基于知識元的沖壓模具設計方法，既可以滿足知識的共享和重用，又可以實現(xiàn)快速動態(tài)設計，從而降低設計人員的工作難度，提高設計效率。下一步工作將研究沖壓模具設計知識元的自動語義標注，提高沖壓模具設計領域知識的重用率。

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