◎北京航天長征飛行器研究所 董偉 殷德政 黃有旺

基于知識的型材拉彎成形模具設(shè)計研究

◎北京航天長征飛行器研究所 董偉 殷德政 黃有旺

模具設(shè)計一直是鈑金制造領(lǐng)域的研究熱點，為了實現(xiàn)模具的快速設(shè)計，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。型材拉彎成形模具是決定型材拉彎零件成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，通過采用數(shù)字化手段可實現(xiàn)型材拉彎成形模具設(shè)計的快速化和智能化，但當(dāng)前的研究主要針對基于知識的模具設(shè)計，而對型材拉彎模具設(shè)計中如何應(yīng)用模具設(shè)計知識的研究很少。

為此，筆者在分析型材拉彎成形模具設(shè)計過程的基礎(chǔ)上構(gòu)建模具設(shè)計知識模型，建立了基于知識的型材拉彎模具數(shù)字化設(shè)計方法，解決了模具數(shù)字化設(shè)計的關(guān)鍵問題，并通過實例證明了該方法的有效性。

一、模具設(shè)計過程分析

型材拉彎成形模具設(shè)計按其過程可分為總體方案設(shè)計、概要設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計3個階段，在不同的設(shè)計階段具有不同的設(shè)計內(nèi)容，如圖1所示。

圖1 型材拉彎成形模具各階段設(shè)計內(nèi)容

總體方案設(shè)計是指根據(jù)成形零件的結(jié)構(gòu)特點對其模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的規(guī)劃，這是后續(xù)模具設(shè)計的重要依據(jù)；概要設(shè)計是在總體方案設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，主要包括結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和型面設(shè)計；詳細(xì)設(shè)計主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)要素、標(biāo)準(zhǔn)件以及圓角的設(shè)計。

成形模具設(shè)計過程具有以下幾個特點：一是需要運(yùn)用大量的理論知識、專業(yè)知識以及經(jīng)驗進(jìn)行模具設(shè)計；二是設(shè)計過程中每一階段的設(shè)計結(jié)果都對下一階段產(chǎn)生影響，設(shè)計流程具有一定的柔性；三是針對相似的零件盡量利用已有的成熟設(shè)計方案，以提高模具設(shè)計的可靠性；四是對企業(yè)中型材拉彎模具設(shè)計流程進(jìn)行提煉和復(fù)用，可以提高設(shè)計效率；五是模具建模方式不規(guī)范，采用通用的CAD軟件設(shè)計效率低，急需先進(jìn)和快速的模具CAD系統(tǒng)。

二、基于知識的模具設(shè)計方案

1.知識構(gòu)成

型材拉彎成形模具的設(shè)計知識主要分為方案設(shè)計知識和參數(shù)設(shè)計知識，在不同的設(shè)計中分別建立模具總體方案設(shè)計和參數(shù)設(shè)計知識模型，如圖2和圖3所示。不同領(lǐng)域和形式的設(shè)計知識在表達(dá)與推理方式上也不盡相同，只有通過研究不同領(lǐng)域知識本身的特點，找到最合適的表達(dá)和推理方法，才能更好地使用知識。

圖2 模具總體方案設(shè)計知識模型

2.模具設(shè)計

基于知識的模具設(shè)計就是把規(guī)范的設(shè)計信息、最優(yōu)的設(shè)計方法和流程等隱性知識轉(zhuǎn)化為顯性知識，將知識以參數(shù)、公式、規(guī)則、檢查、報告、設(shè)計表等多種形式表示出來，并進(jìn)行定義、修改、插入等操作，在模具設(shè)計過程中自動捕捉和復(fù)用設(shè)計知識，引導(dǎo)用戶完成模具的總體方案設(shè)計、概要設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計全過程，最終生成型材拉彎成形模具數(shù)模，并將模具信息存儲在知識庫中。

圖3 模具參數(shù)設(shè)計知識模型

在對成形模具設(shè)計知識研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建模具設(shè)計知識庫，開發(fā)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)和模具幾何建模系統(tǒng)，并將知識應(yīng)用和CAD結(jié)合起來，實現(xiàn)對型材拉彎成形模具數(shù)字化設(shè)計過程的支持（見圖4）。通過對模具設(shè)計知識的應(yīng)用，使模具設(shè)計過程趨于規(guī)范化，減少了設(shè)計人員的重復(fù)性工作，同時通過知識的動態(tài)積累不斷實現(xiàn)對知識庫自身的擴(kuò)充與完善，使之更好地為成形模具設(shè)計服務(wù)。

圖4 知識對型材拉彎成形模具設(shè)計過程的支持

3.模具結(jié)構(gòu)方案及參數(shù)

模具結(jié)構(gòu)方案設(shè)計主要由零件特征決定，型材拉彎成形模具的結(jié)構(gòu)比較簡單，但針對不同類型的零件模具結(jié)構(gòu)有所不同。根據(jù)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的具體情況，采用成組思想對不同類型零件及對應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行歸納總結(jié)，得到模具結(jié)構(gòu)設(shè)計的典型知識，并通過圖表的形式表現(xiàn)出來。

型材拉彎成形模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計工作主要是對模具的蓋板、底板和模體厚度、工作間隙等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計知識一般以經(jīng)驗為主，屬于過程型知識，執(zhí)行效率高。模具結(jié)構(gòu)參數(shù)是構(gòu)建三維模型的關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)參數(shù)知識是結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計的主要依據(jù)，因此需要快速、直接、準(zhǔn)確地進(jìn)行知識的表達(dá)推理。

同時，針對模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計知識的特點，采用基于產(chǎn)生式規(guī)則的方法描述結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計知識。產(chǎn)生式規(guī)則表示知識具有以下優(yōu)點：一是可對單條產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行增添、刪除或者修改，而不用考慮與其它規(guī)則的關(guān)系；二是采用單一的知識表示形式，易于被其他人理解；三是表示形式與人們求解問題時的思維形式相似。

4.基于XML的模具設(shè)計

在整個型材拉彎工藝數(shù)字化設(shè)計過程中，工藝參數(shù)設(shè)計、模具設(shè)計、成形性評估等系統(tǒng)都存在著交互，需要信息傳遞與共享。但由于系統(tǒng)間不同、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各異，很難使用CAD模型的幾何信息進(jìn)行大量的工程計算和設(shè)計決策。為面向信息集成的需要，需以專用格式或標(biāo)準(zhǔn)交換格式表達(dá)。筆者在分析型材拉彎模具設(shè)計各階段的設(shè)計內(nèi)容及模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種基于XML（是由W3C發(fā)表的一種標(biāo)準(zhǔn)，面向Web應(yīng)用的標(biāo)記語言，可以描述各種各樣的數(shù)據(jù)信息）的模具設(shè)計信息表示方法，建立模具設(shè)計內(nèi)容的語義，基于XML格式來擴(kuò)展模具設(shè)計信息的集成應(yīng)用。通過建立型材拉彎成形模具設(shè)計信息的標(biāo)準(zhǔn)模式，可以完整、清晰地表達(dá)型材拉彎模具設(shè)計信息，實現(xiàn)模具信息基于網(wǎng)絡(luò)的傳遞和共享。

在型材拉彎成形模具設(shè)計過程中，各個設(shè)計階段的信息不斷被充實，構(gòu)成了完整的模具設(shè)計信息模型，如圖5所示。

圖5 型材拉彎成形模具設(shè)計信息模型

型材拉彎成形模具設(shè)計信息主要包括方案信息、幾何信息以及數(shù)模信息。其中，方案信息和幾何信息可以直接在XML文件中解析讀??；數(shù)模信息在XML文件中只表現(xiàn)為模具圖號，用戶可以根據(jù)圖號從模具庫中調(diào)用；模具信息XML文件是模具信息的主要載體，通過向工藝參數(shù)設(shè)計系統(tǒng)傳遞模具幾何信息，從而為數(shù)控指令中加載軌跡計算提供幾何依據(jù)。

三、設(shè)計實例應(yīng)用

以某個零件為例，針對成形模具的總體方案設(shè)計和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計闡述知識對型材拉彎成形模具設(shè)計的支持作用。型材拉彎成形模具設(shè)計子系統(tǒng)由模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計模塊和模具幾何建模模塊組成，通過自帶瀏覽器訪問模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計模塊，實現(xiàn)知識對模具設(shè)計過程的指導(dǎo)。

系統(tǒng)外部接口采用XML文件進(jìn)行與其它系統(tǒng)之間不同數(shù)據(jù)信息的獲取和傳遞。在各類信息內(nèi)容規(guī)范的基礎(chǔ)上，定義模具設(shè)計特征等信息的XML描述文件，形成型材拉彎模具設(shè)計系統(tǒng)內(nèi)的表示與接口標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)在應(yīng)用系統(tǒng)間、應(yīng)用系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫之間的信息交換和集成。

系統(tǒng)內(nèi)部接口的模具幾何建模模塊通過內(nèi)部瀏覽器登錄模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計模塊查看設(shè)計知識，模具設(shè)計完成后生成的數(shù)模等文件通過上傳方式傳遞給模具知識庫子系統(tǒng)。

根據(jù)零件信息的描述可知，此零件為收邊變形的角型材零件，根據(jù)典型知識可得，成形模具采用底板和模體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計根據(jù)所選擇的成形模具的結(jié)構(gòu)方案，采用基于產(chǎn)生式規(guī)則的方法設(shè)計模具結(jié)構(gòu)的參數(shù)，最后將這些參數(shù)與型面設(shè)計相結(jié)合，利用基于知識的拉彎模具設(shè)計系統(tǒng)在幾何建模系統(tǒng)中生成模具的三維數(shù)模，形成最終的設(shè)計結(jié)果。

綜上所述，采用基于知識的型材拉彎模具設(shè)計方法可以更加快速準(zhǔn)確地完成型材拉彎模具設(shè)計，顯著縮短了型材拉彎模具的設(shè)計周期，同時降低了生產(chǎn)成本。