張瑞勛 賈冰清

沈陽(yáng)來(lái)金汽車零部件有限公司

沖壓模具設(shè)計(jì)的智能化途徑之我見(jiàn)

張瑞勛 賈冰清

沈陽(yáng)來(lái)金汽車零部件有限公司

為實(shí)現(xiàn)沖壓模具設(shè)計(jì)的智能化，提出一種基于設(shè)計(jì)過(guò)程知識(shí)元的模具設(shè)計(jì)方法。該方法首先分析模具設(shè)計(jì)知識(shí)內(nèi)涵，建立了沖壓模具設(shè)計(jì)的領(lǐng)域本體，通過(guò)領(lǐng)域本體和規(guī)則對(duì)模具設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行表達(dá)。在分析組件間關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上，建立了組件關(guān)聯(lián)矩陣，并定義了設(shè)計(jì)過(guò)程知識(shí)元。以設(shè)計(jì)過(guò)程知識(shí)元為驅(qū)動(dòng)，對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的具體關(guān)聯(lián)矩陣和推理規(guī)則進(jìn)行匹配，完成了動(dòng)態(tài)決策的設(shè)計(jì)過(guò)程?；谠摲椒ㄩ_發(fā)了一種定子切邊沖槽模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了所提方法的正確性和有效性。

模具設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)過(guò)程知識(shí)元 本體 組件關(guān)聯(lián)矩陣

沖壓模具的設(shè)計(jì)要考慮許多方面的情況，如沖壓力的計(jì)算、模具結(jié)構(gòu)的選擇、標(biāo)準(zhǔn)件與非標(biāo)準(zhǔn)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(xiàng)非常復(fù)雜的過(guò)程。在具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中，還要結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，從實(shí)際應(yīng)用方面降低設(shè)計(jì)的難度，以便進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)的效率。模具設(shè)計(jì)知識(shí)來(lái)源很廣，設(shè)計(jì)過(guò)程中要考慮設(shè)計(jì)理論、行業(yè)規(guī)定和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等]許多方面因素，既有尺寸計(jì)算公式又有選型規(guī)則，設(shè)計(jì)過(guò)程既遵循一定規(guī)則又可以靈活地對(duì)已完成的設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行修改。因此，如何對(duì)模具設(shè)計(jì)知識(shí)進(jìn)行表示并將知識(shí)融合到動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程中，成為一個(gè)難點(diǎn)。

一、沖壓模具設(shè)計(jì)內(nèi)容

在沖壓模具的設(shè)計(jì)中，由于模具結(jié)構(gòu)類型較多、模具零件紛雜，對(duì)模具結(jié)構(gòu)和模具零件的圖形信息進(jìn)行總結(jié)，并融合行業(yè)規(guī)定與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)模具結(jié)構(gòu)和模具零件的各種選擇規(guī)則和尺寸計(jì)算原理方法進(jìn)行歸納，是非常必要的。沖壓模具的整體結(jié)構(gòu)包含許多知識(shí)，根據(jù)知識(shí)的不同作用可以將沖壓模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)分為模具結(jié)構(gòu)圖形知識(shí)、模具結(jié)構(gòu)選擇知識(shí)和模具信息管理知識(shí)。其中，模具結(jié)構(gòu)圖形知識(shí)指模具結(jié)構(gòu)的幾何信息、相關(guān)參數(shù)、公差系數(shù)等；模具結(jié)構(gòu)選擇知識(shí)指在選擇模具結(jié)構(gòu)時(shí)所遵循的規(guī)則，如模具結(jié)構(gòu)內(nèi)部之間的尺寸關(guān)聯(lián)規(guī)則、位置約束規(guī)則等；模具信息管理知識(shí)是指采用某種形式或者幾種形式的組合對(duì)模具的設(shè)計(jì)信息進(jìn)行管理，如采用明細(xì)表和可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言(eXtensible Markup Language，XML)配置文件對(duì)模具信息進(jìn)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(jī)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(shè)計(jì)知識(shí)劃分為零件圖形知識(shí)和零件選擇知識(shí)。沖壓模具的設(shè)計(jì)涉及大量的公式、經(jīng)驗(yàn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等，以此為依據(jù)可以對(duì)整個(gè)模具的壓力中心線、各功能零件的尺寸進(jìn)行計(jì)算。

二、結(jié)構(gòu)組件的特征相關(guān)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(shè)計(jì)過(guò)程中，采用分治法的思想，對(duì)不同的結(jié)構(gòu)組件分別建模，從而完成整個(gè)沖壓模具的設(shè)計(jì)過(guò)程。在構(gòu)建組件時(shí)，如果組件的粒度過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致概念上的混淆冗余，而粒度過(guò)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(yīng)遵循在保證概念無(wú)交叉重復(fù)的基礎(chǔ)上降低組件管理信息的原則。結(jié)構(gòu)組件具有如下特性：包含工程特性，如材料特征、表面粗糙度、公差等；具有一定幾何特征和拓?fù)涮卣?；可以?shí)現(xiàn)某種功能。結(jié)構(gòu)組件之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系有很多種表現(xiàn)形式，結(jié)構(gòu)上的關(guān)聯(lián)表現(xiàn)為位置約束，參數(shù)上的關(guān)聯(lián)表現(xiàn)為尺寸關(guān)聯(lián)，形狀上的關(guān)聯(lián)表現(xiàn)為特征輪廓的關(guān)聯(lián)。沖壓模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于結(jié)構(gòu)組件間具有關(guān)聯(lián)關(guān)系，選取或修改某一結(jié)構(gòu)組件時(shí)將會(huì)影響其他結(jié)構(gòu)組件的選擇。以定子切邊沖槽模具設(shè)計(jì)為例，由于凸模與凹模是吻合的關(guān)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(guò)所在型號(hào)設(shè)定的誤差范圍，則凸模與凹模的型號(hào)都將發(fā)生變化，而又由于組件之間存在位置約束，當(dāng)凸模凹模的型號(hào)發(fā)生變化時(shí)，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(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)沖壓模具時(shí)，通過(guò)分析各組成部件的特征聯(lián)動(dòng)性來(lái)指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)非常必要。為了能夠清楚明了地表示結(jié)構(gòu)組件問(wèn)的復(fù)雜關(guān)系，本文采用關(guān)聯(lián)矩陣描述結(jié)構(gòu)組件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系與類型，從而實(shí)現(xiàn)沖壓模具的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

三、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程分析

沖壓模具設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于如何將知識(shí)應(yīng)用到設(shè)計(jì)過(guò)程，并以知識(shí)為驅(qū)動(dòng)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題給出最佳的解決方案。設(shè)計(jì)中的每個(gè)過(guò)程都會(huì)調(diào)用與之對(duì)應(yīng)的模具設(shè)計(jì)知識(shí)，并依據(jù)本體、規(guī)則和關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。完成每個(gè)過(guò)程后都會(huì)形成中間過(guò)程知識(shí)，以該知識(shí)為依據(jù)依次進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)過(guò)程，從而完成整個(gè)模具設(shè)計(jì)過(guò)程。沖壓模具設(shè)計(jì)中有時(shí)會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)需求對(duì)已完成的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行修改，此時(shí)需要調(diào)用結(jié)構(gòu)組件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系來(lái)確定與其相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)組件的尺寸參數(shù)和零件型號(hào)等。為此，針對(duì)以上特點(diǎn)，本文將知識(shí)元的概念引入沖壓模具動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程中。設(shè)計(jì)過(guò)程知識(shí)元指將設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分解后形成的，設(shè)計(jì)過(guò)程中所包含的具有完備知識(shí)表達(dá)的、最小的、不可再分的知識(shí)單位。設(shè)計(jì)過(guò)程知識(shí)元基于本體術(shù)語(yǔ)的形式化定義如下：設(shè)計(jì)過(guò)程I的知識(shí)元Ki=(Ti，CSi，ASi，RSi，DTi)。其中：T表示知識(shí)元的類型，包括尺寸輸入、尺寸計(jì)算、裝配結(jié)構(gòu)選擇、零件選擇、設(shè)計(jì)修改等知識(shí)元類型；CSi，ASi，RSi分別表示過(guò)程I中涉及的概念集、屬性集、關(guān)系集；Dt表示設(shè)計(jì)過(guò)程I的設(shè)計(jì)任務(wù)。本文對(duì)沖壓模具設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提出一種基于知識(shí)的沖壓模具設(shè)計(jì)方法。該方法以領(lǐng)域本體和規(guī)則對(duì)沖壓模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行表示，分析和提取了模具結(jié)構(gòu)組件的關(guān)聯(lián)關(guān)系，建立了關(guān)聯(lián)矩陣并對(duì)其進(jìn)行管理。根據(jù)設(shè)計(jì)過(guò)程動(dòng)態(tài)決策的特點(diǎn)，對(duì)每個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程按照本體術(shù)語(yǔ)構(gòu)建其過(guò)程知識(shí)元，通過(guò)匹配關(guān)聯(lián)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和推理規(guī)則庫(kù)，完成了模具的全部設(shè)計(jì)與修改過(guò)程。在上述方法的基礎(chǔ)上，開發(fā)了定子切邊沖槽模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)。以定子切邊沖槽模某型的設(shè)計(jì)為例，描述了領(lǐng)域本體、規(guī)則和關(guān)聯(lián)矩陣在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)過(guò)程中的驅(qū)動(dòng)作用。本文提出的基于知識(shí)元的沖壓模具設(shè)計(jì)方法，既可以滿足知識(shí)的共享和重用，又可以實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，從而降低設(shè)計(jì)人員的工作難度，提高設(shè)計(jì)效率。

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[2]趙建勛.本體及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用綜述[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2016.