谷欣航，車劍昭，韓志仁,1b，閆寶強(qiáng)

(1.沈陽航空航天大學(xué) a.航空宇航學(xué)院,b.航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136；2.中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司 a.制造工程部，b.模具鍛鑄廠，西安 710089)

模具作為工業(yè)生產(chǎn)過程中重要工藝裝備之一，是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的工藝發(fā)展方向和重要手段。模具質(zhì)量影響著產(chǎn)品質(zhì)量、效益、更新?lián)Q代的速度和新產(chǎn)品的開發(fā)能力，決定了制造企業(yè)的前途與發(fā)展，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家制造水平高低的重要標(biāo)志[1]。模具設(shè)計(jì)水平直接影響模具的質(zhì)量，目前傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)周期長、依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)水平參差不齊，直接影響了新產(chǎn)品的研發(fā)速度和開發(fā)創(chuàng)新[2]。

目前，航空產(chǎn)品研制中模具設(shè)計(jì)是基于MBD的三維模具設(shè)計(jì)，直接設(shè)計(jì)模具數(shù)模，并且結(jié)構(gòu)樹符合MBD規(guī)范。同一類典型模具具有很強(qiáng)的相似度，結(jié)構(gòu)相似而尺寸不同，可以通過參數(shù)建模實(shí)現(xiàn)模具零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)[3]，已經(jīng)有部分航空企業(yè)利用參數(shù)化建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)了模具的快速設(shè)計(jì)。不同模具之間不僅參數(shù)不同，結(jié)構(gòu)方案也有差別。如果將所有不同的結(jié)構(gòu)均作為不同的典型結(jié)構(gòu)，那么典型結(jié)構(gòu)的數(shù)量可能很大，導(dǎo)致模具快速設(shè)計(jì)軟件無法開發(fā)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人工智能技術(shù)得到了飛速發(fā)展。人工智能本質(zhì)是對人腦思維的模擬[4]。人腦思維的一般過程是先認(rèn)知客觀實(shí)體對象，再結(jié)合自己大腦中存儲(chǔ)的相關(guān)知識(shí)對該對象進(jìn)行匯總分析，最后經(jīng)過一系列復(fù)雜的邏輯推理，演繹得出結(jié)論。人工智能的核心工作是運(yùn)用機(jī)器來對人類思維的模擬[5]。智能化的思想已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，在生活的方方面面都能看見人工智能給人們帶來的便利、快捷、高效[6]。將智能化的思想應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)，在模具設(shè)計(jì)過程中模擬設(shè)計(jì)人員的思維，在設(shè)計(jì)過程中有效地進(jìn)行各種復(fù)雜的設(shè)計(jì)分析和決策以滿足智能化的模具設(shè)計(jì)要求，以便有效地解決模具快速設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的分類難的問題，真正實(shí)現(xiàn)模具智能化快速設(shè)計(jì)。目前國內(nèi)已經(jīng)有少量的相關(guān)論文報(bào)道，例如西北工業(yè)大學(xué)的王愛賢等人在原有標(biāo)準(zhǔn)件建庫工具基礎(chǔ)上引入知識(shí)工程，并運(yùn)用合理的推理機(jī)制使系統(tǒng)智能生成用戶所需的模具[7-9]。武漢理工大學(xué)的陳昆等人通過引入專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)了一種基于知識(shí)的模具設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了集知識(shí)、設(shè)計(jì)、選材、校核和出圖為一體的模具設(shè)計(jì)功能[10-11]。本文基于MBD的三維模具快速設(shè)計(jì)，以半管成形模具設(shè)計(jì)為例介紹智能化思想在模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 半管成形模具快速設(shè)計(jì)主要不確定性因素

半管成形模具快速設(shè)計(jì)包括方案確定、三維設(shè)計(jì)規(guī)范的結(jié)構(gòu)樹、參數(shù)化建模、標(biāo)準(zhǔn)件安裝等，快速設(shè)計(jì)過程中由于標(biāo)準(zhǔn)半管或非標(biāo)準(zhǔn)半管的形狀和尺寸的差異，模具的結(jié)構(gòu)形式方面的細(xì)節(jié)存在差異，例如凸模固定板頂桿孔布局、導(dǎo)向板組件的大小和規(guī)格不同、標(biāo)準(zhǔn)件安裝需要手動(dòng)選擇約束元素等。模具的整體尺寸也需要根據(jù)零件的擺放位置和機(jī)床工作臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行確定。這些不確定因素均可以利用智能算法實(shí)現(xiàn)智能化推理得到具體的結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)，解決模具快速設(shè)計(jì)中典型結(jié)構(gòu)多樣性問題。

1.1 半管成形模具基本結(jié)構(gòu)

模具一次成型兩個(gè)零件，也可以成形一個(gè)零件，根據(jù)成形零件內(nèi)形進(jìn)行擴(kuò)展，增加非工作區(qū)，形成包絡(luò)曲面，用于確定凸模，包絡(luò)面偏置一個(gè)板厚得到新的包絡(luò)面，用于確定凹模具，具體半管成形模具基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括凹模、凸模、壓邊圈、凸模固定板、導(dǎo)向板組件。模具中一部分結(jié)構(gòu)是固定的，可以參數(shù)化，通過用戶輸入?yún)?shù)控制；另一部分結(jié)構(gòu)是不確定的，也就是與半管的形狀和尺寸以及機(jī)床有關(guān)。

圖1 半管成形模具基本結(jié)構(gòu)

1.2 半管成形模具結(jié)構(gòu)中不確定性因素

1.2.1 模具整體尺寸

模具整體尺寸與機(jī)床工作臺(tái)、半管尺寸和形狀、半管排放位置有關(guān)。如果這些因素發(fā)生變化，模具整體尺寸就會(huì)隨之改變，他們的相對位置在數(shù)模中按坐標(biāo)位置進(jìn)行確定。具體要求是：(1)模具與機(jī)床工作臺(tái)安裝部分尺寸與工作臺(tái)的參數(shù)一致；(2)模具橫向邊界與頂桿孔的最小距離大于35 mm；(3)模具的閉合高度按5的倍數(shù)取整。模具與機(jī)床的位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 模具與機(jī)床的位置關(guān)系

1.2.2 凸模固定板

凸模固定板如圖3所示，模具總尺寸由凸模固定板外形尺寸確定，而頂桿孔的數(shù)量和位置由機(jī)床和凸模確定，確定原則為：(1)所有孔的位置和尺寸與機(jī)床工作臺(tái)的孔和位置一致，且凸模固定板的孔數(shù)量小于機(jī)床工作臺(tái)的孔數(shù)量；(2)凸模固定板的孔與凸模的最小距離大于5 mm，且凸模固定板的孔不可以在工作區(qū)域內(nèi)部。圖3中模具區(qū)域的孔是經(jīng)過篩選確定的頂桿孔。

圖3 凸模固定板

1.2.3 凸模

凸模的外形由半管的內(nèi)形面確定，凸模通過螺栓固定在凸模固定板上，螺栓的數(shù)量和位置確定準(zhǔn)則為：(1)按照半管零件的理論中心線等距單排設(shè)置固定螺釘孔；(2)當(dāng)半管零件直徑大于68 mm時(shí)兩端的孔位改用兩個(gè)螺釘進(jìn)行固定，分別位于凸模兩端圓角的圓心處。凸模固定螺釘?shù)牟季秩鐖D4所示，為半管零件直徑大于68 mm時(shí)的情形。

圖4 凸模固定螺釘布局

2 智能化思想的應(yīng)用

專家系統(tǒng)是人工智能最重要的應(yīng)用領(lǐng)域之一，也是最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域之一，如圖5所示。通過專家系統(tǒng)，人工智能得到了實(shí)際應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了從一般推理策略探討轉(zhuǎn)向運(yùn)用專門知識(shí)的重大突破[12-13]。專家系統(tǒng)是早期人工智能的一個(gè)重要分支，是一類具有專門知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)智能程序系統(tǒng)，采用人工智能的知識(shí)表示和知識(shí)推理技術(shù)來模擬專家的思考過程，解決由領(lǐng)域?qū)＜也拍芙鉀Q的復(fù)雜問題。專家系統(tǒng)是當(dāng)今人工智能、深度學(xué)習(xí)和機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)的前身。

圖5 專家系統(tǒng)

模具設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)，涉及到很多模具設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，還有很多工程計(jì)算問題。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)建模中獲取需要的信息，進(jìn)行必要的計(jì)算和思考，確定后續(xù)的一些結(jié)構(gòu)和尺寸。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中的這些行為可以總結(jié)提煉出專家知識(shí)和推理機(jī)制，將這些知識(shí)和推理機(jī)制應(yīng)用于模具快速設(shè)計(jì)中。通過設(shè)計(jì)過程中的智能化思想應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)模具設(shè)計(jì)全過程的自動(dòng)化設(shè)計(jì)和幾何建模，讓這個(gè)專家系統(tǒng)代替模具設(shè)計(jì)人員完成大部分的工作，極大提高工作效率[14-15]。

在設(shè)計(jì)半管拉深模具的凸模固定板時(shí)，要根據(jù)使用設(shè)備的型號(hào)預(yù)留出若干頂桿孔以使頂桿推動(dòng)壓邊圈進(jìn)行工作，這些孔的間距和直徑是固定值并且是在一個(gè)陣列當(dāng)中，固定板的輪廓尺寸和孔布局也與此相關(guān)。在傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)中，對頂桿孔位進(jìn)行合理化布局，由設(shè)計(jì)員在頂桿輪廓和壓邊圈輪廓顯示后通過視覺判斷保留哪些頂桿孔，判斷的原則是頂桿與凸模以及壓邊圈邊界保持合理的安全距離，這個(gè)過程是設(shè)計(jì)員的思考過程。在智能化模具快速設(shè)計(jì)中需要獲取模型的一些信息，再引入設(shè)計(jì)規(guī)則、知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行邏輯推理，形成一個(gè)復(fù)雜的邏輯推理算法模擬設(shè)計(jì)員的思維，這就是人工智能的核心工作。

圖6 決策樹邏輯圖

3 實(shí)例應(yīng)用

半管拉深模具設(shè)計(jì)軟件是應(yīng)用C++語言，結(jié)合CATIA二次開發(fā)技術(shù)CAA 的一系列組件及API，在Visual Studio環(huán)境下進(jìn)行程序編寫并與CATIA進(jìn)行通信，可以在CATIA中添加定制功能的菜單和工具條。半管拉深模具設(shè)計(jì)模塊的菜單和工具條如圖7所示。

圖7 半管拉深模具設(shè)計(jì)模塊

首先點(diǎn)擊菜單或工具條中的“新建模板”選擇模型保存位置，會(huì)自動(dòng)生成符合半管拉深模具要求的結(jié)構(gòu)樹。然后可以根據(jù)輸入元素的不同選擇參數(shù)設(shè)計(jì)模具或者導(dǎo)入外部參考設(shè)計(jì)模具，以通過輸入?yún)?shù)的方式生成模具為例進(jìn)行說明，在參數(shù)設(shè)計(jì)對話框中填入4個(gè)半管零件的必要特征參數(shù)：半管內(nèi)半徑、半管厚度、彎曲半徑、夾角，然后點(diǎn)擊預(yù)覽在程序中會(huì)根據(jù)輸入的參數(shù)畫出成形區(qū)域，再根據(jù)頂桿孔布局規(guī)則、邊界安全距離等理論和經(jīng)驗(yàn)綜合推斷出一個(gè)模具輪廓，畫出大致形狀進(jìn)行預(yù)覽展示。從圖8可以看見模具輪廓與成形區(qū)域的相對位置關(guān)系。然后點(diǎn)擊生成模具即可自動(dòng)生成半管拉深模具的各個(gè)零件，此過程中各個(gè)零件的建模邏輯都已經(jīng)在程序中固化，程序會(huì)根據(jù)模具設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)進(jìn)行自動(dòng)判斷并建模，效果如圖9所示。只需幾秒鐘就可以完成多個(gè)零件的建模，而且程序中給每個(gè)模具零件的空間位置都是預(yù)定好的省去了裝配的過程。最后點(diǎn)擊菜單或工具條中的“標(biāo)準(zhǔn)件裝配”進(jìn)行一鍵導(dǎo)入和一鍵裝配，程序會(huì)根據(jù)所需的標(biāo)準(zhǔn)件的種類和數(shù)量自動(dòng)導(dǎo)入，并按照程序既定裝配方式進(jìn)行坐標(biāo)系約束裝配，效果如圖10所示，導(dǎo)向板、吊裝環(huán)、螺釘、銷釘?shù)葮?biāo)準(zhǔn)件已經(jīng)安裝完成。

圖8 預(yù)覽

圖9 模具主體數(shù)模

圖10 標(biāo)準(zhǔn)件裝配

4 結(jié)論

智能化思想的應(yīng)用解決了相似模具結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)多樣化問題，實(shí)現(xiàn)了自主判斷決策等技術(shù)在模具快速設(shè)計(jì)過程中的合理應(yīng)用，減少了設(shè)計(jì)過程中的交互，提高了模具設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度，在CATIA的環(huán)境下完成了半管拉深成形模具快速設(shè)計(jì)模塊的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了一次輸入產(chǎn)品參數(shù)到完成模具設(shè)計(jì)的全自動(dòng)過程，驗(yàn)證了智能化思想在模具設(shè)計(jì)中應(yīng)用對提高模具設(shè)計(jì)效率的重要性。

把智能化的思想應(yīng)用于模具設(shè)計(jì)的整個(gè)流程中，使它與傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)融合在一起，形成新的設(shè)計(jì)技術(shù)，可以提高模具設(shè)計(jì)效率和速度，減少人為失誤，對提高模具設(shè)計(jì)的技術(shù)水平具有重要意義。