基于知識驅動的覆蓋件模具型面參數化設計研究

康愛英

（湖南信息職業技術學院，長沙 410013）

0 引言

覆蓋件模具是決定產品外形、質量、性能、安全的薄板覆蓋件的制造工具和方法，將知識工程這一國際研究熱點融入覆蓋件模具的設計當中，已成為覆蓋件模具開發的發展趨勢。當前，我國汽車需求量急劇增長，在這一背景之下，我國的汽車工業必然會面臨著快速的增長。同時，我國的CAD/CAM在快速的應用過程之中，也促進了我國的汽車制造技術的大幅提高。但是，在工藝設計方面，我國的水平依然比較低，這已經成為了制約我國汽車工業發展的一個的瓶頸。因此，通過運用先進的汽車制造思想以及信息技術來有效地提升我國的汽車覆蓋件的工藝設計水平，對于我國的汽車工業的快速發展具有非常重要的現實意義，這也要求我們必須不斷地提升汽車覆蓋件的模具設計核心技術，進而推動我國整個模具工業的發展以及我國汽車工業的進步。

1 知識工程的定義和關鍵技術

1.1 知識工程的定義

任何問題的解決都需要一定的知識或者經驗作為基礎，而知識工程的核心問題就在于如何獲取經驗和知識，并且將其表達出來。通過決策、分析、設計、規劃以及實施，使得相關的問題，能夠在現有的條件之下得到解決。其主要的研究對象是如何利用計算機信息技術來獲取需要的知識和經驗，并且通過計算機信息技術對相應的知識進行組織分析，確保建立的知識庫的質量，并且在此基礎上運用相應的知識來對實際的問題進行分析和處理，以期能夠順利的解決實際問題。知識工程相較于以數據為主的信息處理其處理的對象時只是，因此涉及到大的問題也非常的寬泛，同時也更為復雜[2]。

1.2 知識工程的關鍵技術

科學技術的迅速發展及計算機應用領域的日益廣泛，使得計算機已經從傳統的數據處理轉變為知識處理，數值處理轉變為非數值處理。在數據庫技術人工智能的有效結合和相互促進下，演繹數據庫、專家數據鏈、知識數據庫方面的研究成果顯著，這些都為知識驅動的工程應用奠定了堅實的基礎。歸結起來，知識工程的關鍵技術包括：知識獲取、知識建模、知識推理和知識管理[3]。

2 基于知識驅動的覆蓋件模具型面設計流程

如圖1所示，為基于知識驅動的覆蓋面模具型面設計流程模型。在模具型面的設計過程當中，采用面向對象的框架結構來對工藝知識進行描述，包括沖壓方向類、截面線類等，且每一類都具有一組知識參數和設計方法。

實施對沖壓件的預處理，工藝方案設計結果為系統初始輸入，對導入UG后的產品零件，確定其拉伸工序相關內容。為便于對工藝的設計補充，對初始模型中的缺角、邊界缺口和孔等部位進行填充處理，形成光滑的孤獨，以保證曲面的連續性。

圖1 基于知識驅動的覆蓋件模具型面設計流程

實施對沖壓方向的設計。應用交互式或自動化方式來對沖壓方向加以確定，以便利后續對工藝補充面和壓料面的設計。應用三維優化算法來對沖壓方法進行判斷，實現自動化的沖壓方向。

實施對壓料面的設計。以沖壓件模型的輪廓和邊界信息及沖壓方向為依據，轉復雜零件形狀為截面線，截面線是零件走向的代表，用以滿足壓料面的設計準則。

實施對凹模口的設計。在沖壓方向制約下，以預處理制件信息為依據，控制零件邊界線在一個可控距離，并按照一定規則將偏置曲線整合成光滑的一條曲線，通過壓料面曲面投影，來得到凹模口的輪廓線。

實施對工藝補充面截面線的設計。以匹配的工藝補充面截面線類型、凹模口線、壓面料、零件主體曲面模型為依據，生成約束于凹模口線下的工藝補充截面線。

實施對工藝補充面的設計。將合理的曲線構造方法匹配于截面線信息，應用變量化、參數化技術，由相應的截面線對象驅動和知識，來形成工藝補充面的型面[4]。

實施對拉伸筋的布置設計。以拉伸凹模口的拉伸件結構和輪廓特點，來對拉伸筋的位置、類型和幾何參數進行確定。

實施對毛坯修邊線設計。將一步法有限元程序集成與UG環境中，便可準確高效地確定毛坯的修邊線位置和形狀。

3 壓料面參數化設計研究

3.1 壓料面的定義

壓料面是覆蓋件工藝補充面的組成部分，即凹模圓角半徑外的那部分毛坯。

3.2 壓料面的造型選擇

依據創建順序的差異，壓料面造型包括三種形式：第一種，工藝補充部分、壓料面依次生成；第二種，通過截面特征同工藝部分一同創造；第三種，壓料面、工藝補充部分依次生成。實踐表明，前兩種方式在保證壓料面平滑簡單方面很難做到。故選用第三種方式。此時，一般由零件邊界、零件截面、直線來生成壓料面外輪廓曲線。本文應用第三種方式來對壓料面參數設計進行系統研究。

3.3 壓料面參數化的知識表達

壓料面外輪廓線參數槽包括：對象的基準點、對象的參數、對象的類型等，規則槽包含了各種外輪廓線的設計規則，關系槽主要為線和零件的連接。歸結壓料面參數如下：對象單元包括組成壓料面的線和基準點；參數槽包括類型（用戶自定義曲面、單曲面、雙曲面、平面）、范圍（拉延極限值、拉延主特征尺寸）、基準點；關系槽包括面與零件（近似、平行）、面與凹模口線（內邊界）、面與拉延筋；規則槽包括規則一（光滑平順、形狀簡單）、規則二（拉延深度均勻）、規則三（極限值大于拉延深度）、規則四（凹模口線內，凹模頂部表面長度大于壓料面長度）。歸結壓料面外輪廓線參數如下：對象單元為基準點；參數槽包括類型（曲線、直線）、參數（控制點、類型）、基準點；關系槽為零件與線（近似、平行）；規則槽包括規則一（線曲率變化不大，且不能過小）、規則二（與線垂直的零件截面小于極限值，且拉延深度相差不大）、規則三（零件對應截面線長度大于線長度）。

3.4 壓料面設計的實現

確定壓料面外輪廓線是設計實現的首要工作，獲取零件信息是創建壓料面的關鍵，以零件的外邊界線或截面線為依據確定其外淪陷，進而依據系統構造方法來對其完成其曲面的構造。壓料面參數化設計的實現流程如下：第一，依據壓料面設計知識規則以及具體汽車覆蓋件的零件特點，來對壓料面的類型進行確定；第二，根據用戶交互輸入，從汽車覆蓋件的零件之上提出相對比較合適的截面線，以完成外輪廓線的初始構造；第三，根據用戶實際輸入的參數來對壓料面的外輪廓線進行修改、優化；第四，將優化生成的汽車覆蓋件零件外輪廓線作為依據，并且生成曲面；第五，對生成的曲面實施有限元分析，并且依據分析的結果進行改進；第六，依據汽車覆蓋件的設計規則、生成曲面以及具體的零件信息來生成凹模口線；第七，對曲面實施剪切，然后據此得出壓料面。

4 工藝補充面參數化設計研究

工藝補充面的創建在實際的應用過程之中，大多為手動方式，通過運用CAD造型的方法對零件的邊緣曲面進行關鍵部分的而為截面線優化。這種手動形式完全依賴于設計人員經驗，加之復雜的造型過程，很難保障設計精度，且對于設計的修改難度極大。本文應用運用工藝補充面引導線和截面線，來完成對壓料面的分段創建，因截面線的參數化定義，使得表達式同截面線相關聯，使得所在修改工藝補充面時十分簡單，流暢了覆蓋件沖壓工藝設計，有效提升了設計的整體效率。

1）實施對工藝補充面截面線的設計

模板法可以實現對截面曲線全參數化特征的創建，在設計模具型面過程中，應用這種全參數化的界面曲線，便可促進設計和修改效率的大大提升。在實施設計修改時，只需要對其截面線參數進行修改，便可自動完成截面線的更新，進而驅動引導線的更新，從而更新工藝補充面的特征，實現對型面設計的修改。依據模板法來實現工藝補充面截面線創建的設計思想是：以用戶輸入截面線起點為依據，對起點所在邊界條件進行計算，得出其坐標系，通過運用截面線的控制線以及坐標系能夠得出截面線的終點，然后運用上述的個點來對截面線的末班進行約束處理，得到覆蓋件所需的截面線。在系統之中，可以對典型的覆蓋件截面線進行定義，將每一種典型都固定一個特征，在進行修改的時候，就能夠運用參數化的截面線坐標更為便利的進行控制。

2）實施對工藝補充面的設計

因網格方法構建的曲面精度高，且可對邊界連續性進行控制，故本文采用這一方法來生成工藝補充面。以保證不同工藝補充面間的連續性。在實際設計應用當中，來對零件周邊截面線的分布密度進行控制[6]，以保障曲面的設計質量。在實施曲面構建時，首先將截面線關鍵點煉成一條一條的引導線，用引導線和控制線來共同完成工藝補充面曲面網格的組建，從而生成工藝補充面。

5 結束語

模具型面設計是沖壓工藝設計的關鍵環節，通過本文對基于知識驅動的覆蓋件模具型面參數化設計的研究得出以下成果：分析了現代制造環境下的覆蓋件模具設計過程，闡述了基于知識驅動的模具型面設計的理論依據和組織方法；與有限元分析軟件相結合，分析了壓料面的生成，并依據分析結果完成設計優化；實現了利用零件本體和壓料面來生成工藝補充面截面線的方法；實現了對壓料面、工藝截面線、工藝補充面的一體化設計。雖然本文研究取得了一定的成果，但其仍需在日后實踐中不斷完善和擴充設計功能，以進一步提升系統的穩定性、實用性和通用性。

[1] 黃勇.知識驅動的覆蓋件模具拉深工序件設計[J].鍛壓設備與制造技術, 2008, (2).

[2] 楊平武.基于知識的覆蓋件修邊工藝設計研究[J].鍛壓裝備與制造技術, 2009, (5).

[3] 王義林.知識驅動的覆蓋件模具型面參數化設計[J].現代制造工程, 2010, (2).

[4] 魏偉.知識驅動的汽車覆蓋件智能模具系統研究[J].機械制造及自動化, 2008, (6).

[5] 羅仕鑒.知識驅動的產品設計情境[J].浙江大學學報(工學版), 2008, (11).

[6] 王隆娟.基于知識的覆蓋件工藝型面設計系統的研究[J].材料加工工程, 2008, (5).