基于知識工程的擠壓模具快速設(shè)計系統(tǒng)

陳伊璐，沈景鳳，仲梁維，卜 凡

（上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院，上海200093））

0 引 言

隨著科技的發(fā)展和市場競爭的加劇，大量的重復(fù)勞作嚴(yán)重影響產(chǎn)品的開發(fā)效率。產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度加快使得配套模具生命周期縮短，而傳統(tǒng)模具設(shè)計方法耗時長、設(shè)計人員工作量大。因此，模具快速設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)能有效彌補這些缺點，提高模具幾何模型設(shè)計和工程圖繪制的效率。知識工程（KBE）是一種主動的知識獲取與集成過程，即具有“自我生成”的知識繁衍機制，將知識工程應(yīng)用于快速設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)過程中，能解決目前參數(shù)化快速設(shè)計的諸多不足［1］。

1 快速設(shè)計系統(tǒng)

1.1 快速設(shè)計系統(tǒng)的框架搭建

Pro／E二次開發(fā)是借助第三方語言環(huán)境，通過Pro／E提供的接口工具，調(diào)用其底層函數(shù)和頭文件資源庫，以此來實現(xiàn)面向特定用戶的快速設(shè)計系統(tǒng)。傳統(tǒng)Pro／E二次開發(fā)大多采用以C語言為編譯環(huán)境的Pro／TOOLKIT［2］。Pro／Engineer Wildfire 4.0及以上的版本新增VB.NET的接口函數(shù)，VB.NET簡單易學(xué)的特點使得用戶無需借助第三方工具即可直接進行編程，節(jié)省程序開發(fā)時間。

本設(shè)計基于Pro／E提供的VBAPI接口函數(shù)，結(jié)合系統(tǒng)后臺推理機實現(xiàn)設(shè)計經(jīng)驗知識的應(yīng)用。該快速設(shè)計系統(tǒng)主要包含三個部分：符合要求的桿件模具的參數(shù)化模型，用戶設(shè)計系統(tǒng)和設(shè)計數(shù)據(jù)庫。整個快速設(shè)計系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1 快速設(shè)計系統(tǒng)整體框架

參數(shù)化模型的建立是在Pro／E中完成，建模過程中的約束、關(guān)系、參數(shù)的創(chuàng)建都與擠壓模具的設(shè)計知識庫息息相關(guān)，貫穿整個系統(tǒng)開發(fā)的過程。用戶設(shè)計系統(tǒng)包括用戶使用界面和后臺程序，是整個系統(tǒng)的核心，以VB.NET為編程語言搭建的系統(tǒng)交互界面為設(shè)計平臺，通過接口函數(shù)實現(xiàn)對其他程序的數(shù)據(jù)交換。

1.2 快速設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)流程

開發(fā)流程根據(jù)系統(tǒng)框架而定，依據(jù)上文所述，基于知識的擠壓模具快速設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)流程主要分為三個步驟：設(shè)計數(shù)據(jù)庫搭建、參數(shù)化模型建立和用戶系統(tǒng)設(shè)計。開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 快速設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)流程

2 基于知識工程的復(fù)合材料模具快速設(shè)計系統(tǒng)

本文主要研究面向企業(yè)定制的快速設(shè)計系統(tǒng)——復(fù)合材料桿件擠壓模具快速設(shè)計，采用的是基于知識工程的快速設(shè)計，通過設(shè)計知識庫中的設(shè)計知識、經(jīng)驗公式、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容連接到幾何模型，對其進行設(shè)計。針對不同模具的類型和尺寸，經(jīng)過大量的模具設(shè)計經(jīng)驗，由提取的知識規(guī)則而編制的選取原則，快速匹配零件參數(shù)，自動重生零件實體，進而生成模具。

2.1 設(shè)計數(shù)據(jù)庫搭建

設(shè)計數(shù)據(jù)庫包含相關(guān)設(shè)計知識庫和基礎(chǔ)設(shè)計數(shù)據(jù)庫?；A(chǔ)數(shù)據(jù)的選擇和建立需要考慮系統(tǒng)復(fù)雜程度和用戶所需參數(shù)化程度等因素，在實現(xiàn)功能的前提下力求系統(tǒng)簡潔。以復(fù)合材料方桿快速設(shè)計系統(tǒng)為例，基礎(chǔ)數(shù)據(jù)包括方桿的基本參數(shù)（長度、寬度和厚度）和技術(shù)參數(shù)（設(shè)計者、設(shè)計日期及編號）。

相關(guān)設(shè)計知識庫的搭建較為復(fù)雜，需要系統(tǒng)設(shè)計人員與模具設(shè)計人員交流溝通，獲取相關(guān)設(shè)計知識并進行組織和規(guī)范化，以適當(dāng)表達(dá)形式存放于知識庫中。擠壓模具設(shè)計系統(tǒng)所設(shè)計的零件參數(shù)、特征、位置和尺寸聯(lián)系，可分別以表格、公式等形式體現(xiàn)。圖3為系統(tǒng)的固定板知識規(guī)則表，修改表中的知識并保存后，新的設(shè)計方案將按照新的規(guī)則進行得到推理結(jié)果。

圖3 固定板的知識規(guī)則表

2.2 參數(shù)化模型的建立

基于Pro／E二次開發(fā)的參數(shù)化模型可以將部分設(shè)計知識集成于桿件模具的三維模型、特征和裝配中，并通過關(guān)系、參照和約束等方法提高知識的利用率。如某些簡單且不會改變的知識元，可以在模型建立的時候使用幾何約束固化該知識。

（1）三維模型

一些經(jīng)驗公式和設(shè)計規(guī)則無法通過簡單的幾何約束表達(dá)，此時可將規(guī)范化后的設(shè)計知識參數(shù)化，并集成在Pro／E的零件及裝配體中，使得設(shè)計結(jié)果有效可靠?；谥R工程的擠壓模具快速設(shè)計系統(tǒng)中的部分模芯關(guān)系如圖4所示，其中M-NAME、M-MATERIAL和DESIGN-ID等參數(shù)可根據(jù)用戶需求自行設(shè)定，既可在Pro／E的關(guān)系中使用，也用于系統(tǒng)界面輸入和后臺程序賦值［3］。

圖4 模芯的關(guān)系和參數(shù)

（2）二維工程圖模板

Pro／E軟件繪制的工程圖中的視圖都是基于三維模型的投影來建立的，視圖對模型的所有細(xì)節(jié)都有精確的體現(xiàn)，理論上這樣的工程圖繪制是完全準(zhǔn)確的。但在實際的工程制圖中，為方便理解和繪制，會增加很多簡化的畫法和特殊規(guī)定的表示。比如當(dāng)剖面經(jīng)過螺紋孔的時候，只希望孔所在的零部件上填充剖面線而螺釘不填充，甚至直接將螺釘省去不繪制。因此在自定義圖框的基礎(chǔ)上建立合理的、符合設(shè)計要求的工程圖模型后，需要再根據(jù)國標(biāo)、航標(biāo)和企標(biāo)對工程圖細(xì)節(jié)部分進行調(diào)整修改以達(dá)到美觀的效果。

為將工程圖達(dá)到滿足企業(yè)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的水平，使用了很多參數(shù)控制、位置約束、視圖修整、比例調(diào)整等方法［4］。如使用捕捉線定位尺寸、注釋；修改視圖原點控制視圖位置；修改圖層區(qū)別不同類型的圖元等。

2.3 用戶系統(tǒng)設(shè)計

在復(fù)合材料擠壓模具快速設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)中，本文采用了Microsoft Visual Studio 2008平臺中VB.NET作為開發(fā)語言，可以在 Windows XP和 Windows7等操作系統(tǒng)中運行。開發(fā)對象則選用的是Pro／E Wildfire5.0以及AutoCAD 2010。利用VB.net語言搭建系統(tǒng)程序?qū)ro／E、Access、AutoCAD的二次開發(fā)來實現(xiàn)各軟件之間的集成。

用戶設(shè)計系統(tǒng)包括用戶使用界面和后臺程序，使用界面如圖5所示。界面加載的過程中，系統(tǒng)會從設(shè)計案例庫中讀取歷史的設(shè)計者，并將設(shè)計者的信息寫入到對應(yīng)的可選文本框中，方便設(shè)計工程師選擇。使用快速設(shè)計系統(tǒng)設(shè)計成功的案例，會被記錄到數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，通過界面的“查詢歷史設(shè)計”就能進入查詢系統(tǒng)。

圖5 擠壓模具快速設(shè)計系統(tǒng)使用界面

經(jīng)過對設(shè)計知識的整理以及對設(shè)計需求的分析，本設(shè)計系統(tǒng)主要修改的信息為需要該擠壓模具進行生產(chǎn)的產(chǎn)品的參數(shù)信息，比如產(chǎn)品寬度、高度、長度、壁厚情況、倒角情況。參數(shù)輸入完成后點擊“三維模具設(shè)計”按鈕，設(shè)計系統(tǒng)就會根據(jù)集成的該類型模具的設(shè)計知識數(shù)據(jù)庫和推理機進行推理分析，自動檢測參數(shù)是否合理，過程中會彈出相應(yīng)的提醒對話框，如圖6所示。

圖6 設(shè)計過程中的部分提示框

通過數(shù)據(jù)檢測之后，系統(tǒng)運行Pro／E開始正式的設(shè)計過程。按鈕“導(dǎo)出設(shè)計文檔”用于導(dǎo)出設(shè)計完成后的所有二維設(shè)計文檔。

通過VB API的開發(fā)程序只能是異步式的，簡單異步模式啟動Pro／E和打開模型的主要代碼如下［5］。其中，Path為Pro／E執(zhí)行程序的全路徑；WD為程序啟動后期望的工作路徑；Model Type為將要打開的模型類型；ModelName為模型的全路徑。

Dim newCon As Ipfc AsyncConnection=Nothing

Dim c AC As CCpfc AsyncConnection

Dim se As IpfcBaseSession

c AC=New CCpfc AsyncConnection

newCon=c AC.Start（Path，"."）

se=asyncConnection.Session

newCon.Session.ChangeDirectory（WD）

Dim new Model As Ipfc ModelDescriptor

Dim model As Ipfc Model

Dim CMD As CCpfc ModelDescriptor

CMD=New CCpfc ModelDescriptor

new Model=CMD.Create（Model Type，ModelName，Nothing）

model=se.RetrieveModel（new Model）

model.Display（）

模型中的參數(shù)有零件、特征、繼承等類型，數(shù)量繁多，因此通過循環(huán)語句，如For…Next循環(huán)的語句進行檢索判斷，獲取目標(biāo)參數(shù)，進行修改［6］。以下是循環(huán)修改模型參數(shù)的主要代碼：

Dim param Val As IpfcParam Value

Dim param As IpfcParameter

Dim params As CpfcParameters

Dim paramUnit As Ipfc Unit

Dim model As Ipfc Model

model=session.Current Model

params=CType（model，IpfcParameterOwner）.ListParams（）

For i=0 To params.Count-1

param=params.Item（i）

paramUnit=param.Units

Select Case param.Name

Case Parameter A

paramVal=PDUtils.createParamValue（Value，Type）

param.SetScaled Value（paramValue，paramunit）

Case Parameter B

paramVal=PDUtils.createParamValue（Value，Type）

param.SetScaled Value（param Value，paramunit）

…

End Select

Next

其中Parameter X為需要修改的目標(biāo)參數(shù)；PDU-tils為自定義類，通過CMpfc ModelItem接口修改參數(shù)值；Value和Type分別為期望修改的參數(shù)值和參數(shù)類型。

修改完成后的模型需要再生、保存。裝配體再生的主要代碼如下：

Dim regInstr As IpfcRegenInstructions

Dim solid As IpfcSolid

regInstr= （New CCpfcRegenInstructions）.Create（True，True，Nothing）

model=aC.Session.Current Model

solid=CType（model，Ipfc Assembly）

solid.Regenerate（regInstr）

Ipfc AsyncConnection.Session.Get ModelWindow（solid）.Repaint（）

model.Save（）

3 結(jié)束語

隨著復(fù)合材料的廣泛應(yīng)用，各個企業(yè)都迫切地希望通過提高設(shè)計效率以達(dá)到降低企業(yè)成本、提高企業(yè)綜合競爭力的目的，使得現(xiàn)代化快速設(shè)計系統(tǒng)成為重要發(fā)展趨勢。鑒于個人能力水平的限制，系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方法和研究范圍還有待于更深入的研究。如知識集成的建模方法將部分知識固化在模型當(dāng)中，隨著設(shè)計技術(shù)的更新，如果有固化知識的準(zhǔn)則變更，設(shè)計工程師需要對模型模板進行修改，降低了系統(tǒng)靈活性。

［1］何利民，郭 力.鈦合金磨削加工研究的進展［J］.精密制造與自動化，2008，（2）：8-13.

［2］李如忠.Pro／Toolkit快速開發(fā)方法研究［J］.信息技術(shù)，2014，10：121-124+133.

［3］張繼春.Pro／ENGINEER二次開發(fā)實用教程［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2003.

［4］劉 龍，朱林波.基于VB.NET的Pro／E二次開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)［J］.現(xiàn)代制造工程，2008，（10）：63-65.

［5］Parametric Technology Corporation.Pro／ENGINEER Wildfire 5.0 VB API User’s Guide［M］.USA：PTC，2010.

［6］黃 愷，李 雷，劉 杰.Pro／E參數(shù)化設(shè)計高級應(yīng)用教程［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.