基于知識的型材拉彎成形模具設計研究

◎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

模具設計一直是鈑金制造領域的研究熱點，為了實現模具的快速設計，國內外學者進行了大量的研究。型材拉彎成形模具是決定型材拉彎零件成形質量的關鍵因素之一，通過采用數字化手段可實現型材拉彎成形模具設計的快速化和智能化，但當前的研究主要針對基于知識的模具設計，而對型材拉彎模具設計中如何應用模具設計知識的研究很少。

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

一、模具設計過程分析

型材拉彎成形模具設計按其過程可分為總體方案設計、概要設計和詳細設計3個階段，在不同的設計階段具有不同的設計內容，如圖1所示。

圖1 型材拉彎成形模具各階段設計內容

總體方案設計是指根據成形零件的結構特點對其模具結構進行初步的規劃，這是后續模具設計的重要依據；概要設計是在總體方案設計的基礎上進行的，主要包括結構參數設計和型面設計；詳細設計主要進行結構要素、標準件以及圓角的設計。

成形模具設計過程具有以下幾個特點：一是需要運用大量的理論知識、專業知識以及經驗進行模具設計；二是設計過程中每一階段的設計結果都對下一階段產生影響，設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計方案，以提高模具設計的可靠性；四是對企業中型材拉彎模具設計流程進行提煉和復用，可以提高設計效率；五是模具建模方式不規范，采用通用的CAD軟件設計效率低，急需先進和快速的模具CAD系統。

二、基于知識的模具設計方案

1.知識構成

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

圖2 模具總體方案設計知識模型

2.模具設計

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

圖3 模具參數設計知識模型

在對成形模具設計知識研究的基礎上構建模具設計知識庫，開發模具結構設計系統和模具幾何建模系統，并將知識應用和CAD結合起來，實現對型材拉彎成形模具數字化設計過程的支持（見圖4）。通過對模具設計知識的應用，使模具設計過程趨于規范化，減少了設計人員的重復性工作，同時通過知識的動態積累不斷實現對知識庫自身的擴充與完善，使之更好地為成形模具設計服務。

圖4 知識對型材拉彎成形模具設計過程的支持

3.模具結構方案及參數

模具結構方案設計主要由零件特征決定，型材拉彎成形模具的結構比較簡單，但針對不同類型的零件模具結構有所不同。根據模具結構設計的具體情況，采用成組思想對不同類型零件及對應的模具結構形式進行歸納總結，得到模具結構設計的典型知識，并通過圖表的形式表現出來。

型材拉彎成形模具結構參數設計工作主要是對模具的蓋板、底板和模體厚度、工作間隙等參數進行設計。模具結構參數設計知識一般以經驗為主，屬于過程型知識，執行效率高。模具結構參數是構建三維模型的關鍵，結構參數知識是結構參數設計的主要依據，因此需要快速、直接、準確地進行知識的表達推理。

同時，針對模具結構參數設計知識的特點，采用基于產生式規則的方法描述結構參數設計知識。產生式規則表示知識具有以下優點：一是可對單條產生式規則進行增添、刪除或者修改，而不用考慮與其它規則的關系；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的模具設計

在整個型材拉彎工藝數字化設計過程中，工藝參數設計、模具設計、成形性評估等系統都存在著交互，需要信息傳遞與共享。但由于系統間不同、數據結構各異，很難使用CAD模型的幾何信息進行大量的工程計算和設計決策。為面向信息集成的需要，需以專用格式或標準交換格式表達。筆者在分析型材拉彎模具設計各階段的設計內容及模具結構的基礎上，提出一種基于XML（是由W3C發表的一種標準，面向Web應用的標記語言，可以描述各種各樣的數據信息）的模具設計信息表示方法，建立模具設計內容的語義，基于XML格式來擴展模具設計信息的集成應用。通過建立型材拉彎成形模具設計信息的標準模式，可以完整、清晰地表達型材拉彎模具設計信息，實現模具信息基于網絡的傳遞和共享。

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

圖5 型材拉彎成形模具設計信息模型

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

三、設計實例應用

以某個零件為例，針對成形模具的總體方案設計和結構參數設計闡述知識對型材拉彎成形模具設計的支持作用。型材拉彎成形模具設計子系統由模具結構參數設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構參數設計模塊，實現知識對模具設計過程的指導。

系統外部接口采用XML文件進行與其它系統之間不同數據信息的獲取和傳遞。在各類信息內容規范的基礎上，定義模具設計特征等信息的XML描述文件，形成型材拉彎模具設計系統內的表示與接口標準，實現在應用系統間、應用系統與數據庫之間的信息交換和集成。

系統內部接口的模具幾何建模模塊通過內部瀏覽器登錄模具結構參數設計模塊查看設計知識，模具設計完成后生成的數模等文件通過上傳方式傳遞給模具知識庫子系統。

根據零件信息的描述可知，此零件為收邊變形的角型材零件，根據典型知識可得，成形模具采用底板和模體結構。結構參數設計根據所選擇的成形模具的結構方案，采用基于產生式規則的方法設計模具結構的參數，最后將這些參數與型面設計相結合，利用基于知識的拉彎模具設計系統在幾何建模系統中生成模具的三維數模，形成最終的設計結果。

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