基于CBR和KBE的拉深模系統(tǒng)

朱韶光，劉 渝，彭朝陽

（西華大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，成都 610039）

0 引言

模具設(shè)計是一個極其繁瑣的過程，模具的設(shè)計往往需要由具有一定經(jīng)驗的工程師來完成。開發(fā)出一種適合企業(yè)生產(chǎn)實際的智能化、自動化設(shè)計系統(tǒng)，一直是模具CAD/CAM的研究熱點之一。隨著計算機輔助工具和領(lǐng)域知識的不斷發(fā)展，在某些設(shè)計過程或針對一些典型零件應(yīng)用KBE(Knowledge Base Engineering)和CBR（Case Based Reasoning）技術(shù)實現(xiàn)沖壓工藝和模具設(shè)計的自動化和智能化成為可能。目前相關(guān)的KBE研究如Sing[1]等將決策表應(yīng)用到基于知識的軸對稱拉深件CAPP系統(tǒng)；Kang[2]等構(gòu)造的基于知識的非對稱拉深件工藝設(shè)計系統(tǒng)；Tae-Soo Kim[3]等開發(fā)的基于知識的拉深模設(shè)計專家支持系統(tǒng)；Bor-Tsuen Lin[4,5]等開發(fā)的拉深模自動設(shè)計系統(tǒng)等。在CBR方面丘宏揚[6]等針對沖裁件外輪廓提出的兩級相似性度量法；X.G.ke[7]等在沖裁件檢索算法的基礎(chǔ)上給出了特征的相似性系數(shù)和閥值；W.Y.zhang[8]等將CBR技術(shù)應(yīng)用到非軸對稱拉深件中，并重點研究了應(yīng)用最近鄰法實現(xiàn)拉深件相似性檢索的具體算法。

本文研究了基于CBR和KBE相結(jié)合的拉深模設(shè)計系統(tǒng)的一些關(guān)鍵技術(shù)。在研究拉深件描述方法的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了相似度函數(shù)；用最近鄰法來檢索實例，從而在事例庫中找到與新產(chǎn)品的幾何和成形相似性最接近的拉深件；并在UG軟件的平臺下，建立了拉深件事例庫、模具結(jié)構(gòu)原型庫、知識庫和人機交互界面；通過人機交互界面提取拉深件形狀尺寸特征、材料、精度、生產(chǎn)批量等產(chǎn)品信息，知識庫通過對產(chǎn)品信息的邏輯運算輔助拉深件特征骨架在模具結(jié)構(gòu)原型上生成模具相關(guān)零部件，實現(xiàn)拉深模的三維智能設(shè)計。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于CBR和KBE的拉深模設(shè)計系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，主要包括：拉深件在拉深件事例庫中的檢索、模具結(jié)構(gòu)原型庫及拉深件特征骨架的建立和知識庫的建立三部分。

當(dāng)新產(chǎn)品進入系統(tǒng)后，先采用CBR技術(shù)對拉深件事例庫中已有的產(chǎn)品進行相似性分析，當(dāng)相似度達到某一要求時，調(diào)用相似件的成形參數(shù)和工藝方案并進入模具結(jié)構(gòu)設(shè)計階段。當(dāng)事例庫中沒有與新拉深件相匹配的拉深件事例或相似度沒有達到要求時，調(diào)用有限元軟件對新拉深件進行成形分析。若可成形，則進入模具結(jié)構(gòu)設(shè)計階段。模具結(jié)構(gòu)設(shè)計時，知識庫先提取產(chǎn)品信息和成形參數(shù)，計算和選擇凹模壁厚、凹模、壓邊圈、固定板等厚度，從而得到凹模周界和閉合高度等參數(shù)。然后在人機交互環(huán)境下，在選擇模具組合類型后自動將符合產(chǎn)品尺寸的模具結(jié)構(gòu)原型調(diào)入到系統(tǒng)中。最后在知識庫的輔助下，設(shè)計人員完成拉深件特征骨架的設(shè)計，從而與模具結(jié)構(gòu)原型一起生成產(chǎn)品所需的模具裝配體。當(dāng)試模合格后將新產(chǎn)品與成形參數(shù)和工藝方案分別保存到事例庫和知識庫。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 基于CBR的產(chǎn)品(拉深件)描述與檢索

設(shè)計師在設(shè)計新產(chǎn)品時一般要搜索和回憶過去成功的設(shè)計事例，并通過修改與重用這些事例來完成新產(chǎn)品的設(shè)計[8～10]?；谑吕耐评恚–BR）技術(shù)模擬了人腦的上述思維過程，通過類比和聯(lián)想等方式從事例庫中得到相似問題的求解策略，并通過一定的修改得到新問題的解。將CBR技術(shù)應(yīng)用于拉深模具設(shè)計過程，通過搜索和回憶過去成功的拉深件實例，并重用其成形參數(shù)和工藝方案，可有效減少產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量。

基于事例的推理通常被描述為四個步驟：產(chǎn)品描述、產(chǎn)品檢索、產(chǎn)品評價、產(chǎn)品的修改與保存。其中產(chǎn)品描述與產(chǎn)品檢索決定了產(chǎn)品識別的效率、質(zhì)量和產(chǎn)品庫的大小，是系統(tǒng)中最重要的兩個組成部分。

2.1 產(chǎn)品描述

產(chǎn)品描述是將產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特征，正確完整的描述為符號化的計算機語言的過程。產(chǎn)品描述包括非幾何信息描述和幾何信息描述。非幾何信息主要包括生產(chǎn)批量、產(chǎn)品材料、尺寸精度等內(nèi)容，其描述方法相對比較簡單。幾何信息指產(chǎn)品的形狀、結(jié)構(gòu)等幾何特征。常用的幾何信息描述方法有成組編碼法、幾何型面法、專用語言法等。本文采用特征建模與成組編碼相結(jié)合的方法，將產(chǎn)品幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為特征信息，并對特征信息進行編碼。

對圖2所示的矩形盒拉深件，本文采用圖3所示的編碼方案。其中實線表示產(chǎn)品特征及其類型編碼，虛線表示特征具體結(jié)構(gòu)編碼。實線所示內(nèi)容中的大寫字母表示產(chǎn)品的特征，數(shù)字表示特征的種類；虛線所示內(nèi)容是用不同的數(shù)字或數(shù)字的組合來表示特征的具體結(jié)構(gòu)、屬性、參數(shù)等內(nèi)容。

圖2 矩形盒結(jié)構(gòu)及主要尺寸

圖3 方盒編碼

2.2 產(chǎn)品檢索的最近鄰法

產(chǎn)品檢索是利用產(chǎn)品描述中的編碼對當(dāng)前產(chǎn)品與事例庫中的產(chǎn)品進行編碼相似性判斷的過程。本文采用最鄰近法，分別計算孔口線、側(cè)壁、底面、凸緣等拉深件結(jié)構(gòu)特征的相似程度，最后綜合四部分特征，從產(chǎn)品庫中選出與新產(chǎn)品最相似的產(chǎn)品。

最近鄰法是指從事例庫中檢索到與當(dāng)前產(chǎn)品距離最近的產(chǎn)品并重用其解的方法。其相似度函數(shù)為：

式中，Sim表示產(chǎn)品總的相似度；ωi表示第i個特征或?qū)傩缘臋?quán)重值；Si(Pi新,Pi舊)表示新舊產(chǎn)品第i個特征的相似度。

3 基于知識的模具結(jié)構(gòu)原型庫和特征骨架的建立

3.1 拉深模具裝配結(jié)構(gòu)

典型拉深模具結(jié)構(gòu)如圖4所示。模具設(shè)計中的產(chǎn)品建模大致可分為兩部分：一部分是上下模座、導(dǎo)柱、導(dǎo)套等標(biāo)準(zhǔn)件。另一部分是凸凹模、壓邊圈、凹模固定板等與產(chǎn)品形狀、尺寸直接相關(guān)的工作部件。對于第一部分的標(biāo)準(zhǔn)件，根據(jù)一定的參數(shù)進行參數(shù)化設(shè)計。而與產(chǎn)品形狀、尺寸直接相關(guān)的工作部件部分與產(chǎn)品特征信息、專業(yè)知識等內(nèi)容有關(guān)，采用基于知識的方法進行設(shè)計。

圖4 模具結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 基于電子表格的模具結(jié)構(gòu)原型庫的設(shè)計

在一套模具中，有許多標(biāo)準(zhǔn)化的零件，這些標(biāo)準(zhǔn)零件的尺寸參數(shù)都可以用表格的形式進行存儲和查詢。針對模具設(shè)計的特點，分別建立模具裝配結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)電子表格和模具零部件數(shù)據(jù)電子表格。裝配結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)電子表格（圖5）內(nèi)容包括凹模周界長、寬、閉合高度、裝配零部件的名稱及其標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格等參數(shù)。系統(tǒng)在自動查詢時，以表達式提取的凹模周界長、寬尺寸和閉合高度作為查詢參數(shù)，查詢零部件的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)格。模具零部件數(shù)據(jù)電子表格內(nèi)容包含驅(qū)動零件的具體幾何尺寸參數(shù)。模具零部件數(shù)據(jù)電子表格以裝配數(shù)據(jù)電子表格內(nèi)查到的零部件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格為查詢參數(shù)。最后系統(tǒng)根據(jù)查到的參數(shù)驅(qū)動模具結(jié)構(gòu)原型，實現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)尺寸的更新。

圖5 簡化的裝配結(jié)構(gòu)電子表格

3.3 基于知識的拉深件特征骨架的設(shè)計

拉深件特征骨架是用來與工作零部件原型一起生成工作零部件的一系列特征。因此其結(jié)構(gòu)特征和尺寸特征都直接或間接的由拉深件的結(jié)構(gòu)和尺寸以及工作零部件原型的尺寸所決定。拉深件特征骨架在設(shè)計時，在人機交互的環(huán)境下，采取引用拉深件幾何形狀并通過參數(shù)化的建模方法將其與工作零部件原型尺寸相關(guān)聯(lián)。

在UG中具體實施時，形狀特征用Wave幾何連接器進行引用；尺寸特征用表達式（Expression）進行關(guān)聯(lián)和引用。這樣使得拉深件特征骨架能夠根據(jù)拉深件的形狀、尺寸特征和模具結(jié)構(gòu)尺寸的變化而變化。

圖6為凹模骨架人機交互界面，首先人工選擇孔口線后，系統(tǒng)自動將孔口線從拉深件模型上Wave到凹模骨架建模環(huán)境，在對孔口線進行偏置操作后，點擊提取凹模原型厚度按鈕，系統(tǒng)通過表達式引用凹模原型厚度，孔口線根據(jù)厚度生成實體，設(shè)計人員檢查無誤后與凹模原型求差。在對凹模進行圓角等局部修改后即形成了凹模零件。

圖6 凹模骨架設(shè)計界面

4 知識庫的建立

知識庫是由大量的專家知識、經(jīng)驗以及行業(yè)規(guī)范等內(nèi)容組成的，通過推理、檢驗、糾錯等方式來輔助產(chǎn)品設(shè)計與分析的系統(tǒng)。其主要是根據(jù)產(chǎn)品的輸入信息按照一定的推理方式檢驗產(chǎn)品設(shè)計的合理性，如果發(fā)現(xiàn)不合理的內(nèi)容，則給出錯誤的產(chǎn)生原因和修改意見，從而達到輔助產(chǎn)品設(shè)計的目的。

為實現(xiàn)知識庫與產(chǎn)品設(shè)計軟件的有機結(jié)合，首先要對設(shè)計軟件進行二次開發(fā)，將產(chǎn)品信息提取到知識庫，然后采用一定的方法對產(chǎn)品信息進行表示，最后將專家知識、經(jīng)驗、行業(yè)規(guī)范等與產(chǎn)品信息相結(jié)合，形成對產(chǎn)品信息進行基于知識的推理，從而實現(xiàn)知識庫對產(chǎn)品設(shè)計的檢驗與糾錯。

拉深件產(chǎn)品的信息中不僅包括產(chǎn)品的長、寬、高及料厚等尺寸特征信息，還包括生產(chǎn)批量、產(chǎn)品材料、產(chǎn)品特征等非尺寸信息。因此基于知識的模具設(shè)計系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)合理的尺寸驅(qū)動產(chǎn)品設(shè)計，還可以根據(jù)不同的生產(chǎn)批量、產(chǎn)品材料等內(nèi)容進行合理的工序安排、模具裝配結(jié)構(gòu)的選擇，從而實現(xiàn)非尺寸信息驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計。

圖7 新產(chǎn)品的設(shè)計過程

為實現(xiàn)上述功能，本文采用C++與UG/Open API函數(shù)相結(jié)合的方法，對UG軟件進行二次開發(fā)。模型特征尺寸信息，用表達式進行關(guān)聯(lián)，在用函數(shù)UF_MODL_eval_exp（）將其提取到知識庫；生產(chǎn)批量、材料等非尺寸信息采用人機交互界面進行輸入，并通過函數(shù)UF_STYLER_ask_value()將其提取到知識庫。

對于產(chǎn)品尺寸等在設(shè)計過程中有一定的范圍限制或受一些標(biāo)準(zhǔn)約束的變量，以及有些變量的突變會引起其他變量甚至整個模型發(fā)生畸變，對于這樣的參數(shù)，應(yīng)提前定義好其范圍和約束關(guān)系，并設(shè)置好報錯信息和修改意見。由于生產(chǎn)批量、產(chǎn)品材料等信息的改變，會引起生產(chǎn)工序、裝配結(jié)構(gòu)、零件特征等模型內(nèi)容的相應(yīng)變化，因此應(yīng)對相應(yīng)模型或特征設(shè)置特定的屬性，產(chǎn)品設(shè)計時知識庫根據(jù)專家知識、經(jīng)驗等進行推理，當(dāng)模型的屬性為true是，則打開或取消抑制所需的模型特征；當(dāng)模型的屬性為false時，則關(guān)閉不同工序的模型，或抑制不需要的模型特征。從而實現(xiàn)知識庫輔助模具裝配結(jié)構(gòu)的設(shè)計與修改的功能。

5 基于知識的拉深件模具設(shè)計實例

以圖7中的新產(chǎn)品為例，A、B兩圖中新產(chǎn)品能夠在事例庫中找到相似的拉深件，因此知識庫首先通過調(diào)用相似拉深件的成形參數(shù)和工藝方案的方法，輔助設(shè)計人員調(diào)用模具結(jié)構(gòu)原型庫，然后在人機交互環(huán)境下完成對特征骨架的設(shè)計，最后將特征骨架與模具原型融合成工作部件后即可形成新產(chǎn)品所需的模具裝配體。C圖所示新產(chǎn)品由于沒能在事例庫中找到相似的拉深件，因此先通過有限元軟件對其進行成形分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)可成形后再在知識庫的輔助下完成對新產(chǎn)品所需模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

6 結(jié)束語

本文采用CBR與KBE相結(jié)合的技術(shù)，構(gòu)造了拉深模具設(shè)計系統(tǒng)。研究了拉深件特征骨架和模具結(jié)構(gòu)原型基于知識的參數(shù)化實施方法；系統(tǒng)采用在知識庫的支撐下，根據(jù)拉深件結(jié)構(gòu)尺寸特征生成拉深件特征骨架，并與模具結(jié)構(gòu)原型融合后形成最終的拉深模具裝配體。系統(tǒng)不僅能根據(jù)拉深件尺寸和特征，還能基于生產(chǎn)批量、產(chǎn)品材料等內(nèi)容選擇模具結(jié)構(gòu)并進行驅(qū)動，完成設(shè)計與修改過程。本文所研究、開發(fā)的拉深模設(shè)計系統(tǒng)能有效地重用已有的成功的拉深件事例，合理利用現(xiàn)有的模具結(jié)構(gòu)和零件標(biāo)準(zhǔn)化資料，簡化和縮減了拉深件事例庫和模具裝配結(jié)構(gòu)庫。為提高拉深件設(shè)計效率，降低模具設(shè)計開發(fā)成本提供了有效的方法和手段。

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