冲压模具设计的智能化途径之我见

张瑞勋 贾冰清

沈阳来金汽车零部件有限公司

冲压模具设计的智能化途径之我见

张瑞勋 贾冰清

沈阳来金汽车零部件有限公司

为实现冲压模具设计的智能化，提出一种基于设计过程知识元的模具设计方法。该方法首先分析模具设计知识内涵，建立了冲压模具设计的领域本体，通过领域本体和规则对模具设计知识进行表达。在分析组件间关联关系的基础上，建立了组件关联矩阵，并定义了设计过程知识元。以设计过程知识元为驱动，对设计过程中的具体关联矩阵和推理规则进行匹配，完成了动态决策的设计过程。基于该方法开发了一种定子切边冲槽模具设计系统，通过设计实例验证了所提方法的正确性和有效性。

模具设计 设计过程知识元 本体 组件关联矩阵

冲压模具的设计要考虑许多方面的情况，如冲压力的计算、模具结构的选择、标准件与非标准件的选择、零件之间的互相约束、零件的尺寸参数、刃口间隙等，是一项非常复杂的过程。在具体的设计过程中，还要结合工作经验，从实际应用方面降低设计的难度，以便进一步提高设计的效率。模具设计知识来源很广，设计过程中要考虑设计理论、行业规定和设计经验等]许多方面因素，既有尺寸计算公式又有选型规则，设计过程既遵循一定规则又可以灵活地对已完成的设计内容进行修改。因此，如何对模具设计知识进行表示并将知识融合到动态设计过程中，成为一个难点。

一、冲压模具设计内容

在冲压模具的设计中，由于模具结构类型较多、模具零件纷杂，对模具结构和模具零件的图形信息进行总结，并融合行业规定与设计经验，对模具结构和模具零件的各种选择规则和尺寸计算原理方法进行归纳，是非常必要的。冲压模具的整体结构包含许多知识，根据知识的不同作用可以将冲压模具的结构设计知识分为模具结构图形知识、模具结构选择知识和模具信息管理知识。其中，模具结构图形知识指模具结构的几何信息、相关参数、公差系数等；模具结构选择知识指在选择模具结构时所遵循的规则，如模具结构内部之间的尺寸关联规则、位置约束规则等；模具信息管理知识是指采用某种形式或者几种形式的组合对模具的设计信息进行管理，如采用明细表和可扩展标记语言(eXtensible Markup Language，XML)配置文件对模具信息进行管理。另外，冲压模具还可以被看作为许多零件的一种有机组合，这些零件都包括各自的图形信息和选择各零件的规则，因此又可把零件设计知识划分为零件图形知识和零件选择知识。冲压模具的设计涉及大量的公式、经验、行业标准等，以此为依据可以对整个模具的压力中心线、各功能零件的尺寸进行计算。

二、结构组件的特征相关性

根据本体中的概念集，本文依据冲压模具的各组成部分构建结构组件。在冲压模具设计过程中，采用分治法的思想，对不同的结构组件分别建模，从而完成整个冲压模具的设计过程。在构建组件时，如果组件的粒度过大，则会导致概念上的混淆冗余，而粒度过小又将增加不必要的组件管理信息，因此在粒度的选取上应遵循在保证概念无交叉重复的基础上降低组件管理信息的原则。结构组件具有如下特性：包含工程特性，如材料特征、表面粗糙度、公差等；具有一定几何特征和拓扑特征；可以实现某种功能。结构组件之间的关联关系有很多种表现形式，结构上的关联表现为位置约束，参数上的关联表现为尺寸关联，形状上的关联表现为特征轮廓的关联。冲压模具设计过程中，由于结构组件间具有关联关系，选取或修改某一结构组件时将会影响其他结构组件的选择。以定子切边冲槽模具设计为例，由于凸模与凹模是吻合的关系，如果改变凸模尺寸，则凹模尺寸也要随之变化。若改变的尺度超过所在型号设定的误差范围，则凸模与凹模的型号都将发生变化，而又由于组件之间存在位置约束，当凸模凹模的型号发生变化时，需要重新依据选型规则判断其他(如固定板等)组件是否需要改动。因此，在设计冲压模具时，通过分析各组成部件的特征联动性来指导模具设计非常必要。为了能够清楚明了地表示结构组件问的复杂关系，本文采用关联矩阵描述结构组件间的关联关系与类型，从而实现冲压模具的动态设计。

三、动态设计过程分析

冲压模具设计的关键在于如何将知识应用到设计过程，并以知识为驱动对设计过程中的问题给出最佳的解决方案。设计中的每个过程都会调用与之对应的模具设计知识，并依据本体、规则和关联关系进行参数化设计。完成每个过程后都会形成中间过程知识，以该知识为依据依次进行下面的设计过程，从而完成整个模具设计过程。冲压模具设计中有时会根据设计需求对已完成的设计结果进行修改，此时需要调用结构组件间的关联关系来确定与其相关联的结构组件的尺寸参数和零件型号等。为此，针对以上特点，本文将知识元的概念引入冲压模具动态设计过程中。设计过程知识元指将设计过程进行分解后形成的，设计过程中所包含的具有完备知识表达的、最小的、不可再分的知识单位。设计过程知识元基于本体术语的形式化定义如下：设计过程I的知识元Ki=(Ti，CSi，ASi，RSi，DTi)。其中：T表示知识元的类型，包括尺寸输入、尺寸计算、装配结构选择、零件选择、设计修改等知识元类型；CSi，ASi，RSi分别表示过程I中涉及的概念集、属性集、关系集；Dt表示设计过程I的设计任务。本文对冲压模具设计进行研究，提出一种基于知识的冲压模具设计方法。该方法以领域本体和规则对冲压模具设计领域知识进行表示，分析和提取了模具结构组件的关联关系，建立了关联矩阵并对其进行管理。根据设计过程动态决策的特点，对每个设计过程按照本体术语构建其过程知识元，通过匹配关联关系数据库和推理规则库，完成了模具的全部设计与修改过程。在上述方法的基础上，开发了定子切边冲槽模具设计系统。以定子切边冲槽模某型的设计为例，描述了领域本体、规则和关联矩阵在动态设计过程中的驱动作用。本文提出的基于知识元的冲压模具设计方法，既可以满足知识的共享和重用，又可以实现快速动态设计，从而降低设计人员的工作难度，提高设计效率。

[1]刘震宇.基于本体的机械产品设计知识嵌入方法[J].企业文化，2015.

[2]赵建勋.本体及其在机械工程中的应用综述[J].计算机集成制造系统，2016.