基于知识的模座自动生成设计方法

李 进，王义林，王耕耘，张文蛟，刘筱倩，李跃民

（1.华中科技大学 模具技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074；2.上海赛科利汽车模具技术应用有限公司，上海 201203）

基于知识的模座自动生成设计方法

李 进1，王义林1，王耕耘1，张文蛟2，刘筱倩2，李跃民2

（1.华中科技大学 模具技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074；2.上海赛科利汽车模具技术应用有限公司，上海 201203）

为了高效利用实践经验、专家知识等进行汽车覆盖件模具模座的设计，在对各种典型模座结构进行分析、模块化后，将模座结构分为结构模块和功能模块。对不同的模块进行知识获取和表示，进而运用知识完成模座的整体设计。基于对不同模块的分析，在获取到不同类型的知识后，归纳总结成知识规则或知识框架，形成了一种实用高效的设计方法。并采用基于UG平台的编程方法，开发出了基于知识的模座自动生成设计模块。

计算机应用；模块化设计；模座；覆盖件；知识工程

0 引言

当前，汽车工业迅速发展，车型更新速度越来越快。为了在激烈的竞争中得到更好的发展，就要求汽车制造厂商能够在较短的时间内开发、制造出高质量的汽车。由于车身覆盖件的制造在很大程度上直接制约着新车型的开发及其制造，所以，缩短覆盖件模具设计周期能够直接有效地缩短汽车开发周期，进而提高厂商的竞争力。

目前，模具企业在上下模座的设计中，大多通过手工创建进行设计。针对特定的设计要求，利用CAD软件创建出特定形状的模座本体，然后在模座本体上的特定的位置装配标准件。这一过程操作起来比较复杂，对设计者的造型速度有一定的要求，而经验和知识的可移植性很低，对设计结果的质量也难以保证。此外，因其不是参数化设计，后期修改起来也比较困难。本文提出了一种基于知识的模块化设计方法，较方便地完成了模座的设计、修改和再设计，较为显著地提高了设计水平。

1 基于知识的模座模块化设计技术的必要性

在汽车覆盖件模具模座的设计中，大量的设计是针对特定厂家的特定车型，通过修改已有的模型而产生的。这样，设计者在重复建模上就要浪费相当多的时间。

参数化模板技术的提出在一定程度上解决了此问题。然而对于参数化模板技术，虽然在其模板的设计中融入了一定的生产经验，但并不能在复杂的工程实践中很好地满足要求。对于模座设计中的一些问题，参数化模板技术无法对其很好地解决，列举如下：

（1）虽然参数化模板技术提供了主控参数，并在草图中通过几何定位确定了参数之间的关系，能够通过修改参数来实现对整个模板的修改，但它无法根据特定载荷、行程和重量来选择合适的结构。在实际设计过程中，对其使用的结果在很大程度上取决于设计者对模具结构的了解，常常导致设计效率低下。

（2）在整个模座设计中，涉及到导向、起吊和行程等方面的标准件的调用，而参数化模板技术并没有针对这些特定的标准件建立标准特征模块用于存放标准件。所以，在设计中，还要靠设计人员在其上做进一步的设计。

（3）参数化模板技术对信息集成和特定产品的数据管理不足，对产品难以实现真正的自动生成。对整个模座设计而言，不能够很好地保证一次性的设计准确性，需要后续按经验做进一步处理。

所以，我们应该引入一种能够充分利用各种实践经验、专家知识及其他有关信息的方法，使之真正做到知识、经验的再利用，进而缩短开发周期。本文将知识工程技术和模块化技术引入到模座的设计中，提出了基于知识的模座模块化设计技术。

本文将围绕建立模块单元和研究知识工程技术的一些关键问题展开，并提出相应的实现策略。

2 基于知识的模座模块化设计的技术实现方法

2.1 知识工程技术和模块化设计

知识工程是基于知识来实现对产品生命周期内的各个环节的设计与管理。知识既来源于专家的经验，也包含各个设计阶段产生的反馈信息。知识工程系统通过一系列知识处理方法来获取专家知识和经验，并运用合适的知识建模方法，将知识计算机化。

对知识获取、表示以及通过对获取到的知识进行分析运用是知识工程技术的核心所在。其主要包括对知识的获取、知识的表示、知识的建模与推理运用、知识库的建立等。

模块是模块化设计的基础，模块化设计的核心是将系统根据功能分解为若干模块，通过对模块的不同的组合，可以得到不同品种、不同规格的产品。

模块化设计主要包括两个过程：模块的划分和模块的组合。模块划分是针对特定系统要求，进行模块划分及其结构的设计，而模块组合是根据具体的用户要求，选择合适模块组合成相应的产品。利用模块化设计，既可以组成一系列的标准化产品，也可以组合成在性能、结构上有较大差别，能够满足不同用户的多样化需求的非标准化产品。所以，模块化设计非常适合运用在模具设计中。

2.2 系统的实现

UG能够利用工程知识库和工程演算规则为用户提供强大的产品设计应用系统。作者采用UG为平台开发了基于知识的模座自动生成系统，图1所示是系统的总体框架结构。

图1 系统总体框架结构

结构功能识别阶段是根据用户的选择和输入，完成对模座的典型结构分析及其模块的组合。完成此阶段的设计工作，必须要对上下模座的典型结构进行分析及其模块化，这一技术的实现工作在2.2.1节作详细介绍。在装配设计阶段，通过搜索设计实例库、综合数据库和装配特征库，定义模座装配体的总体结构、零件间的相互关系以及设计约束条件。在模座本体设计阶段则是通过调用典型模座实例库中的模座，或调用装配特征库，并结合各种综合数据库和特征建模，设计出模座的本体结构。

这个系统主要包括数据库模块、知识工程模块和特征建模模块三个主要部分。

2.2.1 汽车覆盖件上下模座的典型结构及其模块化

汽车覆盖件上下模座因模具的不同而呈现出不同的形态，但其各个功能部分的结构大致相当。图2所示为汽车覆盖件上下模座的典型结构。本文主要基于此种典型结构，对上下模座进行模块化。

正如图2所示，该结构中，除了上下模座本体之外，还有一些满足功能要求的标准件，自然就涉及到因不同功能要求而选择不同标准件的问题。为了让整个设计过程清晰明了，对其按结构和功能两方面进行模块的划分。在后续的程序开发过程中，对于按结构划分的模块，可由结构参数为主、功能参数为辅的原则，对其实现自动生成；同样，对于按功能划分的模块，可由功能参数为主、结构参数为辅的原则，对其实现自动生成。

我们将端头部分、安全区部分和压边槽部分划入结构模块，主要由指定的结构参数来获得相应的结构形式。此外，将导向部分、起吊部分、存放行程部分和ID_BOX部分划入功能模块，主要由指定功能参数来获得相应的结构形式，少量需要结构参数为辅助。

2.2.2 系统数据库和特征建模模块

数据库主要包括模块库、典型模座实例库、设计实例库、综合数据库和装配特征库。其中模块库是根据上小节对上下模座典型结构模块化之后，得到的具有一定功能的几何结构单元库。典型模座实例库归纳了以往的模座设计实例，包括设计目标、设计要求、设计结构和设计评价。综合数据库和装配特征库包括了模座设计中需要调用的各个系列的组件和零件，还有一些用户自定义的装配特征。

该数据库不仅包括了各种模型库，还包括了一些结构尺寸参数数据表、标准件厂商数据表及其它们各自的相关索引表。

而特征建模模块主要包括在对典型模座实例设计、装配特征设计和模座本体设计中所需要的一些特征。

2.2.3 知识工程模块

知识工程技术的核心包括：知识获取、知识表示和知识运用[4]。

知识获取是将问题涉及领域的已知知识和经验知识归纳总结，并移植到该问题知识库，并将这些知识进行转化，存储到计算机内。知识表示即知识的计算机化，它是基于一定的描述规则使知识计算机化，进而能够较容易地将这种符号化的知识有效的变成计算机能够进行处理的某种数据结构。知识运用就是运用知识来解决该问题领域的实际问题，主要包括知识推理、知识库管理与维护。

2.2.3.1 模座知识的获取

前面已经提到了知识的获取，本系统模座知识的获取主要通过三种方式获得：①从书本获取知识，通过对一系列国际/国家模具设计标准、设计规范、图表等的查阅，整理归纳出此种专家知识。②与模具厂家设计人员进行了细致的交流，进而获取其经验知识，这些特定的知识是厂家在实际设计过程中总结出的一系列常规遵守的规则，对其产品的开发有着至关重要的作用。③通过数据挖掘的方式获得知识，这种方法在一定程度上，有助于解决数据爆炸和知识贫乏的问题。

2.2.3.2 模座知识的表示

知识的表示方法很多，常见的有一阶谓词逻辑表示法、产生式规则表示法、框架表示法、语义网络法等。它们各有特点，适用于一定的范围。

根据覆盖件模具模座的特点，本文采用产生式规则表示法和框架表示法。

2.2.3.2.1 基于产生式规则的知识表示

由于在知识的获取过程中发现，许多知识可以用因果关系来描述，而这种因果关系与计算机中的IF-THEN语句结构十分相似，所以，对于模座设计中的一些简单的判断知识，我们用到基于产生式规则的知识表示方法表示，在模座局部结构自动生成方面的运用尤为明显，比如：

本系统将特定问题知识整理集合，绝大多数以此规则进行表示。

因为这种语句结构十分接近人类的自然语言，所以能有效地表示经验知识，易于对知识进行获取和编码。但是，其解释的能力因受其结构的限制，被局限在一定的范围内，不能对深层次且复杂的知识进行比较好的表达。所以经常和其他知识表示法结合起来使用。

2.2.3.2.2 基于框架的知识表示

由于知识存在于特定问题之中，自然的，知识是与其他知识或其他事物普遍联系着的。所以，为了能够更为准确地表示知识，我们需要建立起一种联系规则用来表示知识。

而知识的框架表示能够很好地满足这个要求。一个知识的框架通常有若干“槽”组成，而框架的槽根据具体问题的不同，可以有若干“侧面”组成，每个侧面又可以有若干“值”。其中“槽”表示对象的一个属性，其值就是对象的属性值。基于这种规则，我们可以根据具体问题的需要来进行取舍，建立起特定问题的知识框架结构。

下面是框架结构的一般性描述：

图3 一般性框架结构图

对于本系统可以给出以下整体框架，整体框架由五个子框架组合而成，每个子框架又有各自的槽名、侧面和值。图4中的本系统框架结构图做了一些简化处理。

由上述框架结构可知，我们可以针对特定问题在框架结构中，填入相对应的属性值，就可以得到一个特定模座的事例框架。

2.2.3.3 模座知识的运用

图4 本系统框架结构图

知识的运用有两个重要的方面——知识推理和知识搜索。在前面介绍基于规则表示知识时，已经提到了知识规则的推理，对于本模座自动生成系统而言，基于规则得到确定模座之后，装载模座本体，根据相应参数驱动本体得到所需的模座，然后根据装配关系和装配位置关系进行自动装配，并且本体中放置标准件的关联特征也会自动生成。

但是当规则过多的时候，其效率会变得低下。所以，在每次进入系统第一步——结构功能识别阶段，我们采用另一种推理方法——基于实例的推理。

这种推理方法是一种用过去的实例和经验来解决当前问题的方法。根据当前问题的描述，将问题拆解后，进行结构功能识别，然后在现有的实例库中搜索并提取与结构功能相似的实例，如果完全匹配上，则直接调用；如果有一定的相似，则可以对此实例进行载入，然后对其进行相应的修改，在修改过程中运用前面提到的知识规则的推理，最后得到问题的解。3 结论

本文采用模块化设计技术，按其子功能要求，对上下模座结构模块化，然后对各模块进行参数化设计，最后利用UG强大的二次开发功能，开发出了基于子功能的模座自动生成模块。本系统数据库有良好的封装性、可扩展性和可维护性，一般用户不需了解内部逻辑结构和实现过程。

图5就是运用本系统的设计实例。系统操作简单，方便易用，可快速完成上下模座的设计，大大缩减了覆盖件模具的设计周期。

[1] 蔡学熙.现代机械设计方法使用手册.北京：化学工业出版社，2004，41-60.

[2] 杨 光，刘 剑，刘根生，等.UG18中参数化设计方法研究[J].现代制造工程，2005，（3）：66-69.

[3] 王义林，胡贤罡，张启丰.基于模板的汽车覆盖件拉延模具结构参数化设计[J].锻压装备与制造技术，2009，（5）：98-101.

[4] 黄 勇，郑金桥，王义林，李志刚.知识驱动的覆盖件模具拉深工序件设计[J].锻压装备与制造技术，2003，（2）：37-40.

[5] 郑清春，徐燕申.汽车覆盖件模具模块化快速设计技术的研究.成组技术与生产现代化，2001，（3）：11-14.

[6] 童时中.模块化原理、设计方法及应用.北京：中国标准出版社，2000.

[7] 王隆娟.基于知识的覆盖件工艺型面设计系统的研究[硕士学位论文].武汉：华中科技大学，2005，25-30.

Design method of the automatic generation of tool holder based on knowledge

LI Jing1,WANG Yilin1,WANG Gengyun1,ZHANG Wenjiao2,LIU Youqian2,LI Yuemin2
（1.State Key Lab of Material Processing and Die&Mould Technology,Huazhong University of Science&Technology,Wuhan 430074,Hubei China；2.Shanghai Superior Die Technology Co.,Ltd.,Shanghai 201203,China）

Different modules have been analyzed in the text,and different kinds of knowledge have been obtained.The knowledge rules or frames have been summarized.A practical and high-effective design method has been put forward.By use of programming method based on UG platform,the design module of automatic generation of tool holder based on knowledge has been explored.

Panel;Tool holder;Modular design;Knowledge engineering

P791

B

1672－0121（2012）02－0094－04

2011－12－08

李 进（1986－），男，硕士在读，主攻汽车覆盖件模具CAD/VAPP