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摘要：在基于專家知識的基礎(chǔ)上，研究了應(yīng)用半創(chuàng)成方式設(shè)計(jì)汽車覆蓋件拉延模的方法；通過對Pro/Engineer軟件平臺進(jìn)行二次開發(fā)，建立了相應(yīng)的CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了由覆蓋件沖壓工藝型面驅(qū)動來設(shè)計(jì)三維覆蓋件模具、二維工程圖及生成管理文件等，并做到了基于特征的全參數(shù)化設(shè)計(jì)。
關(guān)鍵詞：基于知識；半創(chuàng)成式；覆蓋件；模具

一、前言

汽車覆蓋件模具的設(shè)計(jì)是汽車新產(chǎn)品開發(fā)的決定性環(huán)節(jié)。這部分工作是設(shè)計(jì)人員運(yùn)用專門知識和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合推理與計(jì)算完成的。傳統(tǒng)的覆蓋件模具設(shè)計(jì)由手工完成，不僅效率低，而且設(shè)計(jì)質(zhì)量也難以保證，嚴(yán)重影響企業(yè)的模具設(shè)計(jì)能力。因此實(shí)現(xiàn)覆蓋件模具CAD是汽車工業(yè)迫切需要解決的一項(xiàng)技術(shù)難題。

國外從50年代末期就開始對沖模CAD的研究，并陸續(xù)開發(fā)出一些CAD/CAM軟件。我國模具CAD/CAM的工作始于70年代末，發(fā)展十分迅速，推出了許多沖模CAD/CAM系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在提高生產(chǎn)率、改善質(zhì)量、降低成本、減輕勞動強(qiáng)度等方面具有明顯的優(yōu)越性。但由于汽車覆蓋件具有材料薄，精度高，形狀復(fù)雜(多為立體曲面)，結(jié)構(gòu)尺寸大，表面質(zhì)量高等特點(diǎn)［1］，其模具CAD的研究和應(yīng)用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足汽車工業(yè)的需要。面對日趨激烈的市場競爭，國內(nèi)外許多汽車覆蓋件模具生產(chǎn)廠家都在大力開展這方面的工作，以期能夠在行業(yè)中處于領(lǐng)先位置。

二、半創(chuàng)成設(shè)計(jì)

交互型CAD系統(tǒng)是當(dāng)前模具CAD系統(tǒng)所采用的主要形式［2］。它的主要特點(diǎn)是，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所具有的計(jì)算速度快、精度高、數(shù)據(jù)存儲量大、耐重復(fù)工作和不易出錯等優(yōu)點(diǎn)，同人在工程設(shè)計(jì)中的主導(dǎo)作用結(jié)合起來。人在工程設(shè)計(jì)中的主導(dǎo)作用，表現(xiàn)在對復(fù)雜問題的特殊理解能力和判斷能力，以及許多目前尚不能完全用數(shù)據(jù)和公式表達(dá)出來的豐富經(jīng)驗(yàn)。

雖然創(chuàng)成式CAD系統(tǒng)是較為理想的系統(tǒng)模型，但由于模具產(chǎn)品品種的多樣性、制造過程的離散性、生產(chǎn)環(huán)境的復(fù)雜性、時間發(fā)生的隨機(jī)性、系統(tǒng)狀態(tài)的模糊性等因素，使覆蓋件模具設(shè)計(jì)成為相當(dāng)復(fù)雜的決策過程，因此要開發(fā)有一定適應(yīng)面的創(chuàng)成式CAD系統(tǒng)有較大難度［3］。與此相反，半創(chuàng)成式CAD系統(tǒng)與目前人工智能、商用CAD軟件的發(fā)展水平相適應(yīng)。通過適當(dāng)?shù)娜藱C(jī)交互，可以大幅度降低模具CAD系統(tǒng)的開發(fā)難度，使得在一定時間內(nèi)能夠開發(fā)出切合實(shí)際的覆蓋件模具CAD系統(tǒng)。

汽車覆蓋件模具，可分為若干類，每一類都具有很大的相似性。從產(chǎn)品開發(fā)角度，每種類型的覆蓋件模具都具有一定的繼承性。這種相似性和繼承性，為在通用CAD商品軟件的支持下，通過二次開發(fā)，建立基于知識的汽車覆蓋件模具半創(chuàng)成CAD系統(tǒng)成為可能。從而實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計(jì)到模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，到零件設(shè)計(jì)的全過程映射，保證設(shè)計(jì)高質(zhì)量的穩(wěn)定性。

因此，我們在汽車覆蓋件模具半創(chuàng)成設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，將模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和專家經(jīng)驗(yàn)整理成知識體系，進(jìn)行條理化，用推理機(jī)對模具設(shè)計(jì)過程中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行推理和判斷；對難以表達(dá)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和專家知識，通過人機(jī)交互輸入，從而設(shè)計(jì)出符合要求的覆蓋件模具［4］、［5］。

三、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊

基于知識的汽車覆蓋件模具半創(chuàng)成CAD系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)是圍繞知識庫和推理機(jī)組織的［6］。另外，它還需要知識獲取、解釋系統(tǒng)、人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)庫等功能模塊。圖1是本系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)模塊。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)模塊

1.知識庫

知識庫的建立需解決知識獲取和知識表達(dá)兩方面的問題，具體表現(xiàn)在對模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和專家知識的處理及設(shè)計(jì)資料的利用上。為此，我們建立了可擴(kuò)充的模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則庫、三維標(biāo)準(zhǔn)件庫、常用件庫、典型模具結(jié)構(gòu)庫和沖壓設(shè)備參數(shù)庫等，供設(shè)計(jì)人員調(diào)用。

2.推理機(jī)

推理機(jī)模擬模具設(shè)計(jì)專家的推理方法、技巧，利用知識庫的知識和已知事實(shí)進(jìn)行推理，解決汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)過程中的問題。系統(tǒng)中選用了目標(biāo)驅(qū)動的反向推理機(jī)制，即：

這種方式模擬手工設(shè)計(jì)路線的思維過程，從最終設(shè)計(jì)開始選擇設(shè)計(jì)順序和內(nèi)容，最終形成完整的覆蓋件模具設(shè)計(jì)路線。采用反向推理，容易導(dǎo)出各級中間狀態(tài)(中間設(shè)計(jì))的目標(biāo)及要求，可避免設(shè)計(jì)的盲目性。

3.人機(jī)界面

將專家和用戶的輸入信息翻譯成系統(tǒng)可以接受的內(nèi)部形式，同時把系統(tǒng)向?qū)＜一蛴脩舻妮敵鲂畔⑥D(zhuǎn)換成為設(shè)計(jì)人員易于理解的形式。

4.中間數(shù)據(jù)庫

這是本系統(tǒng)在執(zhí)行與推理過程中用以存放中間結(jié)果或論據(jù)等的工作存儲器。

四、設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)

CAD/CAM技術(shù)，已滲入汽車制造業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析到加工的各個環(huán)節(jié)，同時也改變了傳統(tǒng)汽車車身設(shè)計(jì)和制造過程中的一些重要環(huán)節(jié)。標(biāo)志之一就是用存儲在計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)學(xué)模型取代了沿用多年的實(shí)物模型(主模型)［1］。

數(shù)學(xué)模型是CAD/CAM技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)。在新的一體化的汽車車身設(shè)計(jì)和制造過程中，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程圖紙繪制、結(jié)構(gòu)分析，到?jīng)_模設(shè)計(jì)、模具型面的數(shù)控加工都圍繞著車身形狀和屬性的數(shù)學(xué)模型展開。無論是汽車覆蓋件圖紙，還是模具型面的加工程序，都將由設(shè)計(jì)定形后的車身型面數(shù)學(xué)模型自動生成。

因此，進(jìn)行汽車覆蓋件模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)，就是三維的數(shù)學(xué)模型，即覆蓋件沖壓工藝型面。下面，我們介紹以三維覆蓋件沖壓工藝型面為設(shè)計(jì)依據(jù)，利用Pro/Engineer的功能模塊對轎車行李箱后蓋拉延模進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程：

(1)根據(jù)上游得到汽車覆蓋件的沖壓工藝型面，得到凹模型面、凸模型面和壓邊圈型面(見圖2)。

圖2型面轉(zhuǎn)換關(guān)系

(2)通過人機(jī)交互得到凹模型面、凸模型面和壓邊圈型面的數(shù)據(jù)，如長、寬、高；水平面和垂直面內(nèi)的輪廓線。

(3)根據(jù)型面數(shù)據(jù)和輪廓線，在Pro/Layout中建立總設(shè)計(jì)任務(wù)書(Layout)。該設(shè)計(jì)任務(wù)書以二維圖的形式表達(dá)模具的總體結(jié)構(gòu)，確定模具結(jié)構(gòu)的總體尺寸，如模具的閉合高度、最大寬度、最大長度；模具零件的長、寬、高；模具零件之間的裝配關(guān)系等。在總設(shè)計(jì)任務(wù)書中確定的尺寸只能在總設(shè)計(jì)任務(wù)書中修改，在后續(xù)的設(shè)計(jì)模塊中不能進(jìn)行修改。

(4)根據(jù)總設(shè)計(jì)任務(wù)書，綜合所有的上游信息(如型面、沖壓設(shè)備參數(shù)等)，由推理機(jī)根據(jù)模具設(shè)計(jì)準(zhǔn)則庫中的規(guī)則進(jìn)行判斷、推理，在人機(jī)交互下完成模具結(jié)構(gòu)的三維設(shè)計(jì)。

1)在Pro/Part中進(jìn)行零件的三維模型設(shè)計(jì)，主要是工作零件，如凹模、凸模、壓邊圈等；
2)調(diào)用模具標(biāo)準(zhǔn)件庫、常用件庫中的零件，如墊板、導(dǎo)柱、導(dǎo)套、頂桿、螺釘等；
3)在Pro/Assembly中定義各零件間的位置關(guān)系和約束關(guān)系，將零部件組裝為三維裝配模型；也可調(diào)用典型模具結(jié)構(gòu)庫中的裝配模型，在三維裝配模型中進(jìn)行零部件的替換、修改、刪除或增加。

(5)建立模具結(jié)構(gòu)零件之間的關(guān)聯(lián)性。在零件裝配過程中或裝配完畢后，修改任何一個零件，相關(guān)的上下級零件的空間位置、形狀、尺寸等皆會自動作相應(yīng)更新。

(6)進(jìn)行動靜干涉檢查和強(qiáng)度校核。Pro/Engineer所具有的三維設(shè)計(jì)功能，使得設(shè)計(jì)人員能夠檢查模具開、合狀態(tài)下，上下刀口、導(dǎo)向件、定距塊等是否發(fā)生干涉，斜楔運(yùn)動時是否碰撞；對零件進(jìn)行強(qiáng)度校核。

(7)在Pro/Drawing工作模式下，將三維裝配模型圖轉(zhuǎn)換為二維模具總裝圖，并生成裝配圖明細(xì)表；生成各個零件的二維工程圖�？扇我庠黾痈鞣N視圖、剖視圖，加各種注釋，修改線型及剖面線，可進(jìn)行尺寸修改。

(8)可根據(jù)零件、裝配件的物理屬性來管理模型、圖紙和文檔，提供查詢功能等。

另外，建庫

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