基于知識的模座自動生成設計方法

李 進，王義林，王耕耘，張文蛟，劉筱倩，李躍民

（1.華中科技大學 模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.上海賽科利汽車模具技術應用有限公司，上海 201203）

基于知識的模座自動生成設計方法

李 進1，王義林1，王耕耘1，張文蛟2，劉筱倩2，李躍民2

（1.華中科技大學 模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.上海賽科利汽車模具技術應用有限公司，上海 201203）

為了高效利用實踐經驗、專家知識等進行汽車覆蓋件模具模座的設計，在對各種典型模座結構進行分析、模塊化后，將模座結構分為結構模塊和功能模塊。對不同的模塊進行知識獲取和表示，進而運用知識完成模座的整體設計。基于對不同模塊的分析，在獲取到不同類型的知識后，歸納總結成知識規則或知識框架，形成了一種實用高效的設計方法。并采用基于UG平臺的編程方法，開發出了基于知識的模座自動生成設計模塊。

計算機應用；模塊化設計；模座；覆蓋件；知識工程

0 引言

當前，汽車工業迅速發展，車型更新速度越來越快。為了在激烈的競爭中得到更好的發展，就要求汽車制造廠商能夠在較短的時間內開發、制造出高質量的汽車。由于車身覆蓋件的制造在很大程度上直接制約著新車型的開發及其制造，所以，縮短覆蓋件模具設計周期能夠直接有效地縮短汽車開發周期，進而提高廠商的競爭力。

目前，模具企業在上下模座的設計中，大多通過手工創建進行設計。針對特定的設計要求，利用CAD軟件創建出特定形狀的模座本體，然后在模座本體上的特定的位置裝配標準件。這一過程操作起來比較復雜，對設計者的造型速度有一定的要求，而經驗和知識的可移植性很低，對設計結果的質量也難以保證。此外，因其不是參數化設計，后期修改起來也比較困難。本文提出了一種基于知識的模塊化設計方法，較方便地完成了模座的設計、修改和再設計，較為顯著地提高了設計水平。

1 基于知識的模座模塊化設計技術的必要性

在汽車覆蓋件模具模座的設計中，大量的設計是針對特定廠家的特定車型，通過修改已有的模型而產生的。這樣，設計者在重復建模上就要浪費相當多的時間。

參數化模板技術的提出在一定程度上解決了此問題。然而對于參數化模板技術，雖然在其模板的設計中融入了一定的生產經驗，但并不能在復雜的工程實踐中很好地滿足要求。對于模座設計中的一些問題，參數化模板技術無法對其很好地解決，列舉如下：

（1）雖然參數化模板技術提供了主控參數，并在草圖中通過幾何定位確定了參數之間的關系，能夠通過修改參數來實現對整個模板的修改，但它無法根據特定載荷、行程和重量來選擇合適的結構。在實際設計過程中，對其使用的結果在很大程度上取決于設計者對模具結構的了解，常常導致設計效率低下。

（2）在整個模座設計中，涉及到導向、起吊和行程等方面的標準件的調用，而參數化模板技術并沒有針對這些特定的標準件建立標準特征模塊用于存放標準件。所以，在設計中，還要靠設計人員在其上做進一步的設計。

（3）參數化模板技術對信息集成和特定產品的數據管理不足，對產品難以實現真正的自動生成。對整個模座設計而言，不能夠很好地保證一次性的設計準確性，需要后續按經驗做進一步處理。

所以，我們應該引入一種能夠充分利用各種實踐經驗、專家知識及其他有關信息的方法，使之真正做到知識、經驗的再利用，進而縮短開發周期。本文將知識工程技術和模塊化技術引入到模座的設計中，提出了基于知識的模座模塊化設計技術。

本文將圍繞建立模塊單元和研究知識工程技術的一些關鍵問題展開，并提出相應的實現策略。

2 基于知識的模座模塊化設計的技術實現方法

2.1 知識工程技術和模塊化設計

知識工程是基于知識來實現對產品生命周期內的各個環節的設計與管理。知識既來源于專家的經驗，也包含各個設計階段產生的反饋信息。知識工程系統通過一系列知識處理方法來獲取專家知識和經驗，并運用合適的知識建模方法，將知識計算機化。

對知識獲取、表示以及通過對獲取到的知識進行分析運用是知識工程技術的核心所在。其主要包括對知識的獲取、知識的表示、知識的建模與推理運用、知識庫的建立等。

模塊是模塊化設計的基礎，模塊化設計的核心是將系統根據功能分解為若干模塊，通過對模塊的不同的組合，可以得到不同品種、不同規格的產品。

模塊化設計主要包括兩個過程：模塊的劃分和模塊的組合。模塊劃分是針對特定系統要求，進行模塊劃分及其結構的設計，而模塊組合是根據具體的用戶要求，選擇合適模塊組合成相應的產品。利用模塊化設計，既可以組成一系列的標準化產品，也可以組合成在性能、結構上有較大差別，能夠滿足不同用戶的多樣化需求的非標準化產品。所以，模塊化設計非常適合運用在模具設計中。

2.2 系統的實現

UG能夠利用工程知識庫和工程演算規則為用戶提供強大的產品設計應用系統。作者采用UG為平臺開發了基于知識的模座自動生成系統，圖1所示是系統的總體框架結構。

圖1 系統總體框架結構

結構功能識別階段是根據用戶的選擇和輸入，完成對模座的典型結構分析及其模塊的組合。完成此階段的設計工作，必須要對上下模座的典型結構進行分析及其模塊化，這一技術的實現工作在2.2.1節作詳細介紹。在裝配設計階段，通過搜索設計實例庫、綜合數據庫和裝配特征庫，定義模座裝配體的總體結構、零件間的相互關系以及設計約束條件。在模座本體設計階段則是通過調用典型模座實例庫中的模座，或調用裝配特征庫，并結合各種綜合數據庫和特征建模，設計出模座的本體結構。

這個系統主要包括數據庫模塊、知識工程模塊和特征建模模塊三個主要部分。

2.2.1 汽車覆蓋件上下模座的典型結構及其模塊化

汽車覆蓋件上下模座因模具的不同而呈現出不同的形態，但其各個功能部分的結構大致相當。圖2所示為汽車覆蓋件上下模座的典型結構。本文主要基于此種典型結構，對上下模座進行模塊化。

正如圖2所示，該結構中，除了上下模座本體之外，還有一些滿足功能要求的標準件，自然就涉及到因不同功能要求而選擇不同標準件的問題。為了讓整個設計過程清晰明了，對其按結構和功能兩方面進行模塊的劃分。在后續的程序開發過程中，對于按結構劃分的模塊，可由結構參數為主、功能參數為輔的原則，對其實現自動生成；同樣，對于按功能劃分的模塊，可由功能參數為主、結構參數為輔的原則，對其實現自動生成。

我們將端頭部分、安全區部分和壓邊槽部分劃入結構模塊，主要由指定的結構參數來獲得相應的結構形式。此外，將導向部分、起吊部分、存放行程部分和ID_BOX部分劃入功能模塊，主要由指定功能參數來獲得相應的結構形式，少量需要結構參數為輔助。

2.2.2 系統數據庫和特征建模模塊

數據庫主要包括模塊庫、典型模座實例庫、設計實例庫、綜合數據庫和裝配特征庫。其中模塊庫是根據上小節對上下模座典型結構模塊化之后，得到的具有一定功能的幾何結構單元庫。典型模座實例庫歸納了以往的模座設計實例，包括設計目標、設計要求、設計結構和設計評價。綜合數據庫和裝配特征庫包括了模座設計中需要調用的各個系列的組件和零件，還有一些用戶自定義的裝配特征。

該數據庫不僅包括了各種模型庫，還包括了一些結構尺寸參數數據表、標準件廠商數據表及其它們各自的相關索引表。

而特征建模模塊主要包括在對典型模座實例設計、裝配特征設計和模座本體設計中所需要的一些特征。

2.2.3 知識工程模塊

知識工程技術的核心包括：知識獲取、知識表示和知識運用[4]。

知識獲取是將問題涉及領域的已知知識和經驗知識歸納總結，并移植到該問題知識庫，并將這些知識進行轉化，存儲到計算機內。知識表示即知識的計算機化，它是基于一定的描述規則使知識計算機化，進而能夠較容易地將這種符號化的知識有效的變成計算機能夠進行處理的某種數據結構。知識運用就是運用知識來解決該問題領域的實際問題，主要包括知識推理、知識庫管理與維護。

2.2.3.1 模座知識的獲取

前面已經提到了知識的獲取，本系統模座知識的獲取主要通過三種方式獲得：①從書本獲取知識，通過對一系列國際/國家模具設計標準、設計規范、圖表等的查閱，整理歸納出此種專家知識。②與模具廠家設計人員進行了細致的交流，進而獲取其經驗知識，這些特定的知識是廠家在實際設計過程中總結出的一系列常規遵守的規則，對其產品的開發有著至關重要的作用。③通過數據挖掘的方式獲得知識，這種方法在一定程度上，有助于解決數據爆炸和知識貧乏的問題。

2.2.3.2 模座知識的表示

知識的表示方法很多，常見的有一階謂詞邏輯表示法、產生式規則表示法、框架表示法、語義網絡法等。它們各有特點，適用于一定的范圍。

根據覆蓋件模具模座的特點，本文采用產生式規則表示法和框架表示法。

2.2.3.2.1 基于產生式規則的知識表示

由于在知識的獲取過程中發現，許多知識可以用因果關系來描述，而這種因果關系與計算機中的IF-THEN語句結構十分相似，所以，對于模座設計中的一些簡單的判斷知識，我們用到基于產生式規則的知識表示方法表示，在模座局部結構自動生成方面的運用尤為明顯，比如：

本系統將特定問題知識整理集合，絕大多數以此規則進行表示。

因為這種語句結構十分接近人類的自然語言，所以能有效地表示經驗知識，易于對知識進行獲取和編碼。但是，其解釋的能力因受其結構的限制，被局限在一定的范圍內，不能對深層次且復雜的知識進行比較好的表達。所以經常和其他知識表示法結合起來使用。

2.2.3.2.2 基于框架的知識表示

由于知識存在于特定問題之中，自然的，知識是與其他知識或其他事物普遍聯系著的。所以，為了能夠更為準確地表示知識，我們需要建立起一種聯系規則用來表示知識。

而知識的框架表示能夠很好地滿足這個要求。一個知識的框架通常有若干“槽”組成，而框架的槽根據具體問題的不同，可以有若干“側面”組成，每個側面又可以有若干“值”。其中“槽”表示對象的一個屬性，其值就是對象的屬性值。基于這種規則，我們可以根據具體問題的需要來進行取舍，建立起特定問題的知識框架結構。

下面是框架結構的一般性描述：

圖3 一般性框架結構圖

對于本系統可以給出以下整體框架，整體框架由五個子框架組合而成，每個子框架又有各自的槽名、側面和值。圖4中的本系統框架結構圖做了一些簡化處理。

由上述框架結構可知，我們可以針對特定問題在框架結構中，填入相對應的屬性值，就可以得到一個特定模座的事例框架。

2.2.3.3 模座知識的運用

圖4 本系統框架結構圖

知識的運用有兩個重要的方面——知識推理和知識搜索。在前面介紹基于規則表示知識時，已經提到了知識規則的推理，對于本模座自動生成系統而言，基于規則得到確定模座之后，裝載模座本體，根據相應參數驅動本體得到所需的模座，然后根據裝配關系和裝配位置關系進行自動裝配，并且本體中放置標準件的關聯特征也會自動生成。

但是當規則過多的時候，其效率會變得低下。所以，在每次進入系統第一步——結構功能識別階段，我們采用另一種推理方法——基于實例的推理。

這種推理方法是一種用過去的實例和經驗來解決當前問題的方法。根據當前問題的描述，將問題拆解后，進行結構功能識別，然后在現有的實例庫中搜索并提取與結構功能相似的實例，如果完全匹配上，則直接調用；如果有一定的相似，則可以對此實例進行載入，然后對其進行相應的修改，在修改過程中運用前面提到的知識規則的推理，最后得到問題的解。3 結論

本文采用模塊化設計技術，按其子功能要求，對上下模座結構模塊化，然后對各模塊進行參數化設計，最后利用UG強大的二次開發功能，開發出了基于子功能的模座自動生成模塊。本系統數據庫有良好的封裝性、可擴展性和可維護性，一般用戶不需了解內部邏輯結構和實現過程。

圖5就是運用本系統的設計實例。系統操作簡單，方便易用，可快速完成上下模座的設計，大大縮減了覆蓋件模具的設計周期。

[1] 蔡學熙.現代機械設計方法使用手冊.北京：化學工業出版社，2004，41-60.

[2] 楊 光，劉 劍，劉根生，等.UG18中參數化設計方法研究[J].現代制造工程，2005，（3）：66-69.

[3] 王義林，胡賢罡，張啟豐.基于模板的汽車覆蓋件拉延模具結構參數化設計[J].鍛壓裝備與制造技術，2009，（5）：98-101.

[4] 黃 勇，鄭金橋，王義林，李志剛.知識驅動的覆蓋件模具拉深工序件設計[J].鍛壓裝備與制造技術，2003，（2）：37-40.

[5] 鄭清春，徐燕申.汽車覆蓋件模具模塊化快速設計技術的研究.成組技術與生產現代化，2001，（3）：11-14.

[6] 童時中.模塊化原理、設計方法及應用.北京：中國標準出版社，2000.

[7] 王隆娟.基于知識的覆蓋件工藝型面設計系統的研究[碩士學位論文].武漢：華中科技大學，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 進（1986－），男，碩士在讀，主攻汽車覆蓋件模具CAD/VAPP