基于知识的汽车覆盖件模具半创成设计 - 文章

基于知识的汽车覆盖件模具半创成设计

作者：陈炜陈关龙童亚平

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摘要：在基于专家知识的基础上，研究了应用半创成方式设计汽车覆盖件拉延模的方法；通过对Pro/Engineer软件平台进行二次开发，建立了相应的CAD系统。该系统实现了由覆盖件冲压工艺型面驱动来设计三维覆盖件模具、二维工程图及生成管理文件等，并做到了基于特征的全参数化设计。
关键词：基于知识；半创成式；覆盖件；模具

一、前言

汽车覆盖件模具的设计是汽车新产品开发的决定性环节。这部分工作是设计人员运用专门知识和丰富的实践经验进行综合推理与计算完成的。传统的覆盖件模具设计由手工完成，不仅效率低，而且设计质量也难以保证，严重影响企业的模具设计能力。因此实现覆盖件模具CAD是汽车工业迫切需要解决的一项技术难题。

国外从50年代末期就开始对冲模CAD的研究，并陆续开发出一些CAD/CAM软件。我国模具CAD/CAM的工作始于70年代末，发展十分迅速，推出了许多冲模CAD/CAM系统。这些系统在提高生产率、改善质量、降低成本、减轻劳动强度等方面具有明显的优越性。但由于汽车覆盖件具有材料薄，精度高，形状复杂(多为立体曲面)，结构尺寸大，表面质量高等特点［1］，其模具CAD的研究和应用还远远不能满足汽车工业的需要。面对日趋激烈的市场竞争，国内外许多汽车覆盖件模具生产厂家都在大力开展这方面的工作，以期能够在行业中处于领先位置。

二、半创成设计

交互型CAD系统是当前模具CAD系统所采用的主要形式［2］。它的主要特点是，把计算机系统所具有的计算速度快、精度高、数据存储量大、耐重复工作和不易出错等优点，同人在工程设计中的主导作用结合起来。人在工程设计中的主导作用，表现在对复杂问题的特殊理解能力和判断能力，以及许多目前尚不能完全用数据和公式表达出来的丰富经验。

虽然创成式CAD系统是较为理想的系统模型，但由于模具产品品种的多样性、制造过程的离散性、生产环境的复杂性、时间发生的随机性、系统状态的模糊性等因素，使覆盖件模具设计成为相当复杂的决策过程，因此要开发有一定适应面的创成式CAD系统有较大难度［3］。与此相反，半创成式CAD系统与目前人工智能、商用CAD软件的发展水平相适应。通过适当的人机交互，可以大幅度降低模具CAD系统的开发难度，使得在一定时间内能够开发出切合实际的覆盖件模具CAD系统。

汽车覆盖件模具，可分为若干类，每一类都具有很大的相似性。从产品开发角度，每种类型的覆盖件模具都具有一定的继承性。这种相似性和继承性，为在通用CAD商品软件的支持下，通过二次开发，建立基于知识的汽车覆盖件模具半创成CAD系统成为可能。从而实现从概念设计到模具结构设计，到零件设计的全过程映射，保证设计高质量的稳定性。

因此，我们在汽车覆盖件模具半创成设计系统中，将模具设计准则和专家经验整理成知识体系，进行条理化，用推理机对模具设计过程中的相关参数进行推理和判断；对难以表达的设计准则和专家知识，通过人机交互输入，从而设计出符合要求的覆盖件模具［4］、［5］。

三、系统结构模块

基于知识的汽车覆盖件模具半创成CAD系统的基本结构是围绕知识库和推理机组织的［6］。另外，它还需要知识获取、解释系统、人机交互界面、数据库等功能模块。图1是本系统的基本结构模块。

图1 系统基本结构模块

1.知识库

知识库的建立需解决知识获取和知识表达两方面的问题，具体表现在对模具设计准则和专家知识的处理及设计资料的利用上。为此，我们建立了可扩充的模具设计准则库、三维标准件库、常用件库、典型模具结构库和冲压设备参数库等，供设计人员调用。

2.推理机

推理机模拟模具设计专家的推理方法、技巧，利用知识库的知识和已知事实进行推理，解决汽车覆盖件模具设计过程中的问题。系统中选用了目标驱动的反向推理机制，即：

这种方式模拟手工设计路线的思维过程，从最终设计开始选择设计顺序和内容，最终形成完整的覆盖件模具设计路线。采用反向推理，容易导出各级中间状态(中间设计)的目标及要求，可避免设计的盲目性。

3.人机界面

将专家和用户的输入信息翻译成系统可以接受的内部形式，同时把系统向专家或用户的输出信息转换成为设计人员易于理解的形式。

4.中间数据库

这是本系统在执行与推理过程中用以存放中间结果或论据等的工作存储器。

四、设计过程实现

CAD/CAM技术，已渗入汽车制造业从产品设计、分析到加工的各个环节，同时也改变了传统汽车车身设计和制造过程中的一些重要环节。标志之一就是用存储在计算机内的数学模型取代了沿用多年的实物模型(主模型)［1］。

数学模型是CAD/CAM技术应用的基础。在新的一体化的汽车车身设计和制造过程中，从产品设计、工程图纸绘制、结构分析，到冲模设计、模具型面的数控加工都围绕着车身形状和属性的数学模型展开。无论是汽车覆盖件图纸，还是模具型面的加工程序，都将由设计定形后的车身型面数学模型自动生成。

因此，进行汽车覆盖件模具结构设计的依据，就是三维的数学模型，即覆盖件冲压工艺型面。下面，我们介绍以三维覆盖件冲压工艺型面为设计依据，利用Pro/Engineer的功能模块对轿车行李箱后盖拉延模进行设计的过程：

(1)根据上游得到汽车覆盖件的冲压工艺型面，得到凹模型面、凸模型面和压边圈型面(见图2)。

图2型面转换关系

(2)通过人机交互得到凹模型面、凸模型面和压边圈型面的数据，如长、宽、高；水平面和垂直面内的轮廓线。

(3)根据型面数据和轮廓线，在Pro/Layout中建立总设计任务书(Layout)。该设计任务书以二维图的形式表达模具的总体结构，确定模具结构的总体尺寸，如模具的闭合高度、最大宽度、最大长度；模具零件的长、宽、高；模具零件之间的装配关系等。在总设计任务书中确定的尺寸只能在总设计任务书中修改，在后续的设计模块中不能进行修改。

(4)根据总设计任务书，综合所有的上游信息(如型面、冲压设备参数等)，由推理机根据模具设计准则库中的规则进行判断、推理，在人机交互下完成模具结构的三维设计。

1)在Pro/Part中进行零件的三维模型设计，主要是工作零件，如凹模、凸模、压边圈等；
2)调用模具标准件库、常用件库中的零件，如垫板、导柱、导套、顶杆、螺钉等；
3)在Pro/Assembly中定义各零件间的位置关系和约束关系，将零部件组装为三维装配模型；也可调用典型模具结构库中的装配模型，在三维装配模型中进行零部件的替换、修改、删除或增加。

(5)建立模具结构零件之间的关联性。在零件装配过程中或装配完毕后，修改任何一个零件，相关的上下级零件的空间位置、形状、尺寸等皆会自动作相应更新。

(6)进行动静干涉检查和强度校核。Pro/Engineer所具有的三维设计功能，使得设计人员能够检查模具开、合状态下，上下刀口、导向件、定距块等是否发生干涉，斜楔运动时是否碰撞；对零件进行强度校核。

(7)在Pro/Drawing工作模式下，将三维装配模型图转换为二维模具总装图，并生成装配图明细表；生成各个零件的二维工程图。可任意增加各种视图、剖视图，加各种注释，修改线型及剖面线，可进行尺寸修改。

(8)可根据零件、装配件的物理属性来管理模型、图纸和文档，提供查询功能等。

另外，建库(标准件库、常用件库、模具结构库、设备参数库、设计准则库等)工作贯穿于模具结构设计的整个过程，因为随时需要对库进行调用、修改、补充或删除等。

Pro/Engineer软件基于一个统一的数据库，因此产品开发过程中的任何一处修改，能自动扩展到整个设计中，包括三维零件和装配图、二维工程图、BOM表及NC加工等。

轿车行李箱后盖拉延模设计过程框图见图3。

图3 轿车行李箱后盖拉延模设计过程框图

五、设计实例

Pro/Engineer软件具有的单一数据库、参数化、基于特征、全相关、装配约束、建库及工程数据再利用等特点，为汽车覆盖件模具结构的半创成设计提供了可能。下面就以凸模为例说明整副拉延模具如何根据冲压工艺型面进行半创成设计的。

从图3可以看到，覆盖件模具的设计依据是覆盖件的冲压工艺型面。凸模的设计要求是凸模外水平轮廓线必须与冲压工艺型面上的凸模外水平轮廓线相吻合，凸模高度方向必须贴合冲压工艺型面。当凸模外形轮廓确定以后，根据覆盖件模具标准，自动确定导板、加强筋、吊耳、定位孔等的位置、形状和尺寸。现在我们改变冲压工艺型面，模具CAD系统就会根据专家知识，通过推理、判断，从而设计出符合新型面的新的覆盖件拉延模。

图4a是原先的三维冲压工艺型面(由于模具对称，只取一半表示，图5同理)，图4b是用来替换(a)的型面。图5a表示根据图4a型面设计的凸模，凸模外水平轮廓线与冲压型面上的凸模外水平轮廓线相一致；图5b用于对比表示冲压型面(b)取代了型面(a)，但凸模结构暂时没有变化；图5c表示根据冲压型面b设计的凸模，凸模外水平轮廓线又和冲压型面上的凸模外水平轮廓线相一致。从图5a到图5c可以看到，只要改变冲压工艺型面，凸模结构由型面驱动重新生成。以此类推，凹模、压边圈……整副覆盖件拉延模实现为冲压工艺型面所驱动的设计(如图6所示)。通过对不同的汽车覆盖件零件的三维型面进行判断、处理，就能设计出符合要求的各种模具。

图4冲压工艺型面(一半)

图5凸模水平面上外轮廓与冲压型面上凸模外水平轮廓的关系

图6拉延模装配图

六、设计注意事项

(1)Pro/Engineer提供了二次开发工具，如Pro/Intralink、Pro/Toolkit，但计算机不能完全替代人的工作，故汽车覆盖件模具半创成CAD系统人机交互的程度需要把握。
(2)作为模具结构设计依据的覆盖件冲压工艺型面是从上游得到的，因此要对型面进行判断利用的工作。如果设计型面的软件和进行模具结构设计的软件不同，需要进行不同软件间曲面数据的转换。
(3)用于替换的新型面与原来的型面相差不能太大，否则会引起模具结构形状、尺寸的冲突。
(4)由于用软件设计模具过程及结果与人的习惯有所不同，需要一个适应过程。

七、结束语

车身的设计与制造一直是整车产品开发的瓶颈环节。开展汽车覆盖件模具半创成CAD系统的研究、开发和应用，将会大大改善目前汽车产品开发中的瓶颈挤塞现象。由覆盖件冲压工艺型面驱动设计模具，目前的工作只完成了对轿车行李箱后盖拉延模的半创成设计，今后还要进行其它种类的覆盖件模具的设计；用Pro/Engineer软件为平台，通过二次开发，进行汽车覆盖件模具半创成CAD系统的开发，尽管目前还处在起步阶段，但只要各方面投入足够的人力、物力，从软件功能技术及产品对象特点等方面来评价是完全可行的。

作者单位：陈炜陈关龙上海交通大学汽车研究所(200030)
童亚平上海大众汽车有限公司

参考文献
1郭春生，汤宝骏，孙继明等.汽车大型覆盖模具.北京：国防工业出版社，1993.
2《现代模具技术》编委会.模具CAD/CAM技术.北京：国防工业出版社，1995.
3白英彩，唐冶文，余巍等.计算机集成制造系统—CIMS概论.北京：清华大学出版社，1997.
4Perry A.Zalevsky.Knowledge－based simulation of manufacturing facilities.AI and Simulation,1988:67～71
5A.Paszek,R.Knosala.The method of the knowledge representation in an expert system for metal cutting engineering.Journal of Materials Processing Technology,1997,64(1～3):319～326
6陈燕庆等.工程智能控制.西安：西北工业大学出版社，1991.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (6/19/2007)


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