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1 智能沖壓工藝規(guī)劃系統(tǒng)的研究 摘要： 本文對建立 一個智能沖壓工藝設計知識為基礎 的 系統(tǒng) 給出了一個簡單的介紹 。研究該系統(tǒng)的框架， 對 模型和知識推理模式進行了介紹。 對 有 些 關鍵技術 如 沖壓工藝的可行性 、排樣的 最佳算法 、 智能地帶的布局和內力計算進行了研究。 該 系統(tǒng) 可以改善工藝規(guī)劃效率。 關鍵詞 ： 排樣 知識模型 帶狀排樣法 1 簡介 沖壓 工藝規(guī)劃是沖壓 產品開發(fā) 的 一個核心項目。 它 是金屬成型應用的一個重要組成部分 ，它與生產質量、成本、生產率和工具壽命有直接的影響?，F(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展對沖壓提出了更高的要 求，尤其是在沖壓工藝方面。 多年來，相關研究已就如何 在創(chuàng)新的環(huán)境 加強 工藝規(guī)劃的 集成化 和智能化程度 進行研究 。近年來， 通過 生產金屬成形智能設計系統(tǒng) 、自動化 技術， 整和了工藝規(guī)劃的原則。 智能工藝規(guī)劃方法可以 有效地提高設計效率與質量、創(chuàng)新設計能力。 [1]C 的專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于塑性理論和實際考慮的規(guī)則。在美國俄亥俄州立大學一個稱作 規(guī)則系統(tǒng)被 他的同事們寫入多級冷鍛的工藝規(guī)劃程序語言中。 [2][3] 實施以知識為本的冷成 形序列設計系統(tǒng)，采用設計規(guī)則確定建立一個可行的序列，然后使用有限元分析優(yōu)化這個序列。一個以知識為基礎的模具設計自動化系統(tǒng)被他的同事精心設計出來。 [4] 在新加坡國立大學。一些零件表象技術、沖壓零件識別和模具構成也存在于這項工作中。在中國，華中科技大學的科學技術研究者們也開發(fā)出了基于知識系統(tǒng)的用于對小型金屬件沖壓級進模的程序包。 [5]戶可以在 3D 立體構架下設計產品。在手工設置排樣后，用戶可以使用交互命令來開發(fā)帶裝布局設計。來自利物浦大學工業(yè)研究部門的研究者們也在研究沖壓工藝和沖裁模的 專用系統(tǒng)。 [6][7]在上海沖壓模具和工具技術研究所的研究者們也開發(fā)出了級進模的 統(tǒng)。他們研究的該系統(tǒng)依靠特殊的相關數(shù)據(jù)來描繪工件和模具結構。 上述研究的研究工作的目的是為了促進金屬成形的發(fā)展。從金屬智能成型的回顧和分析中，使用智能設計的理論和方法來研究沖壓工藝規(guī)劃的步驟。在本文中介紹了應用于沖壓工藝規(guī)劃的智能的系統(tǒng)。該智能系統(tǒng)在處理一些復雜的設計問題時是種強有力的工具。由專門知識構成的智能系統(tǒng)可以用一種交互的方式協(xié)助用戶解決各種各樣的 問題或疑問。 [8]試圖代表人類知識和專業(yè)知識 , 以一種實際和有效的途徑提供快捷、方便的知識。智能系統(tǒng)能夠完成一般需要專家才能完成的任務。它能自動化實時利用現(xiàn)有的專業(yè)知識 ,并解釋它的推理過程。沖壓工藝規(guī)劃是一個含有豐 2 富知識的復雜設計過程。整合在沖壓工藝規(guī)劃設計中智能系統(tǒng)的關鍵技術是至關重要的。使用智能理論的沖壓工藝規(guī)劃智能系統(tǒng)被提出來。對一些關鍵技術 ,如集成產品知識建模和戰(zhàn)略規(guī)劃的綜合沖壓成形過程進行了研究。在沖壓設計中包括各種各樣的知識，如專業(yè)領域知識、多任務知識、非標準知識。 每一種知識都需要集成到該系統(tǒng)中。沖壓模具的核心是沖壓工藝。必須考慮到多種因素 ,如幾何形狀、技術要求、材料性能、沖壓件的可行性、工作程序安排、模具工具的結構。沖壓工藝規(guī)劃是一種基于專家知識的創(chuàng)造性程序。智能系統(tǒng)技術可以改善制定沖壓工藝規(guī)劃的效率。 2 系統(tǒng)構架和框架 智能系統(tǒng)的關鍵技術是建立和應用的信息化模型制作。。該產品信息模型 ,包括三個階段：一種基于幾何的模型、一種基于特征的模型、一種基于智能的模型。基于幾何的模型描述零件的幾何拓撲信息。由于零件的數(shù)據(jù)信息不能被完整的描述、數(shù)據(jù)分離水平太低，幾何模型被特征模 型取代。這個信息模型包括一組幾何實體。依靠此模型的工程語義模型，許多與設計相關的功能可以被實現(xiàn)。隨著人工智能的發(fā)展，智能模型開始被應用。專業(yè)知識、設計過程的知識 ,和相關的知識都包含在知識模型中 [9、 10]。智能模型支持表達和傳遞有用的信息。 本文主要概括了一種沖壓工藝規(guī)劃的智能系統(tǒng)。該智能系統(tǒng)對產品的定義有效且完整。它幾何了不同模型的優(yōu)點且能滿足幾何設計和推理過程。面向對象技術應用到整合各種各樣的知識。此集成的知識系統(tǒng)模型可被共享和用于智能設計和產品信息溝通。 這個關于沖壓模具工藝規(guī)劃的智能系統(tǒng)構架已經被設 計出來。這個零件的結構設計 ,包括一個圖形用戶界面 ,一個應用程序系統(tǒng)、設計資源、知識工具 ,混合推理機制、基礎模型。在這個構架中知識模型有不同的分類。知識模型從設計資源中獲取有用的信息，支持知識獲取和知識表達的程序。這個模型把有用信息轉移到知識庫。知識庫由 計結果以 3D 模型、圖畫和資料庫的形式保存在知識庫中，它對在知識庫中不同零件的知識傳遞來說非常的重要。 3 實施方法和應用 壓智能模型的可行性論證 智能系統(tǒng)對沖壓工件的質量、成本、模具壽命進行評價。該評價基于成熟的智能模型。此 模型集成了規(guī)則庫、零件信息和結論庫。系數(shù)根據(jù)知識規(guī)則推理在知識庫得出。沖壓成型可行性可以從信息庫中零件信息和相關系數(shù)推出。在設計過程中被新結論擴大的結果保存在結論庫中。 模型的智能推理過程和零件的規(guī)格相比有一定限度范圍的工藝參數(shù)。此規(guī)格 包括輸入輸出半徑、孔徑、孔板、孔網(wǎng)、槽、槽網(wǎng)。結果來證實零件的形狀是否符合模 3 具工具加工。智能推理用于自動和交互的方式。這樣做的目的是來研究沖壓該產品的可行性。智能推理的關鍵是確定基于零件厚度和相關系數(shù)的加工極限值。圖二所示為產品可行性論證模型的流程圖。 知識規(guī)則和設 計結果保存在機械推理的數(shù)據(jù)庫中。零件的形狀可以在知識模型中修改。 由知識模型決定的沖壓工藝規(guī)劃是非常重要的一步，它同時也提供了選擇一個單步工序刀具或是復合工具或是一個改進工具的方法。各種不同領域的知識、經驗和專業(yè)知識都被保存在工藝規(guī)劃專業(yè)系統(tǒng)中。 知識庫的發(fā)展是基于規(guī)則表達的共同原則。這一步的目的是集成專業(yè)經驗和零件 的形狀 于優(yōu)化算法的智能排樣模型 為了達到較高的材料利用率，空白的知識模型被建立，保存在知識庫中的結果是其他模塊建立的基礎。 在知識庫中有四種排樣類型： ● 一排列布局模式 ● 與一排列相 對 的 模式 ● 兩排列布局模式 ● 與兩排列布局相 對 的模式 建立 這 個知 識 模型的目的是改善材料的利用。由知 識庫 提供的限制情況可以由人 類專 家來 選擇 。 這 個知 識 模型控制著整個排 樣 的 設計過 程。 圖 三所示 為 平面布局的等 級 體系 結 構 第一種模式的作用是 選擇 粗略數(shù) 值 和 計 算工作區(qū)域的 總 體 輪 廓。此模式提供了原始參數(shù)。粗略數(shù) 值 的全部信息都由此得到，不管 這 個數(shù)字是否被概略畫出或是被 選 中。 第二種模式用來確定布局 類 型、角度范 圍 、布局大小和條 帶 區(qū)的 寬 度。 第三種模式中 應 用了 優(yōu) 化算法。 設計結 果包括材料利用率、材料 寬 度和每步 間 隙都被保存在此模式中，不同布 局的 繪圖 也同 時 生成。 在第四種模式中可以修改布局 規(guī) 劃的 結 果。最 終 參數(shù)包括每步 間 隙、材料 寬 度、各類 網(wǎng)格和 轉換 能力。當參數(shù)有所改 變時 ，布局 規(guī) 劃 圖 可以被更新。 該 知 識 的主要作用是布局 規(guī) 劃的算法 優(yōu) 化。 該 算法共有六步。 制件和原件之間的距離是包含在接洽網(wǎng)中的。圖四說明了此種算法。 兩個環(huán)形分解成線和圓弧的單元。每對元素中間的距離需要重新補償。然后就可以找到最短的距離。 4 出的最小 值 和所要求的 值 之 間 的差異就是 誤 差。當 誤 差小于允 許 值時 ，排 樣規(guī) 劃就可以完成。另外，布局 圖 形需要沿著 視 野的方向移 動 。 轉中心是矩形中心點附近的粗略數(shù)值。材料利用率在當前角度下被計算出來。 復第三部的的步驟，直到角度達到 180 度。 狀布局的開發(fā) 帶狀布局的工序規(guī)則被集成于知識基礎級進刀具設計。該智能模型的功能是：選擇零件位置，設計方位和安排帶狀工步距離。為了解決運行程序，該規(guī)則應該被制定的合理和有效。 自動設計模塊是智能模型中最重 要的模塊。人工智能技術被應用于此模塊中。此模型中的預處理模塊，包括定位產品模塊和從產品模塊中提取精確的信息。為了在修改模塊中生成一個模型，最初的設計工程被修改 [11]。被修改的模塊代替了處理模塊。 動帶狀布局設計的預處理 1）確定零件的位置和排列。用戶可以用界面來確定預處理模塊中的一些參數(shù)。確定位置的過程可以和其他元素一起來做，例如：零件形狀、尺寸精度、和用戶要求。 零件的形狀也在智能模型中定義，結果被保存在知識庫中。 2）獲取零件精確信息。此精確信息應該在帶狀布局知識庫中得到。有用的信息包括 沖孔的精確信息和相對位置信息。由此種類型信息組成的知識模型將會決定零件的沖壓順序。這個設計過程的主要要求是為位置精度開發(fā)一種知識模型 [12]。首先，零件的形狀被分成封閉的輪廓。輪廓的數(shù)目為 n K = {. . ., . . ., (1) 這里 示零件的第 i 個輪廓。所有輪廓間的相對關系包含在關系 P 中。如果在輪廓 間要求精準，這里存在 ( ∈ p。 p = {. . ., ( . . .} K, 1 ≤ i, j ≤ n(i _= j). (2) 每種類型的精確信息通過相關矩陣被保存在知識模型中。 狀布局自動設計 帶狀布局的自動設計模塊在知識模型中是最重要的一個。在知識模型中包含很多重要的規(guī)則，例如在一次單沖程中沖壓所有內輪廓比較好。在下一個階段這個部分被切斷。有時候，如果沖壓點之間的距離非常小，一些內輪廓就要被搬到下一階段進行加工。如果沖壓點離分餾點太近的話，分餾點就需要被更改到下一階段。如果這里仍然有不合適的尺寸，一些點可以被移動到下一階段。重復整個過程直到矩陣點間的 每個尺寸都可以被接受。布局智能設計的核心是開發(fā)干涉點的智能模型 [13]。 零件坯料被分成許多點的形式。這些點的名字是 . . ., 這里 5 是 間最小的距離。矩陣的臨界值是 S。如果 ， 能在相同的步驟中得出。這種情況是智能模型中兩個點的沖突。開發(fā)干涉點的智能模型的目的是確定沖突點的存在。此矩陣是一個系統(tǒng)矩陣。為了使設計過程更方便，可以把矩陣中的上半部分元素置零。 此處， μ 關聯(lián)系數(shù)，它表示了每對點之間的不同關系。如果兩個點之間有 沖突，它們中的一個則要被移到下一步。在每一步中重復上述步驟直到沖突點消失。最后矩陣M 成為空矩陣。 帶狀布局結果的處理 帶狀布局的子處理知識模型中有兩部分：修改結果和創(chuàng)建布局圖形。從帶狀布局自動設計模型中得出的結果是慣用的。它們可能滿足不了用戶的所有要求。依靠知識模型的數(shù)據(jù)結構，通過移動點和改變步驟，增加空步和刪除空步的目的可以被實現(xiàn)。我們能夠通過處理步驟的數(shù)據(jù)結果來修改帶狀布局的設計結果。工步改變可以通過交換兩個位置的編碼來實現(xiàn)，工步增加或減少可以通過插入或移除編碼的操作來完成。當我們想移動一些 點時，我們可以從第一步到最后一步轉移鏈表中相當?shù)狞c。 定沖壓中心和力計算的智能模型。 沖壓中心設計模型的目的是建立組合力的工作點 [11]。模具工具中心和沖壓中心的一致非常重要，只有那樣沖壓工具才能在一起正常的工作。沖壓中心從知識模型的每一個輪廓位置的計算中得出。設計的第一部是得到工具的工作區(qū)域。 臺上的零件圖形的輪廓提供了零件的外矩形。依靠沖壓中心和外矩形之間的關系可以生成工作區(qū)域。因為不平衡力的結果的可能性，同時也提供了沖壓中心的再生成。再生成的步驟由人機接口軟件來完成。圖八所示為復合模打孔 機工 作區(qū)域的設計結果。 保存在知識庫中的內容包括模具工具的每種類型、零件落料、廢料移除等等。不同情況下的力計算的方法是不同的。力方程是由知識規(guī)則庫的推理得到的。首先，加工力和切削力是基于零件的輪廓長度和知識庫中的知識規(guī)則得到的。然后，通過設計結果和合零件情況，可以得到脫離力、阻力和推件力?？偟牧Π凑罩R庫中的導向一步一步計算。 4 結論和進一步工作 計算機輔助設計工具的應用在金屬成型中的應用，節(jié)省了大量的時間和金錢。由于復雜零件沖壓工藝設計的復雜性，開發(fā)一種自動生成工藝步驟的系統(tǒng)非常重要。這個研究開發(fā) 了一個集成的 統(tǒng)，該系統(tǒng)開發(fā)了一種工藝規(guī)劃系統(tǒng)使對不規(guī)則零件在高速下進精密加工得以實現(xiàn)。該系統(tǒng)有一下特點： 1. 在設計過程中不斷改變的數(shù)據(jù)以不同的方式保存，包括數(shù)字形式和圖片形式的。用戶在設計過程中可以自由使用它們作為參考。 6 2. 加工可行性檢查模型檢查沖壓的可行性，同時能對復雜零件的沖壓工藝規(guī)劃提供一些建議。 3. 排樣模塊生成最佳排樣圖以到達材料的最大利用率。產品成本的減少取決于排樣最優(yōu)化計算。不僅最佳規(guī)劃而且每個合理的規(guī)劃被保存在知識庫中。用戶可以選擇任意一個作為它們的最終設計結果。 4. 帶狀排樣模塊生成自動工藝規(guī) 劃圖。根據(jù)用戶的要求帶狀排樣的結果可以在設計過程的任意時期修改。 在工藝規(guī)劃中協(xié)助設計者的此系統(tǒng)將會是一種有用的工具。它將會足夠的靈活允許設計者具有創(chuàng)造性，同時用計算機來執(zhí)行幾何計算和自動得到設計結果。它提供了一個非常靈活的設計環(huán)境，用戶可以完全掌握即使是復雜零件的沖壓工藝規(guī)劃設計。該系統(tǒng)擁有圖形交互界面，用戶可以在設計過程中交互式地改變各種設計參數(shù)。 進一步的工作將會集中在排樣優(yōu)化的效率改善上，優(yōu)化用時將會減少。為排樣規(guī)劃，更多的設計方案的類型應該被添加到知識模型中。根據(jù)沖壓工藝規(guī)劃的結果，沖壓模具設計應 用也將會在進一步的工作中被研究。 7 to a a of as of of is a is of It is an of it of in in to In of [1]. of a of C, on At a [2]. It on a of [3] to a A [4] in in of on [5]. D In to s [6]. of in [7] of 8 AM on to of is to of of of to In in of in is a By an to of or [8]. is a it to to a to to It is a of in of of is of of as In of as of to be is of as of is a of on of 2 is of a of on on on on of be is a of on of be of to be of 9 in 9, 10]. of a of It of is to of in of of a an In to is to AD as a 3D is in it in of is 3 3.1 of is on of in to a of In of of in of to of is in It's is to of on is to of 10 of in of in by is it to a or or a of of in of on of is of is to 3.2 on of In to in In an of is to by to of is is no or to of in In of to be 11 is of to 1. in is in 2. of is a is to 3. of is be In to of : A B of 4. in s of is 5. is in 6. to of 80 is : of .3 of in In to be is in in In to a is 11]. of of 1) he to of to do 12 in of in a 2) in of of is to a 12]. of of n K = {.., .., (1) ki an in . If in kj ki ∈ (p.