基于 UG的汽车覆盖件模具智能化标准件库的实现

    1 前言
   
    汽车覆盖件模具结构复杂，组成零件数量众多，一副大型覆盖件模具有上百个零件， 采用传统建模方法，工作量大，效率低。建立覆盖件模具标准件库，将模具设计人员从大量重复标准件和典型模具结构的设计中解放出来， 设计人员可以把精力集中到新产品的创新设计上， 或者在原有典型模具实例的基础上进行修改演变，从而节省宝贵的时间，缩短产品的开发周期，提高效率。
    Unigraphics NX 是美国EDS公司开发的面向制造业的CAD/CAE/CAM系统UG NX有强大的建模工具和分析模块，被广泛地应用于航空、航天、汽车、机械、模具、工业设计等行业。 但Unigraphics NX系列软件并未提供有效的、 符合中国人使用习惯和符合我国汽车行业标准的标准件库。 已开发的基于Unigraphics 的汽车覆盖件模具标准件库系统，大都是一个孤立的标准件库系统， 独立于模具的结构功能设计而存在。模具设计过程中，标准件无法获取模具主体设计时体现出来的设计意图， 标准件的设计只能交互完成。 这种状况导致了标准件设计对使用者的依赖性大，主要问题有：1.标准件库的使用建立在用户大量交互操作的基础上， 覆盖件模具的设计规律和标准件使用经验并没有得到有效的利用，标准件设计工作效率低。2标准件的使用完全依赖于设计者的操作， 标准件库并未制定标准件使用的相关规则，标准件调用过程不规范。3标准件设计过程中，大量的标准件是需要单个多次重复调用，对标准件库而言，标准件功能不明确，具有盲目性。
    人工智能实际上是一门综合性的交叉学科和边缘学科。 人工智能把知识看作智能系统高级行为的关键，KBE 则是人工智能研究的热点。 KBE 是通过知识驱动和繁衍，以实现领域知识的继承、集成、创新和管理， 继而对工程问题提供最佳解决方案的算机集成处理技术。 它具有很好的开放性和对设计知识的重用性， 能处理多领域知识和多种描述形式的知识， 形成集成化的大规模知识处理环境。 KBE注重用户产品在其工程生命周期的每个阶段中能否充分利用各种实践经验、 专家知识以及其他相关信息。 这些知识库可能以很多形式存在， 如电子数据表、手册、工程计算公式、专用软件或者设计人员根据经验的主观判断等。 基于 KBE 技术的优点及对汽车覆盖件模具结构特点的分析， 提出了基于知识的汽车覆盖件模具标准件库的概念。
   
    2 汽车覆盖件模具的功能划分及知识表示
   
    工程设计人员在实际工作中， 首先考虑的不是结构，而是结构所要实现的功能问题。汽车覆盖件模具的功能具有层次性，其基本功能有：拉伸、修边、翻边、成形、冲孔、整形、折边等。 对于实现某种特定功能的模具而言，又可将模具的功能分为几大类，每一类又可分为几小类。通过功能分解，覆盖件模具设计思路在功能层次上得到描述， 进而使设计活动集中于满足模具具体功能要求。 模具功能的分解有利于模具结构的模块化， 同时使标准件的选取与装配以功能部件而不是以单个标准件为单位展开， 从而在更抽象的层次上可以对产品从总体上把握模具的结构和功能，最终实现标准件库的自动化和智能化。覆盖件模具的功能划分如图1所示。

    框架式表示知识的一种数据结构。 框架的特点是可以对物理实体及实体间的关系加以详细描述，每个框架可视为一个知识单位， 而框架之间又可连接起来形成框架系统。 基于对汽车覆盖件模具的功能划分及其特点的分析， 而知识的框架表示可以层次化、 模块化的表示客观事物所有的属性所处的状态，以及其与其他事物之间的联系的特点，选用框架图来记录汽车覆盖件模具的功能划分及结构知识。以功能为单位组织覆盖件模具标准件库， 标准件库的结构清晰，标准件检索和调用方便，且与模具知识及相关规则的表现形式相一致， 知识的组织和运用较为方便。对标准件库而言，标准件使用目标明确，体现了知识的层次性，有利于知识的继承和推理。
   
    3 汽车覆盖件模具及其智能化标准件库的实现
   
    建立智能化的汽车覆盖件模具标准件库， 其途径是赋予标准件库计算和推理能力， 即建立覆盖件模具标准件库知识库。 建立知识库的过程有三个基本的要素：知识获取、知识表示和知识运用，其中知识的获取是前提，知识的表示是关键，知识的运用是目的。知识的来源包括文献的查找和专家访问。知识的表示，就是确定知识符号化的一种描述法则，以便把这种描述方便的、 有效的变成计算机能够处理的数据结构。 常用的知识表示形式有一阶谓词逻辑表示、产生式规则、语义网络表示、框架表示、实例表示以及面向对象的表示等。知识的运用，就是运用知识有效地解决问题，主要包括推理和搜索方法、知识库的管理与维护等。
    模具产品设计知识内容丰富，形式多样，包括各种国家标准、行业标准、企业标准、设计公式、规则等， 但最重要的还是企业工程师长期积累起来的设计经验和技能。 专家经验规则是模具知识中应用最广泛的一种，且其属于非书面的工程知识，多以实例的形式存在于有经验的工程师的脑海里， 难以用精确的理论模型来描述。 研究基于知识的汽车覆盖件模具标准件库， 完成模具结构和标准件库的知识表示及处理，必须明确模具设计知识的这一特点。在建立模具标准件库知识库的过程中， 笔者重点考虑了以下两个方面的问题： 一是分析各种知识推理技术及模具知识的特点， 建立各种模具设计知识的综合表达机制; 二是完成各种设计知识与模具功能结构知识的融合。
    从总体上看， 汽车覆盖件模具的设计可分为主体结构设计和辅助结构设计。 主体设计可分为凸模结构设计和凹模结构设计， 辅助结构设计可分为定位机构设计、导向机构设计、起重机构设计等相对独立的子结构，子结构又可进一步分解更细小的问题，如标准件型号选取、尺寸确定、位置关系和定位方法等，最终将其分解为公式、规则性的知识。此外，在实现某一层次的功能结构的过程中， 若存在相同或相近的设计实例，那么修改或直接使用相关实例，将大大提高设计效率。基于以上分析，我们将基于框架的知识表示、 基于规则的知识表示与CBE相结合，发挥各种知识推理技术的优点， 建立智能化的汽车覆盖件模具标准件库。
   
    4 智能化的汽车覆盖件标准件库的框架
   
    模具工程师在设计某一类型的模具时， 首先考虑的是模具总体功能以及其子功能的实现。 而在模具设计中，通常一种功能的实现，往往有几种比较典型、成熟的模具结构，而且标准件库中可能已有相同或相似功能的结构， 设计人员只需考虑选取何种结构。 基于对模具设计和模具设计知识特点的分析，以功能为导向， 将模具典型的功能结构及覆盖件模具的设计知识的知识化并功能为单位分类存储起来，建立知识化、智能化的模具标准件库，赋予标准件库分析、推理能力。汽车覆盖件模具标准件库的系统框架结构如图2 所示。