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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(duì)建立 一個(gè)智能沖壓工藝設(shè)計(jì)知識(shí)為基礎(chǔ) 的 系統(tǒng) 給出了一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹 。研究該系統(tǒng)的框架， 對(duì) 模型和知識(shí)推理模式進(jìn)行了介紹。 對(duì) 有 些 關(guān)鍵技術(shù) 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(nèi)力計(jì)算進(jìn)行了研究。 該 系統(tǒng) 可以改善工藝規(guī)劃效率。 關(guān)鍵詞 ： 排樣 知識(shí)模型 帶狀排樣法 1 簡(jiǎn)介 沖壓 工藝規(guī)劃是沖壓 產(chǎn)品開發(fā) 的 一個(gè)核心項(xiàng)目。 它 是金屬成型應(yīng)用的一個(gè)重要組成部分 ，它與生產(chǎn)質(zhì)量、成本、生產(chǎn)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(duì)沖壓提出了更高的要 求，尤其是在沖壓工藝方面。 多年來(lái)，相關(guān)研究已就如何 在創(chuàng)新的環(huán)境 加強(qiáng) 工藝規(guī)劃的 集成化 和智能化程度 進(jìn)行研究 。近年來(lái)， 通過(guò) 生產(chǎn)金屬成形智能設(shè)計(jì)系統(tǒng) 、自動(dòng)化 技術(shù)， 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(shè)計(jì)效率與質(zhì)量、創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。 [1]C 的專家系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用基于塑性理論和實(shí)際考慮的規(guī)則。在美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)一個(gè)稱作 規(guī)則系統(tǒng)被 他的同事們寫入多級(jí)冷鍛的工藝規(guī)劃程序語(yǔ)言中。 [2][3] 實(shí)施以知識(shí)為本的冷成 形序列設(shè)計(jì)系統(tǒng)，采用設(shè)計(jì)規(guī)則確定建立一個(gè)可行的序列，然后使用有限元分析優(yōu)化這個(gè)序列。一個(gè)以知識(shí)為基礎(chǔ)的模具設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)被他的同事精心設(shè)計(jì)出來(lái)。 [4] 在新加坡國(guó)立大學(xué)。一些零件表象技術(shù)、沖壓零件識(shí)別和模具構(gòu)成也存在于這項(xiàng)工作中。在中國(guó)，華中科技大學(xué)的科學(xué)技術(shù)研究者們也開發(fā)出了基于知識(shí)系統(tǒng)的用于對(duì)小型金屬件沖壓級(jí)進(jìn)模的程序包。 [5]戶可以在 3D 立體構(gòu)架下設(shè)計(jì)產(chǎn)品。在手工設(shè)置排樣后，用戶可以使用交互命令來(lái)開發(fā)帶裝布局設(shè)計(jì)。來(lái)自利物浦大學(xué)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(shù)研究所的研究者們也開發(fā)出了級(jí)進(jìn)模的 統(tǒng)。他們研究的該系統(tǒng)依靠特殊的相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)描繪工件和模具結(jié)構(gòu)。 上述研究的研究工作的目的是為了促進(jìn)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(shè)計(jì)的理論和方法來(lái)研究沖壓工藝規(guī)劃的步驟。在本文中介紹了應(yīng)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(fù)雜的設(shè)計(jì)問(wèn)題時(shí)是種強(qiáng)有力的工具。由專門知識(shí)構(gòu)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(wèn)題或疑問(wèn)。 [8]試圖代表人類知識(shí)和專業(yè)知識(shí) , 以一種實(shí)際和有效的途徑提供快捷、方便的知識(shí)。智能系統(tǒng)能夠完成一般需要專家才能完成的任務(wù)。它能自動(dòng)化實(shí)時(shí)利用現(xiàn)有的專業(yè)知識(shí) ,并解釋它的推理過(guò)程。沖壓工藝規(guī)劃是一個(gè)含有豐 2 富知識(shí)的復(fù)雜設(shè)計(jì)過(guò)程。整合在沖壓工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)中智能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是至關(guān)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(lái)。對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù) ,如集成產(chǎn)品知識(shí)建模和戰(zhàn)略規(guī)劃的綜合沖壓成形過(guò)程進(jìn)行了研究。在沖壓設(shè)計(jì)中包括各種各樣的知識(shí)，如專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)、多任務(wù)知識(shí)、非標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)。 每一種知識(shí)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(shù)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(jié)構(gòu)。沖壓工藝規(guī)劃是一種基于專家知識(shí)的創(chuàng)造性程序。智能系統(tǒng)技術(shù)可以改善制定沖壓工藝規(guī)劃的效率。 2 系統(tǒng)構(gòu)架和框架 智能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是建立和應(yīng)用的信息化模型制作。。該產(chǎn)品信息模型 ,包括三個(gè)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?；趲缀蔚哪Ｐ兔枋隽慵膸缀瓮?fù)湫畔?。由于零件的?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(gè)信息模型包括一組幾何實(shí)體。依靠此模型的工程語(yǔ)義模型，許多與設(shè)計(jì)相關(guān)的功能可以被實(shí)現(xiàn)。隨著人工智能的發(fā)展，智能模型開始被應(yīng)用。專業(yè)知識(shí)、設(shè)計(jì)過(guò)程的知識(shí) ,和相關(guān)的知識(shí)都包含在知識(shí)模型中 [9、 10]。智能模型支持表達(dá)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(duì)產(chǎn)品的定義有效且完整。它幾何了不同模型的優(yōu)點(diǎn)且能滿足幾何設(shè)計(jì)和推理過(guò)程。面向?qū)ο蠹夹g(shù)應(yīng)用到整合各種各樣的知識(shí)。此集成的知識(shí)系統(tǒng)模型可被共享和用于智能設(shè)計(jì)和產(chǎn)品信息溝通。 這個(gè)關(guān)于沖壓模具工藝規(guī)劃的智能系統(tǒng)構(gòu)架已經(jīng)被設(shè) 計(jì)出來(lái)。這個(gè)零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ,包括一個(gè)圖形用戶界面 ,一個(gè)應(yīng)用程序系統(tǒng)、設(shè)計(jì)資源、知識(shí)工具 ,混合推理機(jī)制、基礎(chǔ)模型。在這個(gè)構(gòu)架中知識(shí)模型有不同的分類。知識(shí)模型從設(shè)計(jì)資源中獲取有用的信息，支持知識(shí)獲取和知識(shí)表達(dá)的程序。這個(gè)模型把有用信息轉(zhuǎn)移到知識(shí)庫(kù)。知識(shí)庫(kù)由 計(jì)結(jié)果以 3D 模型、圖畫和資料庫(kù)的形式保存在知識(shí)庫(kù)中，它對(duì)在知識(shí)庫(kù)中不同零件的知識(shí)傳遞來(lái)說(shuō)非常的重要。 3 實(shí)施方法和應(yīng)用 壓智能模型的可行性論證 智能系統(tǒng)對(duì)沖壓工件的質(zhì)量、成本、模具壽命進(jìn)行評(píng)價(jià)。該評(píng)價(jià)基于成熟的智能模型。此 模型集成了規(guī)則庫(kù)、零件信息和結(jié)論庫(kù)。系數(shù)根據(jù)知識(shí)規(guī)則推理在知識(shí)庫(kù)得出。沖壓成型可行性可以從信息庫(kù)中零件信息和相關(guān)系數(shù)推出。在設(shè)計(jì)過(guò)程中被新結(jié)論擴(kuò)大的結(jié)果保存在結(jié)論庫(kù)中。 模型的智能推理過(guò)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(jié)果來(lái)證實(shí)零件的形狀是否符合模 3 具工具加工。智能推理用于自動(dòng)和交互的方式。這樣做的目的是來(lái)研究沖壓該產(chǎn)品的可行性。智能推理的關(guān)鍵是確定基于零件厚度和相關(guān)系數(shù)的加工極限值。圖二所示為產(chǎn)品可行性論證模型的流程圖。 知識(shí)規(guī)則和設(shè) 計(jì)結(jié)果保存在機(jī)械推理的數(shù)據(jù)庫(kù)中。零件的形狀可以在知識(shí)模型中修改。 由知識(shí)模型決定的沖壓工藝規(guī)劃是非常重要的一步，它同時(shí)也提供了選擇一個(gè)單步工序刀具或是復(fù)合工具或是一個(gè)改進(jìn)工具的方法。各種不同領(lǐng)域的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)都被保存在工藝規(guī)劃專業(yè)系統(tǒng)中。 知識(shí)庫(kù)的發(fā)展是基于規(guī)則表達(dá)的共同原則。這一步的目的是集成專業(yè)經(jīng)驗(yàn)和零件 的形狀 于優(yōu)化算法的智能排樣模型 為了達(dá)到較高的材料利用率，空白的知識(shí)模型被建立，保存在知識(shí)庫(kù)中的結(jié)果是其他模塊建立的基礎(chǔ)。 在知識(shí)庫(kù)中有四種排樣類型： ● 一排列布局模式 ● 與一排列相 對(duì) 的 模式 ● 兩排列布局模式 ● 與兩排列布局相 對(duì) 的模式 建立 這 個(gè)知 識(shí) 模型的目的是改善材料的利用。由知 識(shí)庫(kù) 提供的限制情況可以由人 類專 家來(lái) 選擇 。 這 個(gè)知 識(shí) 模型控制著整個(gè)排 樣 的 設(shè)計(jì)過(guò) 程。 圖 三所示 為 平面布局的等 級(jí) 體系 結(jié) 構(gòu) 第一種模式的作用是 選擇 粗略數(shù) 值 和 計(jì) 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(gè)數(shù)字是否被概略畫出或是被 選 中。 第二種模式用來(lái)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(yīng) 用了 優(yōu) 化算法。 設(shè)計(jì)結(jié) 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(shí) 生成。 在第四種模式中可以修改布局 規(guī) 劃的 結(jié) 果。最 終 參數(shù)包括每步 間 隙、材料 寬 度、各類 網(wǎng)格和 轉(zhuǎn)換 能力。當(dāng)參數(shù)有所改 變時(shí) ，布局 規(guī) 劃 圖 可以被更新。 該 知 識(shí) 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(shuō)明了此種算法。 兩個(gè)環(huán)形分解成線和圓弧的單元。每對(duì)元素中間的距離需要重新補(bǔ)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(dāng) 誤 差小于允 許 值時(shí) ，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(dòng) 。 轉(zhuǎn)中心是矩形中心點(diǎn)附近的粗略數(shù)值。材料利用率在當(dāng)前角度下被計(jì)算出來(lái)。 復(fù)第三部的的步驟，直到角度達(dá)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(shí)基礎(chǔ)級(jí)進(jìn)刀具設(shè)計(jì)。該智能模型的功能是：選擇零件位置，設(shè)計(jì)方位和安排帶狀工步距離。為了解決運(yùn)行程序，該規(guī)則應(yīng)該被制定的合理和有效。 自動(dòng)設(shè)計(jì)模塊是智能模型中最重 要的模塊。人工智能技術(shù)被應(yīng)用于此模塊中。此模型中的預(yù)處理模塊，包括定位產(chǎn)品模塊和從產(chǎn)品模塊中提取精確的信息。為了在修改模塊中生成一個(gè)模型，最初的設(shè)計(jì)工程被修改 [11]。被修改的模塊代替了處理模塊。 動(dòng)帶狀布局設(shè)計(jì)的預(yù)處理 1）確定零件的位置和排列。用戶可以用界面來(lái)確定預(yù)處理模塊中的一些參數(shù)。確定位置的過(guò)程可以和其他元素一起來(lái)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(jié)果被保存在知識(shí)庫(kù)中。 2）獲取零件精確信息。此精確信息應(yīng)該在帶狀布局知識(shí)庫(kù)中得到。有用的信息包括 沖孔的精確信息和相對(duì)位置信息。由此種類型信息組成的知識(shí)模型將會(huì)決定零件的沖壓順序。這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的主要要求是為位置精度開發(fā)一種知識(shí)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(gè)輪廓。所有輪廓間的相對(duì)關(guān)系包含在關(guān)系 P 中。如果在輪廓 間要求精準(zhǔn)，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(guò)相關(guān)矩陣被保存在知識(shí)模型中。 狀布局自動(dòng)設(shè)計(jì) 帶狀布局的自動(dòng)設(shè)計(jì)模塊在知識(shí)模型中是最重要的一個(gè)。在知識(shí)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(nèi)輪廓比較好。在下一個(gè)階段這個(gè)部分被切斷。有時(shí)候，如果沖壓點(diǎn)之間的距離非常小，一些內(nèi)輪廓就要被搬到下一階段進(jìn)行加工。如果沖壓點(diǎn)離分餾點(diǎn)太近的話，分餾點(diǎn)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(diǎn)可以被移動(dòng)到下一階段。重復(fù)整個(gè)過(guò)程直到矩陣點(diǎn)間的 每個(gè)尺寸都可以被接受。布局智能設(shè)計(jì)的核心是開發(fā)干涉點(diǎn)的智能模型 [13]。 零件坯料被分成許多點(diǎn)的形式。這些點(diǎn)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(gè)點(diǎn)的沖突。開發(fā)干涉點(diǎn)的智能模型的目的是確定沖突點(diǎn)的存在。此矩陣是一個(gè)系統(tǒng)矩陣。為了使設(shè)計(jì)過(guò)程更方便，可以把矩陣中的上半部分元素置零。 此處， μ 關(guān)聯(lián)系數(shù)，它表示了每對(duì)點(diǎn)之間的不同關(guān)系。如果兩個(gè)點(diǎn)之間有 沖突，它們中的一個(gè)則要被移到下一步。在每一步中重復(fù)上述步驟直到?jīng)_突點(diǎn)消失。最后矩陣M 成為空矩陣。 帶狀布局結(jié)果的處理 帶狀布局的子處理知識(shí)模型中有兩部分：修改結(jié)果和創(chuàng)建布局圖形。從帶狀布局自動(dòng)設(shè)計(jì)模型中得出的結(jié)果是慣用的。它們可能滿足不了用戶的所有要求。依靠知識(shí)模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)移動(dòng)點(diǎn)和改變步驟，增加空步和刪除空步的目的可以被實(shí)現(xiàn)。我們能夠通過(guò)處理步驟的數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)修改帶狀布局的設(shè)計(jì)結(jié)果。工步改變可以通過(guò)交換兩個(gè)位置的編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)，工步增加或減少可以通過(guò)插入或移除編碼的操作來(lái)完成。當(dāng)我們想移動(dòng)一些 點(diǎn)時(shí)，我們可以從第一步到最后一步轉(zhuǎn)移鏈表中相當(dāng)?shù)狞c(diǎn)。 定沖壓中心和力計(jì)算的智能模型。 沖壓中心設(shè)計(jì)模型的目的是建立組合力的工作點(diǎn) [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(shí)模型的每一個(gè)輪廓位置的計(jì)算中得出。設(shè)計(jì)的第一部是得到工具的工作區(qū)域。 臺(tái)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(guān)系可以生成工作區(qū)域。因?yàn)椴黄胶饬Φ慕Y(jié)果的可能性，同時(shí)也提供了沖壓中心的再生成。再生成的步驟由人機(jī)接口軟件來(lái)完成。圖八所示為復(fù)合模打孔 機(jī)工 作區(qū)域的設(shè)計(jì)結(jié)果。 保存在知識(shí)庫(kù)中的內(nèi)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(jì)算的方法是不同的。力方程是由知識(shí)規(guī)則庫(kù)的推理得到的。首先，加工力和切削力是基于零件的輪廓長(zhǎng)度和知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)規(guī)則得到的。然后，通過(guò)設(shè)計(jì)結(jié)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(shí)庫(kù)中的導(dǎo)向一步一步計(jì)算。 4 結(jié)論和進(jìn)一步工作 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具的應(yīng)用在金屬成型中的應(yīng)用，節(jié)省了大量的時(shí)間和金錢。由于復(fù)雜零件沖壓工藝設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，開發(fā)一種自動(dòng)生成工藝步驟的系統(tǒng)非常重要。這個(gè)研究開發(fā) 了一個(gè)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(duì)不規(guī)則零件在高速下進(jìn)精密加工得以實(shí)現(xiàn)。該系統(tǒng)有一下特點(diǎn)： 1. 在設(shè)計(jì)過(guò)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(shè)計(jì)過(guò)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(shí)能對(duì)復(fù)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(dá)材料的最大利用率。產(chǎn)品成本的減少取決于排樣最優(yōu)化計(jì)算。不僅最佳規(guī)劃而且每個(gè)合理的規(guī)劃被保存在知識(shí)庫(kù)中。用戶可以選擇任意一個(gè)作為它們的最終設(shè)計(jì)結(jié)果。 4. 帶狀排樣模塊生成自動(dòng)工藝規(guī) 劃圖。根據(jù)用戶的要求帶狀排樣的結(jié)果可以在設(shè)計(jì)過(guò)程的任意時(shí)期修改。 在工藝規(guī)劃中協(xié)助設(shè)計(jì)者的此系統(tǒng)將會(huì)是一種有用的工具。它將會(huì)足夠的靈活允許設(shè)計(jì)者具有創(chuàng)造性，同時(shí)用計(jì)算機(jī)來(lái)執(zhí)行幾何計(jì)算和自動(dòng)得到設(shè)計(jì)結(jié)果。它提供了一個(gè)非常靈活的設(shè)計(jì)環(huán)境，用戶可以完全掌握即使是復(fù)雜零件的沖壓工藝規(guī)劃設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)擁有圖形交互界面，用戶可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中交互式地改變各種設(shè)計(jì)參數(shù)。 進(jìn)一步的工作將會(huì)集中在排樣優(yōu)化的效率改善上，優(yōu)化用時(shí)將會(huì)減少。為排樣規(guī)劃，更多的設(shè)計(jì)方案的類型應(yīng)該被添加到知識(shí)模型中。根據(jù)沖壓工藝規(guī)劃的結(jié)果，沖壓模具設(shè)計(jì)應(yīng) 用也將會(huì)在進(jìn)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.