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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 KBS 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].對于冷鍛序列的設計開發(fā)了一種基于PC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FORMEX的規(guī)則系統(tǒng)被Altan和他的同事們寫入多級冷鍛的工藝規(guī)劃程序語言中。[2].它依靠冷鍛零件各種形狀的廣泛分類。[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Cheok和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].使用特點，用戶可以在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].他們的研究集中在分解較小的橋型廢料的形狀編碼和識別技術。[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CAD/CAM系統(tǒng)。他們研究的該系統(tǒng)依靠特殊的相關數據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].智能系統(tǒng)是一種計算機系統(tǒng)，它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。由于零件的數據信息不能被完整的描述、數據分離水平太低，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CAD軟件支持。設計結果以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
3.1沖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。系數根據知識規(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。此規(guī)格
包括輸入輸出半徑、孔徑、孔板、孔網、槽、槽網。結果來證實零件的形狀是否符合模具工具加工。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據庫中。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
3.2基于優(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值和計算工作區(qū)域的總體輪廓。此模式提供了原始參數。粗略數值的全部信息都由此得到，不管這個數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。最終參數包括每步間隙、材料寬度、各類網格和轉換能力。當參數有所改變時，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。
1.在圖形周圍最適合的矩形第一次生成。復制件和原件之間的距離是包含在接洽網中的。圖四說明了此種算法。
2.在兩個環(huán)形中間的值是經過計算的。這兩個環(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。
3.計算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。
4.材料利用率可以以布局規(guī)劃的角度上被計算出來。
5.排樣圖形旋轉一定的角度。旋轉中心是矩形中心點附近的粗略數值。材料利用率在當前角度下被計算出來。
6.排樣圖形旋轉到另外一個角度。重復第三部的的步驟，直到角度達到180度。 3.3帶狀布局的開發(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。
3.3.1 自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。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。輪廓的數目為n
K = {k1, k2, . . ., ki, . . ., kn} (1)
這里 ki 表示零件的第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ki 和kj 之間要求精準，這里存在(ki , kj) ∈ p。
p = {. . ., (ki , kj), . . .} ki , kj ∈ 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。
3.3.2帶狀布局自動設計
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k1, k2, . . ., kn. 這里dij
是ki和 kj 之間最小的距離。矩陣的臨界值是S。如果dij
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