型材拉彎成形模具設(shè)計(jì)一直是鈑金制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)模具的快速設(shè)計(jì)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，型材拉彎成形模具是決定型材拉彎零件成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，通過(guò)采用數(shù)字化手段可實(shí)現(xiàn)型材拉彎成形模具設(shè)計(jì)的快速化和智能化，但當(dāng)前的研究主要針對(duì)基于知識(shí)的模具設(shè)計(jì)，而對(duì)型材拉彎模具設(shè)計(jì)中如何應(yīng)用模具設(shè)計(jì)知識(shí)的研究很少。為此，筆者在分析型材拉彎成形模具設(shè)計(jì)過(guò)程的基礎(chǔ)上構(gòu)建模具設(shè)計(jì)知識(shí)模型，建立了基于知識(shí)的型材拉彎模具數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，解決了模具數(shù)字化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，并通過(guò)實(shí)例證明了該方法的有效性。
型材拉彎成形模具設(shè)計(jì)研究
一、模具設(shè)計(jì)過(guò)程分析
型材拉彎成形模具設(shè)計(jì)按其過(guò)程可分為總體方案設(shè)計(jì)、概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)3個(gè)階段，在不同的設(shè)計(jì)階段具有不同的設(shè)計(jì)內(nèi)容，如圖1所示。總體方案設(shè)計(jì)是指根據(jù)成形零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的規(guī)劃，這是后續(xù)模具設(shè)計(jì)的重要依據(jù)；概要設(shè)計(jì)是在總體方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，主要包括結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和型面設(shè)計(jì)；詳細(xì)設(shè)計(jì)主要進(jìn)行結(jié)構(gòu)要素、標(biāo)準(zhǔn)件以及圓角的設(shè)計(jì)。成形模具設(shè)計(jì)過(guò)程具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：一是需要運(yùn)用大量的理論知識(shí)、專(zhuān)業(yè)知識(shí)以及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模具設(shè)計(jì)；二是設(shè)計(jì)過(guò)程中每一階段的設(shè)計(jì)結(jié)果都對(duì)下一階段產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)流程具有一定的柔性；三是針對(duì)相似的零件盡量利用已有的成熟設(shè)計(jì)方案，以提高模具設(shè)計(jì)的可靠性；四是對(duì)企業(yè)中型材拉彎模具設(shè)計(jì)流程進(jìn)行提煉和復(fù)用，可以提高設(shè)計(jì)效率；五是模具建模方式不規(guī)范，采用通用的CAD軟件設(shè)計(jì)效率低，急需先進(jìn)和快速的模具CAD系統(tǒng)。
二、基于知識(shí)的模具設(shè)計(jì)方案
1．知識(shí)構(gòu)成
型材拉彎成形模具的設(shè)計(jì)知識(shí)主要分為方案設(shè)計(jì)知識(shí)和參數(shù)設(shè)計(jì)知識(shí)，在不同的設(shè)計(jì)中分別建立模具總體方案設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)知識(shí)模型，如圖2和圖3所示。不同領(lǐng)域和形式的設(shè)計(jì)知識(shí)在表達(dá)與推理方式上也不盡相同，只有通過(guò)研究不同領(lǐng)域知識(shí)本身的特點(diǎn)，找到最合適的表達(dá)和推理方法，才能更好地使用知識(shí)。
型材拉彎成形模具設(shè)計(jì)研究
2．模具設(shè)計(jì)
基于知識(shí)的模具設(shè)計(jì)就是把規(guī)范的設(shè)計(jì)信息、最優(yōu)的設(shè)計(jì)方法和流程等隱性知識(shí)轉(zhuǎn)化為顯性知識(shí)，將知識(shí)以參數(shù)、公式、規(guī)則、檢查、報(bào)告、設(shè)計(jì)表等多種形式表示出來(lái)，并進(jìn)行定義、修改、插入等操作，在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中自動(dòng)捕捉和復(fù)用設(shè)計(jì)知識(shí)，引導(dǎo)用戶(hù)完成模具的總體方案設(shè)計(jì)、概要設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)全過(guò)程，最終生成型材拉彎成形模具數(shù)模，并將模具信息存儲(chǔ)在知識(shí)庫(kù)中。在對(duì)成形模具設(shè)計(jì)知識(shí)研究的基礎(chǔ)上構(gòu)建模具設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)，開(kāi)發(fā)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和模具幾何建模系統(tǒng)，并將知識(shí)應(yīng)用和CAD結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)型材拉彎成形模具數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程的支持（見(jiàn)圖4）。通過(guò)對(duì)模具設(shè)計(jì)知識(shí)的應(yīng)用，使模具設(shè)計(jì)過(guò)程趨于規(guī)范化，減少了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)性工作，同時(shí)通過(guò)知識(shí)的動(dòng)態(tài)積累不斷實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)庫(kù)自身的擴(kuò)充與完善，使之更好地為成形模具設(shè)計(jì)服務(wù)。
3．模具結(jié)構(gòu)方案及參數(shù)
模具結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)主要由零件特征決定，型材拉彎成形模具的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但針對(duì)不同類(lèi)型的零件模具結(jié)構(gòu)有所不同。根據(jù)模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體情況，采用成組思想對(duì)不同類(lèi)型零件及對(duì)應(yīng)的模具結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行歸納總結(jié)，得到模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的典型知識(shí)，并通過(guò)圖表的形式表現(xiàn)出來(lái)。型材拉彎成形模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)工作主要是對(duì)模具的蓋板、底板和模體厚度、工作間隙等參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)知識(shí)一般以經(jīng)驗(yàn)為主，屬于過(guò)程型知識(shí)，執(zhí)行效率高。模具結(jié)構(gòu)參數(shù)是構(gòu)建三維模型的關(guān)鍵，結(jié)構(gòu)參數(shù)知識(shí)是結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)，因此需要快速、直接、準(zhǔn)確地進(jìn)行知識(shí)的表達(dá)推理。同時(shí)，針對(duì)模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)知識(shí)的特點(diǎn)，采用基于產(chǎn)生式規(guī)則的方法描述結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)知識(shí)。產(chǎn)生式規(guī)則表示知識(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是可對(duì)單條產(chǎn)生式規(guī)則進(jìn)行增添、刪除或者修改，而不用考慮與其它規(guī)則的關(guān)系；二是采用單一的知識(shí)表示形式，易于被其他人理解；三是表示形式與人們求解問(wèn)題時(shí)的思維形式相似。
4．基于XML的模具設(shè)計(jì)
在整個(gè)型材拉彎工藝數(shù)字化設(shè)計(jì)過(guò)程中，工藝參數(shù)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、成形性評(píng)估等系統(tǒng)都存在著交互，需要信息傳遞與共享。但由于系統(tǒng)間不同、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)各異，很難使用CAD模型的幾何信息進(jìn)行大量的工程計(jì)算和設(shè)計(jì)決策。為面向信息集成的需要，需以專(zhuān)用格式或標(biāo)準(zhǔn)交換格式表達(dá)。筆者在分析型材拉彎模具設(shè)計(jì)各階段的設(shè)計(jì)內(nèi)容及模具結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種基于XML（是由W3C發(fā)表的一種標(biāo)準(zhǔn)，面向Web應(yīng)用的標(biāo)記語(yǔ)言，可以描述各種各樣的數(shù)據(jù)信息）的模具設(shè)計(jì)信息表示方法，建立模具設(shè)計(jì)內(nèi)容的語(yǔ)義，基于XML格式來(lái)擴(kuò)展模具設(shè)計(jì)信息的集成應(yīng)用。通過(guò)建立型材拉彎成形模具設(shè)計(jì)信息的標(biāo)準(zhǔn)模式，可以完整、清晰地表達(dá)型材拉彎模具設(shè)計(jì)信息，實(shí)現(xiàn)模具信息基于網(wǎng)絡(luò)的傳遞和共享。在型材拉彎成形模具設(shè)計(jì)過(guò)程中，各個(gè)設(shè)計(jì)階段的信息不斷被充實(shí)，構(gòu)成了完整的模具設(shè)計(jì)信息模型，如圖5所示。型材拉彎成形模具設(shè)計(jì)信息主要包括方案信息、幾何信息以及數(shù)模信息。其中，方案信息和幾何信息可以直接在XML文件中解析讀?。粩?shù)模信息在XML文件中只表現(xiàn)為模具圖號(hào)，用戶(hù)可以根據(jù)圖號(hào)從模具庫(kù)中調(diào)用；模具信息XML文件是模具信息的主要載體，通過(guò)向工藝參數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)傳遞模具幾何信息，從而為數(shù)控指令中加載軌跡計(jì)算提供幾何依據(jù)
三、設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用
以某個(gè)零件為例，針對(duì)成形模具的總體方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)闡述知識(shí)對(duì)型材拉彎成形模具設(shè)計(jì)的支持作用。型材拉彎成形模具設(shè)計(jì)子系統(tǒng)由模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)模塊和模具幾何建模模塊組成，通過(guò)自帶瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)模塊，實(shí)現(xiàn)知識(shí)對(duì)模具設(shè)計(jì)過(guò)程的指導(dǎo)。系統(tǒng)外部接口采用XML文件進(jìn)行與其它系統(tǒng)之間不同數(shù)據(jù)信息的獲取和傳遞。在各類(lèi)信息內(nèi)容規(guī)范的基礎(chǔ)上，定義模具設(shè)計(jì)特征等信息的XML描述文件，形成型材拉彎模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)內(nèi)的表示與接口標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用系統(tǒng)間、應(yīng)用系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的信息交換和集成。系統(tǒng)內(nèi)部接口的模具幾何建模模塊通過(guò)內(nèi)部瀏覽器登錄模具結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)模塊查看設(shè)計(jì)知識(shí)，模具設(shè)計(jì)完成后生成的數(shù)模等文件通過(guò)上傳方式傳遞給模具知識(shí)庫(kù)子系統(tǒng)。根據(jù)零件信息的描述可知，此零件為收邊變形的角型材零件，根據(jù)典型知識(shí)可得，成形模具采用底板和模體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)根據(jù)所選擇的成形模具的結(jié)構(gòu)方案，采用基于產(chǎn)生式規(guī)則的方法設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)的參數(shù)，最后將這些參數(shù)與型面設(shè)計(jì)相結(jié)合，利用基于知識(shí)的拉彎模具設(shè)計(jì)系統(tǒng)在幾何建模系統(tǒng)中生成模具的三維數(shù)模，形成最終的設(shè)計(jì)結(jié)果。綜上所述，采用基于知識(shí)的型材拉彎模具設(shè)計(jì)方法可以更加快速準(zhǔn)確地完成型材拉彎模具設(shè)計(jì)，顯著縮短了型材拉彎模具的設(shè)計(jì)周期，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本。