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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 KBS 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。現(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，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，通過生產(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].對(duì)于冷鍛序列的設(shè)計(jì)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(shí)際考慮的規(guī)則。在美國俄亥俄州立大學(xué)一個(gè)稱作FORMEX的規(guī)則系統(tǒng)被Altan和他的同事們寫入多級(jí)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(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Cheok和他的同事精心設(shè)計(jì)出來。[4] 在新加坡國立大學(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，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].使用特點(diǎn)，用戶可以在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開發(fā)帶裝布局設(shè)計(jì)。來自利物浦大學(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].他們的研究集中在分解較小的橋型廢料的形狀編碼和識(shí)別技術(shù)。[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CAD/CAM系統(tǒng)。他們研究的該系統(tǒng)依靠特殊的相關(guān)數(shù)據(jù)來描繪工件和模具結(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題或疑問。[8].智能系統(tǒng)是一種計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它試圖代表人類知識(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),并解釋它的推理過程。沖壓工藝規(guī)劃是一個(gè)含有豐富知識(shí)的復(fù)雜設(shè)計(jì)過程。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。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。基于幾何的模型描述零件的幾何拓?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。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。知識(shí)庫由CAD軟件支持。設(shè)計(jì)結(jié)果以3D模型、圖畫和資料庫的形式保存在知識(shí)庫中，它對(duì)在知識(shí)庫中不同零件的知識(shí)傳遞來說非常的重要。
3 實(shí)施方法和應(yīng)用
3.1沖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、零件信息和結(jié)論庫。系數(shù)根據(jù)知識(shí)規(guī)則推理在知識(shí)庫得出。沖壓成型可行性可以從信息庫中零件信息和相關(guān)系數(shù)推出。在設(shè)計(jì)過程中被新結(jié)論擴(kuò)大的結(jié)果保存在結(jié)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(jié)果來證實(shí)零件的形狀是否符合模具工具加工。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
3.2基于優(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)庫中的結(jié)果是其他模塊建立的基礎(chǔ)。
在知識(shí)庫中有四種排樣類型：
● 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)庫提供的限制情況可以由人類專家來選擇。這個(gè)知識(shí)模型控制著整個(gè)排樣的設(shè)計(jì)過程。
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。
1.在圖形周圍最適合的矩形第一次生成。復(fù)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。
2.在兩個(gè)環(huán)形中間的值是經(jīng)過計(jì)算的。這兩個(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。
3.計(jì)算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)。
4.材料利用率可以以布局規(guī)劃的角度上被計(jì)算出來。
5.排樣圖形旋轉(zhuǎn)一定的角度。旋轉(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。
6.排樣圖形旋轉(zhuǎn)到另外一個(gè)角度。重復(fù)第三部的的步驟，直到角度達(dá)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(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。
3.3.1 自動(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。用戶可以用界面來確定預(yù)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(jié)果被保存在知識(shí)庫中。
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 = {k1, k2, . . ., ki, . . ., kn} (1)
這里 ki 表示零件的第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ki 和kj 之間要求精準(zhǔn)，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(guān)矩陣被保存在知識(shí)模型中。
3.3.2帶狀布局自動(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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