基于知识的汽车冲压模具零件设计系统的研究.docx
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基于知识的汽车冲压模具零件设计系统的研究
基于知识的汽车冲压模具零件设计系统的研究
所在单位：
机械动力工程学院
0年3月
答辩日期：
201
授予学位单位：
哈尔滨理工大学
删蚪
Index：
TPl92
Classi6ed
DissertationfortheMasterin
DegreeEngineering
■■，，
一l●■
for
aestgnmgcomponents
forAuto
ofDieBody
Candidate：
Yu
Jing
XuLi
Supervisor：
Academicfor：
Masterof
DegreeAppliedEngineering
Vehicle
Speciality：
Engineering
DateofOralExamination：
10
March，20
HarbinofScienceand
University：
University
Technology
哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明：
此处所提交的硕士学位论文《基于知识的汽车冲压模具零件设
计系统研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进
行研究工作所取得的成果。
据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表
或撰写过的研究成果。
对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确
方式注明。
本声明的法律结果将完全由本人承担。
作者签名：
彳磺日期：
沙7p年y月2，日
√
哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书
《基于知识的汽车冲压模具零件设计系统研究》系本人在哈尔滨理工大学攻读
硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。
本论文的研究成果归哈尔滨理工
大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。
本人完全了解哈尔滨理
工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电
子版本，允许论文被查阅和借阅。
本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或
其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。
本学位论文属于
保密，[硅年解密后适用授权书。
f
不保密囤。
请在以上相应方框内打√
作者签名：
亏瑁日期：
莎，-年弘月7日
导师签名：
徭二秀同期：
加以年筚月2同
哈尔滨理T大学T学硕：
：
学位论文
基于知识的汽车冲压模具零件设计系统
研究
摘要
汽车冲压模具零件设计、选用是汽车冲压模具设计中的关键环节，大量的通
用件重复建模影响了设计效率，非标准件依赖经验进行设计，使设计经验较少的
设计者无法及时有效的完成设计任务，影响后续工序的设计、产品质量以及生产
效率。
本文采用知识工程技术对汽车冲压模具中大量零件知识和模型特点进行了
研究，并主要研究汽车冲压模具零件设计系统的建立。
在通用件优化选择设计中，在对通用件功能和模型结构特点分析基础上，以
目前模具行业广泛应用的“三住”、“三协”标准以及“冲压模具国家标准”为蓝
本，主要利用CATIAV5软件平台知识工程顾问模块功能设计零件的设计知识，
建立通用件的知识表示和推理机制，实现通用件的优化选择。
在非标准件设计过程中，建立零件知识的Access数据表，以多种知识表示
方法表示零件尺寸参数、设计知识、使用条件等知识，并以混合推理方式进行设
计过程推理，通过参数驱动技术，实现了非标准件知识驱动设计。
同时，在知识获取中主要采用人工和半自动的知识获取方式，对汽车冲压模
具零件设计和使用中的各种知识和经验进行获取和分类。
在知识管理中，分别以
CATIA知识库模块功能保存通用件知识，以数据库管理非标准件零件知识。
本文建立了基于知识的汽车冲压模具零件设计系统，通过知识获取、表示、
推理技术，实现选择和建立正确的零件模型，满足了设计者的需要，缩短了设计
周期，实现了冲压模具零件知识的重用和共享，具有一定实用性。
'
关键词汽车冲压模具；知识工程；设计系统；模具零件
’Io
哈尔演理T大学丁学硕十学位论文
onA
Research
knowledge--basedsystem
―l-●‘
10r
designingcomponents
ofDieforAuto
Body
Abstract
andselectionofautomotivedieisastep，alarge
Designstampingpartskey
numberofstandardtoandnon―standardonthe
partsrepeatmodelingpartsrely
towillaffectthatless
experienceddesigners
experiencedesigndesignefficiency,80
Cannottaskanditwillonof
completedesigntimelyeffectively,andimpactdesign
theofthefinaland
productproductionefficiency．The
follow-upprocesses，quality
automotivediesresearch
existingstampingknowledgeengineeringtechnology
ontheofautomotivediethelackofon
focusedassembly,andstudy
designstamping
thisbasedwas
engineeringtechnology
designsystems．Inpaper,knowledge
part
characteristicsinautomotive
usedtoandmodelstampingdies，
studypartsknowledge
onestablishmentofautodie
theresearchesfocuspartsstampingdesignsystem．
major
Inonthecurrentmold
functionalclassification，basedindustry”MISUSI”
part
nationalstandard”forofstandard
standardand”Diebuildingpartslibrary,part
wasbuiltontheCATIAV5softwareandconstraintrule
modelplatform，partdesign
underconsultantsmoduleof
editorknowledge―based
were
ofstandardandmechanism
partsreasoningcreated，andoptimal
representation
wasrealized．
selectionofstandard
parts
wasusedtonon―standardmodelfileWascreate
Parameter-driven
designparts，a
inthree．dimensionalestablishmentofAccesstabletomeans
designsoftware，the
ofbasedonand
knowledgepartdatabase，partdesignprocessknowledgereasoning
werecreatedunderVisualBasicawas
system6．0，andhybridreasoningapproach
forofnon―
useddesign
designprocessreasoning，achievedknowledge-driven
standard
parts．
Manualandsemi．automaticmethodswereusedfor
acquisition
knowledge
intheandclassificationof
knowledgeacquisitionknowledgesystem，acquisition
．II．
哈尔滨理T大学工学硕学位论文
doneforsizeand
andwereknowledge
knowledgeexperienceparameters，design
serviceconditionsintheautodie．Inthe
stampingknowledge-basedsystem，the
parts
commonandnon-standardwereindifferent
knowledgeknowledgerepresentedways．
toestablishUSerinterfaceforand
Throughprocessbrowsing,query
application
andnon-
addofofstandardselection
information，auto?
?
generatingsystemparts
part
with
wererealizedacessofCAT认V5
standarddesigned．andsystemplatform
parts
andAccessdatabases．
forautodieWascreatedinthis
systempartsstampingpaper,
Knowledge-based
researchofandinferencethe
techniques，and
knowledgeacquisition，representation
andestablishedtomeetthe
thecorrectmodelswereselectedneeds，
partdesigner's
andof
shortenandThereusesharingknowledge-basedpansstamping
designcycle
dieswerehasacertain
realized，whichpracticality．
automotive
Keywordsstamuingdie，knowledge-based
ofdie
system，component
．．111．．
吩尔滨理工人学T学硕L．学位论文
摘要…………………………………………………………………………………………………………．I
Abstract………………………．…………………………………………………………………．……………．II
第1章绪论…………………………………………………………………………1
1．1引言……………………………………………………………………………………………………．1
1．2国外汽车冲压模具知识工程技术研究现状…………………………………2
1．3国内汽车冲压模具知识工程技术研究现状…………………………………4
1．4课题来源………………………………………………………………………．5
1．5本文研究意义和主要内容……………………………………………………6
第2章汽车冲压模具零件设计系统结构…………………………………………．8
2．1系统功能分析与整体结构……………………………………………………．8
2．2系统功能分析………………………………………………………………．10
2．2．1系统主要组成…………………………………………………………．．10
2．2．2系统主要功能模块建立思路…………………………………………一ll
2．3系统开发环境………………………………………………………………．14
2．3．1系统开发环境…………………………………………………………．．14
2．3．2系统开发工具……………………………………………………………14
2．4本章小结……………………………………………………………………．17
8
第3章系统的知识工程关键技术………………………………………………．．1
3．1汽车冲压模具零件知识的获取……………………………………………．19
3．2汽车冲压模具零件知识的表示……………………………………………．19
3．2．1规范知识表示…………………………………………………………．．20
3．2．2非规范知识的表示……………………………………………………～22
3．3汽车冲压模具零件知识的推理……………………………………………．24
3．3．1基于规则的推理………………………………………………………．．25
3．3．2基于实例的推理………………………………………………………．．26
3．4知识的管理…………………………………………………………………．．27
3．5本章小结……………………………………………………………………．28
第4章零件模型库与知识库的建立………………………………．二：
：
……………29
4．1汽车冲压模具通用件库建立………………………………………………．30
哈尔演理T人学-丁学硕十学位论文
4．1．1通用件模型建立方法……………………………………………………30
4．1．2通用件知识的表示和运用………………………………………………31
4．1．3基于知识的通用件库使用与管理……………………………………．．36
4．1．4斜楔模型库建立…………………………………………………………36
4．2非标准件模型库的建立……………………………………………………。
37
4．2．1非标准件模型建立方法………………………………………………一37
4．2．2非标准件知识的表示……………………………………………………40
4．3知识库的建立………………………………………………………………．4l
4．3．1汽车覆盖件零件设计系统的推理机制………………………………一4l
4．3．2知识系统的程序设计…………………………………………………一42
4．4本章小结……………………………………………………………………．44
第5章汽车冲压模具零件设计系统建立与运行实例…………………………．．45
5．1汽车冲压零件设计系统工作流程…………………………………………．45
5．2设计系统界面的开发………………………………………………………一46
5．2．1用户登陆模块设计………………………………………………………46
5．2．2初始化模块设计………………………………………………………．．48
5．2．3设计知识库功能模块……………………………………………………48
5．2．4零件管理………………………………………………………………．．49
5．3系统运行实例………………………………………………………………．50
5．4本章小结……………………………………………………………………．53
结论……………………………………………………………………………………………………………．54
参考文献……………………………………………………………………………56
攻读硕士期间发表的论文…………………………………………………………60
致谢……………………………………………………………………………………………………………．61
哈尔滨理t人学T学硕士学位论文
第1章绪论
1．1引言
汽车工业具有高投入、高产出、规模效益递增、产业关联度大、科技含量
高和经济带动力强的特点，属于典型的资金、技术密集型产业，是经济增长的
强大的推动力。
近几年我国汽车产业发展迅速，2008年我国汽车产量达到938
万辆，2009年突破千万，成为全球第二大汽车市场，可见我国汽车产业潜力巨
大，正逐渐成为新的汽车生产基地。
目前国内汽车市场竞争激烈，各企业都在
提高研发速度，新车型的研发周期正不断缩短。
在新车型的研制和生产过程中，产品外观，力学性能及设计精度都与模具
的设计、制造和调试密切相联。
汽车换型周期起来越短，在我国一个车型平均
需要大中型号覆盖件模具260套，平均每套模具约需2400个工时，全部模具
制造出来需要900多万工时，可占到汽车制造过程的三分之二时间。
汽车产业
迅猛发展的今天，模具产业在很大程度上成为衡量一个汽车制造商乃至一个国
家汽车产业发展水平的标志。
因此提高覆盖件模具的设计制造能力对提高我国
汽车行业的市场竞争力具有重要意义II】。
汽车工业的快速发展极大地推动了模具行业的发展，经过多年努力我国汽
车冲压模具设计制造水平已有了很大提高，目前已能生产单套重量达50吨的
大型汽车冲压模具，中档及以下汽车覆盖件模具已能成套生产，部分高档轿车
的冲压模具也能够生产。
大型三维CAD软件己在模具设计中广泛使用，各企
业设计手段基本从二维转为三维，实现了产品的设计、装配、测试分析，从几
何模型向虚拟的产品模型的转变，从而解决了企业在产品开发过程中速度、质
量、成本和服务等问题，大大提高了企业设计效率和质量。
由于覆盖件对表面
质量要求高，我国汽车外覆盖件的自动化生产程度也相当高。
主要表现在广泛
采用自动化成型冲压和高性能的数控机床，数控技术的应用同趋成熟，提高了
模具型面加工精度和质量，缩短了模具的制造周期。
然而国内模具制造质量和
设计制造周期仍有待提高，以中高档轿车的覆盖件模具为例，由于精度要求比
较高，成型也较复杂，主要还是依靠国外。
进口模具价格高，2008年进口的车
身模具金额达2亿美元，给我国汽车企业带来很大，影响利润上升。
随着中国
加入WTO，要求汽车工业的发展必须尽快攻克汽车覆盖件工艺和模具设计与
制造的核心技术，形成覆盖件模具的自主开发能力和足够的生产能力，从根本
一――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――一一一一一__
哈尔滨理T入学丁学硕一l：
学位论文
上改变依赖进口模具的状况，实现模具设计制造的国产化，从而推动我国汽车
工业和模具工业的共同发展。
2005年国家颁布政策，限制整车进口、关键零件
生产本土化，带给企业设计研发，生产制造高档轿车外覆盖件模具的良好契
机，轿车车身模具设计生产有了长足进步。
但是大型复杂冲压件的多样性和复
杂性，致使工艺和模具设计主要依赖于行业专家长期积累的实践经验，决策判
断能力，致使设计速度慢、效率低，且可靠性差。
模具工业作为国家工业的重要组成部分，其数字化设计制造成为2l世纪
模具技术的核心。
数字化技术的应用，使模具工业逐步由传统的生产型向知识
型模式转化，如何实现在模具的设计中对知识的继承、集成、创新和管理，使
之成为该领域的共同财富，已成为重要的研究课题。
1．2国外汽车冲压模具知识工程技术研究现状
模具工业是国民经济中的基础工业，是衡量一个国家机械制造水平高低的
重要标志之一，汽车覆盖件模具行业更是直接关系汽车行业发展。
汽车覆盖件
模具也可称为汽车冲压模具，特点是结构复杂，装配零件多，设计周期长，工
作量大和结构不固定。
汽车模具CAD研究始于各大汽车公司。
60年代末国外开始模具
Aided
Engineering分析应用阶段，将覆盖件成型模设计与加工时间减少了一
半。
进入上世纪下半叶CAD技术成为发展最快的技术之一，并朝着标准化、
集成化、参数化、智能化、网络化方向发展，智能化CAD系统的研究开发更
成为各国家的研究重点。
出，他认为：
知识工程是人工智能的原理和方法，对那些需要专家知识才能解
决的应用难题提供求解的手段。
恰当运用专家知识的获取、表达和推理过程的
构成与解释，是设计基于知识的系统的重要技术问题[21。
自知识工程概念被提出以来，工程技术领域的专家一直希望能够将这项
技术引入到制造业的设计系统之中，形成具有模仿人类专家设计、推理、自学
习等功能的“智能CAD”系统。
上世纪70年代人们开始对专家系统进行研
究，目的就是建立这样的智能系统，但是，由于许多重大的技术难题的突破进
展缓慢，如缺乏数值计算集成，多领域知识集成，多种任务和功能集成，因而
哈尔滨理T人学T学硕十学位论文
设计对象的规模和复杂性都受到限制。
知识工程研究初期，不少人把专家系统
称作“知识工程"，实际上，在最近几年的发展中，知识工程的内涵已经远远
地超越了专家系统的范畴，逐渐扩展和脱离了早期的知识工程的定义，形成了
自己的研究领域和范畴【31。
汽车冲压模具设计中一部分工作是非计算性的，需要依据设计者的实践经
验、创造性思维进行推理和判断。
采用知识工程技术，将知识技术与CAD技术
结合，总结以往专家的经验和教训，设计生成知识库，实现产品设计过程中人
与机器的融合，发挥人的智能指导设计步骤，发现设计中存在的问题，提出解
决途径和推荐解决方案，有效提高设计质量、降低成本。
在冲压模具设计中运
用知识技术具有以下优点：
1与专业知识库的结合，根据不同行业开发不同的
智能CAD软件；2在图形绘制方面，如智能化导航机制，能使系统预测用户
设计意图，并根据当时的设计环境随时自动提供不同的人机交互工具操作菜
单，使软件操作趋向人性化：
3人工智能的引入，将人工智能与CAD软件相
结合，使其具有专家知识与经验，具有学习、推理、联想和判断能力，从而达
到设计自动化的目的，这已经成为CAD技术发展的主要方向之一附'61。
由于知识工程技术的实际意义巨大，国外许多企业已经投入大量人力物力
进行研究，力图将知识工程技术引入汽车制造业，利用它来提高产品开发水
平。
目前发达国家和地区汽车领域的科研机构和企业广泛开展了智能技术研
究，取得了一定成果，并且普遍将其列为国家未来发展战略的重要核心技术。
福特汽车公司可谓是此技术研发应用的先驱者，在上世纪80年代展开汽
车相关产品的CAD／CAM技术研究，建成了以工作站为主体的环形网络系统，
70％的轿车外板件开发采用了CAD／CAM技术，90
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