冲压模具设计知识管理系统开发

知识工程(knowledge based engineering，KBE)是20世纪后期出现的一种先进的设计思想，利用计算机技术，以集成的方式，获取和重用零件和工艺中的知识，目的在于减少开发费用和缩短开发周期。对于一个知识管理系统，知识的获取是系统的关键和基础。但由于冲模设计是一个主要依赖经验，设计知识相对薄弱的领域，目前的人工智能方法在实际应用中存在一定的困难：①冲模设计知识难以完整和准确地描述；②系统建立和维护的时间和人力成本过高。鉴于此，近年来提出的基于工作流和基于经验反馈模型等方法都致力于在降低系统开发和使用成本的前提下实现模具企业的隐形知识显式化。现提出的基于矩阵结构的冲模设计知识管理系统是一种依据模具企业现有的业务流程，将以往成功设计实例、模具设计评审表和修改模具记录统一纳入知识管理系统框架，在尽量不增加设计人员负担的前提下实现冲模设计知识获取和重用的方法。

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冲模制造流程及知识分布

一般企业的模具设计和制造流程可分为：①订单确定；②模具评审；③模具设计；④工艺编制；⑤加工和试模。

模具评审是由多位有经验的设计人员对冲压的零件进行分析，确定模具总体设计方案，指出可能存在的问题并提出解决方法。所形成的模具评审表将和冲压的零件图纸一起流转到指定的设计人员。

设计人员接受设计任务后，进行模具的装配图和零件图的设计，编制加工工艺。设计完成后经主管检查和确认，发往制造部门进行加工和试模。

制造部门根据图纸和工艺卡片加工模具零件并组装试模。对于试模中出现的问题，与设计人员协商解决，填写试模记录，并根据修改后的图纸修改模具直至试模成功。

图1 冲模设计和制造流程及知识支持

图1给出了在上述各个步骤中所需要的相关知识支持。在模具评审阶段，需要了解以往相似零件的成功模具设计、相应的模具评审表以及在试模中出现的问题和解决方法。在模具设计和工艺编制阶段需要参考以往的模具总装和零件设计以及试模后出现问题的修改方案，从而达到重用以往设计和制造知识的目的。对于具体零件的加工工艺，需要借鉴以往的工艺编制。对于在加工和试模阶段出现的问题，需要检索以往对相似问题的成功解决方案。由图1可知，若要实现对企业模具设计知识的充分利用，一个良好的知识管理系统必不可少。

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基于关系型数据库的设计知识管理系统

图2 CBR流程

对于冲模设计以隐形知识居多的领域，实践证明基于事例的推理(case based reasoning，CBR)是一种有效的人工智能手段。CBR通过修改旧的问题的解来得到新的问题的解。CBR流程如图2所示，可以概括为4RE，即Retrieve、Reuse、Revise和Retain，具体包括:

（1）重新获得(Retrieve)最相近的事例。

（2）重用(Reuse)事例去尝试解决问题。

（3）如果需要，可以对所建议的解决方法进行一些修改(Revise)。

（4）保留新的解，作为一个新的事例(Retain)。

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冲模企业知识的获取

在冲压零件的生产过程中，零件需要经过拉深、成形、冲孔、翻边、落料等多个冲压工序，有些工序可能进行了复合，在一副复合模中实现，有些可能所有的冲压工序都在一副级进模中实现。但是无论哪种情况，都可以将其工序分解为工序序列。传统的模具CBR系统是以冲压零件的相似性作为知识重用的主要检索机制，由于冲压零件的形状变化大，仅以零件的整体相似性进行检索，在具体工艺中的知识难以显式化，有必要增加对于单个冲压工序知识的管理。以往也有一些系统采用了基于规则的推理（rule base reasonig,RBR）和CBR复合的方式，但是如上所述，RBR在实现上还存在模具设计知识难以完整、准确地显式化以及系统开发时间和人力成本较高的问题，因此适合应用对象比较具体，规则比较确定的环境。实际上，目前的模具设计和制造流程中，模具评审和试模2个环节是获取冲压工艺知识的重要来源。模具评审记录包括：①可能存在的问题；②解决方法。试模记录主要包括：①工序名称；②不良类型；③不良项目内容；④对策等内容。通过将上述信息和冲压零件的材料、形状特征、主要工艺等信息相关联，形成有效的检索机制，可以实现具体冲压工艺知识的获取和重用。

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基于关系型数据库的实例库及知识模型

图3数据库

系统实例库在SQLServer2005关系型数据库中建立，数据库实体关系如图3所示。图3主要给出了数据库中对应的实体及其相互关系。

（a）设计实例知识模型

（b）冲压工艺知识模型

图4 知识模型

在上述关系型数据库的设计基础上可以根据需要，建立对应的知识模型。通过知识模型的建立，除了普通的数据库检索机制外，还可以定期对现有实例库进行评估归纳，从中找出一些典型实例作为样本，提高知识获取的效率和准确性。知识模型的表示和事例的检索是CBR的2项关键技术，知识模型的好坏决定了知识获取的效率。目前常见的事例存储模型包括动态记忆模型(dynamicmemorymodel)和分类-范本模型(category-examplermodel)。动态记忆模型优点是具有良好的适应性，可以自动根据事例的特征来动态地建立整个架构。但是当事例和新的特征比较多的时候，这种方式会导致索引数目的爆炸性增长。而在分类-范本模型中，事例是按照其特征放置于各个分类中，对一个问题的求解，可以转化为对具有某些特征的事例的寻找。每个分类有一个特征集，表示这个分类中事例的共同特征；每个事例也有其特征，表明该事例和其同类事例的不同特征。虽然在分类-范本模型中特征是固定的，不如动态记忆模型灵活，但是其结构可以控制。该系统基于分类-范本模型，由于其特征可以调整，兼顾了灵活性和效率。

图4所示给出了分别对应于设计实例和具体冲压工艺的知识模型。在进行设计实例检索时，采用模具大类和模具细类作为一级分类，比如：模具大类（汽车模具），模具细类（天窗构件模具）；二级分类为零件所包含的主要冲压工艺，比如：弯曲、翻边，零件的相似性主要依据包含的冲压工艺来判断；三级分类可以依据材料牌号、料厚、模具类型等情况作进一步检索。在进行冲压工艺知识检索时，以工序名称和工序特点作为一级检索，如工序名称：翻边；工序特点：直翻边；二级分类为不良类型，如尺寸不良等；三级分类同样可以依据材料牌号、料厚、模具类型等情况作进一步检索。

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系统运行

（a）设计实例查询

（b）工艺知识检索

图5 知识管理模块界面

系统在VisualStudio2008平台下，采用C++语言开发，系统的图档管理部分以及业务流程与一般的模具企业管理软件类似，在此不再赘述。系统的知识管理模块主要分为2个方面：①设计实例查询；②工艺知识检索，如图5所示。设计实例查询用于在模具评审阶段和模具设计阶段查询类似的成功设计实例。用户可以根据零件分类情况、材料和主要工艺查询相似案例。对于获得的结果，用户可以将所有这些案例的评审表汇集作为当前设计评审时的参考；也可以将这些案例的修改模具记录转换为评审项，在新项目评审时一并加以考虑。在模具设计阶段，设计人员还可以申请对于这些案例的参考权限，在获得批准后，将这些案例下载作为参考项目，从而实现设计知识的重用。

工艺知识检索模块主要是检索以往的修改模具记录以供设计人员设计模具时，特别是在试模阶段遇到类似问题时，获得相关的修改模具经验。在此界面中同样可以将检索到的修改模具记录转换为评审表项目。但是与设计实例查询模块中的相应功能不同之处在于：设计实例查询模块是从零件的相似性出发，而在该模块中主要是针对具体冲压工艺，二者互为补充。在检索到相关修改模具记录后，使用者同样可以申请，获得案例参考权限，将以往修改模具的细节作为参考。

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