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摘要：在基于專家知識的基礎上，研究了應用半創成方式設計汽車覆蓋件拉延模的方法；通過對Pro/Engineer軟件平臺進行二次開發，建立了相應的CAD系統。該系統實現了由覆蓋件沖壓工藝型面驅動來設計三維覆蓋件模具、二維工程圖及生成管理文件等，并做到了基于特征的全參數化設計。
關鍵詞：基于知識；半創成式；覆蓋件；模具

一、前言

汽車覆蓋件模具的設計是汽車新產品開發的決定性環節。這部分工作是設計人員運用專門知識和豐富的實踐經驗進行綜合推理與計算完成的。傳統的覆蓋件模具設計由手工完成，不僅效率低，而且設計質量也難以保證，嚴重影響企業的模具設計能力。因此實現覆蓋件模具CAD是汽車工業迫切需要解決的一項技術難題。

國外從50年代末期就開始對沖模CAD的研究，并陸續開發出一些CAD/CAM軟件。我國模具CAD/CAM的工作始于70年代末，發展十分迅速，推出了許多沖模CAD/CAM系統。這些系統在提高生產率、改善質量、降低成本、減輕勞動強度等方面具有明顯的優越性。但由于汽車覆蓋件具有材料薄，精度高，形狀復雜(多為立體曲面)，結構尺寸大，表面質量高等特點［1］，其模具CAD的研究和應用還遠遠不能滿足汽車工業的需要。面對日趨激烈的市場競爭，國內外許多汽車覆蓋件模具生產廠家都在大力開展這方面的工作，以期能夠在行業中處于領先位置。

二、半創成設計

交互型CAD系統是當前模具CAD系統所采用的主要形式［2］。它的主要特點是，把計算機系統所具有的計算速度快、精度高、數據存儲量大、耐重復工作和不易出錯等優點，同人在工程設計中的主導作用結合起來。人在工程設計中的主導作用，表現在對復雜問題的特殊理解能力和判斷能力，以及許多目前尚不能完全用數據和公式表達出來的豐富經驗。

雖然創成式CAD系統是較為理想的系統模型，但由于模具產品品種的多樣性、制造過程的離散性、生產環境的復雜性、時間發生的隨機性、系統狀態的模糊性等因素，使覆蓋件模具設計成為相當復雜的決策過程，因此要開發有一定適應面的創成式CAD系統有較大難度［3］。與此相反，半創成式CAD系統與目前人工智能、商用CAD軟件的發展水平相適應。通過適當的人機交互，可以大幅度降低模具CAD系統的開發難度，使得在一定時間內能夠開發出切合實際的覆蓋件模具CAD系統。

汽車覆蓋件模具，可分為若干類，每一類都具有很大的相似性。從產品開發角度，每種類型的覆蓋件模具都具有一定的繼承性。這種相似性和繼承性，為在通用CAD商品軟件的支持下，通過二次開發，建立基于知識的汽車覆蓋件模具半創成CAD系統成為可能。從而實現從概念設計到模具結構設計，到零件設計的全過程映射，保證設計高質量的穩定性。

因此，我們在汽車覆蓋件模具半創成設計系統中，將模具設計準則和專家經驗整理成知識體系，進行條理化，用推理機對模具設計過程中的相關參數進行推理和判斷；對難以表達的設計準則和專家知識，通過人機交互輸入，從而設計出符合要求的覆蓋件模具［4］、［5］。

三、系統結構模塊

基于知識的汽車覆蓋件模具半創成CAD系統的基本結構是圍繞知識庫和推理機組織的［6］。另外，它還需要知識獲取、解釋系統、人機交互界面、數據庫等功能模塊。圖1是本系統的基本結構模塊。

圖1 系統基本結構模塊

1.知識庫

知識庫的建立需解決知識獲取和知識表達兩方面的問題，具體表現在對模具設計準則和專家知識的處理及設計資料的利用上。為此，我們建立了可擴充的模具設計準則庫、三維標準件庫、常用件庫、典型模具結構庫和沖壓設備參數庫等，供設計人員調用。

2.推理機

推理機模擬模具設計專家的推理方法、技巧，利用知識庫的知識和已知事實進行推理，解決汽車覆蓋件模具設計過程中的問題。系統中選用了目標驅動的反向推理機制，即：

這種方式模擬手工設計路線的思維過程，從最終設計開始選擇設計順序和內容，最終形成完整的覆蓋件模具設計路線。采用反向推理，容易導出各級中間狀態(中間設計)的目標及要求，可避免設計的盲目性。

3.人機界面

將專家和用戶的輸入信息翻譯成系統可以接受的內部形式，同時把系統向專家或用戶的輸出信息轉換成為設計人員易于理解的形式。

4.中間數據庫

這是本系統在執行與推理過程中用以存放中間結果或論據等的工作存儲器。

四、設計過程實現

CAD/CAM技術，已滲入汽車制造業從產品設計、分析到加工的各個環節，同時也改變了傳統汽車車身設計和制造過程中的一些重要環節。標志之一就是用存儲在計算機內的數學模型取代了沿用多年的實物模型(主模型)［1］。

數學模型是CAD/CAM技術應用的基礎。在新的一體化的汽車車身設計和制造過程中，從產品設計、工程圖紙繪制、結構分析，到沖模設計、模具型面的數控加工都圍繞著車身形狀和屬性的數學模型展開。無論是汽車覆蓋件圖紙，還是模具型面的加工程序，都將由設計定形后的車身型面數學模型自動生成。

因此，進行汽車覆蓋件模具結構設計的依據，就是三維的數學模型，即覆蓋件沖壓工藝型面。下面，我們介紹以三維覆蓋件沖壓工藝型面為設計依據，利用Pro/Engineer的功能模塊對轎車行李箱后蓋拉延模進行設計的過程：

(1)根據上游得到汽車覆蓋件的沖壓工藝型面，得到凹模型面、凸模型面和壓邊圈型面(見圖2)。

圖2型面轉換關系

(2)通過人機交互得到凹模型面、凸模型面和壓邊圈型面的數據，如長、寬、高；水平面和垂直面內的輪廓線。

(3)根據型面數據和輪廓線，在Pro/Layout中建立總設計任務書(Layout)。該設計任務書以二維圖的形式表達模具的總體結構，確定模具結構的總體尺寸，如模具的閉合高度、最大寬度、最大長度；模具零件的長、寬、高；模具零件之間的裝配關系等。在總設計任務書中確定的尺寸只能在總設計任務書中修改，在后續的設計模塊中不能進行修改。

(4)根據總設計任務書，綜合所有的上游信息(如型面、沖壓設備參數等)，由推理機根據模具設計準則庫中的規則進行判斷、推理，在人機交互下完成模具結構的三維設計。

1)在Pro/Part中進行零件的三維模型設計，主要是工作零件，如凹模、凸模、壓邊圈等；
2)調用模具標準件庫、常用件庫中的零件，如墊板、導柱、導套、頂桿、螺釘等；
3)在Pro/Assembly中定義各零件間的位置關系和約束關系，將零部件組裝為三維裝配模型；也可調用典型模具結構庫中的裝配模型，在三維裝配模型中進行零部件的替換、修改、刪除或增加。

(5)建立模具結構零件之間的關聯性。在零件裝配過程中或裝配完畢后，修改任何一個零件，相關的上下級零件的空間位置、形狀、尺寸等皆會自動作相應更新。

(6)進行動靜干涉檢查和強度校核。Pro/Engineer所具有的三維設計功能，使得設計人員能夠檢查模具開、合狀態下，上下刀口、導向件、定距塊等是否發生干涉，斜楔運動時是否碰撞；對零件進行強度校核。

(7)在Pro/Drawing工作模式下，將三維裝配模型圖轉換為二維模具總裝圖，并生成裝配圖明細表；生成各個零件的二維工程圖�？扇我庠黾痈鞣N視圖、剖視圖，加各種注釋，修改線型及剖面線，可進行尺寸修改。

(8)可根據零件、裝配件的物理屬性來管理模型、圖紙和文檔，提供查詢功能等。

另外，建庫

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