塑料制品廣泛用于國民經(jīng)濟的各個(gè)生產(chǎn)部門(mén)，在現代社會(huì )中具有舉足輕重的地位。而注塑模則是其最主要的生產(chǎn)工具，對于注塑件模系統集成的研究具有重要的意義。CAX技術(shù)在注塑件模領(lǐng)域的應用，提高了企業(yè)效率和降低了成本。
但是，由于各個(gè)CAX系統之間的信息缺乏有效的溝通，以及CAX系統之間缺乏智能支撐技術(shù)，導致了整體的運行效果不盡如人意。
注塑模設計是典型的設計分析一體化過(guò)程。在傳統的串行設計過(guò)程中，各個(gè)設計和制造環(huán)節是分離的。為了縮短注塑模的開(kāi)發(fā)時(shí)間、降低成本和提高質(zhì)量，必須體現并行的思想。當前，CAD與CAE還是相對獨立的兩個(gè)部分，雖然目前的商用軟件對這個(gè)難題做出了各自的改進(jìn)工作，但總的來(lái)說(shuō)問(wèn)題還沒(méi)有根本的解決，存在諸多困難，CAE的能力并未充分發(fā)揮。本文的研究正是著(zhù)眼于實(shí)現CAEHCAE，以及CAbCAD的自動(dòng)化循環(huán)過(guò)程。
并行工程是先進(jìn)制造技術(shù)的核心思想，并行思想可以提高效率，降低成本和改善產(chǎn)品質(zhì)量。本文提出了CAD/CAE原稿收到日期：2001-）9-）7；修改稿收到日期：2002-01-28.王輝，男，1977年生，博士，主要研究方向為注塑模智能成本評估及注塑件多目標決策、模具CAD/CAE/CAM.田曉東，男，1973年生，博士，主要研究方向為反求工程、模具CAD/CAM和計算機圖形學(xué)。周雄輝，男，1963年生，博士，教授，主要研究方向為特征造型、模具CAD并行工程等。阮雪榆，男，1933年生，教授，博士生導師，中國工程院院士，主要研究方向并行環(huán)理論，豐富了并行工程的思想，并在工程應用上指出了實(shí)現此思想的具體途徑。
2注塑件CAD建模與CAE智能處理的集成化框架針對注塑件模領(lǐng)域目前CAD和CAE的“自動(dòng)化孤島”
現象，以及CAD和CAE系統之間缺乏聯(lián)系的現狀，本文提出了CAD/CAE并行環(huán)的思想，系統框架如所示。它包括以下幾個(gè)部分：注塑件結構設計CAD環(huán)。它指“特征建I塑件結構設計專(zhuān)家系I特征建?！钡难h(huán)過(guò)程⑴，也就是圖中的CAD環(huán)過(guò)程。此部分工作已經(jīng)在UG的UG/MFPartAdviser中得到了部分應用。本文將其作為一個(gè)獨立的板塊放入注塑件生命周期環(huán)的大循環(huán)中。
注塑件模CAD/CAE并行環(huán)。也就是從CAD-CAtCAD的循環(huán)過(guò)程。它包括如下部分：3.1用于注塑工藝參數設計的CBR系統注塑件/漠CAE系統。依據參數設計CBR系統提供的結果，以及CAD系統提供的幾何特征信息，對一系列的工藝條件進(jìn)行分析；CAE分析結果的定向解釋專(zhuān)家系統。其主要作用是結合注塑件CAD建模系統，對CAE分析的結果進(jìn)行智能處理。
注塑件生命周期環(huán)。它涵蓋了注塑件相關(guān)的各個(gè)方面，是一個(gè)完整的生命周期環(huán)。
3注塑件CAD建模與CAE智能處理的關(guān)鍵技術(shù)為實(shí)現系統集成，本文所要研究的關(guān)鍵技術(shù)包括：CBR技術(shù)是智能推理的一個(gè)重要分支，它是基于人的認知過(guò)程，應用記憶組織來(lái)實(shí)現推理的。由于注塑工藝參數選定工作的強實(shí)踐性，用傳統的規則推理來(lái)總結出所有的參數選擇規律是不現實(shí)的，并且隨著(zhù)所選擇知識的增加，很可能會(huì )出現知識爆炸的局面，因此使用CBR推理方法來(lái)求解是最合適的（如所示）。用于注塑工藝參數設計的CBR系統有其特殊性（如所示）。Case定義如下：?jiǎn)?wèn)題一一塑件幾何特征，材料類(lèi)型，流動(dòng)方式，厚度，分型面復雜系數等等塑件/模具的特征信息；結果模具的各種注塑工藝參數。
事例的索引。目前有兩種索引方式：一種是按照各個(gè)事例類(lèi)型進(jìn)行順序列表；第二種是依據因果關(guān)系來(lái)進(jìn)行事例的索弓I.為了簡(jiǎn)化起見(jiàn)，采用最簡(jiǎn)單的順序方式。
事例的檢索。最關(guān)鍵的是事例的檢索算法，常用的方法是，其中foik表示事例庫中舊事物的值，/ra.k表示相比較的新事物的值，Wi是權重。關(guān)于事例檢索的算法很多，包括模板法、歸納法、知識導引法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型法。這些方法各有特點(diǎn)。本文采用最近鄰法。
針對注塑件工藝參數的改寫(xiě)問(wèn)題，目前國外有兩類(lèi)方法：（1）參數調整方法31，也就是建立一定的公式映射關(guān)系，比較新舊事例的差異，然后利用映射關(guān)系求得改寫(xiě)參數值；等效替代法4.在事例庫中尋找可以等效替代它的參數。
由于注塑條件與各種注塑工藝參數之間的關(guān)系難以確定，利用傳統的工藝改寫(xiě)方法具有其局限性。本文采用知識缺乏型事例改寫(xiě)方法（遺傳算法）來(lái)進(jìn)行工藝參數的改寫(xiě)。其關(guān)鍵步驟包括：初始樣本。首先從事例庫中過(guò)濾出相似性比較小的事例，從而優(yōu)化了進(jìn)行遺傳操作的父代樣本質(zhì)量。從這些滿(mǎn)足一定要求的事例庫中再隨機復制一定數量的初始樣本，使最終進(jìn)行遺傳操作的樣本總數達到預定的群體規模。
染色體編碼。遺傳算法不能直接處理空間的數據，必須通過(guò)有效且通用的編碼方法，將問(wèn)題的可能解編碼表示成有限位的二進(jìn)制字符串（基因型串結構）。本文將染色體編碼分為4個(gè)部分：a.注塑件的特征信息。它包含注塑件的類(lèi)細節、表面粗糙度、公差和分型面復雜因子等特征變量。b.獨立于具體加工條件的模具特征因素。每副模具的具體型腔個(gè)數、模架的類(lèi)型、型腔材料、電鍍、模架材料和鑲件。c.模具注塑生產(chǎn)相關(guān)基本參數。模腔熔融狀態(tài)溫度、注塑壓力和時(shí)間參數等。d.得出的注塑工藝參數值。注塑機操作參數、料筒溫度、模具溫度、注射速度、最大鎖模力、注塑機合模及保壓時(shí)間等。
它們以順次方式串成一個(gè)二進(jìn)制字符串，從而構成了一個(gè)樣本。
適配值函數。對于遺傳算法而言，適配值函數對應于最優(yōu)化的指標函數。當對事例進(jìn)行改寫(xiě)時(shí)，希望改寫(xiě)的事例使得注塑件的特征信息、模具部件的特殊要求以及模具注塑生產(chǎn)相關(guān)基本參數等都得到滿(mǎn)足。要求樣本的這些特殊要求所對應的染色體編碼部分和當前得到的染色體對應部分之差的平方和最小，這個(gè)值就是適配值。
復制。采用輪盤(pán)賭算法。
雜交。在父樣本的字符串中隨機地產(chǎn)生一個(gè)分段點(diǎn)，將分段點(diǎn)后的子串互換，生成兩個(gè)子樣本，交換概率定為0.6~變異。在每個(gè)子樣本的字符串中隨機地選擇一位，將其數值取反（即1變?yōu)?，0變?yōu)?），變異概率定為0.00卜0.01.循環(huán)。將新產(chǎn)生的樣本加入到原樣本中，或可以直接加入到前面被選出的優(yōu)秀的父樣本中，組成新種群。至此，一輪遺傳操作完成。對適配值進(jìn)行排序，并進(jìn)行下一輪迭代計算，直至達到滿(mǎn)意的性能指標。在最后的種群中選擇最好的一個(gè)樣本，將其解碼后即得到最優(yōu)的模具方案和報價(jià)。
3.2CAE分析結果的定向解釋專(zhuān)家系統CAE分析結果的定向解釋專(zhuān)家系統是對CAE分析數據進(jìn)行分析和處理，得出比較滿(mǎn)意答案的過(guò)程。目前這個(gè)領(lǐng)域的研究正處于起步階段5，而智能化則是其主要的發(fā)展方向。
本文提出的注塑CAE分析結果的定向解釋專(zhuān)家系統是利用傳統的規則推理的。通過(guò)對注塑件特征模型和CAE分析結果文件的解讀和信息抽取工作，對信息進(jìn)行合理的智能解釋。缺陷解釋專(zhuān)家系統所要解決的主要問(wèn)題包括：注塑件的材料和結構缺陷，如塑件表觀(guān)質(zhì)量、制品形狀和精度尺寸等；注塑工藝參數，如熔體溫度、模具溫度、保壓壓力和注射速度等；注塑模的流道系統設計，包括澆口位置的確定，澆口形式的選擇等。
它的主要功能模塊包括：型'塑寸0內凹的個(gè)數ac外凹陷個(gè)數和類(lèi)型的ing對i.l特征信息文1cf.Al息抽取工作。通過(guò)編程來(lái)對這些文件進(jìn)行解讀，變成程序可以識別的代碼；通過(guò)歸納和整理大量知識，建立缺陷診斷知識庫。針對可能出現的翹曲、填充不滿(mǎn)和過(guò)度填充、熔接痕、應力集中等情形，總結其原因，放入缺陷診斷知識庫中；對眾多的CAE分析結果文件進(jìn)行過(guò)濾，通過(guò)數據挖掘，過(guò)濾出對解釋專(zhuān)家系統有用的信息，并將其融會(huì )到智能化診斷和推理中去。其主要工作是對數據挖掘算法的研究，這是因為算法的優(yōu)劣程度直接關(guān)系到過(guò)濾出數據的準確性和完整性。
對缺陷診斷知識庫的維護工作，包括對新事例的加入工作，對眾多知識的管理工作等。
分析結果的定向解釋工作是目前注塑件CAD/CAE集成工作中最欠缺的一環(huán)，對這個(gè)問(wèn)題的合理解決具有實(shí)際意義。
Stepl.系統準備階段。建立缺陷診斷知識庫。在系統投入應用前，首先將各種缺陷的表征進(jìn)行分類(lèi)匯總，針對注塑件可能出現的翹曲、填充不滿(mǎn)和過(guò)度填充、熔接痕、應力集中等原因，建立IF-THEN結構的基于規則的推理機制。這些原因包括注塑工藝因素、注塑模流道系統的設計因素、注塑件本身的設計因素等。
Step2系統數據輸入階段。a.對注塑過(guò)程進(jìn)行CAE分析，產(chǎn)生分析結果文件。就MoldFlow來(lái)說(shuō)，其輸出文件主要有模型文件和分析結果文件兩類(lèi)，輸出格式有二進(jìn)制和ASC格式。模型文件包括。mfl，。rnla，。ela，。ain，。ata.有限元模擬產(chǎn)生的數據信息量非常龐大，通過(guò)編程將這些文件進(jìn)行解讀。獲得諸如流道系統、填充信息、溫度信息等相關(guān)數據。b.對注塑件特征信息文件進(jìn)行反處理，通過(guò)程序獲得相關(guān)的注塑件特征信息。
Step3.系統數據定向解釋階段。a.通過(guò)對CAE分析結果文件和注塑件特征信息文件進(jìn)行數據挖掘，過(guò)濾次要因素，找出其規律性，獲得抽象的注塑工藝因素注塑模流道系統設計因素等。b.利用缺陷診斷知識庫對這些挖掘出的有效信息進(jìn)行分析，從而得出合理的解釋和結論。
Step4.系統維護和對后續CAD/CAE并行環(huán)的指導階段。a.維護缺陷診斷知識庫，擴充知識庫。優(yōu)化數據挖掘算法，完善定向解釋專(zhuān)家系統的功能。當一個(gè)新規律被發(fā)現后，可以擴大相關(guān)的缺陷知識庫，同時(shí)通過(guò)數據挖掘算法找出IF條件所要求的信息。丨>后續CAD/CAE并行環(huán)，將定向解釋專(zhuān)家系統的結果反饋給決策者。決策者可依據專(zhuān)家系統的建議，作出更改塑件結構設計、更改注塑模結構設計或更改注塑工藝方案等決策。
3.3數據流的流動(dòng)過(guò)程數據流的流動(dòng)過(guò)程首先是CAD環(huán)的循環(huán)過(guò)程。
CAD環(huán)。塑件設計工程師首先通過(guò)CAD特征建模系統對塑件進(jìn)行設計；設計信息隨后傳遞給塑件結構設計專(zhuān)家系統。此系統對結構信息進(jìn)行分析和推理，給出必要的結構更改建議；最后把結果反饋給注塑件CAD特征建模系統。
CAD環(huán)一CAE.CAD環(huán)最后給出的結論是塑件的特征設計信息（包括幾何信息和非幾何信息），并以文件的形式存儲。a.CAD傳遞給注塑工藝設計CBR系統的信息是塑件的特征信息，這些信息中的形狀特征以特征樹(shù)的形式存儲在計算機中，形狀信息是其它特征信息的載體。注塑工藝CBR系統所需要的輸入參數就是從這個(gè)文件中提取出來(lái)的。b.注塑件膜CAE系統所需要的輸入數據來(lái)自?xún)蓚€(gè)方面：工藝CBR系統得出的檢索結論（總的工藝參數信息）；注塑件的幾何信息。
特征建模系統生成的是覆蓋所有信息的特征文件，而當前注塑件CAE分析軟件所能夠接受的文件形式只能是幾何信息（1GES或STL格式），非幾何特征信息是傳遞不過(guò)去的，也就是幾何和非幾何信息出現了分離，如所示。而在后面的CAE分析結果定向解釋系統中（CAE后處理過(guò)程），又需要把兩者的特征信自結合起來(lái)那么這種情況如何處理，分析結果文件：行合理的建議和解釋。這種建E建模CAD系統，也就是所謂我們認為：a.可以在特征建模過(guò)程中給每個(gè)特征加上一個(gè)唯一的標識符特征ID，它對一個(gè)塑件的不同特征而言是唯一的。建立特征樹(shù)，通過(guò)克努特變換轉換為二叉樹(shù)形式存儲在計算機中。b.對每個(gè)特征可以獨立生成中面及劃分網(wǎng)格，然后通過(guò)布爾代數拼接。這樣，每個(gè)中面也就從特征模型中繼承了特征信息（包括特征ID）。c.在進(jìn)行注塑件CAE分析前，要對得到的中面模型進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。很顯然，劃分的網(wǎng)格就具有了特征ID這個(gè)唯一的標識符，從而繼承了特征信息。
CAEICAD環(huán)。它隸屬于有限元的后處理過(guò)程。CAE結果分析文件和CAD特征建模系統的特征信息文件最后都輸入到注塑件CAE分析結果的定向解釋專(zhuān)家系統中。由上面的分析可以知道，這兩種文件通過(guò)特征ID這個(gè)唯存在的內部缺陷和外部缺陷翅議會(huì )反饋給人類(lèi)工程師和特征的CAEICAD環(huán)。
生命周期環(huán)。當獲得相對滿(mǎn)意的設計結果后，塑件設計信息和相應的注塑工藝參數信息就會(huì )傳遞給后續環(huán)節。
經(jīng)過(guò)一個(gè)生命周期環(huán)后，下一個(gè)生命周期循環(huán)重新開(kāi)始。
4實(shí)例本文前述部分構筑了注塑件CAD建模與CAE智能處理的集成化并行環(huán)思想及其理論框架，對于實(shí)際工作具有一定的理論意義和指導價(jià)值。顯而易見(jiàn)，整個(gè)系統的運行是一項很大的系統工程，成熟系統的開(kāi)發(fā)是一項耗時(shí)的工程。下面給出一個(gè)典的標標識酸腿合遂后通過(guò)專(zhuān)家系偏酌nl，對Msl型的例子來(lái)說(shuō)明原型11的運行如所示Zwww.cnki.net設計（通過(guò)UG中的CAD模塊），然后利用UG/MFPartAdviser對結構設計作出建議。通過(guò)CAD環(huán)的運行，發(fā)現注塑件厚度過(guò)大，將其壁厚減為以前的8（%.（2）CADICAE.a.將注塑件特征信息輸入我們開(kāi)發(fā)的注塑工藝參數設計CBR系統。理想的方式是通過(guò)基于STEP的特征建模，通過(guò)對特征的自動(dòng)抽取作為CBR系統的輸入。但是，由于特征建模工作的復雜性，在本原型系統中，采用人機界面方式輸入塑件特征和其它相關(guān)信息。通過(guò)CBR系統的運行，初步選定注塑工藝參數范圍，產(chǎn)生工藝參數結果初步信息文件。b.將UG產(chǎn)生的注塑件IGES形式信息文件傳入到CAE模塊MoldFlow中，同時(shí)CBR系統生成的工藝參數結果初步信息，CAE工藝師在MoldFlow中進(jìn)行工藝分析，分析結果云圖如所示。
解釋專(zhuān)家系統。它首先對CAE分析結果文件進(jìn)行前處理，通過(guò)編程，過(guò)濾出定向解釋專(zhuān)家系統所需要的輸入條件信息。
同時(shí)，通過(guò)對從UG中CAD模塊輸出的特征信息文件進(jìn)行解讀，獲得定向解釋專(zhuān)家系統所需的所有輸入條件。然后通過(guò)建立的缺陷診斷知識庫，利用CBR進(jìn)行推理，獲取缺陷產(chǎn)生原因及解決的對策和建議。b.CAD設計方案的更改階段。利用CAE分析結果的定向解釋專(zhuān)家系統得出的結論，對設計和工藝方案進(jìn)行更改，然后把它反饋給塑件和工藝設計專(zhuān)家。例如，為了改善流動(dòng)性而添加澆口，將使模具設計的過(guò)程復雜化（澆注系統復雜化），如果不改變模具澆注系統的設計，可以通過(guò)改變塑件結構設計的來(lái)達到目的，可以縮小大孔的大小，將它一分為二。
注塑件生命周期環(huán)。通過(guò)CAD環(huán)，CADICAEICAE反復循環(huán)，獲得滿(mǎn)意的設計和工藝方案后，將它放入注塑件生命周期環(huán)。
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