本文主要介紹CATIA 的知識工程模塊在汽車?yán)錄_模具中的應(yīng)用。通過使用關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)和參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，構(gòu)建一套符合模具設(shè)計(jì)制造的標(biāo)準(zhǔn)流程，并設(shè)計(jì)過程中嵌入已有的知識經(jīng)驗(yàn)，從而減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、降低勞動強(qiáng)度和提高設(shè)計(jì)效率。

　　汽車模具企業(yè)目前的最大生存挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)制造周期要求越來越短。縮短設(shè)計(jì)周期應(yīng)從兩方面著手：一方面縮短單一階段(沖壓工藝設(shè)計(jì)，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等)的周期，另一方面通過對階段間數(shù)據(jù)的有效管理，使設(shè)計(jì)過程并行、關(guān)聯(lián)。

　　一、 CATIA 知識工程系列工具

　　運(yùn)用軟件的知識工程模塊，將專業(yè)化工程知識庫融入模具的設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)，可最大限度地提高設(shè)計(jì)質(zhì)量及效率。CATIA V5 軟件提供了豐富的知識工程應(yīng)用手段。常用的CATIA 知識工程模塊主要有KWA(知識顧問)，KWE(知識專家)，PKT(知識模板) 等。基于知識的智能化設(shè)計(jì)主要有以下幾種基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)方法：

　　1) 利用參數(shù)和公式驅(qū)動幾何模型(Prameters,Formulas)利用CATIA 應(yīng)用軟件的系統(tǒng)定義參數(shù)，將設(shè)計(jì)中的尺寸約束轉(zhuǎn)化為控制產(chǎn)品圖形的特征參數(shù)，通過可視化修改，可直接驅(qū)動模型;用戶自定義參數(shù)不能直接驅(qū)動模型，需通過用戶自定義的公式與系統(tǒng)參數(shù)建立聯(lián)系，形成多種多樣的知識表達(dá)式，通過公式驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)而驅(qū)動模型。此方法貫穿于實(shí)體設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，也是下兩類智能化設(shè)計(jì)手段的基礎(chǔ)。

　　2) 利用表格驅(qū)動幾何參數(shù)模型(DesignTable)

　　應(yīng)用表格驅(qū)動幾何模型就是將與設(shè)計(jì)有關(guān)的數(shù)據(jù)以表格形式存放在相應(yīng)的文件或數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)建立表中記錄與設(shè)計(jì)模型特征參數(shù)的聯(lián)系，通過訪問表中不同記錄達(dá)到改變幾何尺寸的目的，從而實(shí)現(xiàn)用表格驅(qū)動幾何模型。該方法尤其適用于標(biāo)準(zhǔn)件，系列化零件。

　　3) 運(yùn)用基于規(guī)則推理的方法驅(qū)動幾何模型(Rule, Check，Reactions)

　　該方法是將設(shè)計(jì)過程中的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、規(guī)范、原理、經(jīng)驗(yàn)等采用IF-THEN 形式表達(dá)，并建立相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)則庫，存儲大量的設(shè)計(jì)規(guī)則，設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，組成基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫，指導(dǎo)模具設(shè)計(jì)，控制模具結(jié)構(gòu)，直接驅(qū)動模具模型，能夠有效控制設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤。

　　4) 形成多級設(shè)計(jì)模板及參數(shù)化工具。(Powercopy, UDF, Part Template, Assembly Template)

　　根據(jù)設(shè)計(jì)需求，綜合采用以上三種知識工具，運(yùn)用PKT(知識工程模板)模塊，形成多級別的知識工程系列模板，如特征級模板、局部結(jié)構(gòu)級模板、零件級模板、裝配級模板等。

圖1 知識庫結(jié)構(gòu)圖

　　二、 模具知識工程模板庫的構(gòu)成

　　本公司通過一年的實(shí)踐已初步形成以基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模板庫、典型結(jié)構(gòu)庫、標(biāo)準(zhǔn)零件庫、沖壓設(shè)備庫為核心的知識工程系列設(shè)計(jì)模板庫。知識工程模板作為一種可重復(fù)再利用的資源，對于結(jié)構(gòu)類似或表達(dá)內(nèi)容類似的工作通過替換或引用可達(dá)到快速重用的目的。本文簡要介紹基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)模板庫的構(gòu)造方式及特點(diǎn)。

　　基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫是在CATIA V5 環(huán)境下建立的基于知識的智能化設(shè)計(jì)資源庫。其結(jié)果就是建立了本企業(yè)數(shù)字化的三維建模規(guī)范及流程。基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫中的資源根據(jù)模板本身的參數(shù)化程度及應(yīng)用范圍進(jìn)行分級建立和管理。基礎(chǔ)模板的建立首先需要根據(jù)輸入的設(shè)計(jì)信息建立模具的工程模型;其次針對設(shè)計(jì)過程中的規(guī)則、企業(yè)規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等建立由各種設(shè)計(jì)規(guī)則、檢驗(yàn)法則和專家規(guī)則構(gòu)成的設(shè)計(jì)知識庫;最后，通過各種知識推理方法實(shí)現(xiàn)模具結(jié)構(gòu)的智能化設(shè)計(jì)。

　　建立一個(gè)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定易于應(yīng)用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫，必須注意以下兩個(gè)方面：

　　1) 模具結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)化

　　模具結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化的思想是貫穿整個(gè)模塊化建模理念的基礎(chǔ)。通過采用大量關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)化局部典型結(jié)構(gòu)，使模具的設(shè)計(jì)過程變成局部標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的壘積過程。實(shí)施的關(guān)鍵是總結(jié)拆分并整理各種類型的模具通用典型結(jié)構(gòu)，使其參數(shù)化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，在設(shè)計(jì)過程中通過布爾運(yùn)算相加到一起，最后形成一個(gè)完整的設(shè)計(jì)。但是由于模具設(shè)計(jì)的單件、小批量的特點(diǎn)，不可能完全采用參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)中只能盡量考慮應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，基礎(chǔ)模板的建立應(yīng)充分考慮其應(yīng)用的靈活性，要求各級模板中的參數(shù)名稱盡量保持關(guān)聯(lián)統(tǒng)一，達(dá)到參數(shù)化結(jié)構(gòu)可拆分可重組的目的。這樣，在模具設(shè)計(jì)構(gòu)想階段，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫為設(shè)計(jì)提供了大量可參考或直接應(yīng)用的典型模具結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)根據(jù)不同的使用場景，采用不同的模板結(jié)構(gòu)形式，如POWERCOPY 結(jié)構(gòu)、UDF 結(jié)構(gòu)、Part 模板結(jié)構(gòu)、裝配模板結(jié)構(gòu)等。

圖2 模塊化設(shè)計(jì)思路

　　2)布爾運(yùn)算的合理運(yùn)用

　　建模過程中合理應(yīng)用實(shí)體的布爾運(yùn)算結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和橋梁。在模具設(shè)計(jì)過程時(shí)，布爾運(yùn)算的合理使用，可以從思路上將設(shè)計(jì)分為幾塊。例如將模具的工作和導(dǎo)向部分分開設(shè)計(jì)，然后通過布爾運(yùn)算加到一起。這種化整為零的做法，切斷了各個(gè)部分的相互牽連。局部一處的修改，不會影響到其他部分的。這個(gè)做法在模具的后期修改中的作用是非常大的。另外，一些需要加工的孔、槽類特征作成布爾運(yùn)算的形式，泡沫數(shù)控編程時(shí)只要將布爾運(yùn)算特征設(shè)為不激活狀態(tài)，就可以直接進(jìn)行泡沫編程，十分方便。設(shè)計(jì)者只需要控制幾個(gè)基本的特征參數(shù)，系統(tǒng)將會根據(jù)事先輸入到計(jì)算機(jī)中的結(jié)構(gòu)規(guī)則，自動提供出合理的結(jié)構(gòu)方案。知識工程的引入，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)庫的建立，使三維實(shí)體模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加智能化。

圖3 基礎(chǔ)模板的引用

　　三、基于知識工程模板的并行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

　　并行設(shè)計(jì)比傳統(tǒng)的串行設(shè)計(jì)增添了很多的數(shù)據(jù)交換和設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)的環(huán)節(jié)，因此需要一個(gè)有效的設(shè)計(jì)方式來控制各個(gè)設(shè)計(jì)階段的輸入數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)的引用、輸入數(shù)據(jù)的替換及輸出數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)計(jì)階段自身的完整性和相互的協(xié)調(diào)性。在此，我們采用了基于知識工程模板的發(fā)布(Publication)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。應(yīng)用系列知識工程設(shè)計(jì)模板不但能有效地縮短單一工序的設(shè)計(jì)周期，同時(shí)也使整個(gè)設(shè)計(jì)制造流程各個(gè)階段的并行關(guān)聯(lián)成為可能。圖1-3 可以看出并行的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)流程相對傳統(tǒng)的串行模具設(shè)計(jì)流程可以縮短總的產(chǎn)品開發(fā)周期。實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)關(guān)鍵的技術(shù)是關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中上一工序的設(shè)計(jì)變更的信息不能及時(shí)傳遞，而導(dǎo)致下面工序?qū)嶋H上在做錯(cuò)誤的工作。關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)可以及時(shí)反映出上一工序設(shè)計(jì)變更，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。通過關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)近似零件的模具設(shè)計(jì)資源重復(fù)應(yīng)用，縮短設(shè)計(jì)周期。具體應(yīng)用請參見下面案例。

圖4 并行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)模型

　　四、知識工程模板應(yīng)用案例

　　下面以一套典型雙動拉延模為例簡介利用知識庫進(jìn)行并行關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)的基本過程。一般沖壓模具設(shè)計(jì)分為兩個(gè)主要階段，第一階段是3D-DL 沖壓工藝圖的設(shè)計(jì);第二階段是模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式必須等到?jīng)_壓工藝完全設(shè)計(jì)完畢后才開始模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用知識工程模板后，DL 通過前期初步設(shè)計(jì)出雛型后，就根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求發(fā)布(Publication)基本的控制幾何元素(不要求精確幾何)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)引用該發(fā)布元素并調(diào)用類似的知識工程模板直接用于模具結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計(jì)，此時(shí)與沖壓工藝的詳細(xì)設(shè)計(jì)同步進(jìn)行。最后等到3D-DL 圖最終完成，我們再用3D-DL 圖最終數(shù)據(jù)替換或更新掉原始的初步工藝模型，這樣就同步完成整套模具的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，有效地縮短了模具整體的設(shè)計(jì)開發(fā)周期。

圖5 并行設(shè)計(jì)案例

　　構(gòu)建該類知識工程模板的關(guān)鍵技術(shù)主

　　要有以下兩點(diǎn)：

　　1. 通過Publication 實(shí)現(xiàn)DL 設(shè)計(jì)和模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)

　　在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要引用DL 文件和機(jī)床文件的數(shù)據(jù)，但是這種引用是一種跨裝配的關(guān)聯(lián)，同時(shí)DL 文件內(nèi)部的各種模型并不一定是帶關(guān)聯(lián)的模型。針對這種狀況，我們使用了CATIA V5 中的Publication 功能，通過這種功能，實(shí)現(xiàn)了DL 文件和機(jī)床文件的參數(shù)幾何控制主控文件，主控文件再控制凸模，壓邊圈，下模的結(jié)構(gòu)，同時(shí)，對DL 文件內(nèi)部的各種模型的關(guān)聯(lián)性沒有任何要求。

　　Publication 功能起到了以下作用：

　　• 作為一個(gè)數(shù)據(jù)交換的黑盒子，存數(shù)據(jù)的只管存，不管誰引用;取數(shù)據(jù)的只管取，不管誰存放。

　　• 可以方便實(shí)現(xiàn)裝配內(nèi)和裝配之間的數(shù)據(jù)(參數(shù)，幾何)的關(guān)聯(lián)。

　　• 只要保持Publication 的名稱不變，非常容易實(shí)現(xiàn)替換。

　　2. 通過主控文件管理整套模具的主控參數(shù)和幾何，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)中的自頂向下控制。

　　主控文件是模具模板文件中的主控參數(shù)和幾何文件，存放整個(gè)模具的各種主控參數(shù)：基準(zhǔn)參數(shù)，輪廓間隙，筋厚，空開結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)等，以及各類幾何數(shù)據(jù)，如曲面，線框，草圖。其作用是控制了凸模，壓邊圈，下模的框架結(jié)構(gòu)的大小和位置。修改主控文件的過程實(shí)際上是一個(gè)方案概要設(shè)計(jì)的過程，而與常規(guī)的方案設(shè)計(jì)不同的是：主控文件中的概要設(shè)計(jì)結(jié)果將直接修改凸模，壓邊圈，下模的框架結(jié)構(gòu)，所以修改主控文件完成后，凸模，壓邊圈，下模的框架結(jié)構(gòu)將極快地更改完成，從而達(dá)到自頂向下設(shè)計(jì)的目的。