摘要：模具设计一直是钣金制造领域的研究热点，为了实现模具的快速设计，国内外学者进行了大量的研究。型材拉弯成形模具是决定型材拉弯零件成形质量的关键因素之一，通过采用数字化手段可实现型材拉弯成形模具设计的快速化和智能化，但当前的研究主要针对基于知识的模具设计，而对型材拉弯模具设计中如何应用模具设计知识的研究很少。为此，笔者在分析型材拉弯成形模具设计过程的基础上构建模具设计知识模型，建立了基于知识的型材拉弯模具数字化设计方法，解决了模具数字化设计的关键问题，并通过实例证明了该方法的有效性。
一、模具设计过程分析
型材拉弯成形模具设计按其过程可分为总体方案设计、概要设计和详细设计3个阶段，在不同的设计阶段具有不同的设计内容，如图1所示。总体方案设计是指根据成形零件的结构特点对其模具结构进行初步的规划，这是后续模具设计的重要依据；概要设计是在总体方案设计的基础上进行的，主要包括结构参数设计和型面设计；详细设计主要进行结构要素、标准件以及圆角的设计。成形模具设计过程具有以下几个特点：一是需要运用大量的理论知识、专业知识以及经验进行模具设计；二是设计过程中每一阶段的设计结果都对下一阶段产生影响，设计流程具有一定的柔性；三是针对相似的零件尽量利用已有的成熟设计方案，以提高模具设计的可靠性；四是对企业中型材拉弯模具设计流程进行提炼和复用，可以提高设计效率；五是模具建模方式不规范，采用通用的CAD软件设计效率低，急需先进和快速的模具CAD系统。
二、基于知识的模具设计方案
1．知识构成
型材拉弯成形模具的设计知识主要分为方案设计知识和参数设计知识，在不同的设计中分别建立模具总体方案设计和参数设计知识模型，如图2和图3所示。不同领域和形式的设计知识在表达与推理方式上也不尽相同，只有通过研究不同领域知识本身的特点，找到最合适的表达和推理方法，才能更好地使用知识。
2．模具设计
基于知识的模具设计就是把规范的设计信息、最优的设计方法和流程等隐性知识转化为显性知识，将知识以参数、公式、规则、检查、报告、设计表等多种形式表示出来，并进行定义、修改、插入等操作，在模具设计过程中自动捕捉和复用设计知识，引导用户完成模具的总体方案设计、概要设计、详细设计全过程，最终生成型材拉弯成形模具数模，并将模具信息存储在知识库中。在对成形模具设计知识研究的基础上构建模具设计知识库，开发模具结构设计系统和模具几何建模系统，并将知识应用和CAD结合起来，实现对型材拉弯成形模具数字化设计过程的支持（见图4）。通过对模具设计知识的应用，使模具设计过程趋于规范化，减少了设计人员的重复性工作，同时通过知识的动态积累不断实现对知识库自身的扩充与完善，使之更好地为成形模具设计服务。
3．模具结构方案及参数
模具结构方案设计主要由零件特征决定，型材拉弯成形模具的结构比较简单，但针对不同类型的零件模具结构有所不同。根据模具结构设计的具体情况，采用成组思想对不同类型零件及对应的模具结构形式进行归纳总结，得到模具结构设计的典型知识，并通过图表的形式表现出来。型材拉弯成形模具结构参数设计工作主要是对模具的盖板、底板和模体厚度、工作间隙等参数进行设计。模具结构参数设计知识一般以经验为主，属于过程型知识，执行效率高。模具结构参数是构建三维模型的关键，结构参数知识是结构参数设计的主要依据，因此需要快速、直接、准确地进行知识的表达推理。同时，针对模具结构参数设计知识的特点，采用基于产生式规则的方法描述结构参数设计知识。产生式规则表示知识具有以下优点：一是可对单条产生式规则进行增添、删除或者修改，而不用考虑与其它规则的关系；二是采用单一的知识表示形式，易于被其他人理解；三是表示形式与人们求解问题时的思维形式相似。
4．基于XML的模具设计
在整个型材拉弯工艺数字化设计过程中，工艺参数设计、模具设计、成形性评估等系统都存在着交互，需要信息传递与共享。但由于系统间不同、数据结构各异，很难使用CAD模型的几何信息进行大量的工程计算和设计决策。为面向信息集成的需要，需以专用格式或标准交换格式表达。笔者在分析型材拉弯模具设计各阶段的设计内容及模具结构的基础上，提出一种基于XML（是由W3C发表的一种标准，面向Web应用的标记语言，可以描述各种各样的数据信息）的模具设计信息表示方法，建立模具设计内容的语义，基于XML格式来扩展模具设计信息的集成应用。通过建立型材拉弯成形模具设计信息的标准模式，可以完整、清晰地表达型材拉弯模具设计信息，实现模具信息基于网络的传递和共享。在型材拉弯成形模具设计过程中，各个设计阶段的信息不断被充实，构成了完整的模具设计信息模型，如图5所示。型材拉弯成形模具设计信息主要包括方案信息、几何信息以及数模信息。其中，方案信息和几何信息可以直接在XML文件中解析读取；数模信息在XML文件中只表现为模具图号，用户可以根据图号从模具库中调用；模具信息XML文件是模具信息的主要载体，通过向工艺参数设计系统传递模具几何信息，从而为数控指令中加载轨迹计算提供几何依据。
三、设计实例应用
以某个零件为例，针对成形模具的总体方案设计和结构参数设计阐述知识对型材拉弯成形模具设计的支持作用。型材拉弯成形模具设计子系统由模具结构参数设计模块和模具几何建模模块组成，通过自带浏览器访问模具结构参数设计模块，实现知识对模具设计过程的指导。系统外部接口采用XML文件进行与其它系统之间不同数据信息的获取和传递。在各类信息内容规范的基础上，定义模具设计特征等信息的XML描述文件，形成型材拉弯模具设计系统内的表示与接口标准，实现在应用系统间、应用系统与数据库之间的信息交换和集成。系统内部接口的模具几何建模模块通过内部浏览器登录模具结构参数设计模块查看设计知识，模具设计完成后生成的数模等文件通过上传方式传递给模具知识库子系统。根据零件信息的描述可知，此零件为收边变形的角型材零件，根据典型知识可得，成形模具采用底板和模体结构。结构参数设计根据所选择的成形模具的结构方案，采用基于产生式规则的方法设计模具结构的参数，最后将这些参数与型面设计相结合，利用基于知识的拉弯模具设计系统在几何建模系统中生成模具的三维数模，形成最终的设计结果。综上所述，采用基于知识的型材拉弯模具设计方法可以更加快速准确地完成型材拉弯模具设计，显著缩短了型材拉弯模具的设计周期，同时降低了生产成本。
作者：董伟 殷德政 黄有旺 单位：北京航天长征飞行器研究所
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