基于模型推理的铸造模具设计研究与应用

Int J Adv Manuf Technol (2002) 20:284–295Ownership and Copyright2002 Springer-Verlag London LimitedApplication of Case-Based Reasoning in Die-Casting Die Design 基于模型推理的铸造模具设计研究与应用K. S. Lee and C. Luo机械工程部，新加坡，英国东南部州新月国立大学, 新加坡本文所涉及的研究是基于模型推理(CBR)的铸造模具设计的一项研究。

不同于传统的铸造模具设计的CAD系统,这一个系统以知识和经验为基础, 修正了一些早先的理论，得到一种新的系统。

在解决问题的基础上，这个系统可以用积累的知识去解决新的问题,所以该系统能从经验知识中进行自我学习。

其工作包括:1.为铸造模具的设计发展提供以模型推理为基础的环境, 所以系统自己能够从先前的经验知识中进行自我学习，从而变得更有效率。

2.为有效率地重复使用早先的设计资源，需要发展有效的模型表现和改编方法学。

本文把重心集中在铸造模具的设计上。

然而，这种基于特定的程序特征和代码程序设计结构对其他的设计过程 (例如固定设计和注塑模具设计) 也是能够适应的。

关键词: 基于模型推理; 铸造模具; 参数化设计1. 引言铸造模具设计是一个反复设计的过程，需要积累经验知识和具有解决问题的能力。

当使用传统的CAD系统 (比如Pro-Engineer和Unigraphics)进行设计工作的时候，只能提供很少的帮助，利用传统的设计经验和资源是非常耗时的工作。

此外,模具的设计质量非常依赖于设计者的技术, 因为生产一种模具时，它需要材料知识，机器知识和操作的经验。

然而，在铸造模具设计中应用计算机辅助设计 (CAD) 技术，在很短的时间内已经发展的很广泛了。

伴随着铸造模具设计的智能化 (人工智能) 技术的发展，一些工人已经尝试在一个专家系统中储存设计知识和经验[1,2]. 然而，专家系统的发展由于以下原因受到限制: （1）. 铸造模具设计的知识和经验是太复杂而无法使用简单的规则去表达。

（2）. 它不能够在一个专家系统容易地表达。

（3）. 它难以组织和认识特征。

近几年来, 基于模型推理的技术(CBR)[3]已经发展起来。

该技术不只有结果,也有设计观念和意图, 像是什么样的模型, 根据什么样的条件和如何获得这样一个结果。

一个CBR系统使用以前解决问题的方法来配合解决一个新的问题。

因为设计一个计算机辅助工程软件和应用一些修改似乎对人类是更明智和更直觉的，所以这是比运用一个模拟人的思想的专家系统更好的方法。

各种不同计算机辅助工程软件已经应用于很多的工作，比如注塑模具设计[4], 建筑设计[5,6], 固定物设计[7]和程序设计[8].我们打算构造CBR 设计环境应用于铸造模具设计。

为了取的以模型推理为基础用处达到最大程度，系统一定不能设计成一个单机系统，作为用于支持设计的所有阶段的统一的完整结构，应该开发和设计相关的不同数据资源去解决设计问题。

我们开发铸造模具设计的底部环境，是为了要了解它能如何被设计成为使用以推理为基础的计算机辅助工程软件。

这不仅仅是一个CBR系统，而且还有系统的设计环境。

CBR方法是一个应用于全部设计过程的一个具有支持性再可用性的设计方法。

它自身可以很容易的植入传统的设计规则和设计制度。

索引把重心集中在铸造模具设计并非模具的形状,所以软件知识库能有效率地而且正确地被搜寻，而且索引代码能容易地被定义而且延长。

最近的参数设计技术为计算机辅助工程软件所表现和改编采用, 使系统能实时运行改编。

2. 铸造模具设计的原则从产品设计的观点，铸造模具设计被描述为做出设计决定的一个解决问题程序, 评估他们的可应用性和做出那些必须的修改。

大体上，铸造模具设计者过去一直把设计问题分解为一系列的附属功能。

每个附属的功能可能根据一定被运行的功能，更进一步被分解的更简单的附属功能。

铸造模具的主要功能将熔化的金属铸造成一种完成的产品。

它通过一些具体的功能来表现, 形状和大小直接决定模具产品, 像是型腔和型芯等。

铸造模具也必须完成一系列的中级附属的功能 , 像是熔化的金属的流动，冷却和产品的成型。

通常这些中级的附属功能的结构和这些部件的形状不依赖于模具产品, 但是更重要的是，他们在不同的铸造模具的结构和形状通常是相似的。

它被估计超过 90% 的模具设计是以不同的设计为基础的[9]. 这意谓，当一个新的设计问题发生的时候，它通常是由修正现有的设计来解决这个问题，而不是从新设计解决问题。

从精密成度到高难度表现汽车部见，这是难以表示其特色和进行分类的,所以模具铸件以各种尺寸的大小和不同结构的类型生产。

模具产品的形状可能在特定的情况是复杂的和不同的，但是其结构和模具的成份总是相似的, 特别是产品的独立的成份。

因此，重复使用早先的设计方案是有重要价值的。

根据一定被实现的功能，铸造模具设计可以较进一步的分解，铸造模具设计能被区分为下列的设计组件[10]:浇注系统浇注系统是由变化的流道和连接零件不同部分表面的腔组成，它们的作用是让熔化的金属进入型腔。

它由注道，流道，浇口和溢流槽组成。

功能部件功能部件在铸造模具中包括型腔和芯模托板，插件、滑动器。

它们组成了型腔的内部结构和内外倒拔模系统。

脱模系统因为存在收缩现象，在打开铸造模具时产品容易黏住模具。

脱模系统根据不同的类型可以包括以下产品：脱模顶杆，脱模板，脱模环，扁顶杆，二级脱模系统。

冷却系统在冷却介质（水、油）流过冷却管道的帮助下，使模具保持在一个能使熔化金属凝固和安全脱模的温度。

标准件这些标准件包含所有的必需的模座、模块和正向流道衬套、分流道、合模销、脱模导引销、脱模板复位销等等。

3.系统的实现方式以基于事例推理的铸造模具设计（CBR）是在微软数据支持下的Window/NT窗口下运用C++来实现的一个CAD窗口系统，Solidworks,是用来开发参数化设计的环境。

然而，通过其他的CAD工具提供的使用者接口来实现这一系统也是可能的。

例如Unigraphics ， SolidEdge 和 AutoCAD。

铸造模具的设计流程在图5所示：图表5.基于模型推理的铸造模具设计流程表（1）. 模型的准备在产品模型从模型库中或其他地方取得后，系统的数值需要被设定。

它们包括：材料的选择，收缩率的设定，型体的设计，型腔的布置。

（2）. 模型的取回关于索引，设计者需要在产品的外型和其模具的其他重要特征做出一系列的选择。

基于这些选择，设计问题将被自动的编入索引并通过索引代码显示出来。

相似的设计通过索引代码被取回。

取回的过程是通过搜索模型代码中的前两位数字来实现的。

所有前两位数字相同的方式来实现的。

所有前两位数字相同的模型由于它们是相同的而被归为一组，在这一组中通过后面的数字再进行搜寻，直到最相似的模型被取回。

这是设计者必须选择最合适的模型存于模型组中。

由于从这种选择中不会只得到一种结果，就必须以较低的要求在运行一次。

这意味着设计者从早先的选择中选取一个特征，以它作为一个较低的水平从模型库中取回一个相似的模型。

（3）. 模型改编系统首先修正取回来的模型，看是否可以满意的解决问题。

如果是，新的解决方案就成功了：如果不是，系统将会从模型库中重新搜索再取回一个新的包含合适的替代模型。

这个过程将会持续到一个满意的结果产生。

（4）. 模型的存储当这个系统遇到新的问题，并通过改变以前的，偶像而解决这个问题时，系统自身能够学习和积累这些经验。

新的模型和替代模型被存储在改编库中。

4. 结论CBR作为一种解决问题的方法学，已经在很多难以获得知识的领域发展起来。

在研究过程中，我们增强了这种方法的作用，使它成为了一种专门应用于铸造模具设计的单一应用系统。

这是和SolidWorks API一同完成的。

这一个系统的主要能力是: （1）.模型的取回和特征描述是基于产品几何学和模具结构实现的。

这意味着在模型库中搜寻和取出相似的设计是可行的和有效的。

（2）.模型的描述和修改是基于参数化设计，工作台驱动设计和结构汇编实现的。

因此系统能够记录和存储设计者的意图和经验。

（3）.通过构建模型库，先前的经验可以被存储，并且系统还可以通过新的模型达到自我学习的目的。

原型系统通过帮助设计者提高效率和积累先前的设计资源而得到发展。

由以上的表述，早期的设计经验被积累和存储，由此可以缩短设计周期和简化设计过程。

模型修改的困难是是否能够取回一个相似的模型，并且取回的相似模型是否建立在索引规则的基础上。

在真正的铸造模具设计中增加的特征必须要考虑，包括产品几何学，模具的结构，材料和铸造机器。

在提到的索引中，仅仅学派几何学和模具结构被考虑了。

所以取回的仅仅是原型，必须得到进一步的修改和定义。

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