第一章绪论
第一章绪论
1.1选题依据
模具在产品制造过程中占据重要地位。模具设计水平的高低，在很大程度上
决定了生产率的高低。有效的模具设计可以降低资源调整次数和调整时间，为生
产计划与调度提供更大的优化空间，以达到提高生产效率的目的[1]。模具设计是工
装系统的重要组成部分，它影响着产品生产的效率和质量。对模具设计进行深入
的研究有着重要意义。
模具行业是工业的基础行业，工业的各个领域都广泛地使用模具[2l。在电子、
汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等产品中，60%一8%0的零部件都要依
靠模具成形。用模具生产零件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高
生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”，
用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。模具生
产技术水平的高低，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力，
并且己成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志[3]。模具作为工业生产的基
础工艺装备，在国民经济中占有重要的地位。近10年来，模具CAD技术发展很快，
应用范围日益扩大。模具CAD技术给模具的设计和制造提供了一个高效、经济而
且快速的方法，大幅度地提高了模具的质量，缩短了模具的设计和制造周期，降
低了模具成本[’]。
目前国内外己经有许多模具CAD系统，这些系统虽然具有较强的分析计算能力
与图形处理能力，可以提供交互式设计5]l。但是在这些系统中，模具设计过程主要采
用人机交互方式进行，大多数的设计是依靠操作者的设计经验，计算机只是进行一
些规则匹配以及计算工作，而对于前人成功设计的模具不能有效的利用，造成模具
设计周期很长，成本较高，开发效率很低。
基于实例推理技术(Case一basdeReasoning，CBR)的模具设计可以使设计者利
用以往的设计经验，通过组合、修改以往的设计方案来构造新的设计方案;同时在
现实生产中，己积累有许多模具零件的类型以及装配关系完全相同的模具族，可
以成为新设计的基础6]I。cRB技术抛弃了以往对抽象的知识规则的构建和演算操作，
直接借助己有实例来解决问题，通过对旧实例的证实和修正来达到对新模具的设
计[7]。在基于实例推理系统中，以前的经验是以实例的形式按照某种组织结构保存
于实例库中8]t，当要解决一个新问题时，通过相关属性采用适当的算法检索实例库，
找出与新问题最相似的一个或几个实例，再修改实例来达到对新问题的解决[9l。
在模具设计中应用CRB方法，利用计算机模具人脑在设计中的思维活动，完
成了以往由设计师完成的任务，不仅充分利用了模具专家的设计经验，适合工程
中的实际情况，也符合人类的思维习惯。同时，用这种方法得到的模具基于以前
已经设计成功的实例，因此减少了新模具不能正常工作的可能性，并且缩短了开
发周期。
1.2模具CAD发展现状和趋势
1.2.1模具CA。系统国内外发展概况
模具CAD系统是随着以D技术以及现代设计理论与方法的发展而不断发展的，
从最初的以二维图形技术为基础的系统发展到了目前以三维图形技术及特征构型
为主要特点的阶段110，川。
国外于20世纪60年代末开始模具以D研究，70年代初已投入生产中使用。
如美国Diecomp公司于1973年研制成功计算机辅助设计级进模的PDDc系统[’21。
该系统中已经包括产品图形与材料特性的输入:在输入的基础上，再进行模具结
构类型选择，凹模排样、凸模和其他嵌件设计;最后绘制模具总装图和零件图以
及NC编程。
1978年，日本机械工程实验室研制成冲裁级进模CAD系统，该系统由产品图
输入、模具类型选择、毛坯排样、条料排样、凹模布置、工艺计算、绘图等10个
模块组成。
进入20世纪80年代随着计算机技术的发展，使用模具CAD技术的厂家大大
增加。在弯曲成型级进模和汽车覆盖件模具CAD系统中，应用了塑性成形模拟技
术。代表是日本日立公司于1982年研制成弯曲级进模以D/以M系统，采用人工与
计算机设计相结合的批处理方式。
20世纪90年代出现了许多商品化CAD/CAM系统如Pro/E，SolidWorks等。
由于我国计算机技术发展较晚，20世纪80年代才开始模具CAD研究。华中科技大
学、机电研究院、上海交通大学等单位相继展开冲裁模系统的研究。20世纪90年
代中期，华中科技大学的基于特征的设计的级进模CAD系统是这个时期的代表产
口
口口。
1.2.2模具CAO的发展趋势
近年来，全球制造业正向亚太地区转移，我国正成为世界制造业的重要基地
[3]l。制造业模式的变化，必将产生对新技术的需求，也必将推动CAD技术的发展;
网络技术应用的普及将在更大程度上改变我们的生活，改变制造业的模式。随着
我国加入WTO，要求我们的产品要有创新性，并且具有更高的质量、更低的成本，
并在更快的时间内提供给用户[4l1。作为产品制造的重要工艺装备，国民经济的基
础工业之一的模具工业将直面竞争的第一线。模具工业除需要“高技艺”的从业
人员外，还需要更多的“高技术”来保证。
(1)协同创新设计将成为模具设计的主要方向
制造业垂直整合的模式使得世界范围内产品销售、产品设计、产品生产和模
具制造分工更明确。为了缩短产品上市周期，使模具设计充分理解产品设计的意
图，在产品的设计阶段，模具设计也同时开始，产品设计工程师和模具设计工程
师需尽早进入协同设计状态。另外，模具制造商需要的模具标准件一般都由模具
标准件厂提供，最好在模具设计阶段就参照各类标准，充分利用模具标准件厂提
供的数据进行设计。由于在制造流程中各个环节所采用的CAD系统不一定相同，
这就要求以D系统要具备协同的能力，能够随时交换上下游的数据，能够处理彼
此的数据，数据产生及处理标准化。
目前，模具制造商己经较广泛地采用数控加工技术。为了保证加工质量、提
高加工效率、改进制造流程，相当一部分的模具制造商开始使用多坐标数控加工、
高速铣削加工以及基于快速原型的模具制造等方法。因为制造设备的丰富，制造
信息的增加，今后的制造信息将不仅仅是数控编程加工的代码，更重要的是，从
设计开始就考虑制造过程，即提供模具制造的工艺流程，其中不仅包含工艺表格、
加工参数，还包括模具加工的夹具设计、加工的装夹过程及各工序的代码。各工
序过程均进行仿真，并利用网络实现共享。
(2)模具CAD技术的ASP模式将成为发展方向
今天的模具行业己经成为高技术密集的行业。任何一个企业，要掌握全部先
进的技术，成本都将非常高昂，要培养并且留住掌握这些技术的人才也会非常困
难。于是，模具CAD的APS模式就应运而生了，即由拥有各种专门技术的应用服
务单位为模具企业提供技术服务。这样整个社会就形成了一个大的模具制造企业，
按照价值链和制造流程分工，将制造资源最优发挥。应用服务包括如、快速原型
制造、数控加工外包、模具设计、模具成型过程分析等。
近20年来，由于不断采用新技术，制造模具已经远不是人们印象中的“手工
作坊”了。
2.3模具CAO系统的特点和优越性
(1)模具设计的特点
与传统的单个零件的设计不同，模具是多个零件的装配体，模具设计是一个
极为复杂的过程，包括产品建模、工艺性分析、制定模具方案、选择模架、模具
总装图设计、工作部件设计、辅助装置设计和零件详细设计等部分，要求最终能
够生成总装图、部装图及模具零件图.模具造型的特殊性有以下几点:
a.大多数模具是进行复杂零件加工的，模具造型较复杂。
b，一般模具加工零件的工序比较少，大部分是一次成型，所以模具的外形必
须要有加工零件的所有细节描述。
C.模具设计的反复机率高，所以模具CAD几何模型应能反复更新并能及时修
复。
(2)模具cAD的造型特点[4]
模具CAD造型技术是精确造型技术，可分为实体造型和曲面造型:
a.实体造型技术对于结构简单的模具来说己经能够满足设计要求，但对于结构
复杂、细节描述精度要求高的零件来说就显得不够，如在拔模面、面圆角过渡、
型腔设计上受到了一定的限制。
b.曲面造型技术是由不同的曲面构造特征，产生光顺的曲面模型。主要包括多
曲面的等变圆角过渡处理技术、曲面自动修剪技术、曲面编辑、曲面分析技术和
光顺处理等核心技术，它能辅助实体造型技术完成模具设计中所有细节描述的设
计。曲面造型技术适合于外形复杂和细节描述精度要求高的产品的模具设计。
(3)模具CAD的优越性[’“}
模具CAD的优越性赋予了它无限的生命力，使其得以迅速发展和广泛应用。
无论是在提高生产率、改善质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，以D
技术的优越性是传统的模具设计方法所不能比拟的。
a.ACD可提高模具设计质量。在计算机系统内存储了各有关专业的综合性的
技术知识，为模具的设计和工艺的制定提供了科学的依据。计算机与设计人员交
互作用，有利于发挥人一机各自的特长，使模具设计和制造工艺更加合理化。
b.CAD可以节省时间，提高生产率。设计计算和图样绘制的自动化大大缩短
了设计时间。质量提高，可靠性增强，装修时间明显减少，模具的交货时间大大
缩短。
c.CAD可以较大幅度地降低成本。计算机的高速运行和自动绘图大大节省了劳
动力。优化设计带来了原材料的节省。
d.CAD技术将技术人员从繁冗的计算绘图中解放出来，从事其他创造性的劳
动。
1.3论文的研究内容
系统地提出基于实例推理的模具设计的理论与方法，对CRB技术在模具设计
上的应用进行了深入的研究。在理论研究的基础上，开发了基于实例推理的模具
设计系统，有力地证实了应用CRB技术可以提高模具设计效率。本文研究内容主
要包括:
第一章绪论:概述了论文的研究意义，介绍了课题的来源与选题背景，简要
的描述了CRB技术在模具设计中的应用，研究了模具CAD的国内外概况和发展趋
势。
第二章模具CAD系统总体设计:主要包括对模具CAD的流程分析，系统需求
分析，以及体系结构的定制和功能模块的划分。
第三章基于实例推理的关键技术:描述了基于实例推理技术，详细介绍了实
例的表示，实例的检索策略以及实例的存储等一些关键技术。
第四章基于实例的模具设计:介绍了模具实例的表示内容以及方法，并对模
具实例的存储于检索提出了方案。
第五章原型系统开发:介绍了UG开发平台和开发工具，对系统业务流程进
行了描述。
第六章结论与展望。对本文的研究内容进行总结和展望
第一章绪论 第一章绪论 1.1选题依据 模具在产品制造过程中占据重要地位。模具设计水平的高低，在很大程度上 决定了生产率的高低。有效的模具设计可以降低资源调整次数和调整时间，为生 产计划与调度提供更大的优化空间，以达到提高生产效率的目的[1]。模具设计是工 装系统的重要组成部分，它影响着产品生产的效率和质量。对模具设计进行深入 的研究有着重要意义。 模具行业是工业的基础行业，工业的各个领域都广泛地使用模具[2l。在电子、 汽车、电机、电器、仪器、仪表、家电和通讯等产品中，60%一8%0的零部件都要依 靠模具成形。用模具生产零件所表现出来的高精度、高复杂程度、高一致性、高 生产率和低消耗，是其他加工制造方法所不能比拟的。模具又是“效益放大器”， 用模具生产的最终产品的价值，往往是模具自身价值的几十倍、上百倍。模具生 产技术水平的高低，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力， 并且己成为衡量一个国家产品制造水平高低的重要标志[3]。模具作为工业生产的基 础工艺装备，在国民经济中占有重要的地位。近10年来，模具CAD技术发展很快， 应用范围日益扩大。模具CAD技术给模具的设计和制造提供了一个高效、经济而 且快速的方法，大幅度地提高了模具的质量，缩短了模具的设计和制造周期，降 低了模具成本[’]。 目前国内外己经有许多模具CAD系统，这些系统虽然具有较强的分析计算能力 与图形处理能力，可以提供交互式设计5]l。但是在这些系统中，模具设计过程主要采 用人机交互方式进行，大多数的设计是依靠操作者的设计经验，计算机只是进行一 些规则匹配以及计算工作，而对于前人成功设计的模具不能有效的利用，造成模具 设计周期很长，成本较高，开发效率很低。 基于实例推理技术(Case一basdeReasoning，CBR)的模具设计可以使设计者利 用以往的设计经验，通过组合、修改以往的设计方案来构造新的设计方案;同时在 现实生产中，己积累有许多模具零件的类型以及装配关系完全相同的模具族，可 以成为新设计的基础6]I。cRB技术抛弃了以往对抽象的知识规则的构建和演算操作， 直接借助己有实例来解决问题，通过对旧实例的证实和修正来达到对新模具的设 计[7]。在基于实例推理系统中，以前的经验是以实例的形式按照某种组织结构保存 于实例库中8]t，当要解决一个新问题时，通过相关属性采用适当的算法检索实例库， 找出与新问题最相似的一个或几个实例，再修改实例来达到对新问题的解决[9l。 在模具设计中应用CRB方法，利用计算机模具人脑在设计中的思维活动，完 成了以往由设计师完成的任务，不仅充分利用了模具专家的设计经验，适合工程 中的实际情况，也符合人类的思维习惯。同时，用这种方法得到的模具基于以前 已经设计成功的实例，因此减少了新模具不能正常工作的可能性，并且缩短了开 发周期。 1.2模具CAD发展现状和趋势 1.2.1模具CA。系统国内外发展概况 模具CAD系统是随着以D技术以及现代设计理论与方法的发展而不断发展的， 从最初的以二维图形技术为基础的系统发展到了目前以三维图形技术及特征构型 为主要特点的阶段110，川。 国外于20世纪60年代末开始模具以D研究，70年代初已投入生产中使用。 如美国Diecomp公司于1973年研制成功计算机辅助设计级进模的PDDc系统[’21。 该系统中已经包括产品图形与材料特性的输入:在输入的基础上，再进行模具结 构类型选择，凹模排样、凸模和其他嵌件设计;最后绘制模具总装图和零件图以 及NC编程。 1978年，日本机械工程实验室研制成冲裁级进模CAD系统，该系统由产品图 输入、模具类型选择、毛坯排样、条料排样、凹模布置、工艺计算、绘图等10个 模块组成。 进入20世纪80年代随着计算机技术的发展，使用模具CAD技术的厂家大大 增加。在弯曲成型级进模和汽车覆盖件模具CAD系统中，应用了塑性成形模拟技 术。代表是日本日立公司于1982年研制成弯曲级进模以D/以M系统，采用人工与 计算机设计相结合的批处理方式。 20世纪90年代出现了许多商品化CAD/CAM系统如Pro/E，SolidWorks等。 由于我国计算机技术发展较晚，20世纪80年代才开始模具CAD研究。华中科技大 学、机电研究院、上海交通大学等单位相继展开冲裁模系统的研究。20世纪90年 代中期，华中科技大学的基于特征的设计的级进模CAD系统是这个时期的代表产 口 口口。 1.2.2模具CAO的发展趋势 近年来，全球制造业正向亚太地区转移，我国正成为世界制造业的重要基地 [3]l。制造业模式的变化，必将产生对新技术的需求，也必将推动CAD技术的发展; 网络技术应用的普及将在更大程度上改变我们的生活，改变制造业的模式。随着 我国加入WTO，要求我们的产品要有创新性，并且具有更高的质量、更低的成本， 并在更快的时间内提供给用户[4l1。作为产品制造的重要工艺装备，国民经济的基 础工业之一的模具工业将直面竞争的第一线。模具工业除需要“高技艺”的从业 人员外，还需要更多的“高技术”来保证。 (1)协同创新设计将成为模具设计的主要方向 制造业垂直整合的模式使得世界范围内产品销售、产品设计、产品生产和模 具制造分工更明确。为了缩短产品上市周期，使模具设计充分理解产品设计的意 图，在产品的设计阶段，模具设计也同时开始，产品设计工程师和模具设计工程 师需尽早进入协同设计状态。另外，模具制造商需要的模具标准件一般都由模具 标准件厂提供，最好在模具设计阶段就参照各类标准，充分利用模具标准件厂提 供的数据进行设计。由于在制造流程中各个环节所采用的CAD系统不一定相同， 这就要求以D系统要具备协同的能力，能够随时交换上下游的数据，能够处理彼 此的数据，数据产生及处理标准化。 目前，模具制造商己经较广泛地采用数控加工技术。为了保证加工质量、提 高加工效率、改进制造流程，相当一部分的模具制造商开始使用多坐标数控加工、 高速铣削加工以及基于快速原型的模具制造等方法。因为制造设备的丰富，制造 信息的增加，今后的制造信息将不仅仅是数控编程加工的代码，更重要的是，从 设计开始就考虑制造过程，即提供模具制造的工艺流程，其中不仅包含工艺表格、 加工参数，还包括模具加工的夹具设计、加工的装夹过程及各工序的代码。各工 序过程均进行仿真，并利用网络实现共享。 (2)模具CAD技术的ASP模式将成为发展方向 今天的模具行业己经成为高技术密集的行业。任何一个企业，要掌握全部先 进的技术，成本都将非常高昂，要培养并且留住掌握这些技术的人才也会非常困 难。于是，模具CAD的APS模式就应运而生了，即由拥有各种专门技术的应用服 务单位为模具企业提供技术服务。这样整个社会就形成了一个大的模具制造企业， 按照价值链和制造流程分工，将制造资源最优发挥。应用服务包括如、快速原型 制造、数控加工外包、模具设计、模具成型过程分析等。 近20年来，由于不断采用新技术，制造模具已经远不是人们印象中的“手工 作坊”了。 2.3模具CAO系统的特点和优越性 (1)模具设计的特点 与传统的单个零件的设计不同，模具是多个零件的装配体，模具设计是一个 极为复杂的过程，包括产品建模、工艺性分析、制定模具方案、选择模架、模具 总装图设计、工作部件设计、辅助装置设计和零件详细设计等部分，要求最终能 够生成总装图、部装图及模具零件图.模具造型的特殊性有以下几点: a.大多数模具是进行复杂零件加工的，模具造型较复杂。 b，一般模具加工零件的工序比较少，大部分是一次成型，所以模具的外形必 须要有加工零件的所有细节描述。 C.模具设计的反复机率高，所以模具CAD几何模型应能反复更新并能及时修 复。 (2)模具cAD的造型特点[4] 模具CAD造型技术是精确造型技术，可分为实体造型和曲面造型: a.实体造型技术对于结构简单的模具来说己经能够满足设计要求，但对于结构 复杂、细节描述精度要求高的零件来说就显得不够，如在拔模面、面圆角过渡、 型腔设计上受到了一定的限制。 b.曲面造型技术是由不同的曲面构造特征，产生光顺的曲面模型。主要包括多 曲面的等变圆角过渡处理技术、曲面自动修剪技术、曲面编辑、曲面分析技术和 光顺处理等核心技术，它能辅助实体造型技术完成模具设计中所有细节描述的设 计。曲面造型技术适合于外形复杂和细节描述精度要求高的产品的模具设计。 (3)模具CAD的优越性[’“} 模具CAD的优越性赋予了它无限的生命力，使其得以迅速发展和广泛应用。 无论是在提高生产率、改善质量方面，还是在降低成本、减轻劳动强度方面，以D 技术的优越性是传统的模具设计方法所不能比拟的。 a.ACD可提高模具设计质量。在计算机系统内存储了各有关专业的综合性的 技术知识，为模具的设计和工艺的制定提供了科学的依据。计算机与设计人员交 互作用，有利于发挥人一机各自的特长，使模具设计和制造工艺更加合理化。 b.CAD可以节省时间，提高生产率。设计计算和图样绘制的自动化大大缩短 了设计时间。质量提高，可靠性增强，装修时间明显减少，模具的交货时间大大 缩短。 c.CAD可以较大幅度地降低成本。计算机的高速运行和自动绘图大大节省了劳 动力。优化设计带来了原材料的节省。 d.CAD技术将技术人员从繁冗的计算绘图中解放出来，从事其他创造性的劳 动。 1.3论文的研究内容 系统地提出基于实例推理的模具设计的理论与方法，对CRB技术在模具设计 上的应用进行了深入的研究。在理论研究的基础上，开发了基于实例推理的模具 设计系统，有力地证实了应用CRB技术可以提高模具设计效率。本文研究内容主 要包括: 第一章绪论:概述了论文的研究意义，介绍了课题的来源与选题背景，简要 的描述了CRB技术在模具设计中的应用，研究了模具CAD的国内外概况和发展趋 势。 第二章模具CAD系统总体设计:主要包括对模具CAD的流程分析，系统需求 分析，以及体系结构的定制和功能模块的划分。 第三章基于实例推理的关键技术:描述了基于实例推理技术，详细介绍了实 例的表示，实例的检索策略以及实例的存储等一些关键技术。 第四章基于实例的模具设计:介绍了模具实例的表示内容以及方法，并对模 具实例的存储于检索提出了方案。 第五章原型系统开发:介绍了UG开发平台和开发工具，对系统业务流程进 行了描述。 第六章结论与展望。对本文的研究内容进行总结和展望
