塑料制品廣泛用于國民經(jīng)濟的各個生產(chǎn)部門，在現(xiàn)代社會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(tǒng)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(yīng)用，提高了企業(yè)效率和降低了成本。
但是，由于各個CAX系統(tǒng)之間的信息缺乏有效的溝通，以及CAX系統(tǒng)之間缺乏智能支撐技術(shù)，導(dǎo)致了整體的運行效果不盡如人意。
注塑模設(shè)計是典型的設(shè)計分析一體化過程。在傳統(tǒng)的串行設(shè)計過程中，各個設(shè)計和制造環(huán)節(jié)是分離的。為了縮短注塑模的開發(fā)時間、降低成本和提高質(zhì)量，必須體現(xiàn)并行的思想。當前，CAD與CAE還是相對獨立的兩個部分，雖然目前的商用軟件對這個難題做出了各自的改進工作，但總的來說問題還沒有根本的解決，存在諸多困難，CAE的能力并未充分發(fā)揮。本文的研究正是著眼于實現(xiàn)CAEHCAE，以及CAbCAD的自動化循環(huán)過程。
并行工程是先進制造技術(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。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(dǎo)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(yīng)用上指出了實現(xiàn)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“自動化孤島”
現(xiàn)象，以及CAD和CAE系統(tǒng)之間缺乏聯(lián)系的現(xiàn)狀，本文提出了CAD/CAE并行環(huán)的思想，系統(tǒng)框架如所示。它包括以下幾個部分：注塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計CAD環(huán)。它指“特征建I塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計專家系I特征建模”的循環(huán)過程⑴，也就是圖中的CAD環(huán)過程。此部分工作已經(jīng)在UG的UG/MFPartAdviser中得到了部分應(yīng)用。本文將其作為一個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)過程。它包括如下部分：3.1用于注塑工藝參數(shù)設(shè)計的CBR系統(tǒng)注塑件/漠CAE系統(tǒng)。依據(jù)參數(shù)設(shè)計CBR系統(tǒng)提供的結(jié)果，以及CAD系統(tǒng)提供的幾何特征信息，對一系列的工藝條件進行分析；CAE分析結(jié)果的定向解釋專家系統(tǒng)。其主要作用是結(jié)合注塑件CAD建模系統(tǒng)，對CAE分析的結(jié)果進行智能處理。
注塑件生命周期環(huán)。它涵蓋了注塑件相關(guān)的各個方面，是一個完整的生命周期環(huán)。
3注塑件CAD建模與CAE智能處理的關(guān)鍵技術(shù)為實現(xiàn)系統(tǒng)集成，本文所要研究的關(guān)鍵技術(shù)包括：CBR技術(shù)是智能推理的一個重要分支，它是基于人的認知過程，應(yīng)用記憶組織來實現(xiàn)推理的。由于注塑工藝參數(shù)選定工作的強實踐性，用傳統(tǒng)的規(guī)則推理來總結(jié)出所有的參數(shù)選擇規(guī)律是不現(xiàn)實的，并且隨著所選擇知識的增加，很可能會出現(xiàn)知識爆炸的局面，因此使用CBR推理方法來求解是最合適的（如所示）。用于注塑工藝參數(shù)設(shè)計的CBR系統(tǒng)有其特殊性（如所示）。Case定義如下：問題一一塑件幾何特征，材料類型，流動方式，厚度，分型面復(fù)雜系數(shù)等等塑件/模具的特征信息；結(jié)果模具的各種注塑工藝參數(shù)。
事例的索引。目前有兩種索引方式：一種是按照各個事例類型進行順序列表；第二種是依據(jù)因果關(guān)系來進行事例的索弓I.為了簡化起見，采用最簡單的順序方式。
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(quán)重。關(guān)于事例檢索的算法很多，包括模板法、歸納法、知識導(dǎo)引法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型法。這些方法各有特點。本文采用最近鄰法。
針對注塑件工藝參數(shù)的改寫問題，目前國外有兩類方法：（1）參數(shù)調(diào)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)系求得改寫參數(shù)值；等效替代法4.在事例庫中尋找可以等效替代它的參數(shù)。
由于注塑條件與各種注塑工藝參數(shù)之間的關(guān)系難以確定，利用傳統(tǒng)的工藝改寫方法具有其局限性。本文采用知識缺乏型事例改寫方法（遺傳算法）來進行工藝參數(shù)的改寫。其關(guān)鍵步驟包括：初始樣本。首先從事例庫中過濾出相似性比較小的事例，從而優(yōu)化了進行遺傳操作的父代樣本質(zhì)量。從這些滿足一定要求的事例庫中再隨機復(fù)制一定數(shù)量的初始樣本，使最終進行遺傳操作的樣本總數(shù)達到預(yù)定的群體規(guī)模。
染色體編碼。遺傳算法不能直接處理空間的數(shù)據(jù)，必須通過有效且通用的編碼方法，將問題的可能解編碼表示成有限位的二進制字符串（基因型串結(jié)構(gòu)）。本文將染色體編碼分為4個部分：a.注塑件的特征信息。它包含注塑件的類細節(jié)、表面粗糙度、公差和分型面復(fù)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數(shù)、模架的類型、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(shù)。模腔熔融狀態(tài)溫度、注塑壓力和時間參數(shù)等。d.得出的注塑工藝參數(shù)值。注塑機操作參數(shù)、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間等。
它們以順次方式串成一個二進制字符串，從而構(gòu)成了一個樣本。
適配值函數(shù)。對于遺傳算法而言，適配值函數(shù)對應(yīng)于最優(yōu)化的指標函數(shù)。當對事例進行改寫時，希望改寫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(shù)等都得到滿足。要求樣本的這些特殊要求所對應(yīng)的染色體編碼部分和當前得到的染色體對應(yīng)部分之差的平方和最小，這個值就是適配值。
復(fù)制。采用輪盤賭算法。
雜交。在父樣本的字符串中隨機地產(chǎn)生一個分段點，將分段點后的子串互換，生成兩個子樣本，交換概率定為0.6~變異。在每個子樣本的字符串中隨機地選擇一位，將其數(shù)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。對適配值進行排序，并進行下一輪迭代計算，直至達到滿意的性能指標。在最后的種群中選擇最好的一個樣本，將其解碼后即得到最優(yōu)的模具方案和報價。
3.2CAE分析結(jié)果的定向解釋專家系統(tǒng)CAE分析結(jié)果的定向解釋專家系統(tǒng)是對CAE分析數(shù)據(jù)進行分析和處理，得出比較滿意答案的過程。目前這個領(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(jié)果的定向解釋專家系統(tǒng)是利用傳統(tǒng)的規(guī)則推理的。通過對注塑件特征模型和CAE分析結(jié)果文件的解讀和信息抽取工作，對信息進行合理的智能解釋。缺陷解釋專家系統(tǒng)所要解決的主要問題包括：注塑件的材料和結(jié)構(gòu)缺陷，如塑件表觀質(zhì)量、制品形狀和精度尺寸等；注塑工藝參數(shù)，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(tǒng)設(shè)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(nèi)凹的個數(shù)ac外凹陷個數(shù)和類型的ing對i.l特征信息文1cf.Al息抽取工作。通過編程來對這些文件進行解讀，變成程序可以識別的代碼；通過歸納和整理大量知識，建立缺陷診斷知識庫。針對可能出現(xiàn)的翹曲、填充不滿和過度填充、熔接痕、應(yīng)力集中等情形，總結(jié)其原因，放入缺陷診斷知識庫中；對眾多的CAE分析結(jié)果文件進行過濾，通過數(shù)據(jù)挖掘，過濾出對解釋專家系統(tǒng)有用的信息，并將其融會到智能化診斷和推理中去。其主要工作是對數(shù)據(jù)挖掘算法的研究，這是因為算法的優(yōu)劣程度直接關(guān)系到過濾出數(shù)據(jù)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(jié)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)，對這個問題的合理解決具有實際意義。
Stepl.系統(tǒng)準備階段。建立缺陷診斷知識庫。在系統(tǒng)投入應(yīng)用前，首先將各種缺陷的表征進行分類匯總，針對注塑件可能出現(xiàn)的翹曲、填充不滿和過度填充、熔接痕、應(yīng)力集中等原因，建立IF-THEN結(jié)構(gòu)的基于規(guī)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(tǒng)的設(shè)計因素、注塑件本身的設(shè)計因素等。
Step2系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入階段。a.對注塑過程進行CAE分析，產(chǎn)生分析結(jié)果文件。就MoldFlow來說，其輸出文件主要有模型文件和分析結(jié)果文件兩類，輸出格式有二進制和ASC格式。模型文件包括。mfl，。rnla，。ela，。ain，。ata.有限元模擬產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息量非常龐大，通過編程將這些文件進行解讀。獲得諸如流道系統(tǒng)、填充信息、溫度信息等相關(guān)數(shù)據(jù)。b.對注塑件特征信息文件進行反處理，通過程序獲得相關(guān)的注塑件特征信息。
Step3.系統(tǒng)數(shù)據(jù)定向解釋階段。a.通過對CAE分析結(jié)果文件和注塑件特征信息文件進行數(shù)據(jù)挖掘，過濾次要因素，找出其規(guī)律性，獲得抽象的注塑工藝因素注塑模流道系統(tǒng)設(shè)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行分析，從而得出合理的解釋和結(jié)論。
Step4.系統(tǒng)維護和對后續(xù)CAD/CAE并行環(huán)的指導(dǎo)階段。a.維護缺陷診斷知識庫，擴充知識庫。優(yōu)化數(shù)據(jù)挖掘算法，完善定向解釋專家系統(tǒng)的功能。當一個新規(guī)律被發(fā)現(xiàn)后，可以擴大相關(guān)的缺陷知識庫，同時通過數(shù)據(jù)挖掘算法找出IF條件所要求的信息。丨>后續(xù)CAD/CAE并行環(huán)，將定向解釋專家系統(tǒng)的結(jié)果反饋給決策者。決策者可依據(jù)專家系統(tǒng)的建議，作出更改塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計、更改注塑模結(jié)構(gòu)設(shè)計或更改注塑工藝方案等決策。
3.3數(shù)據(jù)流的流動過程數(shù)據(jù)流的流動過程首先是CAD環(huán)的循環(huán)過程。
CAD環(huán)。塑件設(shè)計工程師首先通過CAD特征建模系統(tǒng)對塑件進行設(shè)計；設(shè)計信息隨后傳遞給塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計專家系統(tǒng)。此系統(tǒng)對結(jié)構(gòu)信息進行分析和推理，給出必要的結(jié)構(gòu)更改建議；最后把結(jié)果反饋給注塑件CAD特征建模系統(tǒng)。
CAD環(huán)一CAE.CAD環(huán)最后給出的結(jié)論是塑件的特征設(shè)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(shè)計CBR系統(tǒng)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(tǒng)所需要的輸入?yún)?shù)就是從這個文件中提取出來的。b.注塑件膜CAE系統(tǒng)所需要的輸入數(shù)據(jù)來自兩個方面：工藝CBR系統(tǒng)得出的檢索結(jié)論（總的工藝參數(shù)信息）；注塑件的幾何信息。
特征建模系統(tǒng)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去的，也就是幾何和非幾何信息出現(xiàn)了分離，如所示。而在后面的CAE分析結(jié)果定向解釋系統(tǒng)中（CAE后處理過程），又需要把兩者的特征信自結(jié)合起來那么這種情況如何處理，分析結(jié)果文件：行合理的建議和解釋。這種建E建模CAD系統(tǒng)，也就是所謂我們認為：a.可以在特征建模過程中給每個特征加上一個唯一的標識符特征ID，它對一個塑件的不同特征而言是唯一的。建立特征樹，通過克努特變換轉(zhuǎn)換為二叉樹形式存儲在計算機中。b.對每個特征可以獨立生成中面及劃分網(wǎng)格，然后通過布爾代數(shù)拼接。這樣，每個中面也就從特征模型中繼承了特征信息（包括特征ID）。c.在進行注塑件CAE分析前，要對得到的中面模型進行網(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程。CAE結(jié)果分析文件和CAD特征建模系統(tǒng)的特征信息文件最后都輸入到注塑件CAE分析結(jié)果的定向解釋專家系統(tǒng)中。由上面的分析可以知道，這兩種文件通過特征ID這個唯存在的內(nèi)部缺陷和外部缺陷翅議會反饋給人類工程師和特征的CAEICAD環(huán)。
生命周期環(huán)。當獲得相對滿意的設(shè)計結(jié)果后，塑件設(shè)計信息和相應(yīng)的注塑工藝參數(shù)信息就會傳遞給后續(xù)環(huán)節(jié)。
經(jīng)過一個生命周期環(huán)后，下一個生命周期循環(huán)重新開始。
4實例本文前述部分構(gòu)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，對于實際工作具有一定的理論意義和指導(dǎo)價值。顯而易見，整個系統(tǒng)的運行是一項很大的系統(tǒng)工程，成熟系統(tǒng)的開發(fā)是一項耗時的工程。下面給出一個典的標標識酸腿合遂后通過專家系偏酌nl，對Msl型的例子來說明原型11的運行如所示Zwww.cnki.net設(shè)計（通過UG中的CAD模塊），然后利用UG/MFPartAdviser對結(jié)構(gòu)設(shè)計作出建議。通過CAD環(huán)的運行，發(fā)現(xiàn)注塑件厚度過大，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發(fā)的注塑工藝參數(shù)設(shè)計CBR系統(tǒng)。理想的方式是通過基于STEP的特征建模，通過對特征的自動抽取作為CBR系統(tǒng)的輸入。但是，由于特征建模工作的復(fù)雜性，在本原型系統(tǒng)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CBR系統(tǒng)的運行，初步選定注塑工藝參數(shù)范圍，產(chǎn)生工藝參數(shù)結(jié)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CBR系統(tǒng)生成的工藝參數(shù)結(jié)果初步信息，CAE工藝師在MoldFlow中進行工藝分析，分析結(jié)果云圖如所示。
解釋專家系統(tǒng)。它首先對CAE分析結(jié)果文件進行前處理，通過編程，過濾出定向解釋專家系統(tǒng)所需要的輸入條件信息。
同時，通過對從UG中CAD模塊輸出的特征信息文件進行解讀，獲得定向解釋專家系統(tǒng)所需的所有輸入條件。然后通過建立的缺陷診斷知識庫，利用CBR進行推理，獲取缺陷產(chǎn)生原因及解決的對策和建議。b.CAD設(shè)計方案的更改階段。利用CAE分析結(jié)果的定向解釋專家系統(tǒng)得出的結(jié)論，對設(shè)計和工藝方案進行更改，然后把它反饋給塑件和工藝設(shè)計專家。例如，為了改善流動性而添加澆口，將使模具設(shè)計的過程復(fù)雜化（澆注系統(tǒng)復(fù)雜化），如果不改變模具澆注系統(tǒng)的設(shè)計，可以通過改變塑件結(jié)構(gòu)設(shè)計的來達到目的，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CAD環(huán)，CADICAEICAE反復(fù)循環(huán)，獲得滿意的設(shè)計和工藝方案后，將它放入注塑件生命周期環(huán)。
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