外文翻译注塑模的一种智能化型腔布局设计系统.doc

注塑模的一种智能化型腔布局设计系统Weigang Hu and Syed Masood*Industrial Research Institute Swinburne (IRIS), Swinburne University of Technology, Hawthorn, Melbourne, Australia 3122摘 要：这篇文章介绍的是多型腔注塑模具的一种智能化型腔布局设计系统（简称：ICLDS）。这套ICLDS系统对模具设计人员在概念设计阶段做型腔布局设计是非常有用的。这篇文章将介绍有关型腔布局设计的复杂性和相关原理以及一些别的问题，概述和分类型腔布局设计的有关知识，ICLDS的功能、总体结构和常规的工艺知识也将被介绍，同时这篇文章也将讨论在本系统不断完善的使用过程中的一些焦点问题，如知识的表现形式和基于案例的推理等。这套系统的功能将用一个型腔布局设计问题的案例来说明。关键字：智能化设计；型腔布局设计；注塑模具设计；基于案例推理；设计支持系统1 绪 论在塑料产品生产制造领域，注塑模是一种应用最为非常广泛的生产工艺，它以生产效率高，几乎无废料著称。该工艺是由通过喷嘴注射熔融塑料材料到密闭的模具型腔、塑料的冷却和固化、从模具型腔取出最终产品等几部分组成。对于每个新的塑料产品，注塑机都需要一副新的注塑模具。注塑模具的设计和生产是一个花费大量时间且成本昂贵的过程，通常需要高技术含量的生产工具以及专业的模具设计制造人员。一副注塑模具主要有模座，型腔，定位销，浇口，流道，浇口，冷却水通道，支架，滑轨，注塑装置1等组成部分。模具的设计受到其他的一些因素如零件的几何结构，模具的材料种类，分型线和每副模具中型腔的个数的影响。随着计算机技术的进步和人工智能的发展，注塑模具的设计和制造成本明显下降以及交货的时间大幅减少的效果开始显现。注塑模具的设计领域成为相关研究的主要方向是因为它是一个复杂的工艺过程，涉及到许多与模具部件有关的子系统设计，而每个子系统的设计都需要专业的熟练的知识和经验，并且模具的设计方案还影响到其生产率，后续的维修费用，机械加工的难易程度，以及模具部件的质量。因此，模具设计的许多工作成为了专家系统、知识库和人工智能应用，通过它们来弥补人们在传统模具设计过程中存在的大量的专业知识技能经验等的不足。Kruth and Willems 2开发了一个用于注塑模具设计的智能支持系统，该系统整合了一个商业化的CAD/CAM系统（由一个关系数据库和一个专家系统组成）。Lee et. al. 3设想的有关注塑模设计的系统的方法论和知识库在一个同时完成的工程环境里面。Raviwongse and Allada 4开发了一个神经元网络库设计支持工具，用来完成有关模具设计的复杂运算，从而帮助模具设计人员评估分析他们所设计的模具结构的工艺性和可制造性。Kwong and Smith 5 ，他们根据以黑板的协作模型为基础的专家系统和基于范例推理的方法，开发了一个用于注塑模具工艺设计的计算系统，该系统包括模具设计、生产调度、估价和注塑模参数的确定。Britton et. al. 6 从功能角度分析讨论了注塑模具设计使用功能设计的知识和一些知识库。Mok et. al. 7为注塑模具设计开发了一个以知识库为基础的交互式的CAD系统，该系统嵌入计算、知识和图形模块。同时，有关改善注塑模具的某些特殊部件的设计的部分研究工作也已经进行。Ong et. al. 8设计了一种以知识为基础和面向对象的方法，用于注塑模具进给系统的设计，其可以有效的应用于注塑模具浇注系统的类型、位置和大小的设计。Iraniet. al. 9也开发了一个软件系统，用于注塑模具的浇口和流道系统的自动化设计，同时可以通过特定的性能参数提供浇口设计效果的评估。Nee et. al. 10提供了一种用于确定注塑模具设计中最佳分型方向的方法，该方法以自动识别和提取消弱功能为基础。Chen and Chou 11开发了一种在模具设计过程中通过计算消弱量和减少消弱来选择分型线的算法。Park and Kwon 12从事于注塑模具冷却系统的设计开发工作，建议根据注塑工艺过程中不同冷却阶段的热分析和设计灵敏度分析从而作出最优化的选择。Lin 13从事利用浇口位置和浇口尺寸作为重要参数模拟注塑模具性能的预测分析工作。然而，在注塑模具设计的领域中，有一个领域却很少能引起人们的注意，这就是多型腔注塑模具中的型腔布局设计。型腔布局设计效果的好坏直接影响到注塑成型的整个工艺过程，因为它是整个模具设计过程中最重要的阶段之一。在概念设计阶段审议注塑模具的型腔布局设计将会显著提高改善注塑成型产品的质量，因为它与许多影响模具的设计和质量的关键因素的决定因素有关。这些因素包括型腔的数量、分型线、模具的类型、浇口的类型和位置、浇道系统、冷却系统和脱模系统。这其中某些因素很难通过构建真实的数学模型去分析和评估。本文介绍一个名叫ICLDS的设计支持系统，该系统基于以知识为基础的和面向对象的方法，应用于多型腔注塑模具的设计和开发。它使用基于范例和排除推理的方法来完成型腔布局的解决方案14。它依赖于一个名叫“RETE+”商业软件系统，该系统是一个综合的发展平台，客户可以在此基础上发展自己的以特定专业知识为基础的系统15。该平台的目的就是在概念设计阶段充分利用人工智能的现有技术协助模具设计人员来更好的完成设计开发工作。2 注塑模具的型腔布局设计注塑模具的现行设计，尤其是型腔布局设计，在很大程度上取决于相关模具设计人员的经验和知识技能水平。因此，在注塑模具设计中最好利用知识工程，人工智能和智能设计技术准确高效的开发一个可接受的型腔布局解决方案。在模具设计过程中，很多型腔布局的模式、规律和原理都可以很容易的用这种形式的知识表示，这种形式的知识可以应用到大多数的知识密集型的设计系统中。例如，对于图1所示的型腔布局模式，选择恰当的布局模式对于设计工作来说，主要取决于模具的工作环境、工作条件、客户需求，更大程度上取决于设计人员的技能、经验和知识。在相互矛盾的各种因素中正确的取舍主要依靠设计者的技能，知识和经验。在这种情况下，特别是针对常规设计或者创新设计，智能设计技术应用于系统设计是非常合适的。注塑模设计主要涉及到下列要素或子系统的设计：(1)模具的类型(2)型腔的数目(3)型腔布局 (4)热流道系统(5)顶出系统 (6)冷却系统 (7)排气系统(8)安装机制 流 道 浇 道 八型腔圆形和矩形布局 六型腔不同的矩形布局A: Y型浇道 B: H型浇道且塑料融体的流动方向有两次改变 C: H型浇且塑料融体流动方向有三次改变图 1 多型腔模具型腔布局的部分模式 注塑模具的组成 型腔设计的组成 流道系统的组成图 2 注塑模具的设计网络由于许多内容都是相互依存的，绘制一张实际上完全覆盖注塑工艺的流程图几乎是不可能的。图2展示的是由部分设计步骤所形成的复杂的设计网络图。很明显的是在塑料模具设计中，设计人员很难检测所有的设计参数。型腔设计和布局直接影响到大部分的其他的设计活动。以帮助设计人员在概念设计阶段进行型腔布局设计的技术为基础的先进知识的应用将大大有助于全面的电脑辅助注塑模具设计和制造系统的发展。从图1我们可以看出多型腔模具可以有多种不同的型腔布局模式。模子的型腔越多，注塑模具的生产效率就越高。但是这可能导致一些困难问题，如平衡分流道的分布或者是具有复杂型腔的产品的布局，这些反过来又影响注塑模具的可制造性。而且，型腔的数量和型腔的布局模式也有可能影响到分型线、分流道统系和冷却系统的确定。也因此，许多模具的主要设计活动都与型腔布局的设计有关。图3显示的是型腔布局设计与其他设计活动的关系。由此，型腔布局设计问题在很大程度上取决于整幅模具的功能，它包括：(1)设计规范的定义包含设计问题性质的分析和描述(2)模具类型的确定(3)型腔数量的确定(4)产品数量的确定（模具寿命的预期）(5)浇道的类型以及浇道截面的形状的确定(6)浇口类型和位置的确定(7)型腔布局的概念设计(8)脱模能力，制造能力和经济效益的评估(9)冷却系统的确定(10)图表结果显示和输出图3 注塑模具型腔布局设计和其他模具模块的关系图表图4 智能化型腔布局设计系统的所有结构图5 智能化型腔布局设计系统的一般设计过程3 ILCDS的构成和设计过程型腔布局设计的智能化设计系统是以围绕RETE+软件系统所设计的基于案例的推理和排除推理为基础的。图4简要的说明了ILCDS的结构组成。图5展示了ILCDS的一般设计过程。该设计过程是由定义设计规范开始的。ILCDS系统通过计算分析新案例和已有案例的相似性，从而在案例库中检索出相似的案例。对于检索结果，如果满意的话，解决方案就会显示出来；如果不满意的话，ILCDS系统就会通过正向推理，逆向推理或者是综合运用正向推理和逆向推理来使用排除推理的方法，从而得到新的解决方案；如果还不满意的话，那么用户就不得不更改最初的设计规范。在ILCDS的设计过程中案例库技术的应用使得用户可以更迅速更灵活的获得设计问题的解决方案。在ILCDS的设计开发过程中使用的数据库和知识库的结构来源于RETE+软件系统（一个商用的软件开发平台）的基本知识库和数据库结构。4 ILCDS的开发4.1 知识的分类由于布局设计涉及到许多逻辑和步骤，因此，在型腔布局设计中，就需要对许多不同类别的知识加以描述和表征。该知识依据如下所述的面向对象的概念可以分为五类：(1)设计实例/案例：以往的设计案例和当前的设计实例。(2)关系：父类的子类关系，类实例关系。(3)属性：设计变量，特征，设计问题的属性。(4)规则：一般设计规则，设计经验。(5)程序和/或模型：数值计算，数学模型，分析，评价和程序。4.2 知识的表征为了描述这些知识，本质上属于RETE+语言的ECLIPSE语言能够如前所述作为设计过程面向对象的代表。其他一些知识方面的考虑如下：(1)对于“设计实例/案例”，综合使用“事实定义”，“关系定义”，数据库和案例库表征。(2)对于“属性”，以“模板定义”和/或“关系定义”的实例表征。(3)对于“关系”，用“关系定义”描述。(4)对于“规则”，用“规则定义”，“规则设置定义”表征。(5)对于“程序/模式”，用使用C+语言的外部例程表征。此外，“目标定义”和“目标生成”技术是用来实现逆向推理，而排除推理则是用于以案例为基础的设计。4.3 排除推理理论排除推理理论（简称：CBR）首先依据于案例检索而案例检索是依据“相似度”。因此，如何计算相似度就成为了CBR的关键技术。详细介绍如下：在每个层面都对应一个其值指向特定查询（新案例）的域的多维空间，相似度是一个加权距离函数，在有序的案例中有一个非失踪的值。对于有序域和名义域，案例和查询（对应于多维空间的一个点）之间的距离计算有很大的不同。有序域是一个其值是命令和排序的领域，名义域是一个其值表征定性信息而排序毫无意义的域。一般情况下，有序域包括日期、整数、和实数，而名义域包括布尔运算、符号和文字。4.3.1 序距离计算在序数域的距离，dij, 在 i个案例对应值之vij, 查询值之Vj , 对于第j个域，有计算如下：在这里每个域对应的最大值和最小值在植指数结构中决定。由于dij代表沿着一个多维的相似的空间的第j轴的距离，相似空间的距离Di计算公式如下：由于dij必须在0和1两个数字范围内变化，上述公式也必须在0和1两个数字之间变化。当应用加权的时候，上述公式变化如下： 由于Wj 和 dij必须在0和1的范围内变化，因此，上述公式也必须在0和1之间变化。4.3.2 文字的标称名义距离为了确定案例中特定查询的一个文本域的值之间的距离，我们对每个条件设定一个加权值，通过该加权值，文本域可以检索，并且该加权值在检索结果之中。加权值通过下述公式计算： N是案例的数目。nk是不同的案例中项目k发生的次数。 Fik 是项目k在案例i中发生次数数量之和，项目k是由案例i所有项目中分离出的。Wik是案例i中第k个项目的加权值。作为上述公式的计算，把Wk作为查询中的第k个项目的加权值。通过上述所给的加权值，两个文本域的相似度（表示为一个标准化的距离）计算公式如下：4.3.3 文字的标称距离符号仅仅是一个特例，只有文字的一个字符。权重的符号计算领域在上述方程的文本字段总是对应于Fik 之一。在这些式中，计算相似度完全一样的文本字段。4.4 案例的确认案例的确认是核查每个可接受的案例结果是否适合当前的情况，并找出一个合适的案例。因此每个案例都要与测试理论有关，并且测试出相关的结果。只有这种案例，在给定的情况下，所有的测试结果均符合当前的设计要求，才能被认为是一个合适的解决方案，并作出进一步的完善。4.5 降低成本有效性的标准对以ILCDS系统在型腔布局设计中的应用，两种成本节约方式是很容易被接受和理解的。一方面，通过使用该系统进行注塑模具的概念设计工作从而使得所有相关的理论性的研究支出得以降低；另一方面，它可降低（注塑模具的）实际价值的成本，如果某些价值有降低成本的属性，通过将其记录在数据库，可应用于基于案例的推理。对于理论之一，任何降低成本有效性的标准是不需要的，因为这个可以通过提高效率，节约时间，改善设计质量，和客户快速有效的沟通很快的得以实现。为了降低成本的切实有效，经过相比较而择优得出的规则规律都可以加以使用。例如，我们可以对比同样具有“节约成本”属性的两种案例（设计方案）来决定那种更适合客户的需求。使用降低成本的百分比公式完成比较，降低成本的百分比可以通过公式计算出来： 节约成本=（老成本-新成本）/老成本对于具有成本节约属性的案例，首先计算出来节约的百分比，然后再在案例之间验证其有效性是非常好的。5 应用举例“型腔布局的概念设计”的“型腔布局模式的决定”案例，由ILCDS提供如下：如果最初的设计条件按如下：(1)模具类型：两板模模具(2)分流道类型：冷流道(3)模子的型腔数目：6个(4)清洗成型区域的时间：很短(5)成型产品形状：长方体图6 六型腔布局模式的图表结果Y型型腔布局结构然后结果给出如图6所示，型腔布局设计的模式为Y型矩形布局。知识库是通过使用ECLIPSE语言的特征，如defrelation，deftemplate，defruleset和goal代等开发的。项目的一部分，描述知识库开发的总体样式，例句如下： . . . . . .(defrelation dimension (?item ?size)(defrelation layout (?item ?type). . . . . . (defruleset Runner_system 10 (agenda body). . . . . .(defruleset cavity_layout 8 (agenda body 2). . . . . .(defruleset cavity_layout (agenda body) (defrule goal_cavity_layout (initial-fact) (goal (selection layout_designed ?yesno) (unknown (selection layout_designed ?yesno) (not (layout cavity ?type) => (printout t ". Waiting! Waiting! Waiting! ." t). . . . .(defrule cavity_layout2_2_01 (goal (layout cavity ?type) (unknown (layout cavity ?type) (known (quantity number_of_plate 2) (known (quality type_of_runner "cold_runner") (known (quantity number_of_cavity 2) (known (quality clear_time "small") => (assert (layout cavity "horizontal_layout"). . . . .(defrule cavity_layout2_6_01 (goal (layout cavity ?type) (unknown (layout cavity ?type) (known (quantity number_of_plate 2) (known (quality type_of_runner "cold_runner") (known (quantity number_of_cavity 6) (OR (whatis shape_of_product "elongated") (whatis size_of_product "small") => (assert (layout cavity "Y_rectangular_layout"). . . . .6 结 论在注塑模具的计算机辅助设计系统问题上，多型腔注塑模具的型腔布局设计问题很少引起关注。计算机辅助设计系统在得出最优化的型腔布局设计的解决方案上将节约更多的时间和成本。ILCDS系统据信是第一个在使用知识库的方向上进行的尝试。注塑模具ILCDS系统的开发基于PC机windows系统环境下的RETE+系统。从实际角度来看，设计人员在概念设计阶段利用ILCDS系统可以有效的进行注塑模的型腔布局设计，它提供了一个从产品模型到模具制造的整个注塑模设计过程朝全自动化方向发展的开端。参考文献1Menges, G. et. al. (1986), “How to Make Injection Molds”, Hanser Publisher, Munich.2Kruth, J.P. and Willems, R. (1994), “Intelligent support system for the design of injection moulds”, Journal of Engineering Design, 4(5), 339-351.3Lee, R-S, Chen, Y-M, and Lee, C-Z (1997), “Development of a concurrent mould design system: a knowledge based approach”, Computer Integrated Manufacturing Systems, 10(4), 287-307.4Raviwongse, R. and Allada, V. (1997), “Artificial neural network based model for computation of injection mould complexity”, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 13(8), 577-586.5Kwong, C.K. and Smith, G.F. (1998), “A computational system for process design of injection moulding: combining blackboard-based expert system and case-based reasoning approach”, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 14(4), 239-246.6Britton, G.A., Tor, S.B.,et. al. (2001), “Modelling functional design information for injection mould design”, International Journal of Production Research, 39(12), 2501-2515.7Mok, C.K., Chin, K.S., and Ho, J.K.L. (2001), “An interactive knowledge-based CAD system for mould design in injection moulding processes”, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 17(1), 27-38.8Ong, S.K. Prombanpong, S. and Lee, K.S. (1995), “An object-oriented approach to computer-aided design of a plastic injection mould”,Journalof IntelligentManufacturing, 6(1), 1-10.9Irani, R.K. Kim, B.H. and Dixon, J.R. (1995), “Towards automated design of the feed system of injection moulds by integrating CAE, iterative redesign and features”, Transactions ASME Journal Engineering for Industry, 117(1), 72-77.10Nee, A.Y.C., Fu, M.W. et. al., (1997), “Determination of optimal parting directions in plastic injection mould design”, Annals CIRP, 46(1), 429-432. 11Chen, L-L and Chou, S-Y (1995), “Partial visibility for selecting a parting direction in mould and die design”, Journal of Manufacturing Systems, 14(5), 319-330.12Park, S.J. and Kwon, T.H. (1998), “Thermal and Design sensitivity analyses for cooling system of injection mould. Part 2:Design sensitivity analysis”, Transactions ASME Journal Manufacturing Science & Engineering, 120(2), 296-305. 13Lin, J.C. (2001), “Optimum gate design of freedom injection mould using the abductive network”, International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 17(4), 297-304.14Maher, M.L. et. al. (1996), “Developing Case-Based Reasoning for Structural Design”, Intelligent System & Their Applications, IEEE Expert, USA, June.15The Haley Enterprise, Inc. (1994), “Documentation of RETE+”.