本文主要介紹CATIA 的知識工程模塊在汽車冷沖模具中的應用。通過使用關聯設計技術和參數化設計技術，構建一套符合模具設計制造的標準流程，并設計過程中嵌入已有的知識經驗，從而減少設計錯誤、降低勞動強度和提高設計效率。

　　汽車模具企業目前的最大生存挑戰是設計制造周期要求越來越短。縮短設計周期應從兩方面著手：一方面縮短單一階段(沖壓工藝設計，模具結構設計等)的周期，另一方面通過對階段間數據的有效管理，使設計過程并行、關聯。

　　一、 CATIA 知識工程系列工具

　　運用軟件的知識工程模塊，將專業化工程知識庫融入模具的設計中，實現智能化設計，可最大限度地提高設計質量及效率。CATIA V5 軟件提供了豐富的知識工程應用手段。常用的CATIA 知識工程模塊主要有KWA(知識顧問)，KWE(知識專家)，PKT(知識模板) 等。基于知識的智能化設計主要有以下幾種基礎實現方法：

　　1) 利用參數和公式驅動幾何模型(Prameters,Formulas)利用CATIA 應用軟件的系統定義參數，將設計中的尺寸約束轉化為控制產品圖形的特征參數，通過可視化修改，可直接驅動模型;用戶自定義參數不能直接驅動模型，需通過用戶自定義的公式與系統參數建立聯系，形成多種多樣的知識表達式，通過公式驅動系統參數，進而驅動模型。此方法貫穿于實體設計的整個流程，也是下兩類智能化設計手段的基礎。

　　2) 利用表格驅動幾何參數模型(DesignTable)

　　應用表格驅動幾何模型就是將與設計有關的數據以表格形式存放在相應的文件或數據庫中，同時建立表中記錄與設計模型特征參數的聯系，通過訪問表中不同記錄達到改變幾何尺寸的目的，從而實現用表格驅動幾何模型。該方法尤其適用于標準件，系列化零件。

　　3) 運用基于規則推理的方法驅動幾何模型(Rule, Check，Reactions)

　　該方法是將設計過程中的設計準則、規范、原理、經驗等采用IF-THEN 形式表達，并建立相應設計規則庫，存儲大量的設計規則，設計規范、設計原理和設計經驗，組成基礎結構庫，指導模具設計，控制模具結構，直接驅動模具模型，能夠有效控制設計中的錯誤。

　　4) 形成多級設計模板及參數化工具。(Powercopy, UDF, Part Template, Assembly Template)

　　根據設計需求，綜合采用以上三種知識工具，運用PKT(知識工程模板)模塊，形成多級別的知識工程系列模板，如特征級模板、局部結構級模板、零件級模板、裝配級模板等。

圖1 知識庫結構圖

　　二、 模具知識工程模板庫的構成

　　本公司通過一年的實踐已初步形成以基礎結構模板庫、典型結構庫、標準零件庫、沖壓設備庫為核心的知識工程系列設計模板庫。知識工程模板作為一種可重復再利用的資源，對于結構類似或表達內容類似的工作通過替換或引用可達到快速重用的目的。本文簡要介紹基礎結構模板庫的構造方式及特點。

　　基礎結構庫是在CATIA V5 環境下建立的基于知識的智能化設計資源庫。其結果就是建立了本企業數字化的三維建模規范及流程。基礎結構庫中的資源根據模板本身的參數化程度及應用范圍進行分級建立和管理。基礎模板的建立首先需要根據輸入的設計信息建立模具的工程模型;其次針對設計過程中的規則、企業規范和設計經驗等建立由各種設計規則、檢驗法則和專家規則構成的設計知識庫;最后，通過各種知識推理方法實現模具結構的智能化設計。

　　建立一個結構穩定易于應用的基礎結構庫，必須注意以下兩個方面：

　　1) 模具結構的標準化參數化

　　模具結構標準化的思想是貫穿整個模塊化建模理念的基礎。通過采用大量關聯的標準化參數化局部典型結構，使模具的設計過程變成局部標準結構的壘積過程。實施的關鍵是總結拆分并整理各種類型的模具通用典型結構，使其參數化、標準化、系列化，在設計過程中通過布爾運算相加到一起，最后形成一個完整的設計。但是由于模具設計的單件、小批量的特點，不可能完全采用參數化標準結構。在設計中只能盡量考慮應用標準結構。同時，基礎模板的建立應充分考慮其應用的靈活性，要求各級模板中的參數名稱盡量保持關聯統一，達到參數化結構可拆分可重組的目的。這樣，在模具設計構想階段，基礎結構庫為設計提供了大量可參考或直接應用的典型模具結構。標準結構根據不同的使用場景，采用不同的模板結構形式，如POWERCOPY 結構、UDF 結構、Part 模板結構、裝配模板結構等。

圖2 模塊化設計思路

　　2)布爾運算的合理運用

　　建模過程中合理應用實體的布爾運算結構是實現模塊化設計的基礎和橋梁。在模具設計過程時，布爾運算的合理使用，可以從思路上將設計分為幾塊。例如將模具的工作和導向部分分開設計，然后通過布爾運算加到一起。這種化整為零的做法，切斷了各個部分的相互牽連。局部一處的修改，不會影響到其他部分的。這個做法在模具的后期修改中的作用是非常大的。另外，一些需要加工的孔、槽類特征作成布爾運算的形式，泡沫數控編程時只要將布爾運算特征設為不激活狀態，就可以直接進行泡沫編程，十分方便。設計者只需要控制幾個基本的特征參數，系統將會根據事先輸入到計算機中的結構規則，自動提供出合理的結構方案。知識工程的引入，基礎結構庫的建立，使三維實體模具結構設計更加智能化。

圖3 基礎模板的引用

　　三、基于知識工程模板的并行關聯設計

　　并行設計比傳統的串行設計增添了很多的數據交換和設計協調的環節，因此需要一個有效的設計方式來控制各個設計階段的輸入數據、輸入數據的引用、輸入數據的替換及輸出數據，從而實現各個設計階段自身的完整性和相互的協調性。在此，我們采用了基于知識工程模板的發布(Publication)技術來實現這一點。應用系列知識工程設計模板不但能有效地縮短單一工序的設計周期，同時也使整個設計制造流程各個階段的并行關聯成為可能。圖1-3 可以看出并行的關聯設計流程相對傳統的串行模具設計流程可以縮短總的產品開發周期。實現并行設計關鍵的技術是關聯設計。傳統設計流程中上一工序的設計變更的信息不能及時傳遞，而導致下面工序實際上在做錯誤的工作。關聯設計可以及時反映出上一工序設計變更，減少設計錯誤。通過關聯設計，實現近似零件的模具設計資源重復應用，縮短設計周期。具體應用請參見下面案例。

圖4 并行關聯設計模型

　　四、知識工程模板應用案例

　　下面以一套典型雙動拉延模為例簡介利用知識庫進行并行關聯設計的基本過程。一般沖壓模具設計分為兩個主要階段，第一階段是3D-DL 沖壓工藝圖的設計;第二階段是模具結構的設計。傳統的設計方式必須等到沖壓工藝完全設計完畢后才開始模具結構設計。采用知識工程模板后，DL 通過前期初步設計出雛型后，就根據結構設計需求發布(Publication)基本的控制幾何元素(不要求精確幾何)，結構設計同時引用該發布元素并調用類似的知識工程模板直接用于模具結構的初步設計，此時與沖壓工藝的詳細設計同步進行。最后等到3D-DL 圖最終完成，我們再用3D-DL 圖最終數據替換或更新掉原始的初步工藝模型，這樣就同步完成整套模具的設計開發過程，有效地縮短了模具整體的設計開發周期。

圖5 并行設計案例

　　構建該類知識工程模板的關鍵技術主

　　要有以下兩點：

　　1. 通過Publication 實現DL 設計和模具結構設計的關聯

　　在模具結構設計中，需要引用DL 文件和機床文件的數據，但是這種引用是一種跨裝配的關聯，同時DL 文件內部的各種模型并不一定是帶關聯的模型。針對這種狀況，我們使用了CATIA V5 中的Publication 功能，通過這種功能，實現了DL 文件和機床文件的參數幾何控制主控文件，主控文件再控制凸模，壓邊圈，下模的結構，同時，對DL 文件內部的各種模型的關聯性沒有任何要求。

　　Publication 功能起到了以下作用：

　　• 作為一個數據交換的黑盒子，存數據的只管存，不管誰引用;取數據的只管取，不管誰存放。

　　• 可以方便實現裝配內和裝配之間的數據(參數，幾何)的關聯。

　　• 只要保持Publication 的名稱不變，非常容易實現替換。

　　2. 通過主控文件管理整套模具的主控參數和幾何，從而實現關聯設計中的自頂向下控制。

　　主控文件是模具模板文件中的主控參數和幾何文件，存放整個模具的各種主控參數：基準參數，輪廓間隙，筋厚，空開結構，導向結構等，以及各類幾何數據，如曲面，線框，草圖。其作用是控制了凸模，壓邊圈，下模的框架結構的大小和位置。修改主控文件的過程實際上是一個方案概要設計的過程，而與常規的方案設計不同的是：主控文件中的概要設計結果將直接修改凸模，壓邊圈，下模的框架結構，所以修改主控文件完成后，凸模，壓邊圈，下模的框架結構將極快地更改完成，從而達到自頂向下設計的目的。