塑料制品广泛用于国民经济的各个生产部门，在现代社会中具有举足轻重的地位。而注塑模则是其最主要的生产工具，对于注塑件模系统集成的研究具有重要的意义。CAX技术在注塑件模领域的应用，提高了企业效率和降低了成本。

　　但是，由于各个CAX系统之间的信息缺乏有效的沟通，以及CAX系统之间缺乏智能支撑技术，导致了整体的运行效果不尽如人意。

　　注塑模设计是典型的设计分析一体化过程。在传统的串行设计过程中，各个设计和制造环节是分离的。为了缩短注塑模的开发时间、降低成本和提高质量，必须体现并行的思想。当前，CAD与CAE还是相对独立的两个部分，虽然目前的商用软件对这个难题做出了各自的改进工作，但总的来说问题还没有根本的解决，存在诸多困难，CAE的能力并未充分发挥。本文的研究正是着眼于实现CAEHCAE，以及CAbCAD的自动化循环过程。

　　并行工程是先进制造技术的核心思想，并行思想可以提高效率，降低成本和改善产品质量。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.王辉，男，1977年生，博士，主要研究方向为注塑模智能成本评估及注塑件多目标决策、模具CAD/CAE/CAM.田晓东，男，1973年生，博士，主要研究方向为反求工程、模具CAD/CAM和计算机图形学。周雄辉，男，1963年生，博士，教授，主要研究方向为特征造型、模具CAD并行工程等。阮雪榆，男，1933年生，教授，博士生导师，中国工程院院士，主要研究方向并行环理论，丰富了并行工程的思想，并在工程应用上指出了实现此思想的具体途径。

　　2注塑件CAD建模与CAE智能处理的集成化框架针对注塑件模领域目前CAD和CAE的“自动化孤岛”

　　现象，以及CAD和CAE系统之间缺乏联系的现状，本文提出了CAD/CAE并行环的思想，系统框架如所示。它包括以下几个部分：注塑件结构设计CAD环。它指“特征建I塑件结构设计专家系I特征建模”的循环过程⑴，也就是图中的CAD环过程。此部分工作已经在UG的UG/MFPartAdviser中得到了部分应用。本文将其作为一个独立的板块放入注塑件生命周期环的大循环中。

　　注塑件模CAD/CAE并行环。也就是从CAD-CAtCAD的循环过程。它包括如下部分：3.1用于注塑工艺参数设计的CBR系统注塑件/漠CAE系统。依据参数设计CBR系统提供的结果，以及CAD系统提供的几何特征信息，对一系列的工艺条件进行分析；CAE分析结果的定向解释专家系统。其主要作用是结合注塑件CAD建模系统，对CAE分析的结果进行智能处理。

　　注塑件生命周期环。它涵盖了注塑件相关的各个方面，是一个完整的生命周期环。

　　3注塑件CAD建模与CAE智能处理的关键技术为实现系统集成，本文所要研究的关键技术包括：CBR技术是智能推理的一个重要分支，它是基于人的认知过程，应用记忆组织来实现推理的。由于注塑工艺参数选定工作的强实践性，用传统的规则推理来总结出所有的参数选择规律是不现实的，并且随着所选择知识的增加，很可能会出现知识爆炸的局面，因此使用CBR推理方法来求解是最合适的（如所示）。用于注塑工艺参数设计的CBR系统有其特殊性（如所示）。Case定义如下：问题一一塑件几何特征，材料类型，流动方式，厚度，分型面复杂系数等等塑件/模具的特征信息；结果模具的各种注塑工艺参数。

　　事例的索引。目前有两种索引方式：一种是按照各个事例类型进行顺序列表；第二种是依据因果关系来进行事例的索弓I.为了简化起见，采用最简单的顺序方式。

　　事例的检索。最关键的是事例的检索算法，常用的方法是，其中foik表示事例库中旧事物的值，/ra.k表示相比较的新事物的值，Wi是权重。关于事例检索的算法很多，包括模板法、归纳法、知识导引法、基于神经网络模型法。这些方法各有特点。本文采用最近邻法。

　　针对注塑件工艺参数的改写问题，目前国外有两类方法：（1）参数调整方法31，也就是建立一定的公式映射关系，比较新旧事例的差异，然后利用映射关系求得改写参数值；等效替代法4.在事例库中寻找可以等效替代它的参数。

　　由于注塑条件与各种注塑工艺参数之间的关系难以确定，利用传统的工艺改写方法具有其局限性。本文采用知识缺乏型事例改写方法（遗传算法）来进行工艺参数的改写。其关键步骤包括：初始样本。首先从事例库中过滤出相似性比较小的事例，从而优化了进行遗传操作的父代样本质量。从这些满足一定要求的事例库中再随机复制一定数量的初始样本，使最终进行遗传操作的样本总数达到预定的群体规模。

　　染色体编码。遗传算法不能直接处理空间的数据，必须通过有效且通用的编码方法，将问题的可能解编码表示成有限位的二进制字符串（基因型串结构）。本文将染色体编码分为4个部分：a.注塑件的特征信息。它包含注塑件的类细节、表面粗糙度、公差和分型面复杂因子等特征变量。b.独立于具体加工条件的模具特征因素。每副模具的具体型腔个数、模架的类型、型腔材料、电镀、模架材料和镶件。c.模具注塑生产相关基本参数。模腔熔融状态温度、注塑压力和时间参数等。d.得出的注塑工艺参数值。注塑机操作参数、料筒温度、模具温度、注射速度、最大锁模力、注塑机合模及保压时间等。

　　它们以顺次方式串成一个二进制字符串，从而构成了一个样本。

　　适配值函数。对于遗传算法而言，适配值函数对应于最优化的指标函数。当对事例进行改写时，希望改写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产相关基本参数等都得到满足。要求样本的这些特殊要求所对应的染色体编码部分和当前得到的染色体对应部分之差的平方和最小，这个值就是适配值。

　　复制。采用轮盘赌算法。

　　杂交。在父样本的字符串中随机地产生一个分段点，将分段点后的子串互换，生成两个子样本，交换概率定为0.6~变异。在每个子样本的字符串中随机地选择一位，将其数值取反（即1变为0，0变为1），变异概率定为0.00卜0.01.循环。将新产生的样本加入到原样本中，或可以直接加入到前面被选出的优秀的父样本中，组成新种群。至此，一轮遗传操作完成。对适配值进行排序，并进行下一轮迭代计算，直至达到满意的性能指标。在最后的种群中选择最好的一个样本，将其解码后即得到最优的模具方案和报价。

　　3.2CAE分析结果的定向解释专家系统CAE分析结果的定向解释专家系统是对CAE分析数据进行分析和处理，得出比较满意答案的过程。目前这个领域的研究正处于起步阶段5，而智能化则是其主要的发展方向。

　　本文提出的注塑CAE分析结果的定向解释专家系统是利用传统的规则推理的。通过对注塑件特征模型和CAE分析结果文件的解读和信息抽取工作，对信息进行合理的智能解释。缺陷解释专家系统所要解决的主要问题包括：注塑件的材料和结构缺陷，如塑件表观质量、制品形状和精度尺寸等；注塑工艺参数，如熔体温度、模具温度、保压压力和注射速度等；注塑模的流道系统设计，包括浇口位置的确定，浇口形式的选择等。

　　它的主要功能模块包括：型'塑寸0内凹的个数ac外凹陷个数和类型的ing对i.l特征信息文1cf.Al息抽取工作。通过编程来对这些文件进行解读，变成程序可以识别的代码；通过归纳和整理大量知识，建立缺陷诊断知识库。针对可能出现的翘曲、填充不满和过度填充、熔接痕、应力集中等情形，总结其原因，放入缺陷诊断知识库中；对众多的CAE分析结果文件进行过滤，通过数据挖掘，过滤出对解释专家系统有用的信息，并将其融会到智能化诊断和推理中去。其主要工作是对数据挖掘算法的研究，这是因为算法的优劣程度直接关系到过滤出数据的准确性和完整性。

　　对缺陷诊断知识库的维护工作，包括对新事例的加入工作，对众多知识的管理工作等。

　　分析结果的定向解释工作是目前注塑件CAD/CAE集成工作中最欠缺的一环，对这个问题的合理解决具有实际意义。

　　Stepl.系统准备阶段。建立缺陷诊断知识库。在系统投入应用前，首先将各种缺陷的表征进行分类汇总，针对注塑件可能出现的翘曲、填充不满和过度填充、熔接痕、应力集中等原因，建立IF-THEN结构的基于规则的推理机制。这些原因包括注塑工艺因素、注塑模流道系统的设计因素、注塑件本身的设计因素等。

　　Step2系统数据输入阶段。a.对注塑过程进行CAE分析，产生分析结果文件。就MoldFlow来说，其输出文件主要有模型文件和分析结果文件两类，输出格式有二进制和ASC格式。模型文件包括。mfl，。rnla，。ela，。ain，。ata.有限元模拟产生的数据信息量非常庞大，通过编程将这些文件进行解读。获得诸如流道系统、填充信息、温度信息等相关数据。b.对注塑件特征信息文件进行反处理，通过程序获得相关的注塑件特征信息。

　　Step3.系统数据定向解释阶段。a.通过对CAE分析结果文件和注塑件特征信息文件进行数据挖掘，过滤次要因素，找出其规律性，获得抽象的注塑工艺因素注塑模流道系统设计因素等。b.利用缺陷诊断知识库对这些挖掘出的有效信息进行分析，从而得出合理的解释和结论。

　　Step4.系统维护和对后续CAD/CAE并行环的指导阶段。a.维护缺陷诊断知识库，扩充知识库。优化数据挖掘算法，完善定向解释专家系统的功能。当一个新规律被发现后，可以扩大相关的缺陷知识库，同时通过数据挖掘算法找出IF条件所要求的信息。丨>后续CAD/CAE并行环，将定向解释专家系统的结果反馈给决策者。决策者可依据专家系统的建议，作出更改塑件结构设计、更改注塑模结构设计或更改注塑工艺方案等决策。

　　3.3数据流的流动过程数据流的流动过程首先是CAD环的循环过程。

　　CAD环。塑件设计工程师首先通过CAD特征建模系统对塑件进行设计；设计信息随后传递给塑件结构设计专家系统。此系统对结构信息进行分析和推理，给出必要的结构更改建议；最后把结果反馈给注塑件CAD特征建模系统。

　　CAD环一CAE.CAD环最后给出的结论是塑件的特征设计信息（包括几何信息和非几何信息），并以文件的形式存储。a.CAD传递给注塑工艺设计CBR系统的信息是塑件的特征信息，这些信息中的形状特征以特征树的形式存储在计算机中，形状信息是其它特征信息的载体。注塑工艺CBR系统所需要的输入参数就是从这个文件中提取出来的。b.注塑件膜CAE系统所需要的输入数据来自两个方面：工艺CBR系统得出的检索结论（总的工艺参数信息）；注塑件的几何信息。

　　特征建模系统生成的是覆盖所有信息的特征文件，而当前注塑件CAE分析软件所能够接受的文件形式只能是几何信息（1GES或STL格式），非几何特征信息是传递不过去的，也就是几何和非几何信息出现了分离，如所示。而在后面的CAE分析结果定向解释系统中（CAE后处理过程），又需要把两者的特征信自结合起来那么这种情况如何处理，分析结果文件：行合理的建议和解释。这种建E建模CAD系统，也就是所谓我们认为：a.可以在特征建模过程中给每个特征加上一个唯一的标识符特征ID，它对一个塑件的不同特征而言是唯一的。建立特征树，通过克努特变换转换为二叉树形式存储在计算机中。b.对每个特征可以独立生成中面及划分网格，然后通过布尔代数拼接。这样，每个中面也就从特征模型中继承了特征信息（包括特征ID）。c.在进行注塑件CAE分析前，要对得到的中面模型进行网格的划分。很显然，划分的网格就具有了特征ID这个唯一的标识符，从而继承了特征信息。

　　CAEICAD环。它隶属于有限元的后处理过程。CAE结果分析文件和CAD特征建模系统的特征信息文件最后都输入到注塑件CAE分析结果的定向解释专家系统中。由上面的分析可以知道，这两种文件通过特征ID这个唯存在的内部缺陷和外部缺陷翅议会反馈给人类工程师和特征的CAEICAD环。

　　生命周期环。当获得相对满意的设计结果后，塑件设计信息和相应的注塑工艺参数信息就会传递给后续环节。

　　经过一个生命周期环后，下一个生命周期循环重新开始。

　　4实例本文前述部分构筑了注塑件CAD建模与CAE智能处理的集成化并行环思想及其理论框架，对于实际工作具有一定的理论意义和指导价值。显而易见，整个系统的运行是一项很大的系统工程，成熟系统的开发是一项耗时的工程。下面给出一个典的标标识酸腿合遂后通过专家系偏酌nl，对Msl型的例子来说明原型11的运行如所示Zwww.cnki.net设计（通过UG中的CAD模块），然后利用UG/MFPartAdviser对结构设计作出建议。通过CAD环的运行，发现注塑件厚度过大，将其壁厚减为以前的8（%.（2）CADICAE.a.将注塑件特征信息输入我们开发的注塑工艺参数设计CBR系统。理想的方式是通过基于STEP的特征建模，通过对特征的自动抽取作为CBR系统的输入。但是，由于特征建模工作的复杂性，在本原型系统中，采用人机界面方式输入塑件特征和其它相关信息。通过CBR系统的运行，初步选定注塑工艺参数范围，产生工艺参数结果初步信息文件。b.将UG产生的注塑件IGES形式信息文件传入到CAE模块MoldFlow中，同时CBR系统生成的工艺参数结果初步信息，CAE工艺师在MoldFlow中进行工艺分析，分析结果云图如所示。

　　解释专家系统。它首先对CAE分析结果文件进行前处理，通过编程，过滤出定向解释专家系统所需要的输入条件信息。

　　同时，通过对从UG中CAD模块输出的特征信息文件进行解读，获得定向解释专家系统所需的所有输入条件。然后通过建立的缺陷诊断知识库，利用CBR进行推理，获取缺陷产生原因及解决的对策和建议。b.CAD设计方案的更改阶段。利用CAE分析结果的定向解释专家系统得出的结论，对设计和工艺方案进行更改，然后把它反馈给塑件和工艺设计专家。例如，为了改善流动性而添加浇口，将使模具设计的过程复杂化（浇注系统复杂化），如果不改变模具浇注系统的设计，可以通过改变塑件结构设计的来达到目的，可以缩小大孔的大小，将它一分为二。

　　注塑件生命周期环。通过CAD环，CADICAEICAE反复循环，获得满意的设计和工艺方案后，将它放入注塑件生命周期环。