模具的設計是產(chǎn)品迅速投入市場的關(guān)鍵，KBE系統(tǒng)的實現(xiàn)可以大大優(yōu)化模具設計工藝，縮短模具開發(fā)周期。本文以摩托車塑件產(chǎn)品為基礎(chǔ)，深入討論了KBE的內(nèi)涵和特點，以UG-MoldWizard為開發(fā)平臺，構(gòu)造出注塑模設計KBE系統(tǒng)構(gòu)架，利用OPEN++程序和知識融合技術(shù)，開發(fā)出內(nèi)嵌于UG-MoldWizard平臺的摩托車塑件產(chǎn)品KBE系統(tǒng)。
21世紀制造業(yè)的競爭是新產(chǎn)品的競爭，創(chuàng)新產(chǎn)品的開發(fā)是競爭的關(guān)鍵，而模具的設計又是新產(chǎn)品迅速投入市場的關(guān)鍵。摩托車新車型推出迅速，其中塑料件注射模具的設計開發(fā)對新車的問世起著至關(guān)重要的作用。
模具的設計過程是建立在專家豐富的經(jīng)驗和知識基礎(chǔ)上的創(chuàng)造性思維過程，它不僅是參考經(jīng)驗知識的輔助設計，更是在現(xiàn)有經(jīng)驗基礎(chǔ)上的進一步積累創(chuàng)新，是一個包含了對知識的繼承、集成、創(chuàng)新和管理的過程。然而，由于模具設計過程的復雜性，絕大多數(shù)模具設計專家系統(tǒng)在應用上有嚴格的限制，且智能化手段也比較單一，普遍存在諸如產(chǎn)品信息模型簡單、知識表示方式單一、圖形處理能力不強、無法與有限元仿真結(jié)果有機結(jié)合等諸多問題。
KBE（Knowledge Based Engineering，基于知識工程）技術(shù)是解決這一問題的最佳方案。KBE系統(tǒng)為解決傳統(tǒng)CAD系統(tǒng)存在的問題提出了方案，如設計原理的體現(xiàn)、約束是否沖突、如何在設計階段進行產(chǎn)品估價、設計制造是否可行以及設計的最終產(chǎn)品是否符合外觀要求等，同時提供優(yōu)化方案。KBE系統(tǒng)所要達到的目的是使產(chǎn)品信息在整個生命周期中都可得到應用，從而獲得最優(yōu)化方案。
一、KBE的含義和特點
1.KBE的概念
由于KBE技術(shù)的開放性，至今為止，尚無一種公認的、完備的KBE定義。如英國Coventry大學的KBE中心認為：KBE是一種存儲并處理與知識模型有關(guān)的知識，并基于產(chǎn)品模型的計算機系統(tǒng)；是目前促進工程化、實用化產(chǎn)品開發(fā)的最值得注意的軟件方法。英國Cranfield大學的Huihua Li博士認為：KBE是一種特殊類型的基于知識的系統(tǒng)，它專注于工程設計以及后續(xù)的制造、銷售等活動。世界著名系統(tǒng)集成公司美國UG公司認為：KBE是獲取智能對象或人造物（如零件）的生命周期內(nèi)實質(zhì)的方法學，包括操作性、功能性和性能的要求，以及獲取它的進一步變化。而上海交通大學模具CAD國家工程研究中心則提出：KBE是通過知識驅(qū)動和繁衍，對工程問題和任務提供最佳解決方案的計算機集成處理技術(shù)。
綜上所述，KBE的內(nèi)涵可以概括為：KBE是領(lǐng)域?qū)＜抑R的繼承、集成、創(chuàng)新和管理，是CAX技術(shù)與AI技術(shù)的集成。下面將可以通過對KBE的特點進一步闡述KBE的含義。
2. KBE技術(shù)的特點
(1)知識性
從定義來看，KBE是基于知識的工程，所以需要以知識為基礎(chǔ)，而系統(tǒng)為設計者提高設計所需各種知識。
知識的最初來源有：①理論公式，行業(yè)的經(jīng)典理論和公式是前人經(jīng)驗和實踐的積累，是知識的重要的組成部分；②工程數(shù)據(jù)，生產(chǎn)實踐所獲取得來的數(shù)據(jù)是長期實踐的結(jié)果，是被證明了的理論，能夠成為新產(chǎn)品模具設計的重要依據(jù)；③成功案例，成功的案例可以為相似產(chǎn)品的模具設計提供設計思路的參考，比如，相似形狀的產(chǎn)品可以選用同一類型的澆注口，相似尺寸的產(chǎn)品其模架和模腔可以選用相似尺寸，或?qū)Ω鱾€特征變量進行推理求解。
從邏輯基礎(chǔ)上看，常用的推理方式可分為：演繹推理，歸納推理，外展推理，非單調(diào)推理和不精確推理。目前應用于模具設計的KBE系統(tǒng)主要有：①基于規(guī)則的推理；②基于實例的推理（CBR）；③基于模型推理（MBR）；④神經(jīng)網(wǎng)絡；⑤ 遺傳算法。
(2)領(lǐng)域性
KBE是以知識為基礎(chǔ)的，它的起點是專家系統(tǒng)，所以KBE是局限于一個具體領(lǐng)域的，不存在所謂的廣泛意義上的通用KBE，這樣才便于知識的提取。摩托車塑料產(chǎn)品在某種程度上是相似的，但摩托車塑件產(chǎn)品與其他比如生活用品臉盆的模具就沒有基本的相似特征。
(3)智能性
KBE不同于專家系統(tǒng)，它可以在人工干預下完成設計和數(shù)據(jù)計算，自動提取相關(guān)知識，并且具有獨立于人之外的判斷和推理能力。KBE還具有學習能力，隨著系統(tǒng)的使用，KBE會將新的成功案例加入到知識系統(tǒng)去，隨著用戶對軟件的應用，系統(tǒng)會變得越來越聰明，推理和計算更準確。
要使KBE系統(tǒng)成為工程過程的中心，就必須使之適用于產(chǎn)品模具各個階段的相關(guān)設計原則。要想從設計分析到制造都有效地利用KBE系統(tǒng)，就要求KBE系統(tǒng)具有柔性、開放性、可重用性并可用戶化。
(4)多目標優(yōu)化
對KBE系統(tǒng)來說，最終獲得的是多個設計變量，它會考慮與設計有關(guān)的各個因素，并根據(jù)需要進行權(quán)重，進行多目標優(yōu)化，使設計方案在總體目標上處于最優(yōu)。神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)和遺傳算法在模具KBE上的應用，使模具設計的多目標優(yōu)化得以順利實施，最終獲得合理的最優(yōu)設計工藝。
二、 KBE在UG-MoldWizard平臺上的應用
UGS提供的知識驅(qū)動自動化模糊了設計、工程、幾何建模與編程之間的界限，為KBE系統(tǒng)的融合開發(fā)出一套簡單的知識解決方案。利用UG-MoldWizard可以將設計獨特的知識融入系統(tǒng)，而過程向?qū)t使領(lǐng)域內(nèi)的用戶能夠充分利用行業(yè)內(nèi)的專家經(jīng)驗。以往要解決的知識重用和過程標準化問題不再需要專業(yè)的編程人員耗費大量的資金和時間來解決，只需利用知識融合的方法，就可以盡可能地實現(xiàn)自動化。
1.UG-MoldWizard模具模塊與設計流程圖
UG-MoldWizard是專業(yè)的注射模具模塊，為設計模具的型芯、型腔、滑塊、推桿、和嵌件提供了建模工具，使模具設計變得更快捷和容易，它的最終結(jié)果能夠建立出與產(chǎn)品參數(shù)相關(guān)的三維模具，并能用于加工。UG-MoldWizard的模架庫及其標準件庫包含有參數(shù)化的模架裝配結(jié)構(gòu)和模具標準件，模具標準件庫中還包括滑塊（Slides）和內(nèi)抽芯（Lifters），并可通過Standard Parts功能用參數(shù)控制所選用的標準件在模具中的位置。用戶還可以根據(jù)自己的需要定義和擴展UG-MoldWizard庫。UG-MoldWizard的設計流程圖如圖1所示。
圖1 UG-MoldWizard的設計流程圖
2.KBE設計框架
KBE系統(tǒng)能夠根據(jù)已有成功模具設計方案和工程數(shù)據(jù)庫，利用實例和神經(jīng)網(wǎng)絡等進行綜合推理，獲取設計所需知識，并在工藝CAE軟件上對成型工藝進行驗證和優(yōu)化，并將最終設計方案返回到成功案例中，系統(tǒng)框架如圖2所示。
圖2 摩托車塑件產(chǎn)品KBE系統(tǒng)框架
3.系統(tǒng)實現(xiàn)和設計實例
利用OPEN++和UG知識快速融合技術(shù)，將KBE內(nèi)嵌到UG-MoldWizard平臺上，使設計者可以在UG-MoldWizard中直接進行設計，KBE系統(tǒng)在設計者干預下能夠直接或間接操作UGS軟件進行塑料注射模具的數(shù)字化設計工作，其中KBE系統(tǒng)的界面如圖3所示。
圖3 KBE系統(tǒng)界面
三、結(jié)論
KBE系統(tǒng)的智能行為在很大程度上取決于知識庫中的知識和推理方式的優(yōu)略。本文討論了摩托車上塑料產(chǎn)品注射模具的設計，并利用所提出的知識模式和邏輯推理方法，在UG-MoldWizard平臺上開發(fā)出了可行的注射模具設計KBE系統(tǒng)，不但可以為缺乏經(jīng)驗的模具設計者提供專家的指導，還可以使相關(guān)的塑料產(chǎn)品設計效率大大提高。實踐表明，利用基于UG-MoldWizard平臺的摩托車塑件產(chǎn)品KBE系統(tǒng)進行相關(guān)設計，不同的產(chǎn)品設計周期可以縮短到原來的五分之一。KBE在模具工業(yè)以及整個制造行業(yè)具有廣闊的應用前景。