CN108595763A - 基于模型检索技术的模具组件设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于模型检索技术的模具组件设计方法，包括：对目标产品三维模型进行模型处理，获取轮廓点云，计算得到目标产品模型的几何形状特征向量，并根据目标产品的产品类别信息，在预设实例库模块中采用最近邻法进行匹配检索以获得相似度最高的模具组件实例；根据目标产品的外形结构参数和相应工艺方案，依据预设知识库设定的设计规则进行推理计算，得到模具零件关键结构尺寸数值；依据模具组件实例信息，从预设零件库调用相应的模具组件，并将在推理计算得到模具零件关键结构尺寸数值数据相应地赋值给各个零件，完成零件模型的参数化更新及装配。本发明提出的基于模型检索技术的模具组件设计方法，提高了模具设计质量与效率。

Description

基于模型检索技术的模具组件设计方法
技术领域
本发明涉及模具设计技术领域，尤其涉及一种基于模型检索技术的模具组件设计方法。
背景技术
材料成形技术是许多金属与非金属零件的重要制造方式，广泛应用于现代制造环节。不同的零部件需要采用相应的工艺与配套模具来生产，如轴类零件与型材的挤压模、玻璃瓶的吹制等。根据模具零件的功能划分，模具分为主模具和辅助模具，主模具是指直接参与产品成型的模具零件，其余的模具零件称为辅助模具，不同类别的辅助模具构成模具组件。目前市场竞争激烈且要求不断快速地推出新产品，相应给设计人员相当大的设计负担。传统的设计方法是在相关CAD软件平台下进行重复设计，其特点是模具设计质量过度依赖设计人员的经验，设计周期长，重复劳动多，已难以适应当前市场快速响应的需求。鉴于此类产品的形状特征以及对应的模具往往存在几何拓扑结构相似的特点，有必要采用新的手段与设计方法完成该类零件模具的设计与制造工作。
北京有色金属研究总院程磊在中国发明专利CN103810306A公布了一种高效的型材挤压模具设计方法，该方法通过输入产品特征信息，在专家知识库进行实例检索，获得初始模具设计方案，经过对初始方案进行数值模拟以及相应的优化，得到最优的工艺设计方案，提高了型材挤压模具的设计效率及质量。该发明的产品特征是通过输入产品文本内容信息进行识别并进行实例检索，由于文本内容不能充分表达产品的几何形状特征，因此该方法的局限性大。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种基于模型检索技术的模具组件设计方法，旨在提高模具设计质量与效率。
为实现上述目的，本发明提供一种基于模型检索技术的模具组件设计方法，包括以下步骤：
对目标产品三维模型进行模型处理，获取轮廓点云后，计算得到目标产品模型的几何形状特征向量，并根据目标产品的产品类别信息，在预设实例库模块中采用最近邻法进行匹配检索以获得相似度最高的模具组件实例；
根据目标产品的外形结构参数以及相应工艺方案，依据预设知识库设定的设计规则进行推理计算，得到对应的模具零件关键结构尺寸数值；
依据最相似的模具组件实例信息，从预设零件库调用相应的模具组件，并将在推理计算得到模具零件关键结构尺寸数值数据相应地赋值给各个零件，完成零件模型的参数化更新及装配，完成设计结果输出。
优选地，对目标产品三维模型进行模型处理，获取轮廓点云时，在三维CAD设计软件的建模模块中，先创建模型的纵向截面特征，求得产品的轮廓曲线，然后选择产品的外轮廓曲线构成封闭连续曲线，最后选取该曲线以等弧长方式创建点云，以此获得轮廓点云。
优选地，等弧长方式创建点云指以均匀分割外形轮廓曲线的方式创建点集，点集的个数取决于产品形状特征。
优选地，目标产品模型的几何形状特征向量通过获取目标产品轮廓点云的点坐标信息，应用极半径不变矩算法计算得到。
优选地，极半径不变矩算法指的是基于二维极半径矩的形状特征识别方法，应用的公式是归一化的极半径矩计算公式。
优选地，检索匹配指在预设实例库中应用最近邻法在对应产品类别的预设实例库中进行匹配检索，相似度匹配方法采用欧几里德距离，通过计算两个模型的欧氏距离值判断几何相似性，距离越短，相似度越大，在预设实例库中与目标产品模型的距离值最小者为最相似实例。
优选地，最近邻法具体为：根据产品选择模块的相关选择方案，将目标产品模型的形状特征向量与预设实例库中的实例逐一比对，依次计算相似度，将相似度最高的实例作为求解参考方案，以完成检索。
优选地，预设实例库以电子表格文件形式存在，包括产品类型、产品名称、几何形状特征向量、对应的模具组件编号信息。
优选地，预设知识库包括模具设计知识库和模具零件信息库，其中，模具设计知识库有两种方式存在，一种以电子表格文件形式存在，储存各个模具零件的行业标准规格、经验参数；另一种以程序代码存在所开发的***中，为理论计算公式；模具零件信息库以电子表格文件形式存在，包括各个辅助模具的相关尺寸参数名称、装配属性、常用的尺寸规格以及三维模型文件位置信息。
优选地，预设零件库包括各个辅助模具零件的三维参数化模型文件。
本发明提出的基于模型检索技术的模具组件设计方法，具有以下有益效果：
1、可显著提高了模具的设计效率，缩短设计周期，降低设计成本，从而达到快速响应市场的需求。
2、本模具组件设计方法设计的***承担模具设计过程中存在大量的类似重复设计与计算，极大程度减少了设计人员的模具设计工作量，设计人员将有更多的时间空间进行创造性工作。
3、使得企业的设计知识及经验得到充分的重用和继承。
附图说明
图1为本发明基于模型检索技术的模具组件设计方法的流程示意图；
图2为本发明基于模型检索技术的模具组件设计方法应用于玻璃瓶时获取到的轮廓点云的示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，一种基于模型检索技术的模具组件设计方法，包括以下步骤：
步骤S10，对目标产品三维模型进行模型处理，获取轮廓点云后，计算得到目标产品模型的几何形状特征向量，并根据目标产品的产品类别信息，在预设实例库模块中采用最近邻法进行匹配检索以获得相似度最高的模具组件实例；
步骤S20，根据目标产品的外形结构参数以及相应工艺方案，依据预设知识库设定的设计规则进行推理计算，得到对应的模具零件关键结构尺寸数值；
步骤S30，依据最相似的模具组件实例信息，从预设零件库调用相应的模具组件，并将在推理计算得到模具零件关键结构尺寸数值数据相应地赋值给各个零件，完成零件模型的参数化更新及装配，完成设计结果输出。
基于模型检索技术的模具组件设计方法适用于基于截面特征的产品，即其截面几何形状特征可以体现三维形状特征。
步骤S10中，对目标产品三维模型进行模型处理，获取轮廓点云时，在三维CAD设计软件的建模模块中，先创建模型的纵向截面特征，求得产品的轮廓曲线，然后选择产品的外轮廓曲线构成封闭连续曲线，最后选取该曲线以等弧长方式创建点云，以此获得轮廓点云。
等弧长方式创建点云指以均匀分割外形轮廓曲线的方式创建点集，点集的个数取决于产品形状特征。
目标产品模型的几何形状特征向量通过获取目标产品轮廓点云的点坐标信息，应用极半径不变矩算法计算得到。
极半径不变矩算法指的是基于二维极半径矩的形状特征识别方法，应用的公式是归一化的极半径矩计算公式。
其中，归一化极半径矩的计算公式为：
式中，mnp为归一化的二维第P阶极半径矩，A为形状轮廓区域的面积，n为轮廓点云的所有点数量，ri为形状轮廓点云中的点(xi,yi)与形心点(xc,yc)之间的距离，Δs为轮廓点云中相邻两点与形心构成的面积，为极半径均值。
几何形状特征向量为第2阶～6阶的极半径矩所构成。其描述为V＝(mn2,mn3,mn4,mn5,mn6)。
检索匹配指在预设实例库中应用最近邻法在对应产品类别的预设实例库中进行匹配检索，相似度匹配方法采用欧几里德距离(欧氏距离)，通过计算两个模型的欧氏距离值判断几何相似性，距离越短，相似度越大，在预设实例库中与目标产品模型的距离值最小者为最相似实例。
最近邻法为实例检索的一种方法，根据产品选择模块的相关选择方案，将目标产品模型的形状特征向量与实例库中的实例逐一比对，依次计算相似度，将相似度最高的实例作为求解参考方案，从而完成检索。
获取欧氏距离的相似度度量公式如下。
其中，X为目标模型的几何形状特征向量，Y为实例库中某个模型的几何形状特征向量。
最近邻法具体为：根据产品选择模块的相关选择方案，将目标产品模型的形状特征向量与预设实例库中的实例逐一比对，依次计算相似度，将相似度最高的实例作为求解参考方案，以完成检索。
具体地，预设实例库以电子表格文件形式存在，包括产品类型、产品名称、几何形状特征向量、对应的模具组件编号信息。
预设知识库包括模具设计知识库和模具零件信息库，其中，模具设计知识库有两种方式存在，一种以电子表格文件形式存在，储存各个模具零件的行业标准规格、经验参数；另一种以程序代码存在所开发的***中，为理论计算公式；模具零件信息库以电子表格文件形式存在，包括各个辅助模具的相关尺寸参数名称、装配属性、常用的尺寸规格以及三维模型文件位置信息；
预设零件库包括各个辅助模具零件的三维参数化模型文件。
产品类别信息包括产品的各个类型名称，其中产品可以根据相关的用途、形状特征、制造特点等方式进行分类。
步骤S20中，利用基于案例的推理技术和基于规则的推理技术，结合知识库推理计算，得到实例中相应的模具零件关键结构尺寸数值。
其中，基于案例的推理技术通过应用以往成功实例进行新的问题求解，根据模具设计与制造主要依据产品形状特征，选择三维模型的形状特征相似度为实例相似度。
上述方案中，基于规则的推理技术采用以“if…then…”方式表示的产生式规则，并结合预设知识库、输入的产品外形结构参数以及工艺方案，对相关模具零件结构进行判断及其尺寸数值的计算。
目标产品的外形结构参数包括产品主要几何特征结构的相关尺寸值，其与相应的模具零件结构尺寸值构成函数关系，当产品的几何结构尺寸值发生改变时，其对应的模具结构尺寸也随之发生变化。
目标产品的相应工艺方案包括解决产品成型的生产方法，不同的成型方法所匹配的理论计算公式及工艺系数也不同。
以下为目标产品为玻璃瓶，结合NX设计软件为例进行具体说明。其他实施方式可采用其他的设计软件，例如CATIA、Pro/E、SolidWorks等，只需进行相应的二次开发即可将本发明所述基于模型检索技术的模具组件智能设计方法与设计软件无缝连接。所述的***至少包括两种设计语言：设计软件的开发计算机语言(本实施方式采用NX设计软件，对应的编程语言为NX Open二次开发工具中的NX Open for.NET语言)和底层开发计算机语言(本实施方式采用VB.NET语言)。
第一步：设计人员完成主模具设计之后，在建模模块中应用“截面”命令获得模型在ZY平面上的截面轮廓；选取玻璃瓶模型瓶口以下的外轮廓线作为该产品的形状轮廓，使用“连结”命令来完成；通过“点集”命令，以“等弧长”方式在形状轮廓创建点云。图2为玻璃瓶产品的其轮廓点云图。
选取模型瓶口以下的外轮廓线作为该产品的形状轮廓，由于瓶口结构是根据国标或行业标准规定设计，此处结构不作为几何形状特征判断的依据。
第二步：通过人机交互界面选择与目标玻璃瓶产品对应的瓶型，其中人机交互界面由NX二次开发工具的用户界面编辑器UI Styler制作。
第三步：通过模型检索技术的检索功能，先获取轮廓点云的点坐标信息，计算得到目标产品模型的几何形状特征向量，在预设实例库中采用最近邻法进行检索，应用欧氏距离的相似度度量方法获得目标模型与实例库中对应模型之间的几何形状相似度，将其按大小排序，相似度最高的模具组件实例为检索结果，其具体信息显示在人机交互界面的信息框中。
获取轮廓点云的点坐标信息由NX Open提供的两个函数实现，其中第一个函数为UFSession.GetUFSession.Ui.SelectByClass，此函数的功能是获取点云；第二个函数为UFSession.GetUFSession.Curve.AskPointData，此函数作用是查询点坐标信息。
实例信息储存在Excel电子表格中，VB.NET编程工具提供与Excel连接的接口，通过COM组件引用Excel的主互操作程序集实现访问Excel的具体内容。
第四步：通过人机交互界面选择与主模具对应的成型阶段。
第五步：通过人机交互界面选择与目标玻璃瓶产品对应的成型工艺。
第六步：通过人机交互界面选择与目标玻璃瓶产品对应的瓶口类型。
第七步：通过帮助信息的玻璃瓶参数说明及玻璃模具设计说明，在人机交互界面输入与目标玻璃瓶产品对应的参数，即瓶重、满口容积、重容比、瓶口以下高度、瓶身直径、瓶底凹部深度、壁厚及瓶口高度等。
第八步：依据信息框中的模具组件实例信息，依据预设知识库设定的设计规则进行推理计算，得到对应的辅助模具零件关键结构尺寸数值。
所述知识库中各个辅助模具零件的行业标准规格、经验参数，储存在Excel电子表格文件中；理论计算公式和设计规则以VB.NET编程代码体现。
第九步：通过获取最相似的模具组件实例信息，然后从预设零件库调用相应的模具组件，将在推理计算得到参数相应地赋值给各个辅助模具零件的结构尺寸，最后，实现零件模型的参数化更新及自动装配。
预设零件库中的三维模型是以参数化方式进行建模，在NX的建模模块中，参数化建模是以建立相关表达式方式进行建模。
参数化更新由函数：
UFSession.GetUFSession.Modl.EditExp与UFSession.GetUFSession.Modl.Update实现。
第一个函数的作用是编辑三维模型的尺寸参数；第二个函数是实时更新模型。
具体地，自动装配功能由以下的函数实现：
(1)theSession.Parts.Work.ComponentAssembly.AddComponent函数使配件模型以绝对坐标装配方式加载到主模具对应位置。
(2)UFSession.GetUFSession.Assem.AskParentComponent函数获取约束对象。
(3)componentConstraint.CreatConstraintReference函数创建模型之间的位置约束关系，完成装配。
第十步：输出设计结果，完成玻璃瓶产品的模具组件设计。
本发明提出的基于模型检索技术的模具组件设计方法，具有以下有益效果：
1、可显著提高了模具的设计效率，缩短设计周期，降低设计成本，从而达到快速响应市场的需求。
2、本模具组件设计方法设计的***承担模具设计过程中存在大量的类似重复设计与计算，极大程度减少了设计人员的模具设计工作量，设计人员将有更多的时间空间进行创造性工作。
3、使得企业的设计知识及经验得到充分的重用和继承。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于模型检索技术的模具组件设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
对目标产品三维模型进行模型处理，获取轮廓点云后，计算得到目标产品模型的几何形状特征向量，并根据目标产品的产品类别信息，在预设实例库模块中采用最近邻法进行匹配检索以获得相似度最高的模具组件实例；
根据目标产品的外形结构参数以及相应工艺方案，依据预设知识库设定的设计规则进行推理计算，得到对应的模具零件关键结构尺寸数值；
依据最相似的模具组件实例信息，从预设零件库调用相应的模具组件，并将在推理计算得到模具零件关键结构尺寸数值数据相应地赋值给各个零件，完成零件模型的参数化更新及装配，完成设计结果输出。
2.如权利要求1所述的基于模型检索技术的模具组件设计方法，其特征在于，对目标产品三维模型进行模型处理，获取轮廓点云时，在三维CAD设计软件的建模模块中，先创建模型的纵向截面特征，求得产品的轮廓曲线，然后选择产品的外轮廓曲线构成封闭连续曲线，最后选取该曲线以等弧长方式创建点云，以此获得轮廓点云。
3.如权利要求2所述的基于模型检索技术的模具组件设计方法，其特征在于，等弧长方式创建点云指以均匀分割外形轮廓曲线的方式创建点集，点集的个数取决于产品形状特征。
4.如权利要求1所述的基于模型检索技术的模具组件设计方法，其特征在于，目标产品模型的几何形状特征向量通过获取目标产品轮廓点云的点坐标信息，应用极半径不变矩算法计算得到。
5.如权利要求4所述的基于模型检索技术的模具组件设计方法，其特征在于，极半径不变矩算法指的是基于二维极半径矩的形状特征识别方法，应用的公式是归一化的极半径矩计算公式。
6.如权利要求1所述的基于模型检索技术的模具组件设计方法，其特征在于，检索匹配指在预设实例库中应用最近邻法在对应产品类别的预设实例库中进行匹配检索，相似度匹配方法采用欧几里德距离，通过计算两个模型的欧氏距离值判断几何相似性，距离越短，相似度越大，在预设实例库中与目标产品模型的距离值最小者为最相似实例。
7.如权利要求1所述的基于模型检索技术的模具组件设计方法，其特征在于，最近邻法具体为：根据产品选择模块的相关选择方案，将目标产品模型的形状特征向量与预设实例库中的实例逐一比对，依次计算相似度，将相似度最高的实例作为求解参考方案，以完成检索。
8.如权利要求1所述的基于模型检索技术的模具组件设计方法，其特征在于，预设实例库以电子表格文件形式存在，包括产品类型、产品名称、几何形状特征向量、对应的模具组件编号信息。
9.如权利要求1所述的基于模型检索技术的模具组件设计方法，其特征在于，预设知识库包括模具设计知识库和模具零件信息库，其中，模具设计知识库有两种方式存在，一种以电子表格文件形式存在，储存各个模具零件的行业标准规格、经验参数；另一种以程序代码存在所开发的***中，为理论计算公式；模具零件信息库以电子表格文件形式存在，包括各个辅助模具的相关尺寸参数名称、装配属性、常用的尺寸规格以及三维模型文件位置信息。
10.如权利要求1至9中任意一项所述的基于模型检索技术的模具组件设计方法，其特征在于，预设零件库包括各个辅助模具零件的三维参数化模型文件。
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