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摘 要 基于模糊设计和并行工程思想，建立了压铸工艺设计系统的并行模型，描述了系统各模块所蕴含的模糊设计算法，为压铸工艺CAD的实现奠定了基础。
关键词 压铸；模糊设计；并行设计
中国图书资料分类号 TG21；TG248
前言
并行设计法，是一种系统工程设计法。它在产品的设计阶段就考虑到零件的加工工艺性，制造状态，产品的使用功能状态，制造资源状态，产品工艺设计的评价与咨询，以及产品零件公差的合理设计等。模糊设计法，是近年来发展迅速的一种现代设计方法。它研究设计过程中大量出现的非确定属性，非数值型，事关经验的各种设计变量的状态及其相互间的关系。压铸工艺设计过程中，需要处理大量的经验性知识和非符号型信息。压铸工艺设计状态决定其生产制造过程状态。建立并行模糊工艺设计模型，可以较好地解决压铸工艺设计与生产过程中的复杂性、动态性及不确定性问题，从而设计出合理的工艺，保证良好的生产制造状态。
1 并行设计系统模型
压铸工艺并行设计系统结构如图1所示：并行设计系统包括四个部分，(1)产品设计：将产品的使用功能状态转化成具体设计方案，从而建立产品模型。产品模型是由与产品对象有关的各种信息有机地联系而构成的，其中以几何形体的数据信息最为基本。现代CAD的最新发展是基于产品零件特征的建模，产品零件形体结构特征与使用功能或制造工艺有密切关系，且具有相对独立意义。在建模时，用户输入定义产品典型特征的名称，系统可生成相应的特征结构。
(2)工艺设计可分为三个模块：1)工艺参数设计，根据产品特征模型信息进行压铸工艺参数的设计。由于工艺参数要受到制造资源(如压铸机、压铸合金等)的影响。故工艺参数设计还必需参考制造资源选择状态。2)制造资源选择，对各种压铸设备(压铸机、压铸辅助装备等)，压铸合金，以及原辅材料等进行选择。由于压铸机与压铸工艺参数设计过程中的交互作用，使其选择是一个反复进行、逐渐优化的过程。3)模具结构设计。在上述工作的基础上，进行型腔成型结构尺寸，各种辅助机构装置，以及模具外围结构等的设计。(3)制造状态与产品状态：制造状态是一个广义的综合性概念。在产品的设计阶段，设计人员应根据产品的设计状态，并从实际生产环境状况出发，对各种可能出现的制造状态有一个明确的预测与把握。产品状态则由设计状态和制造状态共同决定。(4)工艺评价与咨询：从设计结果出发，通过反向推理与求解，对产品工艺设计方案，如零件公差设计，结构工艺性与可制造性等进行评价；对模具的组成机构(如顶出机构，抽芯机构等)进行可靠性分析与咨询，以及根据产品缺陷进行压铸组成环节故障诊断及其对策咨询等。
2 基于并行结构的模糊设计
2.1 产品使用功能状态—特征建模的模糊映射
每一种使用功能状态对应着一个或多个特征，故功能状态到特征的模糊映射为一模糊点到集映射。一般地，设功能域(Domain of function)为Dfun=｛dfun1，dfun2,…，dfunm｝，特征域(Domain of feature)为Dfea=｛dfea1，dfea2，…，dfean｝。对于某一具体的压铸零件，给出一个功能模糊集F(Dfun)为Dfun的幂集,则有
其中
为第i种使用功能状态dfuni对功能集的隶属度,为了清楚地表示出每种功能状态所诱导出的特征，将分解为方阵
功能域到特征域的模糊点到集映射决定了功能状态-特征间的二元模糊关系 “×”为直积符号，表示为模糊关系矩阵
R=[rij]m×n i=1,2,…,m;j=1,2,…,n (3)
其中，表示第i种功能状态dfuni与第j种零件特征之间具有模糊关系 的程度。0≤rij≤1
功能状态-特征模糊点到集映射的结果为
B=A○R=
其中,特征模糊集 为Dfea的幂集。
为了明确某一零件特征是否存在，可以给定置性水平λ0<λ<1,得到模糊矩阵的λ-截矩阵，从而将映射结果由模糊矩阵转化为普通布尔矩阵
由布尔矩阵知，对应于元素1的特征dfeaj，j=1,2,…，n是存在的。
今后应进一步研究的具体问题是，(1)产品使用功能状态与零件特征的模糊描述，功能模糊集的确定。(2)特征类图库的自动生成。
2.2 压铸工艺参数设计
根据产品结构模型的数据信息，可进行压铸工艺参数的设计。主要包括浇注系统工艺参数设计和溢流系统工艺参数设计两部分。
浇注系统工艺参数设计的经验表明。压铸零件平均壁厚ta与型腔充填时间τf及金属液内浇口速度vg之间有一定的关系。总的规律是，壁越薄，则充填时间越短，内浇口速度越大[1]。对这种形式的模糊映射，可采用模糊联想记忆(FAM)神经网络或误差反向传播(BP)神经网络来模拟。利用关于平均壁厚、充填时间以及内浇口速度的典型样本数据对网络进行训练，训练好的FAM网络形成一个神经元间的联接权矩阵[2]，训练好的BP网络得到一个神经元间联接权的分布状态[3]。这时，输入一个具体压铸件的平均壁厚，则网络可作出关于充填时间和内浇口速度的响应。
如果进一步考虑压铸零件的结构复杂程度cs，则可设计一个双输入(ta与cs)，单输出(τf或vg)的模糊控制器。其中，结构复杂程度是在综合考虑模具型腔型芯和结构凸起的多少，金属液在型腔内流动转折的多少，以及压铸件壁厚均匀程度等因素的基础上，采用模糊综合评判方法而得到[4]。
利用以上方法，可得到充填时间和内浇口速度的预测值。结合压铸件的体积，由流量计算法可算得内浇口截面积Ag。Ag的实际值可在计算值的基础上，根据压铸件的形状及浇口引入位置等因素进行适当的调整。为了得到实际的充填时间，内浇口速度，冲头在压室的压射速度，压室压射压强Ps，以及压室流量Qs等工艺参数，需结合压铸机压射机构系统的参数来进行计算[5]。
溢流系统工艺参数设计包括溢流槽设计和排气道设计两部分。在溢流系统参数设计中，首先要确定溢流口的截面积Aos，其设计方法一般是以内浇口截面积Ag乘以一个小于1的比例系数β，即Aos=βAg[6]。在文献［7］中，考虑到压铸零件结构复杂程度cs及压铸件的大小Rd(Rd为压铸件空间对角线长度)，基于真值流推理网络(TVFIN)进行了β值的模糊推理，从而可计算出Aos值。根据Aos值，结合溢流槽和排气道的具体结构类型，可进行溢流系统其它结构数据信息的检索。这些数据信息可事先储存于文件或数据库中。
2.3 制造资源的选择
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制造资源的选择中，最重要的是压铸机的选择，另外，还有压铸合金的选择等。 在文献[8]中，分析了模具-压铸机压射机构系统的功率配合问题，在图2中，给出了分别代表浇注系统与压射机构系统功率特性的两条Ps-Qs2图线。 |
图2 一定内浇口流量系数及截面积下的Ps与Qs2关系图 |
当图2中模具浇注系统压铸功率需求点G位于模具-压铸机功率配合点A的左下方(PsA·QsA＞PsG·QsG)时，表示压铸机能够提供足够的功率来满足浇注系统的需要；否则就不能采用这台压铸机。如前所述，压铸机压射机构系统的参数对浇注系统实际工艺参数有决定性的影响，这在文献[8]中有所描述。对于不同的压铸机，由于其压射机构参数不同，故在图2中功率配合点A的位置也不同。对于一付确定的模具，其浇注系统功率需求状态是稳定的，故G点位置不变。因此，若有数台压铸机处于备选状态，则从节省功率的角度出发，最佳的选择应使得G点和A点间距离最近。
对于压铸合金材料的选择，一般地，是综合考虑产品的使用功能，生产要求，制造工艺等诸方面的因素，根据设计人员的经验从众多牌号中选择一种合金。现在，也可根据一些算法由计算机进行自动选取与判断，如基于专家推理规则的模糊聚类算法等[9]。
2.4 模具结构设计
模具结构设计的内容主要包括型腔成型结构尺寸的设计，抽芯机构的设计，压铸件顶出机构的设计，以及各种模板的设计等等。
三种类型的成型结构尺寸，即磨损后变大的型腔尺寸Lcav，磨损后变小的型芯尺寸Lcor，以及同向磨损尺寸Laxi，由下列公式计算
Lcav0+δ=［Ls(1+Kmax)-Δ］0+δ (6)
L0cor-δ=［Ls(1+Kmin)+Δ］0-δ (7)
Laxi±δ/2=［Ls(1+K)］±δ/2 (8)
其中，Ls为压铸件的公称尺寸，Δ为压铸件尺寸公差(对于压铸件的外形轮廓尺寸标注为L0s-△，对于压铸件孔及空腔类尺寸标注为L+△s0，对于压铸件的中心距离尺寸标注为Ls±Δ/2)，Kmax和Kmin分别为压铸合金的最大和最小线收缩率，K为综合线收缩率，K=(Kmax+Kmin)/2。δ为模具制造误差，δ=Δ/m，m为模具制造精度系数，m=3～5。
抽芯机构，顶出机构及模板的具体结构类型主要由型腔的结构特点决定。在选定具体结构后，可用模糊可靠性设计法进行其零部件结构尺寸的设计[10]，其一般模型如下述。
设模糊随机事件“零部件强度Ts模糊地大于负荷TL”，表示为论域Ω：“Ts和TL的大小关系”上的模糊子集形式，则需部件强度的模糊可靠度为模糊随机事件发生的概率,即 现建立的隶属函数TS和TL都为随机变量，则TS-TL也为随机变量，并给定其概率密度函数为f(TS-TL，α)，其中，α为函数所隐含的零部件结构尺寸参数。给定零部件的可靠度要求R0，则模糊可靠性边界方程为
在理论上，通过求解模糊可靠性边界方程，可以得出结构尺寸参数α的值。但实际上，由于概率密度函数的积分原函数往往不能表达为初等函数的形式，故方程往往难以求解。这时可采用试算法来解决这个问题[10]，另外，也可采用数值方法来求解边界方程。
2.5 设计状态，制造状态及产品状态之间的相关性与聚类
压铸产品的设计状态与生产制造状态都受到多种因素的影响。这些因素相互间存在着纷繁复杂的作用关系，实际生产环境的状况也在不断地变化，这些都决定了设计状态和制造状态形式的多样性，以及描述的模糊性。
设设计状态变量集为Sd=｛sd1,sd2,…，sda｝，对应于每一设计状态的制造状态变量集为[11]
Sd1→｛s′m11,s′m12，…，s′m1b｝
Sd2→{s′m21，s′m22，…，s′m2b｝
… … … … … (10)
Sda→｛s′ma1，s′ma2，…，s′mab｝
其中，s′miji=1,2,…，a;j=1,2,…，b是归算为0～1无量纲值的一个制造状态变量。根据实际生产环境对制造状态变量加权修正后得到
smij=wi·s′mij i=1,2,…,a;j=1,2,…，b (11)
相应的设计矩阵为
S=［smij］i=1，2，…，a；j=1，2，…，b (12)
矩阵中，不同的行对应于不同的设计状态及实际生产状况，不同的列对应于不同的制造状态，任二列(u,v)的元素(smiu，smiv)之间的模糊矩离用相似系数ruv来表征
由此可得设计状态与制造状态的模糊相似关系矩阵
Re=［ruv］b*b (14)
Re，Re2，Re4，…构成一个传递模糊矩阵序列，经过有限次复乘，可收敛到Re的传递闭包，即
Re2h=Reh h=2,4,8,… (15)
现给定置信水平λ0＜λ＜1，求出Reh的λ-截矩阵，则Reh转化为一个只含0和1元素的布尔矩阵，由此可对制造状态进行聚类而得到
Sm=｛sm1，sm2，…，smf｝f＜＜a (16)
在制造状态模糊聚类的基础上，还可对产品状态进行模糊聚类分析，此处不再具体叙述。
2.6 工艺评价与咨询
2.6.1 压铸零件尺寸公差设计的评价 压铸零件的尺寸公差Δ应包括三种尺寸变化与波动，即1)因合金综合线收缩率的选用误差而造成的尺寸波动，2)模具制造误差，3)修模量，压铸成型时，可能达到的压铸件尺寸精度由下式判别
Δ≥m·Ls(Kmax-Kmin)/(m-1) (17)
在给定模具制造精度的情况下，此式给出了压铸零件尺寸设计时可能给予的最小公差，从而为尺寸公差的设计评价提供了依据。
2.6.2 工艺设计方案，压铸零件结构工艺性及可制造性的评价 设计方案的好坏，结构工艺性与可制造性的优劣，都是相对的。影响它们的因素种类纷繁，层次复杂且又互相作用，因此，很难建立评价的精确模型。一般是根据设计人员的经验来进行判断和选择，另外，也可考虑一些主要因素的特点及其分布的层次性，采用模糊层次分析方法进行大致的评判[12]。
2.6.3 模具结构的模糊可靠性评价 可靠性评价是可靠性设计的逆问题，对于抽芯机构，顶出机构，以及模板等模具的组成部分，由其实际的结构尺寸数据计算模糊可靠度，再按给定可靠度要求进行评价校核[13]。
2.6.4 压铸组成环节故障诊断与对策咨询 针对压铸生产的四个组成环节(模具，压铸机，合金以及外围辅助设备)与压铸产品缺陷之间的相关模型,文献[14]给出了基于缺陷分析的故障诊断与对策咨询。具体方法是利用二级模糊综合评判模型建立模糊评判矩阵，再通过模糊矩阵的Zadeh运算来得到评判结果，并由最大隶属度原则进行故障与对策的识别。
3 结 语
通过以上的分析，研究了压铸模糊并行工艺设计模型的结构和算法，该模型为压铸工艺CAD的实现奠定了基础。今后，还有许多工作有待开展。主要有：(1)实际生产经验与生产状态及其模糊信息的提取与表达；(2)并行结构的完善，以及各模块数据信息的存储，处理与通讯；(3)设计与制造的联系，以组成集成制造系统等等。
