数字铸造框架设计及其在集成铸造工艺系统开发中的应用

《Materials Reports: Energy》：Digital casting framework design and its application for integrated foundry process system development

本文提出面向铸造工艺的智能化CAD系统开发五阶段路线图，集成CAD本体统一建模、3D MVC架构和实时规则验证模型，开发出铸造智能设计系统（CIDS）。通过参数化建模和几何推理实现高效设计，结合知识图谱与多工艺集成架构，在砂铸造中验证了72.7%的设计效率提升，并建立可扩展的数字化铸造设计框架。

　　本研究探讨了如何构建一个高效、智能的数字铸造设计系统，以应对当前商用CAD系统在铸造工艺设计方面的不足。铸造行业作为制造业的重要组成部分，其设计流程的优化对于提高产品质量、降低成本以及增强企业竞争力具有重要意义。随着工业4.0和数字化转型的不断推进，铸造行业正逐步向智能化、自动化方向发展。然而，传统CAD系统在处理铸造设计时存在诸多限制，例如缺乏针对铸造工艺的专用工具、设计灵活性不足以及难以实现设计与验证之间的实时交互等。为解决这些问题，本研究提出了一种基于参数化设计、模块化架构以及实时验证机制的综合设计框架，并通过一个名为CIDS（铸造智能设计系统）的原型系统进行验证，证明了该框架在提升设计效率和实现数字转型方面的有效性。

### 1. 研究背景与意义

在工业4.0的推动下，制造行业正经历从传统制造向智能制造的转型。这一转型的核心在于实现设计与生产的智能化融合，借助信息技术和互联网平台，提升产品设计的效率和质量。在此背景下，产品开发（PD）成为决定现代企业成败的关键因素之一。为了确保产品开发流程的顺利进行，必须建立一套智能化的产品开发策略和流程，使每个阶段的设计需求得到充分满足，从而推动整个设计流程的高效完成。此外，数字化转型要求对流程、管理、技术和人力资源进行全面整合。随着铸造行业对数字技术的广泛应用，其设计效率得到了显著提升，成本和质量也得到了优化。然而，当前的CAD系统在处理铸造设计时，仍然存在诸多问题，例如缺乏针对铸造工艺的专门知识、设计流程不够灵活以及难以实现设计与验证之间的高效交互等。

为了克服这些问题，许多研究尝试通过基于商用CAD系统的二次开发来提升设计过程的合理性和有效性。尽管商用CAD软件具备丰富的功能模块和广泛的应用场景，但其在铸造领域的专业性仍显不足。因此，研究者们开发了多种基于CAD平台的铸造工艺设计工具，这些工具通过集成铸造知识，实现了铸造工艺的智能化设计。例如，一些研究者提出利用CAD系统进行自动化设计，以优化浇注系统和冒口设计，提高铸造质量。然而，当前的研究主要集中在设计规则和特定功能的实现上，缺乏对设计框架整体架构的系统性研究，以及对设计流程中知识重用和扩展性的重视。

### 2. 方法论与系统设计

#### 2.1 统一的3D模型构建方法

在铸造工艺设计中，参数化建模是一种关键的技术手段。参数化建模能够根据定义的参数自动调整模型，从而提升设计效率和灵活性。然而，传统的参数化建模方法在铸造行业中存在一些局限性，例如对历史构建序列的依赖性较强，可能导致在迭代修改过程中出现拓扑不稳定问题；此外，参数之间的级联更新机制可能引发复杂装配环境下的设计冲突和再生失败；同时，参数关系的持久维护需要较高的计算开销和文件体积；最后，参数化建模在跨平台数据协作方面也面临一定的挑战。

为了解决上述问题，本研究提出了一种混合参数化建模框架，用于快速生成工艺相关的组件。该框架通过选择性参数化移除机制，确保工艺相关组件的所有属性能够准确映射到参数移除后的非参数化体上，从而实现下游集成的一致性和制造信息的保留。该方法能够在不同工程系统之间保持数据的兼容性和一致性，提高系统的可扩展性和灵活性。

#### 2.2 3D MVC架构设计

MVC（Model-View-Controller）是一种经典的软件设计模式，它通过将模型、视图和控制器分离，提高了系统的可维护性和可扩展性。在铸造CAD系统的设计中，MVC架构能够有效支持3D模型、用户界面（UI）和设计规则的集成，从而实现设计流程的高效管理。

- **模型（Model）**：模型是3D元数据模型，具备三大特点：驱动几何更新、实现智能算法、验证设计规则。通过模型，可以确保设计过程中几何信息的准确性和一致性。
- **视图（View）**：视图是用户交互行为的集合，包括输入设计参数、选择设计意图以及在上下文中操作3D模型。通过视图，用户能够直观地了解设计状态，并对设计过程进行实时监控。
- **控制器（Controller）**：控制器是负责控制视图和设计结果的组件，确保设计意图与需求相符。控制器能够提供“所见即所得”（WYSIWYG）的交互方式，支持实时验证和动态预览，从而提高设计的准确性和效率。
- **数据库（Database）**：数据库是系统的核心数据源，用于存储铸造行业知识和设计标准。通过数据库，系统能够实现设计参数的自动推荐、规则验证以及数据的灵活管理。

基于MVC架构，本研究提出了一个综合的3D建模方法，该方法能够实现组件的快速创建和修改。通过UI交互、数据库的CRUD（创建、读取、更新、删除）功能以及参数化模板模型的构建，系统能够实现高效的参数化设计。此外，该方法还支持基于XML文件的配置，使用户能够通过节点定义的方式构建各种标准组件库，从而提高系统的可扩展性和灵活性。

#### 2.3 验证与验证模型（V&V）

在设计过程中，实时验证和反馈机制是确保设计质量的关键。传统的设计流程通常需要多次验证和调整，导致设计周期较长且效率低下。为解决这一问题，本研究引入了一种基于规则的实时验证模型，通过集成参数数据和设计规则，实现设计过程的智能化验证。

- **设计验证规则的定义**：在铸造设计中，需要定义一系列验证规则，以确保设计符合工艺要求。例如，针对浇注系统和冒口系统，可以设置相应的验证规则，如检查 choke 面积、验证壁厚要求、检测缩颈等。这些规则能够帮助设计者快速识别潜在问题，并进行调整。
- **验证结果的可视化**：通过将验证结果以图形化方式展示，能够提高设计者的直观理解和决策效率。例如，在NX软件中，可以利用高精度产品生命周期管理（PLM）和高精度3D（HD3D）功能，将设计验证结果以可视化方式呈现，便于设计者查看和分析。
- **设计过程中的实时验证**：在设计过程中，实时验证能够确保设计参数符合要求，并减少后期修改的次数。通过实时反馈，设计者可以及时发现并纠正设计中的问题，从而提高设计的准确性和效率。

### 3. 铸造智能设计系统（CIDS）的应用

#### 3.1 铸造工艺设计路线图与实施路径

本研究提出了一套分阶段的铸造工艺设计路线图，旨在提升设计的灵活性和智能化水平。该路线图分为五个阶段，分别对应不同的设计目标和功能模块。通过这一路线图，系统能够实现从设计需求到最终3D模型的全流程管理。

- **第一阶段**：定义设计需求，包括产品的几何形状、材料特性以及工艺参数等。
- **第二阶段**：构建3D模型，利用参数化建模技术，实现设计的灵活性和可重用性。
- **第三阶段**：进行设计验证，通过实时反馈和规则检查，确保设计符合工艺要求。
- **第四阶段**：优化设计流程，通过动态调整设计参数，提高设计效率和质量。
- **第五阶段**：实现系统集成，通过与下游系统的对接，确保设计数据的完整性与一致性。

该路线图不仅能够提高设计效率，还能增强系统的可扩展性和灵活性，使铸造工艺设计更加系统化和智能化。

#### 3.2 系统架构设计

CIDS的系统架构由五个层次组成，分别是数据层、算法层、核心设计层、V&V层和组件层。每个层次都承担不同的功能，共同构建一个高效、智能的铸造设计系统。

- **数据层**：数据层是系统的基础，用于存储铸造行业知识和设计标准。通过数据库的集成，系统能够实现设计参数的自动推荐和验证。
- **算法层**：算法层提供了基于上下文的参数推荐和规则验证功能。例如，在浇注系统设计中，系统能够根据设定的工艺参数，自动调整浇注区域的尺寸和形状，提高设计效率。
- **核心设计层**：核心设计层是系统的核心模块，负责3D模型的构建和管理。通过三种不同的建模方法（用户输入参数、数据库驱动参数、几何实例重用），系统能够实现灵活的设计流程。
- **V&V层**：V&V层是系统的关键组成部分，用于实时验证设计结果，并提供反馈机制。通过这一层，系统能够确保设计符合工艺要求，并减少后期调整的次数。
- **组件层**：组件层负责组件的注册和管理，使系统能够支持外部组件的集成和重用。通过这一层，系统能够实现多源数据的整合和统一管理。

此外，系统还支持与外部系统的集成，例如与PLM系统Castsim的对接。通过这一集成，系统能够实现设计数据的高效传递和版本管理，从而提升整个设计流程的协同能力和效率。

#### 3.3 系统功能架构

CIDS的功能架构基于参数化设计、实时验证和系统集成等关键技术。系统能够实现从设计需求到最终3D模型的全流程管理，并通过多种设计方法，如用户输入参数、数据库驱动参数和几何实例重用，提高设计的灵活性和可重用性。

- **参数化设计**：通过参数化设计，系统能够根据设计需求自动调整模型参数，提高设计效率和质量。
- **实时验证**：系统在设计过程中提供实时反馈，确保设计符合工艺要求，并减少后期修改的次数。
- **系统集成**：系统支持与PLM、CAE等系统的集成，实现设计数据的高效传递和管理。

此外，系统还支持多种设计方法，包括手动调整、自动优化和智能推荐。通过这些方法，系统能够实现更加高效和灵活的设计流程，提升设计质量。

### 4. 应用案例与效果分析

#### 4.1 铸造工艺设计流程

本研究通过一个具体的案例，验证了CIDS在实际应用中的效果。案例中涉及一个圆柱形铸件的工艺设计，包括浇注系统、冒口系统和芯盒设计等。通过CIDS系统，设计时间从传统的11人小时大幅缩短至3人小时，提升了约72.7%的效率。这一效率的提升不仅来自于更快的手动操作，还源于系统对设计流程的优化和自动化。

- **浇注系统设计**：系统能够根据设计需求自动调整浇注区域的尺寸和形状，提高设计的准确性。
- **冒口系统设计**：通过几何推理方法，系统能够快速识别热源区域，并计算出所需的冒口区域，从而提升设计效率。
- **芯盒设计**：系统支持芯盒的自动设计，包括芯盒的结构、位置和尺寸等，提高设计的灵活性和可重用性。

#### 4.2 与传统设计方法的对比分析

与传统的设计方法相比，CIDS在多个关键指标上表现出显著的优势。传统的设计方法通常采用线性流程，缺乏灵活性和可扩展性，导致设计过程中的瓶颈和延误。此外，传统方法在团队协作和信息共享方面存在不足，容易形成数据孤岛。而CIDS采用模块化架构，支持灵活的功能扩展和多平台集成，从而提升了系统的适应性和效率。

- **系统架构**：传统方法采用单一架构，限制了系统的灵活性和可扩展性；而CIDS采用模块化架构，支持功能的快速扩展和集成。
- **功能能力**：传统方法的功能受限于预定义模块，难以适应不断变化的设计需求；而CIDS提供了动态设计能力，能够快速适应不同的工艺和用户需求。
- **系统兼容性**：传统方法难以与其他系统集成，导致数据不一致；而CIDS支持多种数据格式的集成，确保数据的兼容性和一致性。
- **设计流程**：传统方法采用线性流程，缺乏优化和迭代能力；而CIDS采用优化的迭代流程，提升了设计效率和质量。
- **工具使用**：传统方法缺乏统一的工具和界面，导致用户操作复杂；而CIDS提供了统一的工具和用户界面，提升了用户体验和操作效率。
- **团队协作**：传统方法在团队协作方面存在不足，而CIDS通过实时反馈和协作功能，支持团队成员之间的高效沟通和信息共享。

#### 4.3 应用效果与质量提升

通过CIDS系统的应用，不仅提升了设计效率，还显著提高了设计质量。具体表现为：

- **过程设计标准化**：通过整合标准组件库和参数化模板，系统能够实现标准化的设计流程，减少人为误差，提高设计的一致性和可靠性。
- **嵌入式验证机制**：系统在设计过程中提供实时验证，确保设计符合工艺要求，并减少后期调整的次数。这种机制能够保持模型数据和工艺参数的一致性，避免数据在传递过程中出现降级。

此外，CIDS系统还支持与下游制造系统的集成，确保设计数据能够顺利传递，并为后续制造提供可靠依据。通过这一系统的应用，铸造行业能够实现从设计到制造的无缝衔接，提高整体生产效率和产品质量。

### 5. 结论与未来工作

本研究通过构建一个基于参数化设计、模块化架构和实时验证机制的铸造智能设计系统，有效提升了铸造工艺设计的效率和质量。系统不仅能够实现设计流程的优化，还能支持多平台集成和团队协作，为铸造行业的数字化转型提供了坚实的理论基础和实践指导。

未来的工作将进一步拓展系统的应用范围，使其能够支持更多类型的铸造工艺。同时，系统还将引入AI技术，以提升设计推荐和优化能力。此外，研究还将进一步优化几何推理算法，以实现更全面的工艺验证和设计优化。最终目标是将CIDS系统与内部的PLM平台Castsim进行深度整合，构建一个统一的智能设计与决策管理系统，为铸造行业的未来发展提供支持。