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智能化夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā) 摘要：夾具在加工過程和機(jī)械裝配中是一個(gè)重要的基本的工具。隨著CAD/CAPP/CAM技術(shù)的發(fā)展和CNC技術(shù)在制造業(yè)中的廣泛應(yīng)用，傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足產(chǎn)品越來越快的更新、實(shí)際生產(chǎn)中所需的夾具復(fù)雜化與多樣化的要求。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)是解決這一問題的有效方法。在傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)者的參與和經(jīng)驗(yàn)是必須的。在本文中一種新的設(shè)計(jì)系統(tǒng)已經(jīng)研發(fā)出來，它是為專用夾具而設(shè)計(jì)的，把人工智能技術(shù)應(yīng)用到了CAFD系統(tǒng)中，運(yùn)用了專家系統(tǒng)和三維建模技術(shù)。它討論了配置，一般的功能模塊，知識表示，推理裝置，夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫。本文討論了在夾具設(shè)計(jì)過程中的智能優(yōu)化技術(shù)。最后利用CAFD系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬的夾具作為例子。 關(guān)鍵詞: 夾具；智能系統(tǒng)；專家系統(tǒng) 1. 引言 專用夾具是一種特殊的工具，它是在制造中使工件定位以及把工件固定在合適的位置。通常情況下它支撐和夾緊工件。在制造中夾具消除特殊標(biāo)志、配置、頻繁的檢查，建立統(tǒng)一的性能。這會(huì)減少操作時(shí)間，提高生產(chǎn)率。由于其不可替代的優(yōu)勢和特點(diǎn)夾具廣泛用于工廠的實(shí)際生產(chǎn)中。由于CAM技術(shù)的應(yīng)運(yùn)和流行，對設(shè)計(jì)和制造夾具的效率和可靠性提出了更高的要求。手工的夾具設(shè)計(jì)在制造中是一份傳統(tǒng)費(fèi)時(shí)的工作，而且設(shè)計(jì)者在夾具設(shè)計(jì)中起很重要的作用。工藝設(shè)備是否可以迅速的提供，影響零件生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，特別是在小規(guī)模和多品種的生產(chǎn)中。關(guān)于夾具設(shè)計(jì)有效方法的研究已經(jīng)引起了許多專家和學(xué)者的注意。自從九十年代以來，許多專家和學(xué)者已經(jīng)試著研究計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的新方法?；谌S設(shè)計(jì)軟件的平臺(tái)，一種運(yùn)用特征造型和參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的夾具設(shè)計(jì)理論被提出來。一種為了采用檢索技術(shù)的模塊化夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的CAFD應(yīng)運(yùn)了分解和重建理論得到了巨大的發(fā)展，特別是隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，專家系統(tǒng)已經(jīng)被引進(jìn)到夾具設(shè)計(jì)的過程中，去實(shí)現(xiàn)特殊的作用。在進(jìn)行傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)中，該設(shè)計(jì)師通常需要花費(fèi)大量時(shí)間尋找夾具設(shè)計(jì)手冊和工藝流程圖。這需要花費(fèi)大量的時(shí)間去準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)相關(guān)的，例如為重復(fù)繪制，繁重的工作，很低的效率，已嚴(yán)重的影響了交貨的時(shí)間。然而，傳統(tǒng)的CAFD系統(tǒng)在過去自動(dòng)化程度很低，它過多的取決于設(shè)計(jì)者的參與，夾具設(shè)計(jì)過程是很低效的。由于大部分的設(shè)計(jì)工作是在二維平面上，設(shè)計(jì)者必須具備較高的機(jī)械制圖知識和空間想象能力。應(yīng)用3D模擬技術(shù)對設(shè)計(jì)者來說不僅直觀、容易理解，而且降低了對設(shè)計(jì)者對專業(yè)技術(shù)的要求。本文主要論述了CAFD系統(tǒng)的配置,一般功能模塊、知識表示、夾具和夾具組件模塊基礎(chǔ),推理機(jī)制,知識庫。根據(jù)夾具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，AI技術(shù)已經(jīng)引入到夾具CAD系統(tǒng)中，一種基于3D特征建模，可以有效利用專家優(yōu)勢和三維特征造型技術(shù)的智能CAFD系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)出來了。 2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖1顯示了CAFD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，展示了一種更詳細(xì)，具體的工作程序的系統(tǒng)。 考慮到夾具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，CAFD系統(tǒng)采用了模塊化思想。它由推理機(jī)系統(tǒng)，知識庫，接口數(shù)據(jù)庫，夾具及固定裝置零件模型庫等等組成。夾具設(shè)計(jì)的第一步，使用者需要建立零件模型，包括制造所需的夾緊參數(shù)，加工參數(shù)，定位參數(shù)，其他制造過程所需的完整參數(shù)，這些都是夾具設(shè)計(jì)不可或缺的。此系統(tǒng)采用了基于推理的混合戰(zhàn)略和根據(jù)工件信息推理的規(guī)則。 首先基于實(shí)例的推理。CAFD系統(tǒng)會(huì)在樣庫中尋找滿足要求的相似的例子。有時(shí)，如果幸運(yùn)的話可以找到滿足要求的夾具。第二，如果沒有一個(gè)合適的樣例，系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)知識庫中的知識進(jìn)行推理并給出一個(gè)新的設(shè)計(jì)樣例。然后，調(diào)用夾具模型組成要素的樣例，利用參數(shù)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)來重建模型。通過人機(jī)界面，如果由CAFD建的模型通過強(qiáng)度分析、干擾分析和其他分析，系統(tǒng)將設(shè)置參數(shù)值并完成夾具設(shè)計(jì)。否則，系統(tǒng)將保證用戶調(diào)整參數(shù)和重新設(shè)計(jì)。如果結(jié)果令人滿意，用戶可以將這個(gè)例子儲(chǔ)存到例庫中。該系統(tǒng)有一定的自學(xué)功能。更多的例子儲(chǔ)存 到例庫中，系統(tǒng)的智能化水平越高。 圖1.CAFD系統(tǒng)的流程圖 3. 推理裝置 根據(jù)在夾具設(shè)計(jì)過程中所依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)的特點(diǎn)，該系統(tǒng)采用了CBR和RBR混合戰(zhàn)略。樣庫中的樣例是有限的，他不可能滿足夾具設(shè)計(jì)中所有的情況。所以，CBR不是完美的。一但沒有找到合適的例子，若沒有其他的推理裝置，系統(tǒng)將不會(huì)得到最終的方案。相對CBR，RBR更能滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。 3.1應(yīng)運(yùn)在CAFD中的CBR CBR的基本思想是通過例庫中類似的例子找到答案。結(jié)果是通過CBR的夾具設(shè)計(jì)與更能滿足實(shí)際加工工藝的要求。與RBR相比較，CBR在夾具設(shè)計(jì)中給習(xí)慣以專家的思維去工作，避免知識獲取與表示的困難。正如圖2中顯示的那樣，CBR的夾具設(shè)計(jì)過程包括案例表示、案例搜索和計(jì)算，案例評估，案例檢索和案例更新。這種技術(shù)的關(guān)鍵在于創(chuàng)建案例表達(dá)時(shí)的表達(dá)方法的檢索裝置。 圖2.夾具設(shè)計(jì)樣例推理的設(shè)計(jì)過程 3.1.1案例表示 在系統(tǒng)中的案例用編碼技術(shù)代替。根據(jù)夾具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，每一個(gè)案例給一個(gè)不同的十進(jìn)制數(shù)。案例將會(huì)被編碼和改變以便被識別。最后，案例以編碼形式進(jìn)入典型案例中。 3.1.2案例搜索和計(jì)算 針對夾具設(shè)計(jì)的要求，計(jì)算的相似程度采用最接近的策略。計(jì)算公式是S=∑n1 wi pi 這里, S——與存在的案例的相似程度 N——組件模型特性的數(shù)量 Wi——每個(gè)特性的加權(quán)因子 J p——與案例j，0,1等的匹配程度 根據(jù)相似程度的值，擁有最大計(jì)算值的案例是最相似的案例。 3.1.3案例評估 根據(jù)（2）的結(jié)果，相似度最大的那個(gè)案例如果 Smax≥0.96則可以接受案例方案，把他調(diào)出來，跳過（5）和（6）。如果Smax<0.96則存在的案例與需求的有差距。S的值越小，與案例庫中找到的的案例的差別越大。在這種情況下，改造工作必須提前完成。 3.1.4案例檢索 篩選到得案例不可能完全滿足設(shè)計(jì)的要求。檢索是得到符合結(jié)果的必要過程。檢索包括模型尺寸和模型結(jié)構(gòu)，還有解決方案。 3.1.5案例更新 更新夾具模型庫直到案例檢索的結(jié)果令人滿意。隨著滿足夾具必須特點(diǎn)的新樣例的產(chǎn)生系統(tǒng)將更新。 3.2應(yīng)運(yùn)在CAFD系統(tǒng)中的RBR RBR是通過規(guī)則描述知識的過程。一般來說，知識被簡單，靈活和容易理解的方式表達(dá)出來。通過推理，基于規(guī)則的系統(tǒng)將引導(dǎo)用戶去完成全部的設(shè)計(jì)任務(wù)，包括原理設(shè)計(jì)，布局機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)分析和性能評價(jià)，然后完成一個(gè)集成的夾具裝置。RBR的推理過程展示在圖3中。 圖3.RBR的推理過程 4. 知識庫 知識庫的產(chǎn)生的過程包括知識獲取的知識表示。知識表示是最重要和必須的要素。許多知識是教科書上的，經(jīng)驗(yàn)只有專家才有。他們必須轉(zhuǎn)化成電腦可以識別和執(zhí)行的形式。知識表示的方法通常有以下幾種：邏輯模型，框架，語義網(wǎng)絡(luò)，生產(chǎn)規(guī)則，站的空間搜索，腳本形式。夾具設(shè)計(jì)知識是復(fù)雜的，僅僅通過一種方式是難以表示好的。在夾具CAD的專家系統(tǒng)中，許多知識是被生產(chǎn)式規(guī)則，框架以及他們的混合所表示的。 5. 零件模型庫 大多數(shù)的夾具零件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化。參數(shù)化設(shè)計(jì)特別適合系列化產(chǎn)品的生產(chǎn)，這樣設(shè)計(jì)效率將得到很大程度的改善。在創(chuàng)造夾具件模型的過程中，我們得首先建立用預(yù)定義約束集的幾何方法，然后整合它們到應(yīng)運(yùn)程序，最后根據(jù)推理結(jié)果夾具模型將被檢索出來。根據(jù)夾具及其零件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和參數(shù)化的思想，我們已經(jīng)建立了基于參數(shù)化特征的夾具零件模型庫。夾具零件模型庫包括夾具標(biāo)準(zhǔn)化零件庫，典型夾具樣品庫，通用標(biāo)準(zhǔn)的零件庫。為了實(shí)現(xiàn)CAFD系統(tǒng)，合理的零件分組是一個(gè)關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，它將決定這個(gè)系統(tǒng)能否在實(shí)際中使用。根據(jù)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)習(xí)慣和傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，夾具部件和零件被分為10類，例如（1）定位零件（2）夾緊裝置（3）工具引導(dǎo)零件（4）支撐零件（5）夾具體（6）夾具固定零件（7）輔助裝置（8）操作部分（9）動(dòng)力裝置（10）其他零件 圖4夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫 圖5 夾具的組成 每個(gè)類別的零件又根據(jù)不同的形狀和尺寸分為不同的小類別。其具體內(nèi)容展示在圖5中。以定位銷模型的創(chuàng)造過程為例，其開發(fā)過程如下：首先，建立帶定位銷的三維模型，這需要必要的裝配信息例如裝配基準(zhǔn)面，基準(zhǔn)軸。其次，根據(jù)原始數(shù)據(jù)建立定位銷的數(shù)據(jù)表。然后定義重要尺寸參數(shù)的名稱，給出不同的默認(rèn)值，這樣就進(jìn)入了系統(tǒng)程序中的數(shù)據(jù)。如此定位銷的模型庫開發(fā)過程就完成了。 夾具零件模型的重要尺寸的參數(shù)可以有用戶接口賦予新的值。所以參數(shù)傳達(dá)了CAFD系統(tǒng)中重建的零件模型。用戶接口程序中定位銷的代碼被列舉如下： 圖6.定義主要尺寸參數(shù) 6. 一個(gè)例子 通過CAFD的用戶界面，系統(tǒng)將把模型零件部件的參數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)化成，利用這些參數(shù)來重建模型。圖7顯示利用智能CAFD系統(tǒng)設(shè)計(jì)的撥叉的銑槽夾具的布局圖。 圖7.利用CAFD系統(tǒng)設(shè)計(jì)的撥叉銑槽夾具 7.總結(jié) 在智能專用夾具的CAFD系統(tǒng)的開發(fā)過程中，專家系統(tǒng)被應(yīng)運(yùn)到夾具CAD系統(tǒng)中，采用先進(jìn)的3D CAD軟件作為支持平臺(tái)，利用了基于特征的實(shí)體造型技術(shù)，沖破了傳統(tǒng)夾具CAD系統(tǒng)需要人為判斷，分析和反饋結(jié)果的障礙。該系統(tǒng)提高了夾具設(shè)計(jì)的效率和可靠性，使設(shè)計(jì)結(jié)果更加合理。 8