（机械制造及其自动化专业论文）基于知识的夹具cad系统研究.pdf

两：_ 盐大学硕士学位论文 摘要 摘要 计算机辅助夹具设计技术的研究，对于提高夹具的设计效率和设计质量、 继承优秀的设计经验和技巧、促使计算机辅助夹具设计系统的实用化，具有 十分重要的意义。 论文首先对夹具设计进行了分析，认为夹具设计并不是单向性的，设计结 果往往要在后来的装配和使用中不断验证。再根据这种特点，用了一种基于 特征建模、参数化技术、基于实例和基于规则的推理技术的方法来构建计算 机辅助夹具设计系统。 该方法充分考虑了计算机辅助夹具设计系统对工件c a d 信息、工艺信息和 夹具信息的需求。首先，基于特征和参数化技术建立夹具元件的模型，并构 建从参数内容进行描述的夹具元件数据库，以便为夹具设计过程提供较为完 备的夹具元件信息；再次，在装夹方案的规划中基于工件的特征信息，由设 计人员根据工件的这些特征信息来选择，若检索出的实例不符合要求再采用 知识推理的方法来确定工件的装夹方式以及定位表面和夹紧表面。论文以这 种方法为导向，研究的内容包括： 。 1 ) 建立了基于特征的工艺信息模型。在分析了工艺信息模型的总体结构 的基础上，把模型从特征层次上划分为总体特征模型、工件形状特征模型、 材料特征模型、装夹特征模型、工序特征模型。对每一个特征模型分析，并 用数学集合方式表达其内容。 2 ) 分析了夹具结构特征，并在此基础上讨论了定位夹紧的常用模式，分 析了定位夹紧的特征，通过功能表面的分析与定位夹紧模式建立了联系。 3 ) 分析了基于知识的夹具设计关键技术，并以这些技术为理论依据，硼 究了装夹方案的规划方法。 4 ) 在上述理论的基础上应用v c 6 0 和u n i 伊印h i c s 开发了一套基于知识白毛 夹具设计q 如系统模块，建立了参数化元件库模型，初步验证了利用参数化 技术和特征技术开发出计算机夹具设计系统的可行性。 关键词：计算机辅助夹具设计，基于知识的推理，参数化，特征技术 嚣北工业大学硕十学位论文a b s l r a c t a b s t r a c t t h es t u d yo f 咖p u t c ra i d c dt i x t u r ed e s i 印i so fv i t a l s i 伊i f i c 柚c cj n i i l l p r o v i n gt l l ee 筋c i e n c y 勰dq u a i i t yo ff t i l r ed c s i 印，i l l l l e r i t i n ge x c e l l e n c ed e s i 伊 e x p c r i e n c c 柚da n i f i c c ，p 咖p t i n gt h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h cc o m p u t e ra i d e df i x t u r c d c s 逸ns y s t e m a f t c r 锄a l y s i so ff i x t l l f cd e s i 乳t h ea u t h o rt h o u g h tt h ep f o c c 鹳i nf i x t 呲 d e s i g ni sn o tu i l i l a t e m l i s m ，锄dt i i er c s u l tn c e dt ob ev a l i d a t e di nt h e 勰s 啪b l i n 吕 a c c o r d i n gt ot h o s ep o i n 协，t h e 她t h o rp m p o s e dah y b f i dc b rf i x t u f cd e s 硒 m e t l l o db a s e do np a r a m e t e r i z e d 孤df e a t i i r et e c h n o l o g y n ec a di 响彻a t i 叫o fp a n ，p 眦e s si n f b m a t i o ni sp a i da t t e n t i o ni l it i l i s m e t h o d f i r s t l y e s t a b l i s ht h cp a nm o d e lb 弱e d0 np a f 蜘e t e r i z e d 柚df c a t u r c t c c h n o l o g ya i l dd a t a b a s ei no r d e rt op r o v i d ef t i nf i x t u r ei n f o 玎n a t j 伽；1 1 i e nm e t h o d i nl o c a t i o na n dc l 锄pi sb a s e do nt h o s ei n f o 加a t i o n ，柚dd e s i 弘e fc h o o s eo n l y 彻e m e t h o dt h a ti st h cb e s ts u i t a b l e d e s i 肛e fu s el 【l l o w l e d g eb a s e dr e a s 衄i n go n l y w h e nt l l ec a s eb a s c df c 部彻i n gj sn o p m c t j c a b l e n e0 0 n t e n tj nt l l i s p 印e ri s i l l c l u d e d ： 1 ) e s t a b l i s ht h em o d e lo fp r o c e s sb 舔e do nf c a t u r et c c h n o l o g y 1 i i eb a s i si n 柚a l y z i n gs t n l 咖陀o fp r o c c s sm o d c li sd i v i d i n gi tw i t ht o t a l l yf e a t u r cm o d e l ，p a n d e s i g n i n gf e a t i i r em o d e l ，p a r tm a t e r ! i a lf e a t u r em o d e l ，p a r tm a t e r i a lf c a t u r em o d e l 粗d p r o c e s sf e a t i l r em o d c l 2 ) b a s e do nt h ea n a l y s e si nt h es t m c t u r cf e a t u r eo ff i x t l l r e ，t h ep 印e rd i s c u s s t h eo r d i n a r ym o d e l 柚dl o c a t i o nf e a t u r c ，彻df o u n dr e l a t i o n s h i pi nl o c a t i o nm o d e l a i i df a c e so f p a n 3 ) a n a l y z i n gt h ek c yt e c l l i i o l o 舀e si n m p u t e ra i d e d 墩t i l r cd e s i 印，t l l ep a p e r d 0r c s e 砌i nl o c a t i o na n dd 枷pm e t i l o db 笛e do nt l l o s et c c l l i i o l o 舀龉 4 ) 1 1 l ef c a s i b i i i t yd e v c i o p i n gs y s t 锄 w i t h p a r a m e t e r i z e d锄d f c a t u r e t e c h o l o 百e si sf c a s i b i l i t yi nd e v e l o p i n gas y s t e mb 勰e do nk n o w l e d g cb 硒e d r e a n i n gt e c h n o l o g yw i mv c 6 oa n du n i 伊a p h i c s 柚de s t a b l i s h i n gp a m m e t c r i z e d p a r t l i b 螂 i 【e y w o r d s ： c o m p u t e r a i d e df i x t u r e d e s i g n ，k n o w l e d g eb a s e dr e a s o n i n g ， p a r a m e t e r i z e d ，f e a t u r e l i 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论 文被查阅和借阅。学校可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的 文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：! i ：1 魉指导教师签名： 妒6 年 月7 日弦7 年 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交 的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽 我所知，除文中已经注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，不包含本人 或他人已申请学位或其它用途使用过的成果。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名：纽塑 旧年b 玛2 6b 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 研究意义 第1 章绪论 随着全球经济一体化的进程加快以及信息技术的迅猛发展，现代制造企业环 境发生了巨大的变化，其变化的主要特征为：产品生命周期缩短；交货期成为主 要竞争因素；大市场和大竞争已基本形成；用户需求个性化、多品种小批量生产 比例增大“1 。在制造业尤其是机械制造业的产品生产过程中，按照特定工艺，无 论其生产规模如何，都需要种类繁多的工艺装备，而制造业产品的质量、生产率、 成本以及柔性化无不受工艺装备的制约。工具或是工艺装备的应用是产品生产的 一个组成部分，非此不足以完成制造。1 。我国国防工业也迫切要求实现工艺装备 的快速研制，要在短时间内高质量完成任务，必须在设计和制造观念及手段上突 破传统方法，采用先进设计和制造技术，建立适应于工艺装备快速研制的工具和 技术支撑体系，提高产品质量、缩短研制时间“。 因此，如何压缩工具或工艺装备设计所需要的生产准备时间及设计制作成 本，成了计算机辅助工艺装备研究的重要领域。夹具和模具是最复杂和随产品不 同而专用化程度最高的工艺装备，模具。气d 起步较早，并已在市场上出现了一 些商品化的模具设计软件。但对于夹具来说并不是这样，计算机辅助夹具设计 ( c c 腿p u t e r 加d e df i x t u r cd e s i 龋简称c a f d ) 系统的研究与开发在2 0 世纪8 0 年代 成为国际上制造业研究的热点，自动化拼装、交互式夹具c a d 系统开发等技术 研究方兴未艾，但离真正的实用化商品软件尚有不小的距离。柔性制造系统( f m s ) 和计算机继承制造系统( c i m s ) 的兴起，对实用化夹具设计软件提出了更为迫切的 需球。 基于知识的推理( k b k n o w l e d g cb a s c dr e 硒伽_ i l l g ) 技术，是基于知识的设 计系统基于并行工程的思想，应用c a d c a m ，c a e 一体化技术、集成知识及其 推理系统实现一个先进的、智能化的计算机辅助设计过程。基于实例的推理 ( c b r c a s eb a s e dr e a s o n i n g ) 的思想是利用原有解决相似问题的经验，对于新 的问题进行推理求解。在夹具设计中同样存在需要用知识和实例来进行推理的过 程，采用计算机技术柬实现这一过程未尝不是一个有效的提高设计效率的方法。 对夹具设计来说，设计过程是一个高度依赖经验的设计问题。设计师在构思 新工件的央具设计方案时，往往是根据个人的设计或制造经验将新的工件的结构 特征、制造特征与已有工件的结构特征和制造特征相比较，根据这些特征的相似 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 性找出与新工件最为相似的工件于它的装夹规划方案和夹具元件，经过调整来获 得新夹具的设计，很少的从头做起。针对这种特点，可以将基于实例的推理技术 运用于搜索相似的夹具结构。但对于搜索不到的夹具结构，设计师往往根据经验 按照一定的规则判断定位和夹紧的方案，并且在对夹具体三维建模时，对于结构 相似，尺寸不同的零部件不断的重复三维建模。这些规则的判定和零部件的生成 其实都可以运用计算机技术实现。这些可用基于规则的推理来实现。 针对以上特点，在计算机辅助夹具设计系统的构建上，采取基于实例的推理 和基于规则的推理相结合的办法来辅助设计师完成设计是目前最有效的计算机 辅助夹具设计手段之一。本文的研究工作以我校研究生创业种子基金项目“基于 三维c a d 的计算机辅助工装设计管理系统”的予系统“基于三维c a d 的夹具 设计设计系统”为背景，作者负责夹具设计智能化推理模块。基于实例的推理由 其他人员完成，本文不做研究。 1 2 研究现状 1 2 1 国外研究现状 俄罗斯学者在2 0 世纪7 0 年代开始了夹具o 的工作，由于计算机硬件和 软件的落后，进一步发展受到了很大的阻碍。2 0 世纪8 0 年代欧美学者投入这一 工作，8 0 年代中期以后我国也开始进行研究。 c a f d 在理论研究和实践应用等方面的不断发展是国内外的专家学者和夹具 设计人员进行的大量研究工作的结果。国外c 越砷研究的成果主要有： 8 0 年代中期，人工智能技术被引入到夹具设计的开发研究中，出现了智能型 夹具设计系统，其中较典型的研究成果有：1 9 8 4 年，m a r k u s 等人把专家系统方 法用到箱体类轮毂的组合夹具设计中，在给定工件表面定位和夹紧部位的条件 下，选择夹具元件和工件相对基准平面的适当位置。1 9 8 8 年，d a r v i s h i 和g i u 针对夹具专家系统中知识表达问题进行了尝试性的研究。1 9 9 2 年s a l ( 1 i 豫i 开发了 一个自动装夹规划系统，使用算法和启发式知识来决定装夹顺序和适当的夹具结 构。 9 0 年l a z a r o a 等人应用专家系统技术在组合夹具元件库的支持下实现了夹具 的自动生成，在设计过程中考虑了加工工艺的过程和零件的公差特性“1 。 9 1 年，p mg r i p p 0 等开发了一个以c a 驴一f m s 槽系组合夹具o d 系统。 系统原理基于g t 交互生成央具装配图。c a 口一f m s 系统包括几个部分：第一 2 西北工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 部分为b u i l d y b u 广电帅在给出零件图及定位方案后，可以用来绘制零件图及 其他图。第二部分为m f s s e l e c t ，是检索商用夹具元件库的接口，用户可以从 库中调出各类元件现实在屏幕上。第三部分为f i x t i l r e i j b r a r y ，是夹具和零件 图形库，零件和夹具均以编码形式存储或检索旧。 9 3 年，a y cn i e c 等构造了一个基于目标规则的创成式夹具设计系统的框 架。用三维实体建模，是一个基于目标规则的专家系统，成为n e x ，r p e r t 。此 系统用于b i u c 0 孔系组合夹具的组装。零件的几何形状和文本信息从实体模型 中提取，定位、夹紧表面用规则和数学分析确定，最终输出夹具装配图“1 。 9 8 年，美国南伊利诺大学的w m a ，z k i ，y r o n g 等人研制的计算机辅助 标准夹具构型设计系统，当定义了几何模型和夹具元素功能后，最终输出夹具装 配图吲。 2 0 0 2 年宾夕法尼亚州v a l l a p u z h a s 等人对夹具最优化布局方法进行了研究， 该文介绍了这些不同的方法并深入的研究了这些不同方法解决的不同要素的有 效性，提出了将遗传算法和连续插补的两种方法结合的方式来有效的实现最优化 布局嗍。 1 2 2 国内研究现状 8 0 年代中期以后我国也开始研究夹具a m 系统，以下是国内开发的部分系 统概述。 黄永强、刘文剑等人开发面向生产的计算机辅助组合夹具设计系统嗍。包括 自动选件、元件数据库以及图形库管理、元件交互组装三部分。元件图形库以及 交互组装是基于a u t o c a d 环境建立的。元件自动选择利用了专家系统技术，选 件的依据是工件的加工工艺信息、工件形状、尺寸以及夹具总体结构设计。在夹 具设计过程中，用户需要首先进行夹具的概念设计，即确定夹具总体结构，夹具 的定位夹紧方式，定位夹紧点等，然后才能选择夹具元件。 朱耀祥教授主持开发的、基于成组技术的检索变异式系统“”。它以a u t o o 心 和d b a s e 为支撑软件。系统构造了一个带有夹具设计信息的编码系统l ( j b m ， 并用编码作为系统输入。这种编码方式为夹具设计提供了简单的、规范化、实用 性强和易于检索处理的信息描述方式。系统嵌入了一个组装专家系统，向设计者 推荐适当的组装定位方案和可选用的基础件。 王明强、范牧昌等针对上海仪器总厂组合夹具室开发的系统“。是计算机绘 图与检索变异式算法的结合。系统由零件编码，加上工件绘制、夹具查询、拼装 等五个模块组成，分别与加工件库、夹具元件库、夹具拼装图形库相连接，实现 了计算机辅助拼装与组合夹具咨询管理功能的有机结合。 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 北京理工大学开发的夹具设计系统n 2 。主要包括夹具检索、夹具设计、夹具 分析、夹具输出、夹具库管理、文件管理等模块。该系统利用i d e a s 作为三维 图形支撑软件，构造了一个带有夹具设计信息的编码系统，首先用编码作为系统 输入，到范例库中搜索相似解，然后对这些信息进行归纳整理，生成夹具设计所 需要的定位特征和夹紧特征，根据规则给出修改建议。其次到i - d e a s 集成环境 下进行装配，最后输出夹具设计的三维图形及夹具元件清单和装配数据。 1 3 论文的研究思路和研究内容 1 3 1 论文的研究构思 通过对相关企业的调研和文献的查阅，我们注意到夹具设计具有以下几个特 点时： 1 ) 夹具设计中尽量采用标准件和通用件 设计人员在进行夹具设计时，尽量选用标准件或是选择通用件进行设计。若 每次设计人员都需要重新对这些零件进行造型，设计人员必然要做许多重复性的 劳动。 夹具设计需要大量的理论知识进行指导 在夹具的方案设计、结构设计、以及设计评估中无不需要大量的理论知识进 行指导，并且这些知识尤其是夹具方案设计知识以及夹具设计要求等大都是可以 明确表示出来的。任何夹具设计人员在设计中必然要用到这些知识。 3 ) 夹具设计是一个高度依赖经验的设计问题 设计师在构思新工件的夹具设计方案时，往往是根据个人的设计风格或者制 造经验。而每个夹具设计人员的风格和经验不甚相同，这样使得设计出来的结果 并不统一，相似的要求有多种不同的结果，不利于组织管理。 针对这三个特点，以下从两个角度来考虑夹具设计问题。首先，由于设计高 度依赖经验，而这些经验具有一定的相似性，可以把经验和知识以一定规则组织， 归纳出央具设计的只是规则，进行夹具设计。其次，由于设计人员在设计时，往 往根据自己个人喜好，所以可以把规则明确，便于统一设计结果。 1 3 2 论文的研究内容 本文重点对基于特征的三维c a d 夹具设计系统中的关键技术进行了研究， 主要研究内容如下： 4 西1 ：丁业大学硕士学位论文第1 章绪论 1 ) 对c a f d 的研究现状和夹具设计过程进行分析和研究，找出影响夹具设 计过程的关键因素，采用特征技术、参数化技术、和基于知识的设计思想实现夹 具设计过程与工件设计与制造过程的集成，提高夹具设计的效率、设计质量和系 统实用性； 2 ) 分析夹具设计所需的信息，建立基于特征的工艺信息模型。从三维c a d 软件中提取工件形状信息，从c a p p 等制造软件中提取工艺设计信息，把这些信 息用工艺信息模型的形式组织起来； 3 ) 分析夹具元件的结构特点，对夹具元件的形状特征进行抽取和分类，研究 元件形状特征模型与参数化模型，运用特征造型和参数化技术建立夹具元件模 型； 4 ) 对工件的装夹( 定位夹紧) 方案的规划过程进行分析。把装夹信息进行规 划分析，给出常用的定位夹紧方案的选择。 1 4 论文章节安排 第1 章绪论。先介绍了的背景以及本文的研究工作来源，然后详 细分析了c a f d 的国内外研究现状，提出了夹具设计问题的综合解决思路，最 后确定了本文的研究重点和章节安排。 第2 章系统的总体设计与开发。首先制定系统的总体目标，并给出了系 统结构，在此基础上阐述了系统的主要功能。 第3 章基于特征的工艺信息模型的建立。重点介绍了工艺信息模型的信 息组织方式。 r 第4 章计算机辅助工件定位夹紧方案的规划。重点介绍了装夹特征的分 析方法以及与知识库的联系。 第5 章系统基于u g 平台的系统实现。重点介绍了标准元件库以及基于 规则的推理模块的实现。 第6 章结束语。总结本课题的所有工作内容并给出评价，最后对本课题 的下一步研究方向和重点做出展望。 1 5 本章小结 本章作为全文的绪论，主要综述了课题的来源、方向、研究现状以及重点。 先介绍了夹具设计问题的背景以及本课题的来源，然后详细分析问题的国内外研 5 西北工业大学硕士学位论文第1 章绪论 究现状，提出了夹具设计问题的综合解决思路，最后确定了本文的研究重点和章 节安排。 两北t 业大学旷十学位论文第2 章系昝结构争析 了研究 第2 章c 舯系统研究 2 1c a f d 系统设计与分析 2 1 1 系统需求分析及总体目标 2 1 1 1 应用需求 通过调研发现，尽管由于车间加工设计的更新，数控机床的普遍使用，通用 c a d 系统能够用以进行夹具设计，但采用通用。气d 系统进行夹具设计存在以下 问题： 1 ) 夹具设计是知识密集型、经验密集型的工作，对设计人员的经验、水平要 求高： 2 ) 设计数据不能共享，可复用性差：由于没有建立基于三维c a d 的计算机 辅助夹具系统对夹具设计结果进行统一管理( 设计者以文件系统形式各自管理自 己的设计数据) ，导致工装设计数据不能共享，复用性差，无法得到有效使用； 3 ) 夹具及其零组件检索困难、设计效率低：由于没有采用计算机辅助夹具设 计技术，造成相似夹具、零组件检索困难，因此不能有效利用成组技术进行相似 性夹具设计，完全依赖设计人员的经验判断，缺乏系统智能判断对设计人员的帮 助和支持； 4 ) 设计资源( 包括设计标准、规范等) 查询等的非创造性劳动占用了设计人 员的大量的时间，致使设计效率低下； 综上所述，由于缺少专用的夹具设计( 与管理) 工具，夹具设计效率较低， 难以满足多品种产品快速研制的需求。为提高夹具设计的质量和效率，众多企业 对基于三维。气d 的计算机辅助夹具设计提出了迫切的需求。 2 1 1 2 技术需求 针对上述的系统应用需求，基于三维c a d 的计算机辅助夹具设计系统以加 快夹具设计、提高设计质量为目标。随着信息技术的发展，把知识、技能、经验、 原理、规范等结合到c a d 系统中，使得设计人员只要输入夹具参数或应用要求， 两北t 业，、学硕十学位论文 第2 章系统结构分析与研究 系统就能依据相关的知识，构造出符合特定要求的工程设计结果。这是c a d 领 域的前沿技术c b r 技术，是人工智能技术与a 奶集成系统有机结合的前沿技 术，是。如技术发展的新阶段。通过这些技术手段的实施可以有效的实现快速 夹具设计。 2 1 1 3 总体目标 计算机夹具设计系统的研究对象为夹具的快速、高校、准确设计方法和设计 过程中的知识复用机制。系统的研究目标为以通用三维c a d 系统为建模平台， 为用户提供丰富全面的夹具资源库、知识库，利用知识工程的最新发展所提供的 工具和算法，最大限度的充分利用已有的设计、工艺信息，结合系统资源库、知 识库，综合运用机器智能和人的智能，实现对夹具的快速设计( 和管理) 。 具体的讲，夹具c a d 系统的实施目标包括： 1 ) 在通用三维c a d 平台的基础上，通过二次开发，实现夹具的三维设计； 2 ) 充分利用a 如平台提供的参数化技术，对夹具设计中用到的标准件、通 用件、典型结构件等，建立图形库； 3 ) 应用知识工程技术，规则和实例相结合的方式来表示装夹知识，建夹具装 夹知识库，包括规则库和夹具实例库，实现知识驱动的夹具设计的有限自动化和 智能化；夹具快速设计系统的三维c a d 设计结果能够快速的输出符合工程要求 的二维图纸； 4 ) 随着工程设计知识的积累和丰富，方便的实现夹具知识库的扩充、维护和 升级； 5 ) 系统以给定的夹具设计需求为基础进行系统推理，在该推理结果上通过良 好的人机界面供工装设计人员利用自己的知识和经验进一步完善设计，解决机器 智能所不能解决的创造性设计工作。 2 1 2c u 系统结构 夹具c a d 系统基于三维。气d 平台一u g 软件进行二次开发，采用参数化方 法、数据库管理技术、知识管理与复用、推理技术，实现央具的快速设计功能， 提高生产技术准备的速度，实现生产技术快速准备。系统总体结构如图2 1 所示。 8 西北t 业大学硕：学应论文 笏2 章系统结构分圻与研究 图2 一l 系统总体结构图 2 1 3 系统功能设计 基于c b r 的( a f d 系统包括五个功能模块：夹具设计模块、设计推理模块、 图形管理模块、知识管理模块和系统接口。 其功能组成如图2 2 所示。 西北t 业大学硕 学位论文第2 章系统结均分析与研究 计 算 桃 辅 助 工 装 设 计 系 统 2 1 3 1 夹具设计模块 夹具设计模块 设计推理模块 图形管理模块 知识管理模块 系统接口模块 与c a p p 系统接口 与产品c a d 系统接口 入机接口 图2 2 系统功能组成图 夹具设计模块包括：定位方案与定位元件的确定、定位精度分析、夹紧方案 与元件、夹具体设计、夹具设计计算、文档设计、工程图设计。 1 ) 定位方案与定位元件的确定：在确定了工件的加工特征后，首先要根据工 件的结构和加工要求确定合适的定位方式和夹紧方式。定位和夹紧方式的好坏直 1 0 一一一一一|萎一一一一 一一一一一一一 薰 一一一一一一一一一 e j ，i 1 业大学碗十学位讫文男2 章系绩结构分析与研究 接影响着工件的加工质量和装夹操作的方便性，从某种程度上来说，也决定了夹 具的成败。对于同一个待加工特征，工件的定位和夹紧方式可能有多种。装夹方 式的确定模块的功能是根据工件的结构信息和加工工艺信息通过推理方式找出 所有可行的定位及夹紧方式，并从中选出最好的一种。装夹表面选择模块的主要 是先找出工件上的定位基准面和夹紧表面，系统会根据工件的形状和提取出来的 工艺信息对工件进行分析，提供适合的几种装夹方式供夹具人员选择。 定位精度分析：用来对夹具的定位误差进行计算，以评价所规划的定位方 案是否符合加工要求。包括定基误差和定位误差计算； 3 ) 夹紧方案与元件：在确定了工件的装夹方案以后，需要选择合适的夹具元 件以完成夹具的具体设计，选择夹具元件的主要依据是工件的类型、外形尺寸、 待加工要素的类型、尺寸和加工方法，工件装夹面的类型、尺寸、定位和夹紧的 位置，以及加工机床的类型等信息。由于夹具元件的选择较有规律性，因而可采 用智能系统实现元件选择的自动化。夹具装配模块用来讲所选的夹具元件装配在 一起，完成夹具的具体结构设计。装配过程中，对所选的元件进行必要的人及交 互选择，必要时还要设计新元件以满足设计要求，最终生成夹具装配图。 舢夹具体设计：对刀装置与对刀元件设计，对刚性差的零件还要考虑支撑方 案与支持元件设计，如果加工过程需要变更工位时，决定是否需要分度装置及其 结构形式、夹具体结构形式设计、夹具在机床上的安装方式； 5 ) 夹具设计计算：有特殊要求的夹具需要进行相关的设计计算，主要包括强 度校核、夹紧力计算及装夹稳定性分析、刀具干涉检查等； 6 1 文档设计：包括文档模板设计、定制、管理，设计文档的生成、保存和更 改等管理； 刀工程图设计：根据三维实体模型，生成符合国家标准的二维工程图； 2 1 3 2 设计推理模块 设计推理模块包括：基于实例的推理、基于规则的推理、人工神经网络以及 混合推理四种推理方式。 1 ) 基于实例的推理：根据信息的输入，实现实例的检索和相似实例的提取和 修改，并完成推理结果的存储和对实例库的维护； 2 ) 基于规则的推理：在装夹方案的规划中基于工件的特征信息，由推理机由 工件的这些特征信息通过规则库中的规则束选择工件的装央方式以及定位表面 和夹紧表面； 3 ) 人工神经网络a n n ：a n n 是计算智能的重要分支，有两类主要结构：前 馈网络和循环网络。前馈网络是指图中没有环的网络，所以又叫无环网络，对于 两北t 业大学硕卜学位论史第2 章系统结构分析 j 铲由 |碧皇曼曼曼鼍竖|鼍鲁量!舅皇皇置曼量|曼曼曼目篡曼量鼍望量鼍罡蔓冀曙曼皇蔓置目奠皇|型曼莹量曼蔓曼冒曼曼醴晕笪鳓l 给定的一个输入只产生一组输出值而不是一系列的值，对一个输入其反应与前面 的网络状态无关。循环网络，又叫反馈网络或有环网络，网络中的反馈连接形成 环，这类网络是动态系统，当给定一个新的输入模式时，神经元首先计算其输出， 由于存在反馈路径，每一个神经元的输出进一步得到修正，从而使得整个网络变 换到一个新的状态。a n n 已经广泛用于模式识别、信号处理、判释决策、组合 优化、知识表示等领域； 混合推理：由于任何单一的推理方式都存在一定的局限性，只能解决有限 的问题。因此可以将两种或多种推理方式相结合，如采用c b r 用于从夹具实例 库中提取与当前设计问题相似的实例，作为设计的原始目标，r b r 用于系统设 计流程的控制和对不满足设计要求的相似实例进行改写或重组。 2 1 3 3 图形管理模块 图形管理模块的主要作用有两个： 1 ) 管理标准件库、通用件库、典型部件库； 劲设计夹具入库管理。 2 1 3 4 知识管理模块 夹具设计理论、设计经验、技术标准与规范、设计资源( 材料、机床) 等各 类知识是企业的重要资源，应该得到长期保存、共享和复用。 在基于知识的c a j 系统中，知识管理是重要的关键模块，本模块围绕工装 设计过程，对有关的各类知识进行转化、建库和维护管理，实现知识表示与获取、 知识管理、知识库维护、知识查询等功能。 2 1 3 5 系统接口模块 系统接口模块需要从c a p p 系统获取与所需设计夹具相对应的工艺信息，并 按工艺信息模型存储在临时工艺库中，供夹具设计模块使用。设计好的夹具的有 关信息通过本模块提供给p d m 系统。 c a f d 系统的开发平台与产品( 包括工装所服务的工件) 设计平台为同一个 c a d 系统，所以c a f d 系统与工件c a i 、d 系统的接口仅仅是一个逻辑接口，其 作用在于提取工件设计信息，供工装设计模块使用。 2 2 基于知识的夹具设计关键问题研究 两北r 业大学碲l 一学位论文第2 章系统叶构分析与研究 2 2 1 基于知识的推理技术 基于知识( k b k n o w l e d g eb a s e d ) 的系统，是人工智能中最活跃的分支之一， 也是c a x 研究热点之一1 。基于知识的设计系统基于并行工程的思想，应用 a 址i c a m i c a e 一体化技术、集成知识及其推理系统实现一个先进的、智能化 的计算机辅助设计过程。基于知识的工程( k n o w l e d g eb a s c de n 画n e e 咖g ，简称 k b e ) 是由某方面的专家和有经验的工程师一起开发的一个基于计算机的工程工 具，这一工具可为工程师和设计者交互提供产品设计和制造方面的知识和规则。 基于知识的工程系统的开发是一个综合的过程，开发者将搜集的产品设计、分析、 制造方面的一切信息( 包括设计规则和标准以及装配和制造对设计的要求) 和专 家的知识及经验集成到设计系统中，使设计人员能在设计的不同阶段得到来自系 统不同程度的设计支持。它是c a d c 舢聊c a e 、知识库、推理机、数据库等的 集成，它不仅体现了并行工程思想，而且更强调专家知识和经验的继承、传递和 共享。作为一种先进的设计方法，基于知识的工程已广泛地应用于国内外许多工 程设计领域。基于知识的设计系统开发过程包含下列内容( 1 ) g l 识的获得；( 2 ) 知 识的表示；( 3 ) 知识的利用( 知识的推理) ；( 4 ) 输出。 基于知识的计算机辅助夹具设计系统，将夹具设计的有关知识用事实和规则 表示存贮于知识库中，通过对知识库中知识的推理，引导用户完成夹具的方案设 计、结构设计、结构分析、性能评价等全过程，最终完成一套夹具的设计。 2 2 2 夹具设计知识的表示 目前，常用的知识表示方法有逻辑模式、框架、语义网络、产生式规则、单 元、剧本、过程模式等。每种知识表达方法，均有其各自特点，适用于不同的领 域。夹具设计是一项复杂的工作需要多方面的知识。采用单一的知识表达方法， 往往不能准确地表示具体复杂的知识结构，因而，在本文的研究中采用谓词逻辑、 产生式规则相结合的方式来表示夹具设计知识“”。 如前所述，知识表示方法有多种，具体采用哪一种方式，取决于所要描述知 识的特点，由于夹具设计工作的复杂性，本文作者采用谓词逻辑、产生式规则相 结合的方式来描述夹具设计所需的各种知识和信息。 对于夹具元件数据库中元件信息采用谓词逻辑： 元件名( 参量1 ，参量2 ，) 例如圆柱销可表示为： p i n - c ( c o d e ，d d l ，d d 2 ，l d ，d d ) 含义：p i n - c 表示圆柱销，其代码为c o d e ，l d 为长度，d d 为安装部分直径。 两北丁业大学动 学位论文第2 幸- 钸结杠分析 了研究 而 p i n - r ( c o d e ， d d l d d 2 ，l d ，d d ) 则表示一个参数同上的菱形销。 采用这种表示方式唯一地描述夹具元件，系统可方便地在元件库中搜索到所 需元件。对于夹具方案设计、元件选择、位置的确定等所需的启发性知识，采用 产生式规则来描述。例如，压紧螺钉的选择采用如下的规则： 压紧螺钉编号为c o d c a n d 螺钉直径为da n d 长为la n d l = c l 1 h e n 选用此螺钉 又如，一个普通带键槽的毛坯的铣平面工序中的夹具选择采用如下规则： i f 表面积中等and 表面粗糙度毛坯面a n d 形位公差=标准and 辅助特征有键槽a n d 夹紧表面有 t h e n 选择定位方式3 2 1 定位方式 对于夹具设计原则、方法以及夹具设计专家的经验等知识，也采用产生式规 则表示。 2 2 3 知识的获取 知识获取是基于知识的设计系统的三个环节中最重要、最困难的部分，它直 接关系到知识库设计的质量，以至影响整个基于知识的系统。因为，基于知识的 系统的实用性优劣直接取决于知识的质量和数量。 2 2 3 1 知识获取的方法 知识获取的方法可分为直接获取知识和问接获取知识两类。直接获取知识就 是归纳程序根掘现象和数据归纳出结论性或决策性的知识，并装入知识库中。此 1 4 西北t 业大学硕4 学位论文第2 审系统结丰号分析咛研究 方法企图从本质上解决自动获取知识的困难，由于归纳是一个综合过程，因此， 它比演绎更加困难。目前，还没有这类知识的程序，我们一般用间接获取的方法， 然后，用知识编辑器等一类的工具，把知识传授给知识处理系统。 2 2 3 2 知识获取的步骤 在知识库的开发过程中，知识获取要经历五个阶段。它们是认识阶段、概念 化阶段、形式化阶段、实现和检验阶段。这五个阶段相互联系关系密切、不可分 割。如图 圉圉囡囤 2 2 4 知识的利用 图2 - 3 知识获取的主要步骤 知识利用问题，即怎样设计推理机以利用知识去解决具体问题。在基于知识 的系统中，推理机制的主要任务是根据目前存在的己知条件( 如与用户要求有关 的数据和信息等1 ，在一定的控制策略下，利用知识库中的知识，不断产生新的 知识、信息和数据，直至推断出所需要的结论或所要达到的目标为止。 推理机制主要包括推理方法和推理策略两个方面，下面对推理方法和推理策 略加以介绍。 2 2 4 1 推理方法及其选择 推理方法从可信度出发分为精确推理和不确定推理两种。精确推理与不确定 推理常用可信度因子加以标识。精确推理的可信度因子为1 ( c p ：1 ) ，而不确定推 理的可信度因子取值范围为【1 ，1 ) 。在不确定推理中，若所有知识的可信度因子 均达到最大值1 时，则不确定推理转换成精确推理。 在夹具设计中，由于所用的夹具元件均已标准化f 其中组合夹具元件均己标准 化，专用央具元件大部分标准化，而在央具设计过程中所用到的现行国标或行业 标准中未规定，但在企业中常用的元件，在设计成熟并分类存入夹具设计元件库 后，也可视为标准化元件) ，而夹具设计的选件过程，就是从这些标准元件中选 而北丁业大坐 f 学位论童第2 帝系统结构： 析研究 ! ! ! ! e ! t | 目! ! ! ! 目! ! * e ! | e ! ! ! ! ! 量! 曼e g i g g e ! ! ! ! 目置g 皇e g 目! ! ! ! 量 择合适的元件。因此，一旦选中了某个元件，该选件知识的可信度就是最大值( c p ： 1 ) ，未被选中的元件，相应知识的可信度就是虽小值( c p ：1 ) 。由此可知，夹具元 件的选择依据的是确定性的知识。因此，夹具设计专家系统宜使用精确推理方式， 其中每条知识的可信度因子均表示为最大值，即c p ：l 。 2 2 4 2 推理策略及其选择 在基于知识的系统中，晟常用的推理策略有两种：正向推理和反向推理。 1 1 正向推理 正向推理是从原始数据出发，按照一定策略，运用知识库中的专家知识推断 出结论的方法。正向推理又称为数据驱动策略。采用正向推理策略的主要费用之 一是“匹配”方面的丌销，这使得规则的选择准备非常重要，它直接影响着推理 的效率。但由于问题求解之前不能预测哪些知识会导致有用的中间结论，所以知 识匹配及可用知识的选择往往是盲目进行的，系统在求解过程中可能会执行许多 与目标无关的操作，从而导致推理效率的降低。 正向推理适合最终结论饵标) 多而输人事实( 数据) 较少的情况。 2 1 反向推理 反向推理是从用户或系统提供的假设( 结论) 出发，从知识库中搜索出与综合 数据库一致的事实的方法，反向推理亦称目标驱动策略。 反向推理的目的性很强，若其初始假设选择准确时，问题求解的效率很高。 但对于解空间较大的问题，初始目标的提出较为困难，无法充分利用用户提供的 信息。因此，反向推理适用于数据库大而目标较小的情形。 除正向推理和反向推理外，还有混合推理、双向推理和元控制等推理策略， 在基于知识的系统中应用较少。 根据夹具设计的特点，我们在大部分情况下只能根据系统输入信息中被加工 零件的形状特征及尺寸特征、使用的加工设备、定位基准形状及夹紧位置和方向 等来选择夹具元件或者实例，这样就决定了夹具设计知识系统中的推理策略以单 层单目标工f 向推理为主。至于多目标的实现( 多元件的选取) ，可由控制程序进行 多次循环来完成。 但对于一些选择目的比较明确的情况，可以选择反向推理。例如，在选定位 销时，根据夹具的定位原理、夹具元件的功能，将定位销分类为圆柱销、菱形销。 圆柱销可作为二点定位，菱形销作为一点定位。选定位销的流稃如下图： i ，北下大学硕l 学位论文 第2 章系统结构分析与研究 2 3 本章小结 图2 - 4 定位销的选择流程图 本章根据企业夹具设计的普遍现状，分析了目前夹具设计存在的问题，提出 了应用和技术需求，并且根据这个需求为计算机辅助夹具设计系统制订了总体目 标，并以次目标设计了系统结构和功能。把基于知识的夹具推理设计方法进行了 针对性的分析。最后介绍了系统开发中的一些关键技术。 1 7 两北t 业大学研卜学位论文第3 奇幕于特钎的t 艺信自模型分币 善罾皇曼皇基曼e舅鼍曼曼曼量曼曼置量罾寞曼曼量蔓皇皇曼置曼!曼曙置皇嘎鲁皇矗瞳皇量曼竖e!量芒曼曼皇曼曼曼邕l 第3 章基于特征的工艺信息模型分析 3 1 零件工艺信息模型的结构 夹具设计是工艺设计的一个重要组成部分，是作为。蛔p 的一种制造工 艺资源要素。夹具设计需要的首要信息来源于c a p p 系统提供的工件的工艺 信息，因此建立工件的工艺信息模型来表达工艺设计的中间过程信息，实现 工艺设计和夹具设计的集成非常重要。 零件工艺模型的描述是根据工艺设计方案生成的工艺设计过程信息，应 用特征技术，从央具设计角度，描述零件从毛坯到成品之间变换过程的特征 信息，支持整个夹具设计过程。工艺模型通常从三个层次上表达加工的序列， 用工序表示在一台机床上的加工，用安装和工位表示一次装夹的加工位置， 以工步表示一个特征的加工。因此，整个加工工艺过程由若干排列的工序组 成，每一个工序又是由安装工位和工步组成。由于我们的目标是应用于夹具 设计，所以，工艺模型的建立以工序为单位，按照装夹要求来描述零件特征 和工序内容。 根据工艺设计的特点，运用特征技术建立的基于特征的零件工艺信息模 型总体结构如图3 1 所示； 图3 1 零件t 艺信息模型结构图 总体上，基于特征的零件工艺信息模型分为三层：零件层、特征层和几何 层。零件层主要反映待加工工件的总体信息，是关于零件子模型的索引指针 或地址；特征层包括形状特征、精度特征、装央特征等及其相互关系构成树 1 8 西北t 业大学硕士学侍论文 第3 章摹于特衍的t