（机械制造及其自动化专业论文）混合推理式槽系组合夹具cad系统研究.pdf

， 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 储虢生l 导师签名华砧期：蚶血旦日 i illl t1 11 0 2 7 摘要 夹具是一种在加工过程中能准确稳定地定位及夹紧工件的工 艺装备，好的夹具设计方案能提高产品质量和生产效率。针对客 户对产品需求千变万化的背景，组合夹具快速设计系统具有重要 的研究意义。目前，尽管有一些对组合夹具c a d 系统的研究与开 发，但大多功能单一、设计方案的实用性不强。本文在研究了结 合规则推理( r b r ) 与实例推理( c b r ) 的两重混合推理技术的 基础上，基于s o l i d w o r k s 的二次开发技术，研发了一套功能较为完 善的槽系组合夹具c a d 系统。主要研究内容如下： ( 1 ) 在综述夹具c a d 系统的各种研究方法以及目前夹具c a d 系统存在问题的基础上，结合槽系组合夹具的设计特点，提出了 一种r b r 与c b r 技术相结合的混合推理模型。 ( 2 ) 为了准确有效地获取定位特征，排除不必要的干扰面， 提高分析的效率，本文提出了“伪定位特征”的概念，并研究了 如何排除伪定位特征的算法。研究表明，在槽系组合夹具c a d 系统中融入该算法可提高真定位特征的检索效率和准确度。 ( 3 ) 在定位与夹紧特征的推理方面，结合基于产生式规则的 推理方式和模糊评定技术，对定位特征及夹紧特征进行混合推 理。该方法一方面具有规则推理简单易懂、推理效率高的特点， 又可通过模糊评定技术将槽系组合夹具设计者的经验融入系统 决策中，提高了定位与夹紧特征的推理速度及推理结果的合理 性。 ( 4 ) 在夹具实例特征的知识表达方面，研发了一套满足槽系 组合夹具c a d 系统混合式推理所需要的5 3 位编码系统。与以往 编码系统相比，该编码系统拥有定位与夹紧的r b r 推理模块为 编码系统提供夹具装夹信息，并且该编码系统表达了夹具实例更 全面的特征信息，有利于在夹具实例检索中借助c b r 技术检索 出最优实例。 ( 5 ) 本文提出以权值最邻近法为主导、以知识引导法为辅的检 索策略，可更好地表达夹具实例特征中各个因子的权重，实例检 索的结果更加准确可靠。克服了采用单一的权值最邻近法或单一 的知识引导法不能对实例特征属性的重要性进行评估的缺点。 ( 6 ) 在分析用户对槽系组合夹具c a d 系统需求的基础上，应 用三维c a d 系统的s o l i d w o r k s 二次开发接口，结合本文提出的 混合推理式夹具设计的几个关键算法，研发了一套功能较为完善 的槽系夹具c a d 系统。以两个典型零件为例，以夹具c a d 系统 自动设计结果进行实体装夹，满足加工要求，证明本文提出的夹 具特征编码系统、检索策略与算法可行，研发的槽系夹具c a d 系统功能可靠。 关键词：槽系组合夹具，基于规则推理，基于实例推理，s o l i d w o r k s ， 夹具c a d 系统 ( 4 ) i no r d e rt oe x p r e s st h ef e a t u r eo ff i x t u r ee x a m p l ev e r yw e l l ， ac o d i n gs y s t e mw i t h53p a r a m e t e r si sp r o p o s e d c o m p a r i n gw i t ht h e p a s tc o d i n gs y s t e m ，i ti n c l u d e st h ef i x t u r ei n f o r m a t i o nf r o ml o c a t i n g a n dc l a m p i n gr e a s o n i n gm o d u l e ，w h i c he x p r e s st h ef e a t u r eo ff i x t u r e e x a m p l em o r ec o m p r e h e n s i v e l y i ti sv e r yh e l p f u lf o ru st or e t r i e v e t h eo p t i m a lf i x t u r ee x a m p l e i i i ( 5 ) a ni n d e xs t r a t e g yr e l y i n gm a i n l yo nn e a r e s t n e i g h b o r a p p r o a c h w i t ha s s i s t a n to f k n o w l e d g eg u i d e di sp r o p o s e dt oe x p r e s s w e l lt h ew e i g h t e dc o e f f i c i e n to ft h ef e a t u r eo ff i x t u r ec a s e i tn o t o n l y i n c r e a s e si n d e xe f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t y ，b u ta l s oo v e r c o m e st h e s h o r t c o m i n gt h a tam e t h o du s i n go n l yn e a r e s t n e i g h b o ra p p r o a c ho r k n o w l e d g eg u i d e dc a nn o te x p r e s st h es i g n i f i c a n c eo fc a s e f e a t u r e a t t r i b u t e ( 6 ) b a s e do nt h ea n a l y s i so fr e q u i r e m e n tf r o mc u s t o m e r s ，ah i g h p e r f o r m a n c ec a ds y s t e m f o rs l o t b a s e dm o d u l a rf i x t u r e i s d e v e l o p e d ，b a s e do ns o l i d w o r ks o f t w a r ep l a t f o r ma n dt h es e v e r a l k e ya l g o r i t h m sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t w oc a s e so ff i x t u r ed e s i g n s h o wt h a tt h ef i x t u r ef e a t u r ec o d i n gs y t e ma n dt h ei n d e xs t r a t e g y p r o p o s e di nt h i sp a p e ra r er e a s o n a b l e ，a n dt h ec a d sf o rs l o t b a s e d m o d u l a rf i x t u r ed e v e l o p e di nt h i sp a p e ri sa l s or e l i a b l e k e yw o r d s ：s l o t - b a s e dm o d u l a rf i x t u r e ，r b r , c b s o l i d w o r k s ， f i x t u r ec a ds y s t e m 目录 摘要i a b s l r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 论文背景及研究意义1 1 2 组合夹具c a d 系统发展概述及其关键技术3 1 2 1 组合夹具c a d 系统发展概述3 1 2 2 组合夹具c a d 系统设计的一般过程4 1 2 3 组合夹具c a d 系统的关键技术6 1 3 目前夹具c a d 研究中存在的主要问题9 1 4 本文的主要研究内容1 0 第二章基于知识的定位与夹紧特征推理1 3 2 1 引言l3 2 2 特征信息获取。1 4 2 3 定位模式推理15 2 4 定位特征推理过程1 6 2 4 1 伪定位特征的排除1 7 2 4 2 主定位特征选择集的确定1 9 2 4 3 最优主定位特征的获取2 0 2 4 4 第二定位特征选择集的确定2 3 2 4 5 最优第二定位特征的获取2 4 2 4 6 第三定位特征选择集的确定与最优第三定位特征的获取2 5 2 5 夹紧特征的选择2 5 2 6 爿、结2 6 第三章基于实例的槽系组合夹具设计方法一2 8 3 1 引言2 8 3 2 基于g t 的槽系组合夹具特征编码系统2 8 3 3 模块化检索3 4 3 4 实例库的c b r 检索3 5 3 4 1c b r 技术概述3 5 3 4 2 实例检索方法3 7 3 5 j 、结4 1 v 第四章元件库与构件库的建立及智能扩充一4 2 4 1 引言4 2 4 2 元件库与构件库的建立4 2 4 2 1 槽系组合夹具元件库的建立4 2 4 2 2 槽系组合夹具构件库的建立4 7 4 2 3 槽系组合夹具元件选择规则库和构件选择规则库的建立5 0 4 3 元件与构件的修改及替换5 1 4 3 1 槽系组合夹具元件的修改5 l 4 3 2 槽系组合夹具元件的替换5 3 4 3 3 槽系组合夹具构件的修改5 4 4 4 元件与构件库以及实例库的智能扩充5 4 4 5 小结5 6 第五章混合推理式槽系组合夹具c a d 系统设计5 7 5 1 引言5 7 5 2 槽系组合夹具c a d 系统的混合推理模型5 7 5 3r b r 与c b r 相结合的混合式槽系组合夹具c a d 系统设计5 8 5 3 1 研发平台与开发软件的选择5 8 5 3 2 夹具c a d 系统框架图5 9 5 3 3 夹具c a d 系统流程图6 0 5 4 实例验证6 2 5 4 1 实例1 6 2 5 4 2 实例2 6 9 5 5 小结7 3 第六章全文总结7 4 6 1 全文主要研究内容及创新点。7 4 6 2 后续研究展望7 4 参考文献7 6 致谢8 1 攻读硕士学位期间发表的学术论文8 2 v l 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 论文背景及研究意义 第一章绪论 夹具在机械零件加工中可实现工件的准确定位及牢固夹紧，以保证工件 的加工质量，提高加工效率，减轻劳动强度，进而充分发挥机床的工艺性能 【l 2 】。在制造企业中，夹具质量是产品质量保证的关键因素之一。夹具设计与 制造的周期对产品的研发周期有着重要的影响，同时夹具设计和制造的费用 占整个制造系统的l o 2 0 t 3 1 。全球性的竞争和客户需求的改变促使产品零件 种类越来越多，生产批量越来越小，生产周期越来越短，产品质量要求越来 越高。为了保持竞争优势，企业必须打造出一套更加柔性化和自动化的制造 系统。柔性制造系统( f m s f l e x i b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 通常包含一台 或者多台可以加工多种类型工件的数控机床【l 】。夹具设计是柔性制造系统中 的难点之一，并且也是一项费时而且需要丰富经验的工作。c a f d ( c o m p 咖 a i d e df i x t u r ed e s i g n ，计算机辅助夹具设计) 旨在缩短产品的生产周期，通 过系统的自动推理产生满足需求的夹具方案，并能与产品的c a d c a m 系统 相结合，可极大缩短夹具的生产周期并降低其生产成本【3 】。 夹具根据专用性程度主要分为专用夹具和柔性化夹具【4 ，5 】。专用夹具是针 对工件的某一道工序加工而设计制造的，适用于生产批量大、结构及定位方 式比较特殊的场合；柔性夹具则是应用一组可重复使用的组成夹具的基本构 件，设计出不同的夹具系统，以适应形状尺寸变化的各种工件的装夹【l 3 】。专 用夹具被广泛应用于大批量生产，具有很高的生产效率；但是对于小批量生 产，由于多样化的工件和加工要求，柔性夹具越来越受到企业的青睐。柔性 夹具主要分为六类，分别是：组合夹具、可调整夹具、适用性夹具、仿生抓 夹式夹具、模块化程控式夹具和相变材料夹具【6 】，如表1 1 所示。目前，在企 业中广泛使用的柔性夹具主要是可调整夹具和组合夹具，两者的应用过程分 别如图1 1 和图1 2 所示。由图可见，与组合夹具相比，可调整夹具适用于小 范围的柔性，应用范围不广。因此，在c n c 机床上使用的柔性夹具多为组合 夹具【1 。 组合夹具是在夹具完全模块化和标准化的基础上。由一整套预先制造好 的标准元件和构件，针对不同的加工对象迅速装配成各种符合加工要求的夹 具，这些夹具元件相互配合部分的尺寸具有完全互换性【8 。由于组合夹具的 元件和构件能够重复使用，可有效降低夹具设计成本和缩短产品的生产周期， 中南大学硕士学位论文第一章绪论 能满足产品种类多变和批量变化幅度大的要求。但是组合夹具的设计和组装 灵活性和经验性强，而经验丰富的工程技术人员和技术熟练的技工又是企业 中短缺的人才，所以开发一种能继承、提炼、改良和组合优秀工程师设计经 验的c a f d 系统具有重要的意义。 表1 1 柔性夹具分类列6 】 图1 1 可调整夹具应用过程 图l - 2 组合夹具应用过程 2 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 组合夹具c a d 系统发展概述及其关键技术 1 2 1 组合夹具c a d 系统发展概述 夹具c a d 的研究起始于上世纪七十年代的俄罗斯【1 0 】。在近4 0 年中，各国 学者对孔系及槽系组合夹具c a d 系统的各方面理论进行了深入的研究，并成 功将部分研究成果用于实践。 虽然夹具c a d 系统有孔系、槽系之分，但它们的设计原理基本相同，对 它们的研究都大致经历了三个阶段： 第一阶段：交互式夹具c a d 系统 上世纪八十年代初期，诞生了第一代采用传统夹具设计模式的交互式夹 具c a d 系统【1 0 1 。系统首先以工件特征信息和加工工艺特征信息作为输入信 息，然后通过自有的夹具设计数据库、设计规则利用人机交互的方式完成定 位与夹紧方案的设计以及定位与夹紧元件的选择，最后对定位与夹紧元件执 行参数驱动从而完成夹具设计。由于交互式系统利用了人机交互的方式，所 以该系统适合于对新工件进行夹具设计，同时也适合于在缺乏已有夹具设计 信息的情况下完成复杂的夹具设计。 第二阶段：变异式夹具c a d 系统与生成式夹具c a d 系统 上世纪八十年代中后期，产生的夹具c a d 系统主要为：变异式夹具c a d 系统和生成式夹具c a d 系统【l l j 。 变异式夹具c a d 系统是利用过去相似问题的求解经验来解决新问题【l 】o 对该类系统的研究主要有两大分支：基于g t 的变异式夹具c a d 系统和基于 c b r 的变异式夹具c a d 系统。g t 技术的核心是将类似的问题归类成组，探求 这一组问题相对统一的最优解决方案，而编码系统是应用g t 技术后的主要产物， 所以基于g t 的变异式夹具c a d 系统内装备有夹具设计信息的编码系统，实现了 夹具设计信息的优质管理【1 2 1 。而c b r 技术的核心是学习和利用过去类似案例， 再加以修改直至符合当前问题的需求【1 3 , 1 4 】。所以基于c b r 的夹具c a d 系统是通 过将新夹具特征信息与实例库中的已有实例特征信息进行对比，对相似度最高的 实例进行修改从而完成夹具设计。 生成式夹具c a d 系统是通过系统储备的大量夹具设计信息来自动或者 部分自动完成一系列逻辑决策，推理出夹具的定位与夹紧方案，完成夹具元 件的选择和装配u 引。设计这类系统需要整理大量的夹具设计知识，适合于夹 具设计中强理论部分的推理。 第三阶段：以实际生产为导向的夹具c a d 系统 目前，夹具c a d 系统的研究侧重于以生产实际为导向，它的研究不拘泥 3 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 于分析夹具的安装、定位、夹紧等问题，而是以产生实用的夹具结构为目标 【3 】。目前这方面的研究还不多，开发出满足实际需求的商业化夹具c a d 系统 尚需时日。 1 2 2 组合夹具c a d 系统设计的一般过程 组合夹具c a d 系统的设计一般分为四个步骤：问题的描述、夹具的分析、 夹具的产生以及夹具的验证【1 6 】，如图1 3 所示。 图1 - 3 夹具c a d 系统设计的四个步骤l l o 】 问题的描述包含加工工件的描述、加工过程的描述以及所需夹具的描述。 夹具的分析主要是考虑工件几何、受力及变形三方面来建立工件和夹具的交 互模型，将分析的结果用于选择工件上用于定位、夹紧和支承的面和点。夹 具的产生决定了夹具配置的细节，具体包含夹具元件及构件的选择、夹具元 件及构件位置的确定以及夹具布局的优化。夹具的验证主要考虑几何干涉、 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 定位的准确、夹紧的稳定以及加工公差的要求。如果夹具设计方案不符合要 求，那么将设计结果返回夹具分析阶段进行进一步的改进。 应用于组合夹具c a d 系统设计过程中的主要方法与技术如图1 - 4 所示。 在夹具的分析阶段，发展起来的主要方法与技术包含几何分析法、运动 学分析法、力分析法、变形分析法、基于规则推理( r u l eb a s e dr e a s o n i n g ， r b r ) 技术以及基于特征推理( f e a t u r eb a s e dr e a s o n i n g ，f b r ) 技术。几何 分析主要检测夹具元件、工件和刀具路径三者之间是否存在定位与夹紧错误 或者干涉。运动学分析的目的是预留可及空间和拆卸空间、避免干涉以及验 证工件是否完全定位，以保证夹紧的稳定性。力分析法主要衡量在夹紧力的 作用下是否有适当的夹紧力维持整个夹具体的静态平衡。变形分析主要研究 在夹紧力和切削力作用下，在工件上产生影响工件尺寸偏差的弹塑性变形。 f e a ( f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，有限元分析法) 是一种经常使用的变形分析 方法。同样；上述四种方法也被用于夹具的产生与验证。另外，r b r 和f r b 主要应用于零件的表达以及夹具方案的推理。 变形分析法 受力分析法 运动分析法 几何分析法 上 。j 述夹具撕一生一证 tt 基于规则推理技术 成组技术 基于特征推理技术 基于规则推理技术 基于实例推理技术 基于黑板分析法 人工神经网络算法 遗传算法 图1 - 4 夹具c a d 系统设计中应用的主要方法与技术 在夹具的产生阶段，成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ，g t ) 、r b r 、基于 黑板的分析方法( b l a c k b o a r db a s e da n a l y s i sm e t h o d ，b b a m ) 以及基于实例 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 推理( c a s eb a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 技术等常用于夹具元件的选择和夹具布 局方案的确定。另外，在建立工件与夹具之间的数学模型中使用如遗传算法 ( g e n e t i ca l g o r i t h r n s ，g a ) 和人工神经网络算法( a r t i f i c a ln e u r a ln e t w o r k s ， n n a ) 等最优化方法来获取最优夹具设计方案。 1 2 3 组合夹具c a d 系统的关键技术 组合夹具c a d 系统所涉及的关键技术主要包括： ( 1 ) 几何分析 几何分析在夹具布局的产生、定位误差分析以及可及性分析中得到了广 泛的应用。其中可及性分为两类：单个工件表面的可及性和夹具的易装卸性 1 0 , 1 刀 。 几何分析经历了2 d 几何分析i f i 3 d 几何分析的转型1 8 】。毫无疑问，夹具产 生的3 d 几何分析与2 d 几何分析相比更加复杂、计算量更大。在组合夹具的分 析阶段中，需要从工件的候选表面中选择定位与夹紧特征。w a n gm y 通过夹 具的布局准则和约束来构造目标函数，最终确定最优的定位与夹紧特征【1 9 】。 另外通过几何分析建立工件与夹具的关系模型，验证定位模型的正确性和公 差是否符合要求。香港中文大学的l i u 2 0 】提出一种局部搜索的夹具布局算法， 将优化目标通过三个准则进行构造，分别是形闭合约束、最小定位误差以及 夹紧点的最小形变。在组合夹具的验证阶段中，融亦鸣等【2 1 】针对3 2 1 定位模 式、孔销定位模式以及v 形块定位模式提出了定位误差评估算法。 ( 2 ) 运动分析 运动分析主要分布在组合夹具c a d 系统设计中的分析阶段和验证阶 段。它通过分析和验证夹具是否完全定位以保证夹紧的稳定性、以及预留可 及空间和拆卸空间从而达到避免干涉的目的【1 1 。a s a d aa n db y 冽在定位的确定 性、可及性上采用运动模型进行分析， 之间的接触被看成是无摩擦的点接触， 将夹具假设成一个刚体，夹具与工件 而将工件完全定位的情况表达成一个 满秩的雅克比矩阵。k a n g 笔j g 硎为夹具的验证建立几何和运动的分析模型，很 好地表达了工件位移、变形与受力之间的关系，优化了夹具的布局。 ( 3 ) 受力分析 受力分析主要应用于组合夹具c a d 系统的夹具分析和夹具验证阶段。它 的任务是建立静力学模型，目的在于检验是否有适当的夹紧力保证加工过程 中的静态平衡【2 4 1 。通过力封闭的验算来保证工件在受到诸如重力、切削力、 摩擦力以及夹紧力等外部作用力的情况下是否能保持平衡。在力分析中，内 部力和外部力在夹紧和加工过程中通过建模构造为线性和非线性的数学模 型，装夹的位置和方向则通过构造的线性和非线性方程计算得到。c h o u 等【2 5 1 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 采用螺旋理论在二维环境下针对块状工件对定位的确定性、夹紧的稳定性进 行了分析。t a o 等f 2 6 】提出一种在工件受到动态切削力和摩擦力的情况下基于 力封闭和夹紧平衡的夹具验证方法。 ( 4 ) 变形分析 变形分析也是应用于组合夹具c a d 系统的夹具分析和夹具验证阶段。通 过限制工件的变形来保证加工的公差要求，所以夹具必须具有一个合适的夹 紧力变化幅度。支承力和夹紧力的不足可能会导致工件在加工中不稳定，但 是过大的支承力和夹紧力会导致工件的过度变形【2 7 】。通常应用有限元分析软 件为工件和夹具之间的相互作用建立变形分析模型，优化夹具布局以及在最 小变形的情况下夹紧力的大小。h a m e d im t 2 8 】提出一种将非线性有限元分析法 融合到人工神经网路和遗传算法的组合夹具设计系统，通过人工神经网络和 遗传算法来搜索部件最小变形条件下的最优夹紧力大小。s i e b e n a l e r 与 m e l k o t e 2 9 】利用有限元分析法建立夹具与工件相互作用的模型来探索各种参 数对工件变形的影响。孟俊焕等【3 0 】通过实验分析法对孔系组合夹具的受力变 形分析进行了研究，得到各种因素对夹具变形的影响程度，为夹具刚度方面 的设计提供了依据。 ( 5 ) 成组技术 成组技术( g t ) 是一种利用事物之间的相似性，根据一定的规则将事物 分类成组，并对同组事物采用相同方法进行处理从而提高效率的技术【1 3 。 这种技术从上世纪5 0 年代提出至今已经经历了5 0 年的发展和应用，已涉及各 类工程技术、管理科学、社会学、计算机科学等前沿领域【3 l 】。在机械制造工 程中，g t 是c a d 、c a m 、c a p p 以及f m s 的基础。将g t 应用于生产系统中 的各个方面，改善了多种类小批量生产的组织方式，从而获取了最大的经济 效益。在组合夹具设计中，融亦鸣教授和朱耀祥教授将组合夹具的结构分析 建立在g t 的基础上，将夹具结构由顶向下分解为夹具、夹具构件、夹具元件 和功能表面4 个层次；同时对工件的几何信息、工艺信息进行分析，提出了可 定位表面的概念i l j ，即具有一定装夹特征的表面，可用于工件定位；工件的 装夹特征可用3 个层次的信息表示，即零件，零件表面( 加工面、定位面和夹 紧面) 及这些表面之间的相互关系，据此构造分类编码表，利用从零件设计 和工艺过程得到的信息，提取装夹特征信息，用以比较夹具之间的相似性【1 1 。 ( 6 ) 基于特征的推理技术 基于特征的推理( f b r ) 技术包含特征的识别和基于特征的规划，通过 将零件表达成一系列的特征来更好地实现安装规划和夹具规划。唐耀红 3 2 】提 出基于特征的夹具设计方法，通过将零件设计特征和制造特征映射成夹具特 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 征，建立零件特征与夹具元件之间的对应关系，实现了夹具元件的自动选择。 c e c i l e 3 3 】提出一种名为t a m i l 的孔系组合夹具c a d 系统，能自动识别和分析加 工特征，从而推理出合适的定位与夹紧特征。 ( 7 ) 基于规则的推理技术 基于规则的推理( r b r ) 技术是依据已知的信息和条件，利用预先保存 在系统中的设计知识，根据一定的策略进行推理【3 4 】。这种方法表达方式简单， 容易被用户理解，具备很好的推理能力，推理效率高。但是规则之间存在相 对独立性，且推理缺乏灵活性。在夹具c a d 系统中，夹具设计知识被表达成 一条条的规则，通过规则进行夹具规划的安排以及夹具元件的选择。其中基 于规则的组合夹具设计系统( 切胙s ) 通过一系列规则实现定位特征、夹紧 特征以及夹具元件的自动选择3 5 , 3 6 】。h o ua n dt r a p p y 3 刀提出一种包含夹具数 据管理、夹具元件选择和夹具规划安排的c a f p 系统，该系统根据夹具特征建 立一个完备的夹具数据库，通过基于规则的方法来管理组合夹具元件。 ( 8 ) 基于实例的推理 基于实例的推理( c b r ) 技术的本质是一种相似或类比的推理方法，通 过访问系统知识库中保存的过去同类案例的求解方法来获取当前问题的解决 方案，即利用过去的案例或经验来解决新问题【3 8 , 3 9 。通过c b r 技术，过去的 案例和解决方法能够被重新利用。同时，新的案例不断扩充到实例库，从而 使夹具c a d 系统随着应用次数的增多，其功能不断得到增强。基于实例推理 技术从上世纪7 0 年代发展至今，在该技术上比较有影响力的科研工作者有： k o l o d n e r 矧，a l l e n ，l e a l 【e 【4 2 1 ，a a m o d t 4 3 1 ，p l a z a 4 3 1 ，其中影响最为深远的是 a a m o d t 和p l a z a 提出的c b r 循环的过程模型，f l 【i r 4 模型4 3 1 ，该模型将推理过 程分为四个步骤，即检索、重用、修正和更新。国内外在基于实例推理技术 上进行了积极的探索，其中孔凡国】提出两级实例推理过程模型，将机械方 案的产生分为两个阶段，这样一方面可以避免系统资源的浪费，另一方面通 过子功能模块和匹配装置的重组达到实例的转换和调整的创新。华中理工大 学的李伟【4 5 】通过采用基于实例推理的技术对夹具进行重组和修改，实现夹具 的敏捷化设计，同时对夹具实例的相似性评估进行了分析。新加坡国立大学 的k u m a r 等【4 6 】使用c b r 技术对孔系组合夹具c a d 系统中实例的检索、修改策 略进行了研究。 ( 9 ) 基于黑板分析法 1 9 6 2 年，黑板结构的概念由n e w e l l 第一次提出，随着传统黑板结构的发 展，通用黑板成为了开发基于黑板结构专家系统的集成环境，该技术建立在 人工智能技术的基础之上，主要由三个部分组成，即知识源、黑板数据结构 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 以及控制壳【4 7 1 。在现代工程中，r o y 署- f l l i a o 4 8 】j 艮好地将通用黑板结构应用于 夹具的自动化设计。在夹具的产生阶段，这种基于黑板的分析方法可以在变 量和内部参数不多的情况下完成夹具的配置【1 酬。 ( 1 0 ) 最优化分析 最优化分析方法主要应用于组合夹具c a d 系统的夹具产生阶段，它的任 务是建立分析模型从而得到更优的夹具布局。目前，人工神经网络算法和遗 传算法是在夹具自动化设计中使用最多的算法。人工神经网络是一种模仿动 物神经网络行为，进行分布式信息处理的数学模型【4 9 1 。遗传算法则是一种新 型的、模拟生物进化过程的随机化搜索和优化的方法【5 0 】。在诸多研究中， h a m e d im e 5 1 将神经网络和遗传算法整合到非线性的有限元分析中。w a n g 等 p 2 】提出全局优化算法，与局部优化算法相比，它能获取更优的定位布局、夹 紧位置及夹紧力的大小。k a y a 5 3 1 将有限元分析与遗传算法结合起来，通过将 有限元分析软件a n s y s 计算的夹具布局中的夹具变形量反馈给遗传算法，从 而获取夹具布局的最优化。加州伯克莱的r c b r o s t 、p u r d u e 大学的 a j c t r a p p e y 等 5 4 , 5 5 对孔系组合夹具的布局以及定位与夹紧点位置的优化进 行了积极的研究。浙江大学的郑军红等【4 9 】运用神经网络技术对影响孔系组合 夹具装夹面选择的各种因素进行处理，并在此基础上，采用遗传算法获取最 优定位特征。 1 3 目前夹具c a d 研究中存在的主要问题 夹具c a d 系统研究的内容非常广泛，涉及夹具设计知识表达，夹具设计 结果最优化，夹具设计中的搜索策略，夹具稳定性、动态性能和精度的分析， 以及夹具的形闭合、可及性和变形的验证等方面，主要存在以下不足或需重 点解决的问题： ( 1 ) 组合夹具的元件和构件的建库还停留在几何模型上。涉及夹具元件 和构件的信息模型包含夹具元件的几何实体信息、关键参数驱动信息、功能 信息等。而很多研究是通过配置技术或者系列化零件表技术进行建库，仅简 单地表达了夹具元件和构件的实体信息和尺寸信息。所以，组合夹具的元件 库和构件库的建立需要一个更加完整且更柔性化的信息模型，为实现组合夹 具的快速设计提供一个统一的基础信息。 ( 2 ) 夹具c a d 系统集成化程度低。由于夹具c a d 系统是通过对外获取 工件特征信息以及加工工艺特征信息进行推理分析而自动设计出最优的夹 具，所以夹具c a d 系统不是独立存在的，它必须与其它c a x 系统相结合才能 9 中南大学硕士学位论文第一章绪论 很好地实现所需功能。然而当前所研究的夹具c a d 系统与c a x 集成度较低或 者集成方法过于复杂。因此表现出所需夹具设计信息依赖于人工输入，在一 定程度上影响了产品的设计和研发周期。 ( 3 ) 定位与夹紧特征推理效率不高。定位与夹紧特征推理是夹具设计的 重点，而定位与夹紧特征的分析是定位与夹紧特征推理的核心。由于实际工 件几何形状复杂，可能的定位与夹紧特征繁多，给定位与夹紧特征的分析带 来了严峻的挑战。 ( 4 ) 定位与夹紧特征推理准确性较低。定位与夹紧特征推理的结果受多 种因子影响，如面积、尺寸关系、粗糙度等。目前很多研究采用直接根据经 验估计的一系列因子的权重来推理定位与夹紧特征，准确性不高，有待于更 科学的相似因子确定方法的产生。 ( 5 ) 夹具设计知识表达不优。槽系组合夹具的设计需要工程师宝贵的组 合夹具设计经验，它是一种强经验弱理论的设计，需要通过人工智能技术将 工程师的设计经验准确高效地表达。目前有多种知识的表达方法，例如产生 式规则、框架式、面向对象化等。然而夹具设计知识存在多种约束关系和复 杂的内涵以至于应用上述方法表达设计知识时存在一些缺陷，导致在知识表 达上存在困难和歧义。 ( 6 ) 推理方式单一。目前研究的一些夹具c a d 系统只采用一种推理方 式，然而单一的推理方式不能高效、准确地获取所需的设计案例，所以混合 推理技术应成为夹具c a d 系统研究的发展趋势。 1 4 本文的主要研究内容 本文在对夹具c a d 研究现状及相关问题的回顾和分析的基础上，以中南 大学机电工程学院组合夹具实验室的中型槽系组合夹具为研究对象，研究基 于r b r 与c b r 的两重混合推理技术的组合夹具快速设计方法。采用a c c e s s 建 立夹具c a d 系统的夹具元件库、构件库、工件库以及实例库，并应用三维c a d 系统s o l i d w o r k s 一- - 次开发接口，拟研发出一套槽系组合夹具c a d 系统，能有 效地缩短夹具设计时间，减轻夹具设计者的劳动强度，提高夹具设计的质量。 槽系组合夹具c a d 系统所包含的内容非常广泛，本文针对槽系组合夹具c a d 系统设计过程中存在的主要问题，重点研究以下内容： ( 1 ) 槽系组合夹具元件库、构件库信息模型的建模。建立包括基本信息、 几何信息、功能信息以及参数驱动数据的信息模型，为组合夹具的快速设计 提供一个统一的基础数据库。 1 0 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 提高槽系组合夹具c a d 系统与三维c a d 系统s o l i d w o r k s 之间的集成 度。本文通过外部编程软件v i s u a lb a s i c 对s o l i d w o r k s 的a p i 进行控制来实现工 件基本几何信息的自动提取，主要包含工件边界尺寸、工件表面面积、中心 点、法向量等信息。 ( 3 ) 工件伪定位特征的排除。为减少需要分析的候选定位特征数目，提 高推理效率，在进行定位与夹紧特征推理前，将伪定位特征排除。主要包含 伪定位特征的定义、判断标准以及算法研究。 ( 4 ) 基于规则推理技术与模糊评定技术的混合式推理研究。针对在定位 与夹紧特征推理中的不准确性，提出基于规则推理技术与模糊评定技术相结 合的方法。通过模糊评定技术将影响定位与夹紧特征推理因素的权重表达更 准确，从而使定位与夹紧特征的推理更准确。 ( 5 ) 基于成组技术的槽系组合夹具编码系统的改进。针对目前夹具知识 表达不优以及c a d 技术的发展，本文提出一种基于成组技术的5 3 位槽系组合 夹具编码系统。该编码系统可以更全面地表达夹具设计知识，以利于通过分 类代码进行夹具最优实例的检索。 ( 6 ) r b r 与c b r 相结合的混合推理研究。针对槽系组合夹具设计中强理 论部分和弱理论部分各自的特点，在强理论部分使用r b r 技术，在弱理论中 使用c b r 技术，构建一个功能较为完善的混合推理式槽系组合夹具c a d 系 统。 根据上述的主要研究内容，将全文分为6 章，全文结构图如图1 5 所示。 各章节的主要研究内容安排如下： 第1 章绪论。论述论文的研究背景和研究意义，概括夹具c a d 系统中应 用的关键方法与技术、国内外夹具c a d 系统研究进展，阐明目前夹具c a d 系 统中存在的主要问题以及本文需要重点解决的问题。 第2 章基于知识的定位与夹紧特征推理。在给出“伪定位特征 定义的 基础上，分析伪定位特征产生的原因，研究伪定位特征排除的具体算法，研 究基于产生式规则的定位模式推理方法以及利用产生式规则和模糊评定技术 对定位与夹紧特征进行推理的算法。 第3 章基于实例的槽系组合夹具设计方法。重点研究槽系组合夹具编码 系统的信息构成以及夹具分类代码生成的具体规则。在此基础上，对模块化 检索、c b r 检索、机床型号检索、备注信息检索的工作原理、检索方式进行 研究。 第4 章元件库与构件库的建立及智能扩充。研究槽系组合夹具元件库、 构件库及其选择规则库的构建方法，探讨槽系组合夹具实例的智能修改及元件 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 库与构件库智能扩充方法。 第5 章混合推理式槽系组合夹具c a d 系统设计。在分析用户对槽系组合 夹具c a d 系统需求的基础上，应用三维c a d 系统s o l i d w o r k s 的二次开发接口， 结合本文提出的混合推理式夹具设计的几个关键算法，研发一套功能较为完 善的槽系夹具c a d 系统。 第6 章全文总结。对全文的主要研究成果和创新点进行总结，并对后续 研究进行展望。 簸 一 观问 伏题 。8 婴友，第二章基于 溶蓬淼乌 导用夹紧特征推理 第三章基于实 例的槽系组合 夹具设计方法 第四章元件库 与构件库的建 立及智能扩充 技实 术例 实应 观用 归研 纳究 总展 结望 图1 5 论文组织结构 1 2 图2 - 1 定位与夹紧特征推理流程图 1 3 中南大学硕士学位论文第二章基于知识的定位夹紧特征推理 2 2 特征信息获取 特征信息获取是槽系组合夹具定位与夹紧特征推理的前提。定位与夹紧特 征推理需要获取三个方面信息，即工件特征、加工工艺特征、工件可定位表面 特征。 工件特征和加工工艺特征是定位模式推理所必须的信。息e 5 6 , 5 7 】。工件特征包 含工件形状( 轴、盘、块等) 和工件中孔的数目( 孔的数目对定位模式的选择 有重要的影响) 【2 】；加工工艺特征主要包含加工内容、加工刀具、主轴方向、 进给形式等，详细信息如图2 2 所示。由于本系统没有与c a p p 系统实现集成， 所以这两方面信息是通过人机交互的方式获取。 酽图 蓝茹忒簟冀誓急譬 钻头 图2 - 2 工件特征信息及加工工艺信息 工件可定位表面特征是指工件中具有定位功能的特征，它的提取是进行定 位特征推理的前提。通常这些特征为平面、外圆柱面、内圆柱面和其它表面。 特征的信息包含表面类型、i d 、中心点、面积、粗糙度等。可以通过外部编程 1 4 中南大学硕士学位论文第二章基于知识的定位夹紧特征推理 语言v i s u a lb a s i c 调用s o l i d w o r k s 的a p i 来自动提取这类特征信息或者通过人 机交互的方式进行输入。 2 3 定位模式推理 定位模式推理是定位特征推理的前提，它可以减少潜在的定位参照选择错 误以及不必要的推理错误；同时，定位模式也决定了夹具的总体结构。定位模 式可分类为如图2 3 所示的三个层次【1 j 。 槽系组合夹具的第二层次定位模式主要有表2 1 中所列出的五类。第一类： 三面定位，即3 2 1 定位，用于工件的平面定位；第二类：一面两销定位，其 中定位平面为主定位面，内圆柱表面为第二定位面；第三类：长销定位，内圆 柱表面为主定位面，限制4 个自由度：第四类：双v 形块定位，即4 1 1 定位， 以选取的工件外圆柱表面为主定位面；第五类：短v 形块定位，与4 1 1 定位 模式不同的是这种定位模式将工件的外圆柱表面作为第二定位面。 图2 - 3 定位模式分类 表2 - 1 常用的定位模式 夹具定位模式的确定主要取决于两个方面，即工件特征及