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智能化夾具設計系統的開發(fā) 摘要：夾具在加工過程和機械裝配中是一個重要的基本的工具。隨著CAD/CAPP/CAM技術的發(fā)展和CNC技術在制造業(yè)中的廣泛應用，傳統的夾具設計方法已經不能滿足產品越來越快的更新、實際生產中所需的夾具復雜化與多樣化的要求。計算機輔助設計是解決這一問題的有效方法。在傳統的計算機輔助設計系統中，設計者的參與和經驗是必須的。在本文中一種新的設計系統已經研發(fā)出來，它是為專用夾具而設計的，把人工智能技術應用到了CAFD系統中，運用了專家系統和三維建模技術。它討論了配置，一般的功能模塊，知識表示，推理裝置，夾具標準件庫。本文討論了在夾具設計過程中的智能優(yōu)化技術。最后利用CAFD系統設計了一個虛擬的夾具作為例子。 關鍵詞: 夾具；智能系統；專家系統 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志、配置、頻繁的檢查，建立統一的性能。這會減少操作時間，提高生產率。由于其不可替代的優(yōu)勢和特點夾具廣泛用于工廠的實際生產中。由于CAM技術的應運和流行，對設計和制造夾具的效率和可靠性提出了更高的要求。手工的夾具設計在制造中是一份傳統費時的工作，而且設計者在夾具設計中起很重要的作用。工藝設備是否可以迅速的提供，影響零件生產的效率和質量，特別是在小規(guī)模和多品種的生產中。關于夾具設計有效方法的研究已經引起了許多專家和學者的注意。自從九十年代以來，許多專家和學者已經試著研究計算機輔助設計的新方法。基于三維設計軟件的平臺，一種運用特征造型和參數化設計技術的夾具設計理論被提出來。一種為了采用檢索技術的模塊化夾具設計系統的CAFD應運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的發(fā)展，專家系統已經被引進到夾具設計的過程中，去實現特殊的作用。在進行傳統的夾具設計中，該設計師通常需要花費大量時間尋找夾具設計手冊和工藝流程圖。這需要花費大量的時間去準備與設計相關的，例如為重復繪制，繁重的工作，很低的效率，已嚴重的影響了交貨的時間。然而，傳統的CAFD系統在過去自動化程度很低，它過多的取決于設計者的參與，夾具設計過程是很低效的。由于大部分的設計工作是在二維平面上，設計者必須具備較高的機械制圖知識和空間想象能力。應用3D模擬技術對設計者來說不僅直觀、容易理解，而且降低了對設計者對專業(yè)技術的要求。本文主要論述了CAFD系統的配置,一般功能模塊、知識表示、夾具和夾具組件模塊基礎,推理機制,知識庫。根據夾具設計的特點，AI技術已經引入到夾具CAD系統中，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的智能CAFD系統已經開發(fā)出來了。 2.系統結構 圖1顯示了CAFD系統結構，展示了一種更詳細，具體的工作程序的系統。 考慮到夾具設計的特點，CAFD系統采用了模塊化思想。它由推理機系統，知識庫，接口數據庫，夾具及固定裝置零件模型庫等等組成。夾具設計的第一步，使用者需要建立零件模型，包括制造所需的夾緊參數，加工參數，定位參數，其他制造過程所需的完整參數，這些都是夾具設計不可或缺的。此系統采用了基于推理的混合戰(zhàn)略和根據工件信息推理的規(guī)則。 首先基于實例的推理。CAFD系統會在樣庫中尋找滿足要求的相似的例子。有時，如果幸運的話可以找到滿足要求的夾具。第二，如果沒有一個合適的樣例，系統將會根據知識庫中的知識進行推理并給出一個新的設計樣例。然后，調用夾具模型組成要素的樣例，利用參數化驅動技術來重建模型。通過人機界面，如果由CAFD建的模型通過強度分析、干擾分析和其他分析，系統將設置參數值并完成夾具設計。否則，系統將保證用戶調整參數和重新設計。如果結果令人滿意，用戶可以將這個例子儲存到例庫中。該系統有一定的自學功能。更多的例子儲存 到例庫中，系統的智能化水平越高。 圖1.CAFD系統的流程圖 3. 推理裝置 根據在夾具設計過程中所依據的經驗的特點，該系統采用了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計中所有的情況。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，系統將不會得到最終的方案。相對CBR，RBR更能滿足系統的設計過程。 3.1應運在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。結果是通過CBR的夾具設計與更能滿足實際加工工藝的要求。與RBR相比較，CBR在夾具設計中給習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的夾具設計過程包括案例表示、案例搜索和計算，案例評估，案例檢索和案例更新。這種技術的關鍵在于創(chuàng)建案例表達時的表達方法的檢索裝置。 圖2.夾具設計樣例推理的設計過程 3.1.1案例表示 在系統中的案例用編碼技術代替。根據夾具設計的特點，每一個案例給一個不同的十進制數。案例將會被編碼和改變以便被識別。最后，案例以編碼形式進入典型案例中。 3.1.2案例搜索和計算 針對夾具設計的要求，計算的相似程度采用最接近的策略。計算公式是S=∑n1 wi pi 這里, S——與存在的案例的相似程度 N——組件模型特性的數量 Wi——每個特性的加權因子 J p——與案例j，0,1等的匹配程度 根據相似程度的值，擁有最大計算值的案例是最相似的案例。 3.1.3案例評估 根據（2）的結果，相似度最大的那個案例如果 Smax≥0.96則可以接受案例方案，把他調出來，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計的要求。檢索是得到符合結果的必要過程。檢索包括模型尺寸和模型結構，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果令人滿意。隨著滿足夾具必須特點的新樣例的產生系統將更新。 3.2應運在CAFD系統中的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出來。通過推理，基于規(guī)則的系統將引導用戶去完成全部的設計任務，包括原理設計，布局機構設計，詳細結構設計，機構分析和性能評價，然后完成一個集成的夾具裝置。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，經驗只有專家才有。他們必須轉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，語義網絡，生產規(guī)則，站的空間搜索，腳本形式。夾具設計知識是復雜的，僅僅通過一種方式是難以表示好的。在夾具CAD的專家系統中，許多知識是被生產式規(guī)則，框架以及他們的混合所表示的。 5. 零件模型庫 大多數的夾具零件已經標準化。參數化設計特別適合系列化產品的生產，這樣設計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定義約束集的幾何方法，然后整合它們到應運程序，最后根據推理結果夾具模型將被檢索出來。根據夾具及其零件的設計特點和參數化的思想，我們已經建立了基于參數化特征的夾具零件模型庫。夾具零件模型庫包括夾具標準化零件庫，典型夾具樣品庫，通用標準的零件庫。為了實現CAFD系統，合理的零件分組是一個關鍵的環(huán)節(jié)，它將決定這個系統能否在實際中使用。根據設計者的設計習慣和傳統的設計思想，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）動力裝置（10）其他零件 圖4夾具標準件庫 圖5 夾具的組成 每個類別的零件又根據不同的形狀和尺寸分為不同的小類別。其具體內容展示在圖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面，基準軸。其次，根據原始數據建立定位銷的數據表。然后定義重要尺寸參數的名稱，給出不同的默認值，這樣就進入了系統程序中的數據。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可以有用戶接口賦予新的值。所以參數傳達了CAFD系統中重建的零件模型。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 6. 一個例子 通過CAFD的用戶界面，系統將把模型零件部件的參數進行轉化成，利用這些參數來重建模型。圖7顯示利用智能CAFD系統設計的撥叉的銑槽夾具的布局圖。 圖7.利用CAFD系統設計的撥叉銑槽夾具 7.總結 在智能專用夾具的CAFD系統的開發(fā)過程中，專家系統被應運到夾具CAD系統中，采用先進的3D CAD軟件作為支持平臺，利用了基于特征的實體造型技術，沖破了傳統夾具CAD系統需要人為判斷，分析和反饋結果的障礙。該系統提高了夾具設計的效率和可靠性，使設計結果更加合理。 8