基于实例推理的机床夹具参数化变型设计.pdf

D e s a n d R e s e a 『c h 设计与研究 基于实例推理的机床夹具参数化变型设计 术 梁丽芬 王宗彦 吴淑芳 张 鹏 李瑞祥 中北大学机械 与动力S t _ 程学院， 山西 太原 0 3 0 0 5 1 摘要 针对机床夹具标准件种类多 ， 夹具设计依赖经验知识的特点 ， 将实例推理技术和面向对象的参数化 技术引入到机床夹具变型设计中 ， 提 出了一种基于实例推理的参数化变型设计技术。结合参数化 特征建模方法、 最近相邻算法和基于布局草图的 自动装配等关键技术， 开发了一套计算机辅助夹具 设计系统 。 并应用实例验证了该 系统的可行性和实用性。 关键词 实例推理 ； 参数化 ； 变型设计 ； 机床夹具 中图分类号 T P 3 9 1 文献标识码 A Pa r a me t r i c v a r i a n t d e s i g n o f ma c h i n e t o o l f i x t u r e b a s e d o n c a s e b a s e d r e a s o n i n g L I ANG Li f e n， W ANG Zo n g y a n， W U S h u f a n g， ZHANG P e n g， LI Rui x i a n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g， N o r t h U n i v e r s i t y o f C h i n a ， T a i y u a n 0 3 0 0 5 1 ， C H N Ab s t r a c t I n v i e w o f a h u g e v a r i e t y o f s t a n d a r d p a r t i n ma c h i n e t o o l fi x t u r e a n d t h e fi x t u r e d e s i g n b a s e d o n e x p e r i e n c e k n o wl e d g e，p u t s f o r wa r d a k i n d o f p a r a me t ric v a ria n t d e s i g n t e c h n o l o g y b a s e d o n c a s e b a s e d r e a s o n i n g w h i c h p u t s c a s e b a s e d r e a s o n i n g t e c h n o l o g y a n d t h e p a r a me t e r t e c h n o l o g y o f o b j e c t o ri e n t e d i n t o t h e fix t u r e v a ria n t d e s i g n．De v e l o p s a c o mp u t e r a i d e d f i x t u r e d e s i g n s y s t e m by c o mbi n i n g t he ke y t e c h - n o l o g y o f pa r a me t r i c mo d e l i n g，n e a r e s t n e i g h b o r a l g o rit h m a n d t h e a u t o ma t i c a s s e mb l y t e c h n o l o g y b a s e d o n s k e t c h，a n d v e rifi e s t h e f e a s i b i l i t y a n d p r a c t i c a b i l i t y o f t h e s y s t e m b y a c a s e s t u d y ． Ke ywo r d sc a s e b a s e d r e a s o n i n g； p a r a me t e r ； v ari a n t de s i g n； ma c h i n e t o o l fi x t u r e 在机械产品的实际设计中 ， 将 近 7 0 ％ 的产品是 以 现有产品为模板进行变型设计来完成的， 因此 ， 对变型 设计提出一种快捷有效的求解方法是实现快速智能化 设计的一项关键技术。 目前 ， 国内外许多学者对此进 行 了深入研究 ， 包括 模块化变型设计 J 、 三维参数 化 变型设 计 、 基 于产 品基 因 与物 理 表 达 的 变 型设 计 引， 等。 机床夹具作为机械产品制造过程 中重要的工艺装 备 ， 其标准件种类多 ， 设计 过程依赖专家 的经验知识 ， 设计周期长 ， 劳动强度大。针对以上特点 ， 将实例推理 和参数化技术引入到机床夹具变 型设计 中， 提 出了一 种基于实例推理的参数化变型设计方法 ， 并开发 了一 套计算机辅助夹具设计系统。建立夹具及其零部件 的 参数化模型库与数据库 ， 采用最近相邻算法检索夹具 实例 ， 并利用基于布局草图的自动装配技术 ， 对夹具及 其零部件进行快速变型设计 ， 可 以极大地提高夹具 的 设计效率和设计质量 ， 缩短研发周期 ， 有助于实现夹具 设计的标准化 、 高效化和柔性化。 1 实例推理技术 实例推理 C B R c a s e b a s e d r e a s o n i n g 是一种相似 类 比推理方法 ， 是使用过去成功的实例为基础进行修 改 ， 从而求解 当前 问题的一种推理模式 j 。它强调人 们在解决新问题时 ， 检索出相似度最高的实例 ， 对其提 取和修改 ， 满足要求后， 作为新的案例存储于实例库 中， 便于下次案例的检索和使用 。基于 C B R的问题求 解步骤包 括 实例检 索、 实 例修 改 即参数 化变 型设 计 、 实例评价和实例更新 。 如图 1所示 ， 首先建立实例库 ， 包括模型库和数据 库两部分， 设计人员输人设计要求， 系统从数据库中提 取相应参数计算相似度 ， 根据保存地址查找与当前要 求相匹配并具有最大相似度的实例模型。复制该模型 并提取模型信息 ， 修改差异模块的参数 ， 系统会 自动进 行实例修改 ， 即参数化变 型设 计。最后 ， 进行实 例评 价 如果模型满足设计要求 ， 则生成该模型序列号 ， 并 作为新实例存入模 型库 ， 且将该模型的参数信息存入 山西省科技基础 条件平 台建设项 目 2 0 1 3 0 9 1 0 2 3 ； 山西省 自然科学基金 2 0 0 8 O 1 2 o o 7 49 数据库 ， 如不满足， 则再次修改。用户也可新建实例 ， 利用 零部件库 进行创新设计 ， 设计结 果也将存 入实 例库。 图1实例推理流程图 实例推理技术具有 自主学 习和积累知识 的能力 ， 实例修改后如果满足条件 ， 实例库则不断积累成熟实 例。系统的推理效率不断提高， 同时 ， 系统解决 问题 的 能力也不断增强 ， 最终实现产品的智能设计。 然后 ， 在 S o l i d Wo r k s 内部添加方程式 ， 建立各零部 件尺寸及约束关系间的数学关系， 将其都反映在布局 草图内。方程式作为联系布局草图和零部件尺寸关系 之间的纽带 ， 以关键尺寸或者属性名称为 自变量 ， 描述 了各尺寸或属性间的约束关系， 是参数化变型设计 的 关键 。 4 8 5 9 3 7l I L ．． ． 55． ● ● ■ 一 l l I 5 5 9 0 l 1 0 0 l I 1 3 8 1 40 0 图2 布 局覃 图 最后 ， 利用 V i s u a l B a s i c程序调用 S o l i d Wo r k s A P I 函数来控制布局草图， 并利用方程式 的关系等式驱动 模型来完成整机的自动装配。 这种方法将零部件的约束关系都建立在布局草图 上 ， 当草图中主动参数发生变化时 ， 非关键尺寸和各零 部件的位置关系也发生相应变化 ， 整个装配模型也随 着发生变化 ， 避免了产品模型在变型过程中遭到破坏 ， 确保了模型的完整性。 2 参数化变型设计 3 基于 C B R的机床夹具参数化变型设计 变型设计是通过提取已有产 品， 修改产品主模型 的参数或对其结构进行局部调整 ， 生成相似的产品或 零部件 。参数化变型设计是利用参数化技术 ， 对模块 的参数进行调整使其尺寸或结构变型 ， 是对实例模 型 的二次设计。它是将实体图形的尺寸值与设计要求或 约束条件相关联， 以设计要求即实体图形的主要尺寸 为 自变量 ， 非关键尺寸为函数值 的一种驱动机制 。当 设计要求发生变化时， 只需调整关键尺寸和部分约束 参数就可完成变型设计 ， 得到新 的实体 J 。 采用基于 S o l i d Wo r k s的参数化变型设计 ， 实质是 在 S o l id Wo r k s 平 台下利用视图中的布局草图定义零部 件的尺寸 、 结构 以及装配约束关 系来驱动模型。图 2 为某夹具前视图中的布局草 图， 零件均与草图和基准 面或基准轴建立约束关系， 零件之间无配合关系 ， 避免 产品在参数化变型过程中零部件之间出现约束求解错 误 ， 同时便于相似实例的替换 。 。 。 50 基于 C B R的参数化变型设计的基本原理是将大 量 的成熟产品预先存入实例库 中， 根据设计要求从实 例库 中检索 出相似度最高的实例作为模板 ， 利用基于 布局草图的参数化设计思想对三维模型进行变型设计 形成新 的产 品， 并且作为新的实例扩展实例库。 基于 C B R的机床夹具参数化变型设计包括产品整 体设计和详细设计两个阶段 ， C B R贯穿于产品设计全生 命周期。在产品整体设计阶段 ， 首先建立机床夹具零件 实例库， 根据工件、 工艺及装夹信息， 从中检索出与设计 要求最为接近的夹具设计实例， 确定夹具的整体设计方 案以及夹具的模块组成。详细设计阶段则是修改某个 模块的参数， 对其进行参数化变型设计 ， 最终实现装配 体驱动。具体流程主要包括建立实例库 ， 实例检索， 实 例修改 即变型设计 和实例更新 4个步骤。 3 ． 1 机床夹具实例库的建立 实例库包括模型库和数据库 ， 是进行实例检索及 等 ； ； ⋯ 0 平 弗 制