基于實(shí)例推理的機(jī)床夾具參數(shù)化變型設(shè)計(jì)* ＊

梁麗芬 王宗彥 吳淑芳 張 鵬 李瑞祥

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原030051)

在機(jī)械產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)中，將近70%的產(chǎn)品是以現(xiàn)有產(chǎn)品為模板進(jìn)行變型設(shè)計(jì)來完成的，因此，對變型設(shè)計(jì)提出一種快捷有效的求解方法是實(shí)現(xiàn)快速智能化設(shè)計(jì)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對此進(jìn)行了深入研究，包括:模塊化變型設(shè)計(jì)［1］、三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)［2］、基于產(chǎn)品基因與物理表達(dá)的變型設(shè)計(jì)［3］，等。

機(jī)床夾具作為機(jī)械產(chǎn)品制造過程中重要的工藝裝備，其標(biāo)準(zhǔn)件種類多，設(shè)計(jì)過程依賴專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，設(shè)計(jì)周期長，勞動(dòng)強(qiáng)度大。針對以上特點(diǎn)，將實(shí)例推理和參數(shù)化技術(shù)引入到機(jī)床夾具變型設(shè)計(jì)中，提出了一種基于實(shí)例推理的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)方法，并開發(fā)了一套計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)。建立夾具及其零部件的參數(shù)化模型庫與數(shù)據(jù)庫，采用最近相鄰算法檢索夾具實(shí)例，并利用基于布局草圖的自動(dòng)裝配技術(shù)，對夾具及其零部件進(jìn)行快速變型設(shè)計(jì)，可以極大地提高夾具的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短研發(fā)周期，有助于實(shí)現(xiàn)夾具設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化、高效化和柔性化。

1 實(shí)例推理技術(shù)

實(shí)例推理CBR(case based reasoning)是一種相似類比推理方法，是使用過去成功的實(shí)例為基礎(chǔ)進(jìn)行修改，從而求解當(dāng)前問題的一種推理模式［4］。它強(qiáng)調(diào)人們在解決新問題時(shí)，檢索出相似度最高的實(shí)例，對其提取和修改，滿足要求后，作為新的案例存儲(chǔ)于實(shí)例庫中，便于下次案例的檢索和使用。基于CBR 的問題求解步驟包括:實(shí)例檢索、實(shí)例修改(即參數(shù)化變型設(shè)計(jì))、實(shí)例評價(jià)和實(shí)例更新。

如圖1 所示，首先建立實(shí)例庫，包括模型庫和數(shù)據(jù)庫兩部分，設(shè)計(jì)人員輸入設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)參數(shù)計(jì)算相似度，根據(jù)保存地址查找與當(dāng)前要求相匹配并具有最大相似度的實(shí)例模型。復(fù)制該模型并提取模型信息，修改差異模塊的參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行實(shí)例修改，即參數(shù)化變型設(shè)計(jì)。最后，進(jìn)行實(shí)例評價(jià):如果模型滿足設(shè)計(jì)要求，則生成該模型序列號，并作為新實(shí)例存入模型庫，且將該模型的參數(shù)信息存入數(shù)據(jù)庫，如不滿足，則再次修改。用戶也可新建實(shí)例，利用零部件庫進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)結(jié)果也將存入實(shí)例庫。

實(shí)例推理技術(shù)具有自主學(xué)習(xí)和積累知識(shí)的能力，實(shí)例修改后如果滿足條件，實(shí)例庫則不斷積累成熟實(shí)例。系統(tǒng)的推理效率不斷提高，同時(shí)，系統(tǒng)解決問題的能力也不斷增強(qiáng)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能設(shè)計(jì)。

2 參數(shù)化變型設(shè)計(jì)

變型設(shè)計(jì)是通過提取已有產(chǎn)品，修改產(chǎn)品主模型的參數(shù)或?qū)ζ浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行局部調(diào)整，生成相似的產(chǎn)品或零部件。參數(shù)化變型設(shè)計(jì)是利用參數(shù)化技術(shù)，對模塊的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整使其尺寸或結(jié)構(gòu)變型，是對實(shí)例模型的二次設(shè)計(jì)。它是將實(shí)體圖形的尺寸值與設(shè)計(jì)要求或約束條件相關(guān)聯(lián)，以設(shè)計(jì)要求即實(shí)體圖形的主要尺寸為自變量，非關(guān)鍵尺寸為函數(shù)值的一種驅(qū)動(dòng)機(jī)制。當(dāng)設(shè)計(jì)要求發(fā)生變化時(shí)，只需調(diào)整關(guān)鍵尺寸和部分約束參數(shù)就可完成變型設(shè)計(jì)，得到新的實(shí)體［5］。

采用基于SolidWorks 的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)，實(shí)質(zhì)是在SolidWorks 平臺(tái)下利用視圖中的布局草圖定義零部件的尺寸、結(jié)構(gòu)以及裝配約束關(guān)系來驅(qū)動(dòng)模型。圖2為某夾具前視圖中的布局草圖，零件均與草圖和基準(zhǔn)面或基準(zhǔn)軸建立約束關(guān)系，零件之間無配合關(guān)系，避免產(chǎn)品在參數(shù)化變型過程中零部件之間出現(xiàn)約束求解錯(cuò)誤，同時(shí)便于相似實(shí)例的替換［6］。

然后，在SolidWorks 內(nèi)部添加方程式，建立各零部件尺寸及約束關(guān)系間的數(shù)學(xué)關(guān)系，將其都反映在布局草圖內(nèi)。方程式作為聯(lián)系布局草圖和零部件尺寸關(guān)系之間的紐帶，以關(guān)鍵尺寸或者屬性名稱為自變量，描述了各尺寸或?qū)傩蚤g的約束關(guān)系，是參數(shù)化變型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［7］。

最后，利用Visual Basic 程序調(diào)用SolidWorks API函數(shù)來控制布局草圖，并利用方程式的關(guān)系等式驅(qū)動(dòng)模型來完成整機(jī)的自動(dòng)裝配。

這種方法將零部件的約束關(guān)系都建立在布局草圖上，當(dāng)草圖中主動(dòng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，非關(guān)鍵尺寸和各零部件的位置關(guān)系也發(fā)生相應(yīng)變化，整個(gè)裝配模型也隨著發(fā)生變化，避免了產(chǎn)品模型在變型過程中遭到破壞，確保了模型的完整性。

3 基于CBR 的機(jī)床夾具參數(shù)化變型設(shè)計(jì)

基于CBR 的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)的基本原理是將大量的成熟產(chǎn)品預(yù)先存入實(shí)例庫中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求從實(shí)例庫中檢索出相似度最高的實(shí)例作為模板，利用基于布局草圖的參數(shù)化設(shè)計(jì)思想對三維模型進(jìn)行變型設(shè)計(jì)形成新的產(chǎn)品，并且作為新的實(shí)例擴(kuò)展實(shí)例庫。

基于CBR 的機(jī)床夾具參數(shù)化變型設(shè)計(jì)包括產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段，CBR 貫穿于產(chǎn)品設(shè)計(jì)全生命周期。在產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)階段，首先建立機(jī)床夾具零件實(shí)例庫，根據(jù)工件、工藝及裝夾信息，從中檢索出與設(shè)計(jì)要求最為接近的夾具設(shè)計(jì)實(shí)例，確定夾具的整體設(shè)計(jì)方案以及夾具的模塊組成。詳細(xì)設(shè)計(jì)階段則是修改某個(gè)模塊的參數(shù)，對其進(jìn)行參數(shù)化變型設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)裝配體驅(qū)動(dòng)。具體流程主要包括建立實(shí)例庫，實(shí)例檢索，實(shí)例修改(即變型設(shè)計(jì))和實(shí)例更新4 個(gè)步驟。

3.1 機(jī)床夾具實(shí)例庫的建立

實(shí)例庫包括模型庫和數(shù)據(jù)庫，是進(jìn)行實(shí)例檢索及檢索。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)計(jì)算設(shè)計(jì)產(chǎn)品與各實(shí)例的相似度并提取相似度大于檢索閾值的夾具，可選擇相似度最高的夾具作為實(shí)例模板進(jìn)行變型設(shè)計(jì)。

3.3 實(shí)例修改

當(dāng)用戶選擇相似度最高的夾具模板后，可根據(jù)“機(jī)床夾具零部件設(shè)計(jì)”人機(jī)交互界面，選擇需要修改的零部件。如果選擇圖5 檢索結(jié)果中相似度最高的夾具，即固定式鉆模，需要根據(jù)工件對其零部件進(jìn)行修改。如圖6 所示，對活動(dòng)V 形塊進(jìn)行修改，可輸入工件直徑以及工件長度，檢索符合條件的V 形塊，可也輸入V 形塊各參數(shù)進(jìn)行檢索。選擇檢索結(jié)果中的零件模板后，系統(tǒng)會(huì)對用戶填寫的參數(shù)進(jìn)行分析，如滿足要求則利用該零件修改后的參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型。用戶也可根據(jù)系統(tǒng)提示與幫助進(jìn)入SolidWorks 三維繪圖環(huán)境進(jìn)行新建或修改。

夾具模型驅(qū)動(dòng)分為兩部分:外部驅(qū)動(dòng)和內(nèi)部驅(qū)動(dòng)。外部驅(qū)動(dòng)即通過VB 編程將夾具設(shè)計(jì)的結(jié)果賦值給布局草圖的參數(shù)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。可通過SolidWorks 的宏錄制模擬修改參數(shù)過程，再把參數(shù)設(shè)置為變量，通過給變量賦值即可實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動(dòng)。內(nèi)部驅(qū)動(dòng)即通過SolidWorks添加方程式來實(shí)現(xiàn)模型驅(qū)動(dòng)。

這種基于布局草圖的自頂向下的模塊化與參數(shù)化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)需求對夾具的各零件進(jìn)行修改和替換，并可通過布局草圖參數(shù)來驅(qū)動(dòng)整個(gè)夾具模型，自動(dòng)生成其三維實(shí)體模型和二維工程圖，變型設(shè)計(jì)后的夾具模型如圖7 所示。

3.4 實(shí)例更新

對裝配體干涉檢驗(yàn)成功且夾具滿足設(shè)計(jì)要求后，系統(tǒng)會(huì)將夾具的相關(guān)參數(shù)根據(jù)其序列號分別存入檢索參數(shù)數(shù)據(jù)庫和設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫，而模型將存入其所屬類型文件夾中，作為新的實(shí)例擴(kuò)充實(shí)例庫。如不滿足要求，則再次進(jìn)行實(shí)例修改。

4 結(jié)語

本文以SolidWorks2015 為開發(fā)平臺(tái)，Visual Basic 6.0 為開發(fā)工具，采用基于實(shí)例的推理方法，結(jié)合面向?qū)ο蟮膮?shù)化設(shè)計(jì)思想及基于布局草圖的自動(dòng)裝配技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床夾具及其零部件的變型設(shè)計(jì)。隨著實(shí)例庫的擴(kuò)大，系統(tǒng)的檢索能力不斷提高，設(shè)計(jì)效率也隨之增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床夾具的快速智能設(shè)計(jì)。基于實(shí)例推理的機(jī)床夾具三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的研究成果，對其他機(jī)械產(chǎn)品的CAD 設(shè)計(jì)尤其是對自動(dòng)化和智能化要求高的領(lǐng)域具有一定的指導(dǎo)意義。

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