易 文，劉德福，羅新俊

YI Wen, LIU De-fu, LUO Xin-jun

（中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083）

RBR與CBR相結(jié)合的槽系組合夾具CAD系統(tǒng)研究

The research about computer aided design of modular fixture with slot combining rbr and cbr

易 文，劉德福，羅新俊

YI Wen, LIU De-fu, LUO Xin-jun

（中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙 410083）

夾具是一種在加工過程中能準(zhǔn)確穩(wěn)定地定位及夾緊加工工件的工藝裝備，好的夾具設(shè)計方案能提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。針對目前客戶需要產(chǎn)品零件千變?nèi)f化的背景，夾具快速設(shè)計系統(tǒng)具有重要的研究意義。本文利用Visual Basic對Solid Works進(jìn)行二次開發(fā)，采用基于規(guī)則推理技術(shù)（RBR)及基于實例推理技術(shù)（CBR)的混合推理技術(shù)，開發(fā)了一種槽系組合夾具CAD系統(tǒng)。通過集合兩種推理技術(shù)的優(yōu)點，在夾具設(shè)計過程中，強(qiáng)理論部分運用RBR，具有推理能力強(qiáng)、推理效率高的優(yōu)點；而在弱理論部分則運用CBR，檢索過去的類似設(shè)計案例，從而快速完成組合夾具設(shè)計，系統(tǒng)具有較高的實用價值。

槽系組合夾具；計算機(jī)輔助設(shè)計；CBR；RBR

0 引言

槽系組合夾具具有裝配靈活、便于使用等優(yōu)點。它適合于產(chǎn)品種類多、產(chǎn)品變化快、新產(chǎn)品試制和小批量生產(chǎn)。由于在激烈的市場競爭中客戶對產(chǎn)品的需求千變?nèi)f化，這無疑對產(chǎn)品的周期提出了很高的要求。夾具作為機(jī)械制造業(yè)中的一種重要工藝裝備，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和研制周期。而現(xiàn)有通用CAD軟件，很難根據(jù)產(chǎn)品信息快速設(shè)計夾具，因此在通用CAD軟件的基礎(chǔ)上研制一種槽系組合夾具計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)具有重要的意義。目前國內(nèi)外在該方面的研究很活躍，研究的方法有成組技術(shù)[1]、基于特征推理技術(shù)[2]、基于規(guī)則推理技術(shù)[3]、基于實例推理技術(shù)[4]、遺傳算法[5]等, 但是槽系組合夾具CAD系統(tǒng)構(gòu)建往往采用一種方法，導(dǎo)致在強(qiáng)理論和弱理論共存的槽系組合夾具設(shè)計知識中不能很好地表達(dá)，不能靈活、有效地實現(xiàn)組合夾具的設(shè)計。本文以Visual Basic為開發(fā)工具，對SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，采用RBR與CBR混合推理技術(shù)來實現(xiàn)槽系組合夾具計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)。

1 槽系組合夾具CAD系統(tǒng)工作流程圖

本文采用“基于實例推理（CBR）+基于規(guī)則推理（RBR）”的混合推理求解方法，構(gòu)造了槽系組合夾具CAD系統(tǒng)。

目前很多研究往往采用一種推理方法來實現(xiàn)夾具的設(shè)計，但是各種推理方法各具優(yōu)勢和不足，需要揚(yáng)長避短。RBR技術(shù)具有較強(qiáng)的推理能力和較強(qiáng)的推理效率，并且知識表達(dá)的形式簡單（通常為IF-THEN結(jié)構(gòu)），易于系統(tǒng)實現(xiàn)，但是RBR技術(shù)對于一些知識不確定、弱理論領(lǐng)域難以實現(xiàn)，而且應(yīng)用RBR技術(shù)在解決新問題時必須“從頭開始”，對現(xiàn)實問題這是很消耗計算資源的。然而RBR的這些缺點，CRB技術(shù)能夠很好地補(bǔ)足。CBR技術(shù)是一種基于實例的推理技術(shù)，簡言之就是一種借鑒過去案例來解決新問題的方法，它是一種跳過開始的方法，適合于解決知識不確定、弱理論領(lǐng)域的問題。因此槽系組合夾具計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)可以采用RBR和CBR的混合推理技術(shù)。

整個設(shè)計過程分兩個階段。第一階段：首先，工件基本信息輸入。用RBR技術(shù)推理出定位及夾緊模式。然后根據(jù)推理的結(jié)果，及加工特征進(jìn)行定位特征及夾緊特征的RBR推理，確定工件具體的定位特征和夾緊特征。第二階段：根據(jù)第一階段推理的結(jié)果以及相關(guān)工件信息及夾具信息進(jìn)行實例推理，檢索出相似度高的實例，修改，完成設(shè)計。當(dāng)系統(tǒng)不能提供夾具方案時，則根據(jù)體統(tǒng)提供的組合夾具元件庫和構(gòu)件庫進(jìn)行手動設(shè)計。具體工作流程圖如圖1所示。

圖1 槽系組合夾具計算機(jī)輔助設(shè)計系統(tǒng)流程圖

2 定位及夾緊模式的推理過程

確定夾具的定位模式主要有兩個：工件特征及加工工藝特征[6]。其中工件特征包括工件的形狀（軸、盤、塊等）和工件中孔的數(shù)目；而加工工藝信息主要包括主定位面特征、加工刀具、加工內(nèi)容、進(jìn)給形式等，詳細(xì)信息如圖2所示。

一般來說，定位模式的確定具有確定性，即具有某種條件便產(chǎn)生某種結(jié)果，而產(chǎn)生式規(guī)則[7]的方式能簡單有效地表達(dá)這種關(guān)系。產(chǎn)生式規(guī)則的方式包含兩個部分：IF部分稱為前項（前提或條件），THEN部分稱為后項（結(jié)論或行為）。其一般形式如下：

IF 條件1 AND 條件2 ……條件N

THEN 結(jié)論1，結(jié)論2 …… 結(jié)論N

圖2 工件特征信息及加工工藝信息

END IF

在定位模式規(guī)則庫中每條規(guī)則的結(jié)構(gòu)如圖3所示。建立規(guī)則結(jié)構(gòu)之前，應(yīng)該對規(guī)則名、條件、結(jié)論進(jìn)行統(tǒng)一編號，避免重復(fù)、避免規(guī)則沖突。本文將采用Visual Basic的Type語句來定義規(guī)則庫。如下所示：

Private Type Rule

Dim Rule_Name As String

Dim Condition()As Integer

Dim Conclusion() As Integer

Dim Next_Rule As Integer

End Type

其中Condition()和Conclusion()為動態(tài)數(shù)組，用來保存條件和結(jié)論所對應(yīng)的編號， Next_Rule存放下一條規(guī)則的編號。下面以規(guī)則庫中一條規(guī)則來說明定位模式規(guī)則庫。其中該規(guī)則的規(guī)則名為規(guī)則1；條件分別為“工件類型=塊”、“孔的數(shù)目<2”、“加工刀具=鉆頭”，對應(yīng)的編號分別為3、4、5，是Condition()動態(tài)數(shù)組的三個元素；結(jié)論為“定位模式=3-2-1定位模式”，對應(yīng)編號為2，是Conclusion()動態(tài)數(shù)組的一個元素；Next_Rule指向下一條規(guī)則。如圖4所示。

圖3 規(guī)則結(jié)構(gòu)圖

圖4 具體規(guī)則圖

同樣，夾緊模式的確定通過夾緊模式規(guī)則庫推理，建立規(guī)則的方式與定位模式相同，采用Visual Basic中Type語句定義。

3 定位特征及夾緊特征的推理過程

定位特征選擇包含兩個步驟。首先確定候選的定位特征，然后從候選的定位特征中選擇最符合要求的特征。由于可能的定位特征可以由特征形式、定位模式、加工方式、主軸方向以及加工特征種類確定，適合于采用IF-THEN形式，所以定位特征的確定可以通過基于規(guī)則推理的技術(shù)（RBR）實現(xiàn)。

首先，確定候選主定位特征集X：

X={x1, x2, x3,……, xn}

xi為工件上可能的主候選特征

其次，確定影響因子的因數(shù)F：

F={f1, f2, f3,…… ,fn,}

fi影響選擇主定位特征的因數(shù)

夾具設(shè)計非常靈活，考慮的因數(shù)多種多樣，本文主要考慮其中三個重要因子[1]。f1：面積；f2：尺寸及位置關(guān)系；f3：粗糙度。所以影響因數(shù)定義如下：

F={f1, f2, f3}

然后，計算每一個影響因數(shù)，構(gòu)造評估矩陣R[8]：

n表示候選對象的數(shù)目

接下來根據(jù)下面三條準(zhǔn)則來確定評估矩陣的值（以下三條準(zhǔn)則中的取值根據(jù)經(jīng)驗獲得）：

準(zhǔn)則2：如果候選定位特征與加工特征的尺寸約束數(shù)目超過三個或等于三個，則r2j=1；如果候選定位特征與加工特征的尺寸約束數(shù)目等于兩個，則r2j=0.9；如果候選定位特征與加工特征的尺寸約束數(shù)目等于一個，則r2j=0.8；如果沒有候選定位特征與加工特征的尺寸約束數(shù)目，則r2j=0.5；

準(zhǔn)則3：如果候選定位特征粗糙度高，則r3j=1；如果候選定位特征粗糙度中等，則r3j=0.8；如果候選定位特征粗糙度低，則r3j=0.6；

最后，獲取各個影響因數(shù)的權(quán)重并計算最優(yōu)解。

由上面的分析可知，影響定位特征的因子只有三個，分別是: f1：面積；f2：尺寸及位置關(guān)系；f3：粗糙度。為了衡量各個因子的權(quán)重，根據(jù)專家打分的結(jié)果構(gòu)造判斷矩陣A[9]（判斷矩陣用于在決策分析時比較各個因子重要性所構(gòu)成的矩陣）：

固定比率CR=0.964%<10% ，所以該判斷矩陣符合要求。

最優(yōu)解bk為方案集B中的最大值。

輔定位特征及夾緊特征的確定和主定位特征確定的方法類似。

4 相似度的CBR檢索

CBR檢索根據(jù)以下五個步驟進(jìn)行：

1）夾具設(shè)計的相關(guān)信息獲取。主要包括：工件的定位模式及夾緊模式、工件形狀、工件大小、加工方式、加工精度要求、生產(chǎn)批量等；

2）檢索。根據(jù)以上信息，檢索出候選夾具方案；

3）相似度計算。計算候選方案與新方案之間的相似度，把高相似度的方案進(jìn)行重用；

4）夾具方案的修改；

5）夾具方案的保存；

在這五步中，相似度計算是其中的核心。本文相似度的計算從三個層面來考慮，分別是：工件形狀的匹配、定位模式的匹配以及工件制造信息，幾何信息的匹配。根據(jù)三個層面，工件信息相似度計算模型為：

其中P為工件層相似因子。如果工件類型與實例類型相同，則P=1，否則P=0。L為定位模式層相似因子。如果實際工件的定位模式與實例中的定位模式相同，則L=1，否則L=0。M為制造信息和幾何特征相似因子。實際要求的制造信息和幾何信息因子設(shè)為MP={M1s,M2s,M3s,...,Mls}，而數(shù)據(jù)庫中實例的制造信息和幾何信息因子設(shè)為MP={M1a,M2a,M3a,...,Mla}，如果，反之M=u j分別是制造信息和尺寸信息中各個相似因子的權(quán)重，其值根據(jù)具體情況來決定。

5 應(yīng)用實例

如圖5所示工件為例說明槽系組合夾具CAD系統(tǒng)的運作。工件為塊狀，長110mm，寬60mm，高30mm，鍵槽長75mm，加工對象為鍵槽。首先根據(jù)定位模式RBR推理，工件屬于塊狀、加工方法為銑銷，孔的數(shù)目為0，則該工件采用3-2-1定位方式。由于需要銑工件上表面的鍵槽，根據(jù)定位特征RBR推理，主定位面法向必須與加工特征方向相反，所以工件底面是主定位特征。第二定位特征需要垂直于主定位特征，能滿足要求的面有8個，分別是F1,F2,F3…F8,于是構(gòu)成一個第二定位面集合{x1, x2, …… , x8}，根據(jù)定位面推理的方法，為每一個候選第二定位特征構(gòu)成的判斷矩陣R計算如下：

bk=Max(B)=0.971

所以可以選取F1或者是F3作為第二定位面，同樣的方法確定F6為第三定位面。

圖5 塊狀工件

接下來根據(jù)輸入的夾具設(shè)計信息和已經(jīng)確定的定位模式夾緊模式在在組合夾具實例庫中檢索出一個工件實例，如圖6所示。工件實例同樣是3-2-1定位，長100mm，寬60mm，高40mm，鍵槽長100mm。計算產(chǎn)品信息相似度：

相似度很高，可以選為相似實例，經(jīng)過簡單修改，最后得到適合于工件的組合夾具如圖7所示。

圖6 夾具檢索界面

圖7 適合于工件的組合夾具

6 結(jié)束語

槽系組合夾具設(shè)計靈活多變，其設(shè)計往往依靠夾具設(shè)計者豐富的設(shè)計知識和經(jīng)驗，所以組合夾具設(shè)計有一定的難度。為了能很好地繼承優(yōu)秀組合夾具設(shè)計工程師的設(shè)計知識及經(jīng)驗，快速高效地針對具體工件設(shè)計相應(yīng)的組合夾具，本文以Visual Basic語言為開發(fā)工具，以Solidworks為開發(fā)平臺進(jìn)行二次開發(fā)，并集合基于規(guī)則推理技術(shù)和基于實例推理技術(shù)的優(yōu)點，采用兩者混合推理，解決組合夾具設(shè)計中強(qiáng)理論部分和弱理論部分很好地進(jìn)行知識的表達(dá)，使系統(tǒng)在強(qiáng)理論部分高效地進(jìn)行推理，同時在弱理論部分能參照過去案例快速產(chǎn)生新的夾具方案，提高了組合夾具設(shè)計的效率。

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TP391.72

A

1009-0134(2010)12(上)-0056-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(上).20

2010-07-20

易文（1985 -），男，湖南長沙人，碩士研究生，研究方向為機(jī)械制造及自動化。