第16卷第3期1997年5月机械科学与技术M ECHANICAL SCIENCE TECHNOLOGYVol. 16 No . 3May 1997..田锡天机床夹具智能化设计系统*田锡天( 西北工业大学西安710072)摘要夹具方案设计专家系统是实现夹具设计自动化的有效途径。

本文重点讨论了机床夹具智能化设计系统的结构, 基于特征的回转体零件信息描述, 夹具方案设计专家系统和夹具装配图设计等技术, 并开发了专用夹具设计原型系统SFDS。

关键词夹具CAD 专家系统特征中图号TP39. 72引言夹具是制造企业中重要的基本工艺装备, 广泛使用于加工、检验和装配等制造过程中。

然而在CAD/ CAM 技术广泛使用, CIMS 大力发展的今天, 夹具设计却仍处于传统的手工设计阶段, 这不仅影响夹具设计的效率和质量, 而且不能满足CAD/ CAM 集成的需要。

计算机辅助夹具设计( Computer Aided Fixture Design CAFD) 是解决这一问题的根本方法。

相对说来, CAFD 是一个新领域。

国外在80年代初才开始这方面的研究工作。

最旱的研究者采用Prolo g 语言开发了一个夹具设计专家系统, 只能在用户给定夹具方案后选择合适的夹具元件。

之后, 许多学者在夹具定位算法和夹具空间布置等方面进行了研究。

国内在CAFD 方面的研究还很少, 并且主要集中在组合夹具拼装和夹具元件图形库的建立方面。

总之, CAFD 还处于研究阶段, 而专用夹具方案的自动设计技术则更不成熟, 主要依靠人机交互来实现。

在专用夹具设计中, 方案设计是最重要的方面, 对夹具设计的质量具有决定性的影响。

而目前的CAFD 技术尚不能解决方案的自动化设计问题。

这是因为方案设计是一种创造性活动, 需要综合运用许多学科的专门知识和丰富的经验, 经过思考和推理, 才能得到正确合理的设计。

设计质量则取决于设计者个人的知识水平和经验。

因此, 采用人工智能技术, 实现夹具方案的智能化设计, 将会大大提高专用夹具设计的质量和自动化程度。

1 系统结构专用夹具设计是一个复杂问题, 不仅需要选择定位、夹紧等元件, 并进行精度分析和夹紧力校核, 而且需要进行夹具结构设计, 最后绘制出夹具装配图和零件图。

根据功能要求, 本文采用Watcom C 、AutoCAD 和FOXPRO 开发了一个加工回转体工件的专用夹具设计系统( Spe- .. 西北工业大学青年基金资助项目收稿日期: 1996-09-10cial Fixture Desig n System SFDS) , 系统结构如图1所示。

系统根据获取的零件信息和工序信息, 进行决策, 选择定位件、夹紧件等, 然后进行夹具结构布置设计, 并输出设计结果。

图1装配图的设计是根据生成的夹具设计方案自动生成装配图。

但自动生成的装配图是不完善的,还不能满足实用要求, 因此系统提供了一交互设计工具, 对装配图进行编辑修改。

数据库管理系统对夹具元件库、装配图库和零件图库等进行统一的管理与维护。

2 信息描述进行计算机辅助夹具设计, 首先遇到的问题是如何描述零件和加工工序, 并建立完整的信息模型, 为夹具设计的各种决策提供必要和充分的信息。

由于特征在表达零件的形状、结构以及制造特性上有着极大的优越性, 并考虑到夹具设计系统以后与CAD、CAPP 的集成, SFDS 采用了基于特征的信息建模技术。

2. 1 特征的分类与表达如何划分特征和表达特征与特征间的关系是特征建模技术中的重要问题。

通过对大量回转体零件的结构及工艺分析, 将零件特征划分为主特征、附着特征和组合特征三大类。

主特征用于构造回转体零件的总体形状结构, 如圆柱、圆锥等; 附着特征用于对主特征或其它附着特征的局部修改, 并依附于这些特征上, 如倒角、键槽等; 对于一些不宜或难以由特征拼合生成的几何形状则归类为组合特征。

在特征分类的基础上, 如何表达特征是非常重要的。

因为特征表达得是否恰当会直接关系到零件信息能否完整地描述以及描述是否方便。

SFDS 采用下述方法表达特征:( 1) 应用特征码描述特征。

特征码由特征分类码、属性码和序号构成, 共6个字符长。

特征码在零件模型信息中是唯一的; 属性码是对特征的一些重要属性的描述, 它丰富了特征码的语义信息。

( 2) 采用参数描述特征属性。

CAFD 不仅涉及特征的几何形状, 而且也要详细考虑特征的属性, 如尺寸、方向, 是否有附着特征等。

( 3) 采用层次结构描述特征间的关系。

主特征间是具有先后顺序的并列关系, 而主特征与附着特征间则属于父子关系。

要完整地表达零件, 除描述特征间的依赖关系外, 还必须描述特征间的位置关系, 如位置尺寸、形位公差等。

同时, 为了表达工序尺寸、定位面、夹紧面等工序信息, 需要将特征分离为更小的组成部分- 几何实体。

几何实体可以是几何表面、中心线等。

通过对几何实体的描述, 就可以方便地表达特征间的位置关系和工序信息。

通过上述分析, 建立了图2所示的信息模型。

2. 2 信息输入系统采用AutoCAD 的对话框语言DCL 开发了友好的信息输入界面, 用户可以方便地输入零件信息和工序信息。

第3期田锡天等:机床夹具智能化设计系统* ·553·图23 夹具方案设计决策系统SFDS 采用人工智能技术, 建立夹具方案设计专家系统。

知识表示, 推理机制和系统结构是该专家系统研究的三个核心问题。

3. 1 知识表示夹具设计涉及多学科的知识和经验, 包括许多方面的内容, 如定位方案确定、夹紧元件选择、精度分析、刚度校核、夹具结构设计等。

在设计中如何表示好这些知识及经验是有效地运用它们的前提, 而且也必将影响到推理机的设计和推理效率。

SFDS 采用了基于规则元的产生式规则表示方法( 详见文献[ 4] ) 。

3. 2 夹具方案决策夹具方案设计通常是分阶段进行的, 并且反复进行迭代, 直到在限定条件下达到最优设计为止。

SFDS 将设计过程分为四个主要决策阶段: 定位方案设计; 夹紧方案设计; 辅助元件选择; 夹具空间布置设计; 如图3所示。

图3决策过程用元规则进行形式化表示, 形成系统控制元规则组并存放于知识库中, 从而实现了工艺决策元级控制, 为建立与知识库相对独立性高的推理机创造了良好条件。

3. 3 推理机专家之所以能高效率求解复杂问题, 在于他们具有大量的专门知识以及选择和运用这些知识的能力。

夹具方案设计的推理决策过程就是依据零件信息和工序信息, 选择和运用知识库中的知识, 设计出合理的夹具方案。

推理过程的计算机实现就构成了推理机。

3. 3. 1 推理机制SFDS 采用基于规则的正向推理, 即根据当前事实, 通过匹配规则条件推断出新的事实, 这个过程不断进行, 直到推断出结论。

在推理过程中, 如果出现多条规则与当前事实相匹配时, 就要决定首先启用哪一条规则, 即冲突消解。

而确定规则启用顺序的方法称为冲突消解策略。

SFDS 采用了下述两种冲突消解策略:( 1) 上下文限制知识库中的规则按其所对应的问题求解状态分组组织。

在问题求解的某一状态, 只能在与之相对应的规则组中选择可用规则。

( 2) 规则权重预先给每条规则赋予权重。

当有多条规则匹配时, 选择权重最大的规则为激活规则。

3. 3. 2 推理机结构夹具方案设计专家系统由知识库、推理机和黑板三部分组成, 如图4所示。

虚线框内为推理机。

黑板是存储系统控制信息, 零件信息, 工序信息和决策过程信息等的全局数据区。

推理机·554·机械科学与技术第16卷图4通过黑板读写接口, 在黑板上读取或写入数据。

知识调度器进行知识的调度, 由知识库中的元规则控制。

规则匹配器进行规则的匹配, 即检查规则的IF 部分对当前黑板状态是否成立。

当推理控制决定启用某条规则后, 激活规则触发器, 执行规则的THEN 部分或ELSE 部分, 从而实现对当前黑板状态的改变。

4 夹具装配图设计夹具装配图设计的目标就是根据夹具方案设计专家系统所确定的定位件、夹紧件、辅助元件和夹具结构布置结果以及零件信息自动生成夹具装配图。

为此首先需要建立标准件, 通用件库和特征库等。

4. 1 图形库建立SFDS 对夹具标准件、通用件均建立了二维参数化图形库。

图形库由两部分组成: 元件参数库和图形函数库。

4. 1. 1 元件参数库元件参数库采用FOXPRO 建立。

每一个夹具元件参数库均由两个库表组成。

( 1) 元件特性表存储夹具元件的特性, 如螺栓的库表结构如下:元件代码螺纹螺杆长螺纹长扳手宽头径头高硬度材料表面处理( 2) 元件图形特性表每个元件特性表都有一个对应的图形特性表, 进一步说明元件的几何尺寸细节。

图形特性表均按下述结构描述:零件代码函数名控制参数1～n 其它参数1～m4. 1. 2 图形函数库SFDS 采用Watcom C 和AutoCAD 的ADS 建立了夹具元件的二维参数化图库。

根据元件代码检索元件图形特性表, 即可绘出元件图形。

但是二维图形在消隐、读图、夹具干涉检验等方面都存在困难, 因此进一步的研究目标是采用AutoCAD 的AME 软件建立夹具元件的三维参数化图库, 从而组装夹具, 并由此生成夹具的各向视图。

通用部件是前人设计经验的总结, 因此为了提高系统的实用化程度, 将逐步建立通用部件图形库。

4. 2 装配图设计过程在夹具方案设计中已经选择了定位件、夹紧件、辅助元件等, 并确定了夹具结构, 夹具元件位置, 然后根据这些信息即可自动生成装配图。

而为了实现这一点, 首先需要建立夹具坐标系、工件坐标系, 并确定其关系。

然后再确定夹具元件在工件坐标系中的位置。

最后再将夹具元件信息从工件坐标系转化到夹具坐标系中。

通过上述过程后, 再调用图形函数, 就可自动绘出夹具装配图。

自动生成的装配图是不完善的, 只能是一种初图, 在细节方面需进一步设计。

为此, 系统还提供了方便实用的交互设计工具。

第3期田锡天等:机床夹具智能化设计系统* ·555·5 结束语SFDS 是一个用于加工回转体零件的专用夹具设计原型系统, 能够自动产生夹具设计方案和绘制装配图。

这表明, 开发夹具方案设计专家系统是实现夹具方案设计自动化的一种有效方法。

但在夹具结构布置的智能化设计方面尚需进一步研究。

二维图形库在夹具装配图设计中局限性很大, 因此如何建立夹具元件三维参数化图库和生成三维实体夹具也是一个重要的研究方向。

参考文献1 Am y J. C. Tr appey , Shankaran Matr ubhutam . Fixt ur e Co nfigur atio n Using Pro jectiv e Geomet ry . Jour nal ofManufact ur ing Systems, 1993, 12( 6) : 486～4952 Lucy Siu-Bik King . Theo retical Appro ach fo r Gener ating Optimal Fix turing Lo catio ns for Prisma tic Wor kparts in Aut omated Assembly. Jo urnal of Ma nufacturing System s, 1993, 12( 5) : 409～4163 Hir oshi Sakur ai. Automa tic Setup Planning and Fixt ur e Design for Machining . Jo urnal o f Ma nufacturingSy st ems, 1992, 11( 1) : 30～374 田锡天等. CIMS 环境下飞机结构件CAPP 系统的关键技术. 第三届中国计算机集成制造系统学术会议论文集, 1994. 8.An Intellectualized Fixture Design System for MachiningT ian Xit ian( No rt hw ester n Polyt echnical Univ er sity , Xi′an 710072)Abstract Dev elo pt ing the ex per t sy stem o f fixt ur e scheme desig n is an effect ive w ay for implementing theautomatio n of fix tur e desig n. In t his paper, ar chitecture of computer aided fixt ur e desig n system , r otatingpar t information representation based o n featur e, the ex per t sy stem of fix ture scheme design and assemblydraw ing design of fixt ur e a re discussed in det ail. and t he pro tot ype system for special fix tur e design( SFDS ) is developed.Keywords Fix ture Computer aided desig n Ex pert sy stem Fea tur e ·556·机械科学与技术第16卷。