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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(文獻(xiàn)翻譯) 第 8 頁
基于事例推理的夾具設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用
摘要:根據(jù)基于事例的設(shè)計(jì)方法，提出采用工序件的特征信息和夾具的結(jié)構(gòu)特征信息來描述夾具的相似性,并建立了包括這2方面主要特征信息為基礎(chǔ)的事例索引碼,設(shè)計(jì)了事例庫的結(jié)構(gòu)形式，創(chuàng)建了層次化的事例組織方式：同時(shí)，提出了基于知識(shí)引導(dǎo)的夾具事例檢索算法，以及事例的修改和采用同族事例碼進(jìn)行相似事例的存貯，形成了基于事例推理的夾具設(shè)計(jì)。所開發(fā)的原型系統(tǒng)在型號(hào)工程夾具設(shè)計(jì)等項(xiàng)目的設(shè)計(jì)過程中得到了應(yīng)用，并取得了令人滿意的使用效果。
關(guān)鍵詞: 基于事例的推理 夾具設(shè)計(jì) CAD
夾具是以確定工件安全定位準(zhǔn)確為目的的裝置，并在加工過程中保持工件與刀具或機(jī)床的位置一致不變。因?yàn)閵A具的結(jié)構(gòu)依賴于產(chǎn)品的特點(diǎn)和在企業(yè)規(guī)劃中加工工序的地位，所以它的設(shè)計(jì)是制造過程中的瓶頸，制約著效率的提高。夾具設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要有從大量的設(shè)計(jì)論文中了解質(zhì)量知識(shí)的經(jīng)驗(yàn)，這些設(shè)計(jì)論文包括工件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、涉及加工工藝，和加工環(huán)境。當(dāng)用這些擅長繪制詳細(xì)設(shè)計(jì)圖的傳統(tǒng)的CAD工具（如Unigraphics、CATIA、Pro/E)時(shí),這仍然是一項(xiàng)非常耗時(shí)的工作，但是利用以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和資源也不能提供一些益處,而這正是提高效率的關(guān)鍵因素. 基于事例推理 (CBR) 的方法適應(yīng)以往個(gè)案解決的辦法,建立一個(gè)新問題的方法,主要有以下四步驟:檢索、利用、修改，并保留.這是一個(gè)比用專業(yè)系統(tǒng)模仿人類思維有用的使用方法，因?yàn)樘岢鲆粋€(gè)類似的情況，和采用一些修改，似乎不言自明,而且比人類更直觀.所以支持不同事例的設(shè)計(jì)工具已經(jīng)在諸多領(lǐng)域中發(fā)展起來，如在注射成型及設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)投死， 規(guī)劃過程中，還有夾具設(shè)計(jì)。孫用六個(gè)數(shù)字組成代碼參數(shù)，包括工件的形狀、機(jī)械部分、軸襯，第一定位裝置,第二定位裝置和夾緊裝置. 但這個(gè)系統(tǒng)不能用于除鉆床夾具外的其他夾具類型,不能解決儲(chǔ)存需要保留的同一參數(shù)代碼的問題,這在CBR中是非常重要的。
1、事例參數(shù)和事例圖書館的建立
1.1事例參數(shù)
事例參數(shù)應(yīng)該由工件的所有的特征組成，來區(qū)別不同的夾具。使用他們能夠使操作方便。 因?yàn)榱慵男螤钍嵌喾N多樣的，在生產(chǎn)企業(yè)中制造的技術(shù)要求也不斷發(fā)展，許多特征作被用做事例參數(shù)將會(huì)使搜索速度降低,其主要特征是不重要的,因?yàn)榉峙浣o每個(gè)特征的比重必須減少. 另一方面,事例參數(shù)包含所有的特征是困難的。
因此,考慮到實(shí)際和快速設(shè)計(jì)的需求,事例參數(shù)要包含工件的主要特征和夾具的結(jié)構(gòu)。事例參數(shù)代碼由16位數(shù)組成：13位數(shù)是事例特征 3位數(shù)是事例識(shí)別數(shù)字。
前13位數(shù)代表13個(gè)特征。 每個(gè)數(shù)字與特征的一個(gè)屬性相一致,這可能是"*"、"？"、"1"、"2"，…，"A"、"B",…，"Z"，…，等其中的一個(gè)。其中，"*"是指任何一個(gè),"?"代表不確定,"0"代表沒有。
系統(tǒng)規(guī)定:夾具的類型，工件的形狀，位置模式不能是"*"和"?"。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí),三個(gè)項(xiàng)目的屬性信息沒有這些選擇,這就意味著必須選擇確定的屬性。
最后三位數(shù)是事例識(shí)別號(hào)碼,如果事例特征的13位數(shù)是一樣的,這三個(gè)數(shù)字就用來區(qū)別他們。
該系統(tǒng)還規(guī)定:"000"是用于修正的一個(gè)典型事例,其他事例"001"、"002"、…,這些是用于設(shè)計(jì)師查找參考事例的。如果其中一個(gè)偶爾需要改變成典型事例，首先它必須要求改成"000",前面的自動(dòng)變成參考事例。
事例索引碼的結(jié)構(gòu)如圖1所示。
1—夾具類型； 6—工件重量； 11—夾緊模型；
2—工件形狀； 7—工件剛度； 12—夾具體；
3—工件材料； 8—加工內(nèi)容； 13—其他；
4—批 量； 9—過程所有物； 14到16—事例識(shí)別碼；
5—工件比例； 10—定位模型；
圖1 事例索引碼的結(jié)構(gòu)
1.2事例庫
事例庫由許多預(yù)定義的事例組成。事例的描述是基于事例推理的最重要的問題之一。所以由索引碼復(fù)合。
1.3 事例的層次化
夾具的結(jié)構(gòu)相似被認(rèn)為是整個(gè)夾具，成分和內(nèi)容相似。所以，整個(gè)夾具事例庫，成分事例庫，夾具的成分事例庫形成相同。整個(gè)夾具的設(shè)計(jì)資料通常是由工件資料和工件加工資料組成，這就意味著夾具的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足特別功能的需求。全部夾具事例是由功能成分組成，它是用功能成分的名字和數(shù)字來進(jìn)行描述的。成分事例代表成員（成分功能和其他結(jié)構(gòu)成分，主要驅(qū)動(dòng)參數(shù)，數(shù)字，和它們的約束關(guān)系）。成分事例（夾具的最低層）是功能成分和和其他成分的結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代夾具設(shè)計(jì)中有很多參數(shù)化準(zhǔn)件和普通非標(biāo)準(zhǔn)件。所以成分事例圖書館應(yīng)記錄特殊參數(shù)和保持它們的方法。
2、事例修改的策略
在基于事例的夾具設(shè)計(jì)中，最重要的是相似點(diǎn)的修改，這樣能有助于獲得最相似的事例，以及縮短適應(yīng)時(shí)間。根據(jù)夾具設(shè)計(jì)的需求，事例修改的策略使最接近的事例方法和知識(shí)指導(dǎo)結(jié)合起來。首先在深度上查找，然后在寬度上；知識(shí)指導(dǎo)策略意味著在來自客觀事物根源的知識(shí)規(guī)則上查找，這就要首先查找固定類型，然后查找工件的形狀，第三查找定位方法。例如，如果事例索引碼包括夾具類型的磨削夾具，就只查找所有的磨削夾具，然后查找工件形狀的盒子，第三查找一個(gè)平面兩個(gè)銷的定位方法。如果沒有合適的，就查找深度標(biāo)點(diǎn)，然后回到最上層，然后再找所有與寬度相關(guān)的事例。
修改方法：
1） 根據(jù)夾具事例庫的事例索引信息，查找有關(guān)事例庫。
2） 將事例索引碼與事例庫的每個(gè)事例碼匹配，然后計(jì)算相似尺寸的價(jià)值。
3） 整理相似尺寸的次序，最大的架子是最類似的事例。
兩個(gè)事例之間的相似點(diǎn)是基于兩個(gè)事例特征之間的相似點(diǎn)。相似點(diǎn)尺寸的計(jì)算依靠特征的類型。相似點(diǎn)的價(jià)值可以通過數(shù)字化的價(jià)值來計(jì)算，例如比較重量分別是50kg和20kg的工件。非數(shù)字化的價(jià)值也能計(jì)算，例如，現(xiàn)在前13位索引碼都是非數(shù)字化的價(jià)值。一個(gè)夾具的相似尺寸的計(jì)算公式如下：
其中S表示通用夾具的相似尺寸，n表示索引特性數(shù)，表示每個(gè)特性的重量，表示事例庫中特性和相關(guān)夾具的特性的相似尺寸。同時(shí)， ，數(shù)值計(jì)算如下：
其中表示第i個(gè)特征的索引特性值，表示事例庫中第j個(gè)事例的第i個(gè)特征的特性值。
所以有兩種方法選擇相似夾具。一個(gè)方法是建立數(shù)值。如果通用事例的相似尺寸值比給定的數(shù)值小，這些事例就不能選來作相似事例。事例庫最初建立的時(shí)候，只有一些事例，數(shù)值可以建小一點(diǎn)。如果有大量的相似事例，數(shù)值就應(yīng)該建的大一些。另外一個(gè)方法是只建立相似事例的數(shù)字（例如10），這是類型單里相似尺寸的最大值。
3、 事例的修改和存儲(chǔ)
3.1事例的修改
夾具設(shè)計(jì)中相似事例的修改包括以下三個(gè)階段：
1） 成分的替代
2） 保持形式不變，調(diào)整成分的特性
3） 模型重新設(shè)計(jì)
如果夾具的成分是普通的物品，它們能通過使用工具被修改，代替以及刪除，這些已經(jīng)被設(shè)計(jì)好了。
3.2事例的存儲(chǔ)
在將一個(gè)新的事例保存到事例庫之前，設(shè)計(jì)者必須考慮保存是否有價(jià)值。如果這個(gè)事例不能增加系統(tǒng)的知識(shí)，就沒有必要把它保存到事例庫里。如果它有價(jià)值的話，設(shè)計(jì)者在保存之前必須分析一下，看看這個(gè)事例是否作為標(biāo)準(zhǔn)事例或參考事例被存儲(chǔ)了。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)事例是一個(gè)描述同族事例主要特征的標(biāo)準(zhǔn)。一個(gè)同族事例是有事例庫中索引碼前13位相同而最后三位不同的那些事例組成的。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)事例的最后三位通常是“000”。一個(gè)參考事例屬于同族標(biāo)準(zhǔn)事例，最后三位用不同數(shù)字區(qū)分。
從被解釋的概念中，可采用以下方法：
1）如果一個(gè)新的事例和任何一個(gè)存在的事例族一致，和一個(gè)存在的標(biāo)準(zhǔn)事例的前13位數(shù)相同，那么這個(gè)事例就不能存儲(chǔ)因?yàn)橐呀?jīng)這種標(biāo)準(zhǔn)事例了?；蛘咧荒茏鳛橐粋€(gè)參考事例保存（最后三位不是“000”，而且和其它的不一樣）在事例庫中。
2）如果一個(gè)新的事例和任何一個(gè)存在的事例族一致，并且被認(rèn)為代替這個(gè)事例族要比以前的標(biāo)準(zhǔn)事例好，那么這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)事例就被這個(gè)新的事例代替，以前的標(biāo)準(zhǔn)事例作為一個(gè)參考事例保存。
3）如果一個(gè)新的事例和任何一個(gè)存在的事例族不一致，一個(gè)新的事例族將會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生，并作為標(biāo)準(zhǔn)事例保存到事例庫中。
4夾具設(shè)計(jì)中基于事例推理的過程
根據(jù)夾具設(shè)計(jì)的特性，夾具設(shè)計(jì)的基本信息，例如夾具的名字，零件，生產(chǎn)和設(shè)計(jì)者等等，必須先輸入。然后，輸入或設(shè)計(jì)工件的模型。輸入有關(guān)工件的細(xì)節(jié)信息，建立事例索引碼，然后CBR開始依靠相似尺寸查找相似事例，選出最相似的事例。如果需要的話，事例要滿足通用性設(shè)計(jì)，再存儲(chǔ)到事例庫中。程序流程圖如圖2所示
圖2 基于事例推理的夾具設(shè)計(jì)流程圖
5基于事例推理的夾具設(shè)計(jì)說明
這是一個(gè)工件如圖3所示。材料是45鋼，底座，形狀為塊狀，生產(chǎn)批量為中批等。需要設(shè)計(jì)成一個(gè)用來旋轉(zhuǎn)孔的旋轉(zhuǎn)夾具。
圖3 需要設(shè)計(jì)夾具的一個(gè)工件
（最大尺寸80mmx49mmx22mm）
工件的特征值，屬性值，事例索引碼和重量在表1中列出。
表1 工件的事例索引碼和重量
特征名稱 特性值 索引碼 重量
夾具類型 車床夾具 1 100
工件形狀 塊狀 9 90
工件材料 中碳鋼 3 70
批量 中批 2 60
工件比例 小 5 60
工件重量 輕 5 60
工件剛度 硬度強(qiáng) 1 60
加工內(nèi)容 孔 3 80
程序要求 完成加工 3 70
定位方法 三個(gè)平面 1 100
夾緊方法 不確定 ？ 90
夾具體 復(fù)合 4 80
其他 沒有 0 60
通過查找和計(jì)算相似點(diǎn)，最相似的事例的事例索引碼是19325513321402000，細(xì)節(jié)信息在表2中列出。
表2 最相似事例的事例索引碼
特征名稱 特性值 索引碼
夾具類型 車床夾具 1
工件形狀 塊狀 9
工件材料 中碳鋼 3
批量 中批 2
工件比例 小 5
工件重量 輕 5
工件剛度 硬度強(qiáng) 1
加工內(nèi)容 孔 3
程序要求 完成加工 3
定位方法 三個(gè)平面 1
夾緊方法 不確定 ？
夾具體 復(fù)合 4
其他 沒有 0
相似點(diǎn)的計(jì)算如下：
所以夾具的相似尺寸值是0.806，這是在事例庫中用于設(shè)計(jì)的最相似的事例，最相似的事例的結(jié)構(gòu)如圖4所示
圖4 最相似的夾具
當(dāng)成分替代，修改定位模型和夾緊模型，以及調(diào)節(jié)相關(guān)尺寸之后，新的夾具被設(shè)計(jì)出來，圖形如圖6所示
圖5 需要設(shè)計(jì)的新夾具
因?yàn)樵谑吕龓熘袥]有相似夾具，新夾具被儲(chǔ)存到事例庫中。事例索引碼是19325523311402000。
6 結(jié)論
基于事例推理，作為一個(gè)問題解決的方法，是一個(gè)比模仿人類思想的專業(yè)系統(tǒng)更有效的方法，已經(jīng)在很多難獲取知識(shí)的領(lǐng)域里得到發(fā)展?；谑吕评淼膬?yōu)點(diǎn)如下：它和人類的思想很相似；一個(gè)事例庫通過保存新事例獲得自學(xué)能力，它比有慣例庫更快更容易，它可以更好的傳遞和解釋新的知識(shí)，這和慣例庫有很大的不同?；谑吕评碇刑岢龅囊粋€(gè)夾具設(shè)計(jì)的框架已經(jīng)被實(shí)行了，使用的是支持基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的VC++，UG 電腦繪圖軟件。這個(gè)框架也已經(jīng)和普通成分庫和典型夾具庫結(jié)合起來。這個(gè)發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，用于航空項(xiàng)目，幫助夾具設(shè)計(jì)者提高設(shè)計(jì)效率和重新使用先前的設(shè)計(jì)資源。