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摘要:為了滿足企業實現夾具快速設計的要求,從CAFD系統的設計思想和使能技術入手,建立了CAFD系統的體系結構,提出基于實例推理的CAFD的功能要求和系統流程,結合數據庫的建立給出了具體的應用實例。

關鍵詞:CAFD;基于實例推理;數據庫

近年來,國內外開發了很多CAFD系統,但是都是基于二維繪圖平臺,論文與夾具設計過程不一致,制圖、分析和數控編程各自獨立,二維設計難以實現圖紙參數驅動,無法實現圖紙的關聯性。同時,現有CAFD系統沒有重視夾具設計的重構性,忽視對已有設計成果的重用;忽視標準化設計,導致設計中出現重復性和不必要的多樣性;不能滿足系統集成的需求,忽視與產品CAD系統和CAPP系統的集成,這些缺點是不斷研究開發CAFD系統的背景。

針對現有CAFD系統不足和企業的實際需求,進行了如下的研究:計算機輔助夾具設計的理論和方法的研究;基于實例推理技術的應用;參數化設計技術、產品數據管理等使能技術及它們在CAFD系統中的應用;CAFD系統數據庫的建立;最后介紹了基于實例推理的CAFD系統。

1CAFD系統設計思想、使能技術及體系結構

1.1設計思想及使能技術

1.1.1并行協同設計

在并行工程各個環節中CAFD作為重要的一環,一方面在產品設計早期,對產品的概念設計模型進行可裝夾性評價,進而對其可制造性進行評價,從而在產品設計早期能夠及時發現問題,避免返工。另一方面,當形成最終產品模型之后,CAFD根據產品的CAD幾何信息、CAPP加工工藝信息進行夾具的方案設計、結構設計、夾具元件的選取、夾具的快速三維建模、夾具出圖、生成帶有工件的夾具仿真文件,以供制造過程仿真使用,并在此階段對CAPP加工工藝中有關定位、夾緊面及切削用量的選取進行評價并產生反饋,以保證工藝設計的合理性。

所以CAFD是并行工程中實現工藝早期介入、實現各個設計環節真正并行工作、縮短開發時間的重要工具手段之一。

1.1.2模塊化設計

模塊化設計思想的核心內容是將系統按照功能分解為若干相對獨立的模塊,碩士論文通過模塊間的相互結合,可以得到不同品種、不同規格的產品。從機床夾具的組成來看,在進行夾具設計時,可以先分別設計夾具的各個組成部分,如確定工件的定位引導方式并選擇定位引導元件,確定工件的夾緊方式、設計夾緊機構等。在此基礎上,協調工件與夾具各裝置、組件的布局,從而確定夾具的總體結構。在協調過程中,所選擇的夾具組件的調整幅度小的,甚至調整與否不影響其它部件的裝配關系,可以將其設計為標準模塊;調整幅度大而且影響其它元件裝配的,應該設計成專用模塊,需要用戶在設計過程中創建。

1.1.3參數化技術

夾具設計過程中,大量的夾具元件已經標準化、系列化,每一系列的元件結構上是一樣的,只是尺寸上的不同。參數化技術的充分利用,避免了圖形庫中存儲大量結構相同、尺寸不同的圖形。在夾具設計的初始階段只需要根據設計要求確定所需夾具標準元件的結構,有效地實現夾具結構設計。當夾具進入詳細設計階段,再利用參數化技術進行尺寸驅動,完成夾具的詳細設計,得到夾具的零件圖和裝配圖。參數化技術與模塊化技術結合形成的廣義模塊化技術的應用,大大節省了硬盤的空間,提高了設計效率,是實現CAFD的關鍵技術之一。

1.1.4產品數據管理技術

產品數據管理(PDM)是以軟件技術為基礎,以產品為核心,實現對產品相關的數據、過程、資源一體化集成管理的技術[1]。在夾具設計的過程中,可以利用PDM有效地將夾具設計各個階段的相關數據,按照一定的數據模式加以定義、組織和管理,使夾具數據在整個生命周期內保持一致、最新、共享及安全。如果進一步地將夾具后續制造問題也加以考慮的話,那么夾具的工藝流程設計、加工制造、銷售維護直到產品消亡的整個生命周期內及各個階段的相關數據,均可以用PDM的管理思想加以組織。這樣必然將很好地面向企業的生產組織,使企業提高產品質量,縮短研制周期,提高工作效率,加快產品投放市場的速度,從而提高產品的競爭力。

1.1.5數據庫技術及網絡技術

數據庫技術在數據管理、維護、查詢和匯總等方面更是具有無可比擬的優越性,所以,能夠很好地為夾具設計提供技術上的支持。

數據庫對夾具設計的支持體現在兩個方面:一是存儲夾具設計所用到的各種信息,二是保存夾具設計過程中產生的各種數據。醫學論文夾具設計所用到的數據主要包括兩大類:一類是標準和通用夾具元件的結構尺寸數據;另一類是設計中用到的各種表格數據、公式及圖形數據等。這些數據之間都是具有一定關系的,所以很適合用關系型數據庫來進行表達。

由于夾具設計信息系統中大量的CAD、CAPP數據和信息都存儲在數據庫中,因此將Web與數據庫系統結合起來,相互取長補短,可以形成集數據管理、分布式網絡功能和支持超文本、超媒體于一體的,具有實時性和交互性的分布式信息系統。

1.2體系結構

夾具及夾具設計的特點主要體現在以下幾個方面:批量小,多是單件生產;夾具重用性強,相似性強;經常要選用標準件或常用件;數據庫和圖形庫處于動態擴充。這些特點決定了CAFD系統且有多種設計方法相結合,應用多種使能技術的特點。

CAFD系統體系結構如圖1所示。CAFD系統在計算機網絡環境下運行(主要是企業內部網絡Intranet),數據庫技術的支持是CAFD系統的運行前提;并行協同設計、模塊化設計是CAFD的重要設計思想,參數化技術及產品數據管理技術是CAFD系統實施的關鍵技術;基于實例推理和人機交互是CAFD系統完成夾具輔助設計技術途徑。夾具設計的復雜性和重構性決定了單一設計方法不能很好地滿足實際生產中對夾具快速設計的要求,因此CAFD系統多是應用兩種設計方法的結合(如基于實例推理和人機交互兩種設計方法相結合,文中將詳細分析基于實例推理技術在CAFD系統中的應用),相輔相成,達到快速、高效、高質的夾具設計。

2基于實例推理技術的應用

2.1功能要求

實現基于實例推理的計算機輔助夾具設計,系統應該能實現以下具體功能:

(1)問題的描述。在輸入已知的設計信息之后,應該提取

重要的特征對待解決的問題進行描述和表示,轉換成能夠實現與實例庫匹配的方式表達出來,形成問題實例。

(2)實例的表示和實例庫的建立。實例是對已有夾具進行特征提取而形成的,它可以是典型的夾具,也可以是對同種夾具特征抽象而成的,實例與實際的已有夾具是一對多的關系。工作總結因此,實例的表示是抽取夾具設計過程中重要的特征作為實例的表示因素。實例庫就是這些典型實例組成的集合。當已有夾具數量小,典型實例庫可以只是一個庫;當夾具種類多和規模大時,可以將實例庫按照不同的種類分解成多個實例庫,如按照機床種類分成:車床夾具庫、銑床夾具庫等。

(3)實例的檢索。實例檢索就是將問題實例與實例庫中的實例進行相似度匹配,查找出最相似的實例,調出該相似實例的解決方案。

(4)實例選擇。調出該實例的所有解決方案,根據詳細的設計知識和設計者的經驗進行相似度系數確定和判斷,確定最符合要求的解決方案的夾具。

(5)實例修改。對調出的夾具進行修改,修改可以是方案的修改,也可以是尺寸和結構的修改,最后得到滿意的夾具。

(6)實例庫和夾具庫的更新。得到滿意的夾具之后,提取該夾具的重要特征,更新實例庫和夾具庫。

2.2系統流程

進入基于實例推理的CAFD系統后,首先進行問題描述,在此基礎上初步進行功能方案確定,根據以上信息和結論,進入實例庫進行匹配,即查找所屬實例類型。找到,則調出屬于該實例類型的夾具,分析要設計夾具與已有夾具的區別,找出最符合要求的夾具;如果不能找到,則放棄設計過程中某一因素后,進行匹配,調出最接近的一種夾具,同時給出所放棄因素的設計要求和內容,單獨進行該功能因素的設計。在這些工作的基礎上,設計要求越來越清晰,同時給出已有夾具和待設計夾具的區別,進行修改和調整,直到獲得滿足要求的夾具。最后輸出夾具設計結果,并對實例庫和夾具庫等進行適當的更新和補充。其CAFD系統流程圖(見圖2)。

3數據庫建立

系統中除了一般CAFD系統需要的夾具元件庫和中間信息庫之外,還應該具備支持實例推理的典型實例庫和功能方案庫等。根據存儲內容共分成以下幾種數據庫:夾具及元件庫、參數數據庫、知識庫、中間信息庫。

3.1夾具及元件庫

夾具及元件庫是計算機輔助夾具設計系統的基礎,無論采用哪種設計方法都是需要系統建立完善的夾具及元件庫。夾具及元件庫中共3個信息表:夾具信息表、組件信息表、元件信息表,每個信息表的字段如表1所示,其中夾具圖、組件圖和元件圖可以是將三維圖寫進SQLServer數據庫中,也可以是圖紙的存儲路徑,根據系統的實際使用情況決定。

表1夾具及元件庫

表名字段值

夾具信息表夾具編號、夾具名稱、夾具類型、所屬典型實例編號、工件編號、工序號、總體尺寸、設計者、設計日期、夾具圖(圖或存儲路徑)

組件信息表組件編號、組件名稱、組件類型、所屬夾具編號、設計者、設計日期、含元件編號、組件圖(圖或存儲路徑)

元件信息表元件編號、元件名稱、元件類型、所屬組件編號(可為空)、所屬夾具編號、元件圖(圖或存儲路徑)

3.2參數數據庫

由于參數化技術的實現,使得在系統的數據庫中只需要存儲的結構和尺寸表,當需要不同大小的元件時,只需要調用相應的尺寸,對該元件的結構圖進行參數化驅動,即可得到滿足要求的元件,同樣適用于組件和夾具裝配圖。因此,建立參數數據庫是有效實現參數化驅動的依據,避免了數據庫中存儲大量結構相同、尺寸不同的三維圖。參數數據庫中有元件、組件和夾具三個信息表,具體字段值如表2所示:

表2參數數據庫

表名字段值

元件尺寸表ID、元件編號、元件名稱、尺寸1、尺寸2、⋯⋯、尺寸n

組件尺寸及關系表ID、組件編號、組件名稱、總體尺寸(1,⋯⋯,n)、配合尺寸(1,⋯⋯,n)、其它

夾具尺寸及關系表ID、夾具編號、夾具名稱、總體尺寸(1,⋯⋯,n)、配合尺寸(1,⋯⋯,n)、其它

3.3知識庫

夾具CAD設計系統離不開知識庫的支持,采用不同的設計方法,知識庫的結構和內容有所不同。基于實例推理的設計要求建立典型實例信息表,從夾具信息中抽取重要的信息作為該表的字段構成典型實例信息表。

表3知識庫

表名字段值

典型實例信息表實例編號、定位方案、夾緊方案、對刀、導向、夾具體、各要素間關系

定位方案類型表定位方案編碼、平面定位、外圓柱表面定位、內孔定位、其它面、各要素之間關系

對刀方案類型表對刀方案編碼、對刀塊、塞尺

導向方案類型表導向方案編碼、鉆套、鉆模板、鏜套、鏜模支架

夾緊方案類型表夾緊方案編碼、斜楔夾緊機構、螺旋夾緊機構、偏心夾緊機構、鉸鏈夾緊機構、定心夾緊機構、聯動夾緊機構、氣動夾緊裝置、液壓夾緊裝置

夾具體類型表夾具體方案編碼、車床、銑床、铇床、磨床、鉆床

3.4中間信息庫

在夾具的設計過程中,需要將中間的設計信息存儲,在后續的設計過程中調用。同時,因為某種原因而不能直接完成某一夾具的設計也是不可避免的,因此建立中間信息庫,存儲這些信息,如表4所示。

表4中間信息庫

表名字段值

在設計夾具信息表夾具編號、夾具名稱、夾具類型、所屬典型實例編號、工件編號、工序號、總體尺寸、設計者、開始設計日期、結束設計日期、

未完成夾具設計信息表定位設計狀態、對刀設計狀態、導向設計狀態、夾緊狀態、夾具體

4應用實例及結論

在并行工程等設計思想的指導下,對參數化技術、產品數據管理等技術及它們在計算機輔助夾具設計系統中的應用進行研究的基礎上,開發了基于實例推理設計的CAFD系統。該系統具有以下幾個主要特點:基于三維設計平臺;與工件的CAD系統、CAPP系統集成;系統基于C/S模式;實現了計算機輔助夾具管理。圖3、4分別是該CAFD系統中實例推理界

面和實例修改界面。

提高CAFD系統的實用性是當前CAFD研究者們最為關注的問題。留學生論文集成化、標準化、并行化和智能化是CAFD系統發展的方向,同時各方向相互交叉、互相促進是CAFD系統發展的必然方向。

參考文獻

[1]龐士宗.產品數據管理[M].北京:機械工業出版社,2000:23.