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基于案例的敏捷夹具设计
李伟，李培根 , Rong Y①
（机械科学与工程学院 武汉华中科技大学 中国 邮编为430074）
(①机械工程系 伍斯特理工学院 美国）
摘要
为了实现敏捷的夹具设计能力，从一种全新的角度来看，例如可重新配置性、可缩放性和可重用性等灵活性，夹具结构功能单位为基础的分解。这使得敏捷夹具很容易被重新配置和修改。因而，这个以基于案例敏捷夹具设计为基础的信息系统被建立。提出了整个基于实例的敏捷夹具设计模型。其中，相对于其他模型增加了三个单元，包括实例匹配的夹具规划模块、冲突仲裁模块和敏捷夹具实例修改模块。在设计的过程中，这三个单元可以解决以往的经验和结果都难以被重新使用的难题。在这个敏捷夹具设计过程中，有两项关键技术被列出:评价实例的相似性以及基于限制的冲突仲裁。并且提出了一些评估相似度和消除冲突的方法。
关键词:敏捷夹具设计，基于实例推理，夹具建模
0 引言
敏捷夹具是一种新的构想，这使得它应该比传统的组合夹具和柔性夹具有一定的优点。例如具有结构可重构性、启动时间短、可移动和设计结果可靠等特点。
有少数学者研究了基于案例的夹具设计与装配方法，首先根据工作点的类型对夹具案例进行分类。在这个过程中的夹具设计，类似夹具规划，通过对夹具设计要求的分析和制造资源的基础上，采用基于实例的方法和分析找出了相似的夹具方案。然后对类似的夹具规划进行修改，得到一个新的夹具规划。最后，针对新的夹具方案进行了夹具设计。因此，有些经验被重复使用。但从夹具规划到夹具构型设计的这段时间内所积累的经验并没有得到充分的利用。在同一时间，还存在着两个关键的不足，其中包括:如何修改夹具规划的案例来满足实际资源尚未涉及的情况以及基于夹具规划的夹具构型设计过程中设计经验不能得到充分使用的情况。
在上面描述的设计方法中，主要的不足是结构性的变化规律和类似夹具不是确定的。所以没有没有合理的修改方案来匹配相似的夹具规划或类似的夹具。
1 基于案例的推理方法
在人工智能研究领域，基于案例的推理方法是一项非常重要的技术.它是一种相似的推理方法，其核心是通过重新利用以前的案例和经验来解决新问题，从而提高推理效率。其中的推理过程包括以下步骤。
通过对问题的描述和问题与案例之间的相似性，实际设计要求应当将实例进行评估。最相似的案例应该是从基本案例中获得的。
在获得类似的案例和实际要求之间可能会存在一些冲突。因此，需要对一些相关参数加以修改，以得到合适的解决方案。这个过程叫做冲突仲裁。目前的问题和当前的解决方案应该作为一个新的问题添加到实例库中。
这过程基于案例的敏捷夹具的过程包括下面的五个主要阶段
(1)输入制造资源信息的变量，例如，定位方式、工件类型、工件尺寸、加工面积、机床尺寸、刀具类型、加工精度要求、机床类型等。
(2)根据制造资源信息，较高的相似性制造资源的情况可以得到来作为类似的制造资源实例。从而得到相应的夹具规划方案。
（3）通过分析这种因素，在夹具规划选定的情况下，从夹具规划案例库中选择的夹具规划案例不能完全满足设计要求。因此，应该对夹具规划案例进行修改，以获得适合当前制造资源的夹具规划案例。
(4)夹具规划案例和实际夹具规划之间的相似性应该被评估并且相似度较高的夹具规划案例应该被采取。然后可以采取合适的敏捷夹具案例。
（5）类似的敏捷夹具案例不是正确的方案。因此，应该对敏捷夹具案例进行修改，来为当前的制造资源获得合适的敏捷夹具。
2 对相似度的评估和对相似度的计算
为了评估相似度，相类似性质集合S = {s1，hellip;， sm}应该在一开始就要被确定。与此同时，在敏捷夹具设计过程中，根据重量系数qj的重要程度对权重系数qj进行赋值。将实际需求与实际情况的相似程度表示为K。
表示影响因素之间的比值。表示因子的权重。
如果，那么
如果那么
通过这种方法可获得相似度。并且较高相似度的情况可以作为相似实例来考虑。其中典型的定位方式包括一个平面和两个孔定位方式、4-1-1定位方式和3-2-1定位方式。在4-1-1定位模式下，有一个长圆柱体限制4个自由度和两个特征面，每个特征面限制一个自由度。在3-2-1定位模式中，有三个特征曲面，每个特征面分别限制三个自由度、两个自由度和一个自由度。在这三种定位模式的每一个定位模式中，限制表面自由度最多的是主要的定位面。
流动的相似性评价的制造资源和夹具规划具体内容如下。
(1)匹配工件类型。
(2)选择定位方式。
(3)通过计算相似度，选择最类似的案例。
根据实际需要和不同定位方式下对夹具规划和不同特征夹具配置的不同影响、相似性因素及其权重设置如下表所示。
表1 制造资源的相似因素
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定位模式 |
相似的因素及其权重 |
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一面两孔 |
轮廓面长度因素为M11，它的权重是0.3 |
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轮廓面宽度因素为M12，它的权重是0.3 |
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位置关系，加工面及其主定位面因素为M13，其权重为0.3 |
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两个孔之间的距离的因素M14，其权重为0.3 |
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4-1-1 |
长度的缸和尺寸的工件在同一方向之间的比例的因素为M21，其权重为0.5 |
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长度的缸和直径气缸之间的比例的因素为M22，其权值为0.5 |
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气缸直径的因素为M23，其权重为0.5 |
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3-2-1 |
类型集合的三个特性因素为M31。它的权重为0.4 |
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加工面及其主定位面之间的关系的因素为M32。它的权重为0.4 |
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主定位面长度因素为M33。它的权重是0.3 |
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主要定位面的宽度因素为M34。它的权重为0.3 |
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在垂直于主要定位面方向的大小的因素为M35。它的权重为0.1 |
3 基于约束的冲突仲裁
3.1 . 描述和解决问题的制约因素
制约因素包括：相互联系的限制和之间相互依赖的变数。约束问题的解决方案应满足约束条件的要求。关于约束的问题通常基于约束网络来求解的，这些约束网络由n个变量和m个约束组成。变量的值字段是Di，每一个制约因素由两部分组成，包括变量集合V (ci) = {x i1，hellip;， x ij}和相关的集合R (ci)，这意味着每两个变量之间的关系的描述。R = {(x 1, x 2，hellip;)x n) | x 1, x 2，hellip;x nisin;Di }
- 2 .在类似的实例和相关的制约因素中产生和仲裁之间的冲突
敏捷夹具设计的主要任务是选择夹具元件元素，并确定这些元素的位置。因此，在夹具设计过程中的主要的制约因素包括约束的功能和制约的状况。
在基于案例的敏捷夹具设计过程中，上述基于约束网络的回溯方法并没有得到解决方案，而是根据制造资源的相似性和夹具规划的相似性来得到解决方案。由于实际情况与案例情况的不同，必然会产生矛盾。
3. 2. 1 层次分解敏捷夹具结构
然后，在进行分析不同要素的功能的基础上，对夹具结构进行分层分解，如图1所示。
图1敏捷夹具的层次结构
在分层的敏捷夹具模型中有一些明显的优点，例如，每一层的组成部分或要素都可以被交换来应对不同的规定，是因为这些元素都是被标准化的。因此，可以快速地重新配置和重复使用夹具，这对于敏捷夹具的设计是非常重要的。
3.2. 2 在敏捷夹具的设计过程中产生的冲突进行解决
针对敏捷夹具结构的层次分解问题，在敏捷夹具设计过程中存在着两种主要的约束方法，包括几何约束和功能限制。所以可能存在着两种冲突，包括几何冲突和功能冲突。在夹具规划案例中，通过评价制造资源信息的相似性得到夹具规划案例，由于各种工件的尺寸和几何特征的不同，夹具的固定点的·位置可能会与实际需求产生冲突。在通过评价夹具规划案例的相似性而得到的敏捷夹具的案例中，功能要素、构件和单元的位置和模型可能与实际需求发生冲突。冲突双方应进行仲裁以获得适当的设计结果。
针对可能出现的冲突，可以采用以下三种方法来完成冲突仲裁。
(1)放宽对定位的限制。它可以用于不同的设计条件。在因素分析过程中，约束规则是保守的。当冲突发生时，原因可能是一些约束规则过于严厉，以至于无法得到解决。因此，可以放低一些约束规则的限制来释放冲突。
(2)基于功能的冲突解决方法。该方法支持敏捷夹具元件基于实例、装配关系和层次分解的敏捷夹具结构模型，这是一种非常重要的方法。因为敏捷夹具的分解是基于功能的，当冲突发生时，可以找出冲突的部分和分层敏捷夹具中的部分。然后对零件或其所在层进行重新配置或交换部件或其它层。在敏捷夹具设计过程中，基于功能的冲突解决方法是非常重要的。
- 基于案例的冲突解决方法。它是以冲突解决案例为基础的。冲突解决案例库是一些问题得到解决，包括冲突的描述和合理的解决方案。如果在冲突案例的基础上能发现更高的相似冲突的案例，那么解决冲突的效率就会大大提高。
4 敏捷夹具的设计案例
现在,基于实例的敏捷夹具设计一个实际的工件,如图2所示。
图2复合工件试样
图3 可改进的可用夹具规划
加工面是内孔的表面。工件的轮廓尺寸为400、300、80。基于案例的敏捷夹具设计流程如下。
- 选择工件的类型。正如我们所知，工件是复合型的。
- 评估实际的制造资源与制造资源的实例之间的相似性。
根据工件的几何特性，选择3-2-1定位方式。在制造资源案例库中，存在一个复合型的工件。加工面为内孔的表面，采用3-2-1定位方式。工件外壳的外形尺寸是380，300，75。实际制造资源与案例的相似度记为K1。
K1 = 0. 4 *1 0. 3 *1 0. 1 *380/ 400 0. 1*300/ 300 0. 1 * 75/ 80 = 0. 895
这个相似度更高，所以我们可以把它选为作为类似的例子。与此同时，我们可以得到相应敏捷夹具的案例。
（3）夹具规划的冲突仲裁。由于几个孔的特性，底部端面上的定位点和顶部端面上的夹紧点应该被调整。我们可以修改夹具规划情况，然后得到合适的夹具规划如图3所示。小圆锥代表定位点和小圆柱代表夹紧点。
（4）评价修正夹具规划与夹具规划案例之间的相似性。
我们任仍然可以将修改后的夹具规划与夹具案例进行对比，如图2所示，因为夹具规划的差异并不是很大。实际夹具规划与夹具案例的相似度记为K2。
K2 = 0.4 *1 0.2 *1 0.1 *380/ 400 0.1 *300/ 300 0.1 * 200/ 300 0.1 *75/ 80 = 0.80
相似性程度仍然很高。因此，我们可以得到响应敏捷夹具的实例，如图4所示。
（5） 对夹具结构进行冲突仲裁和对设计结果进行输出。
对夹具结构的冲突仲裁可以分为两部分。
- 由于孔的位置分布的不同，定位元件和夹紧元件应平行移动。
- 在凸出的平台上设有夹紧点，应将夹紧元件去除。因此，为了满足设计要求，需要增加一个辅助元素。
并且设计结果如下图所示。
图4 敏捷夹具案例
图5 修改后的可用敏捷夹具
5 结论
夹具结构是一种基于功能单元，从一个全新的角度进行分解的结构。这是基于案例的敏捷夹具设计的基础并且使得对重新配置和修改敏捷夹具显得更加容易。
在这篇论文中，基于实例的方法被应用于整个敏捷夹具设计的过程。其中指出了两个关键的技术要点，包括评价实际需求的制约之间的相似性和基于约束的冲突仲裁。通过对基于约束条件的相似性分析的基础上，提出了对实际需求和案件之间的相似性进行评估评估方仲裁方法这三种解决冲突的方法。本文提出的设计方法有助于实现夹具设计的敏捷性，包括夹具设计的快速性，可重构性，可重用性，开放性的能力。
最后，通过设计实例表明，本文所提出的方法是有效的。
参考文献
- 理克·垛夫。制造,1995年。(7)
- 塞西尔库马尔。基于知识生成模块化夹具设计为棱柱形工件。[博士论文]。新加坡: 新加坡国立大学，1992年
- Trappey A J C , Liu C R. Int。先进制造技术，1990,5 (3):2405
- Dai J R,Nee A Y C.。自动化组合夹具设计和组装的方法。出版社：Proc Instn Mech Engrs,1997,211-509
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Ong S K,Nee
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