基于事例推理的夹具设计研究与应用外文翻译资料

 2022-08-12 02:08

附录2 英文原文

Application and development

Of case based reasoning in fixture design

Abstract: Based on the case based designing (CBD) methodology, the fixture similarity is in two respects: the function and the structure information. Then, the computer aided fixture design system is created on case based reasoning (CBR),in which the attributes of the main features of workpiece and structure of fixture as case index code are designed for the retrieve of the similar cases, and the structure and hierarchical relation of case library are set up for store. Meanwhile, the algorithm based on the knowledge guided in the retrieve of the similar cases, the strategy of case adapt at ion and case storage in which the case ident if cat ion number is used to distinguish from similar cases are presented. The application of the system in some projects improves the design efficiency and gets a good result .

Keywords: case based reasoning ;fixture design; computer aided design(CAD)

Fixtures are devices that serve as the purpose of holding the workpiece securely and accurately, and maintaining a consistent relationship with respect to the tools while machining. Because the fixture structure depends on the feature of the product and the status of the process planning in the enterprise, its design is the bottleneck during manufacturing, which restrains to improve the efficiency and leadtime. And fixture design is a complicated process, based on experience that needs comprehensive qualitative knowledge about a number of design issues including workpiece configuration, manufacturing processes involved, and machining environment. Fixtures are work holding devices and are used in most of the manufacturing operations such as machining, assembly, inspection, etc. As part of manufacturing planning, fixture design can be a major contributor to the manufacturing, lead-time, and the cost of a product. Owing to the great variety of parts and manufacturing operations, the processes of fixture design become more complex and uncontrolled. Moreover, the design of a fixture relies heavily on the designers expertise and experience as well as the data from manufacturing, processing, technical, and parts . A computer-aided fixture design (CAFD) technique has been developed as part of CAD/CAM integration. Nowadays, CAFD plays an important role in flexible manufacturing systems (FMS) and computer-integrated manufacturing systems ( CIMS). The first thing that must be considered by employing a computer in fixture design is to establish a suitable design planning model. The presentation method of knowledge used in design and the designers experience are essential to establish a successful fixture design system. This is also a very time consuming work when using traditional CAD tools (such as Unigraphics, CATIA or Pro/E), which are good at performing detailed design tasks, but provide few benefits for taking advantage of the previous design experience and resources, which are precisely the key factors in improving the efficiency.

The methodology of case based reasoning (CBR) adapts the solution of a previously solved case to build a solution for a new problem with the following four steps: retrieve, reuse, revise, and retain [1]. This is a more useful method than the use of an expert system to simulate human thought because proposing a similar case and applying a few modifications seems to be self explanatory and more intuitive to humans .So various case based design support tools have been developed for numerous areas[2-4], such as in injection molding and design, architectural design, die casting die design, process planning, and also in fixture design. Sun used six digitals to compose the index code that included workpiece shape, machine portion, bushing, the 1st locating device, the 2nd locating device and clamping device[5]. But the system cannot be used for other fixture types except for drill fixtures, and cannot solve the problem of storage of the same index code that needs to be retained, which is very important in CBR[6]. Compared to classical rule-based reasoning and model-based reasoning, case-based reasoning (CBR) attempts to solve new problems by using previous cases from a case base and adapting the solution of a similar problem according to the parameters of the new situation. The major advantage of this approach over rule-based reasoning or model-based reasoning is that the knowledge used in design is too complex to be reduced to rules or models. The approach holds key benefits with respect to solving mechanical design problems. There are systems that have been documented as design systems in the CBR literature. One system called DEJAVU uses case-based reasoning to assist mechanical design. Another system called CADSYN is a hybrid case-based design model which is proposed to integrate specific domain knowledge. In this paper, cases are used to elaborate the domain knowledge and design experience. A method of case representation of fixture design based on fixture function is proposed.

1 Construction of a Case Index and Case Library

1.1 Case index

The case index should be composed of all features of the workpiece, which are distinguished from different fixtures. Using all of them would make the operation in convenient. Because the forms of the parts are diverse, and the technology requirements of manufacture in the enterprise also develop continuously, lots of features used as the case index will make the search rate slow, and the main feature unimportant, for the reason that the relative weight which is allotted to every feature must diminish. And on the other hand, it is hard to include all the features in the case index.

Therefore, considering the practicality and the demand of rapid design, the case index includes both the major feature of the workpiece and th

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外文翻译

基于事例推理的夹具设计研究与应用

摘要:基于事例推理的设计方法，是通过采集工件在当前工序下待加工表面的特征信息以及能满足加工要求的夹具应该具备的结构特征信息来综合描述在本工序下夹具设计应该具备的主要特征，并建立包括这两方面主要特征信息的事例索引码。它是一种事例库的结构形式和层次化的事例组织方式。并且通过基于信息库引导的夹具事例检索算法，以及事例的修改和采用同族事例码进行相似事例的存贮方式，形成了基于事例推理的夹具设计方法。所开发的原型系统在工程夹具设计等项目的设计过程中不仅得到了广泛的应用，而且取得了令人满意的使用效果。

关键词: 基于事例的推理 夹具设计 CAD

夹具是以保证工件定位准确且相对于夹具体静止为目的的装置，并在加工过程中保证工件相对刀具或机床占有正确的位置。因为夹具的结构依赖于产品本身的特点和在企业规划中加工工序的地位，所以它的设计的合理性决定了制造过程中的瓶颈，影响着生产效率的高低。夹具设计是一个复杂的过程，需要有从大量的设计论文中获取的知识与经验，这些设计论文包括工件的结构设计、以及加工工艺和加工环境。夹具是工件保持装置，用于制造业，如机械加工，装配，检验等。作为制造计划的一部分，夹具设计可以成为制造业的影响交货时间和产品成本的主要因素。由于零件种类繁多，制造工艺多，生产工序多，夹具设计的整个过程变得复杂和难以可控。此外，一个夹具的设计在很大程度上依赖于设计师的专业知识和经验，以及足够制造，加工，技术和零件的数据。计算机辅助夹具设计（CAFD）技术已经发展成为CAD/CAM集成的一部分。如今，计算机辅助夹具设计中起着重要作用的柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）。在夹具设计中使用计算机必须考虑的第一件事是建立一个合适的设计规划模型。在设计中专业的知识和设计师的经验对于建立一个成功的夹具设计系统是必不可少的。而使用目前传统的计算机辅助设计软件进行设计工作（如Unigraphics、CATIA、Pro/E )时并不具备提供一个合适的设计规划模型的功能，所以这仍将是一项非常耗时的工作，与此同时即使利用以往的设计经验和资源也不能在最初的设计阶段中提供足够多的帮助，而这一切恰好正是提高设计效率的关键点所在。

基于事例推理 (CBR) 的方法是一种通过匹配索引的方式高效适应以往个案的解决办法，而建立一个新问题的解决方案，主要有以下的四步骤：检索、利用、修改并保留。这是一个比使用专业系统模仿人类思维更有用的方法，因为提出一个类似的案例并采用一些修改措施，对人而言这一过程是简单且直观的，而智能系统目前并不具备这样的能力。所以支持不同事例的设计工具已经在诸多领域中发展起来，如在注射成型及设计、建筑设计、铸造设计、工艺规划还有夹具设计。目前的大数支持不同事例的设计工具是通过用六个数字组成代码参数，包括工件的形状、机械部分、轴衬、第一定位装置、第二定位装置和夹紧装置。但这个系统不能用于除钻床夹具外的其他任何夹具类型，不能解决储存需要保留的同一参数代码的问题，而这一问题这在CBR中是非常重要的。相比传统的基于规则的推理、基于模型的推理，基于案例的推理（CBR）试图利用一个案例库和匹配类似的问题的解决方案，根据新参数解决新问题。以规则为基础的推理或基于模型的推理这种方法的主要优点是将减少规则或模型，但设计中采用的多是比较复杂的知识。这种解决机械设计问题的方法具有绝对的优势。在CBR文献中有被记载的类似的设计系统，一个系统叫DEJAVU采用案例推理的辅助机械设计。另一个叫做CADSYN是一个混合的基于实例的设计模式，整合了特定领域的知识。在本文中，案例主要被用来详细阐述相关知识和设计过程，并提出了一种基于夹具功能的夹具设计方法。

1事例参数和事例图书馆的建立

1.1事例参数

事例参数应该由工件的所有的特征组成，来区别不同的夹具。使用他们能够使操作更为简便.。因为零件的形状是多种多样的，在生产企业中制造的技术要求也不断发展。许多特征作被用做事例参数将会使搜索速度降低，其主要特征却并没有能凸显出来。因为分配给每个特征的比重减少了。另一方面，事例参数如果想要包含所有的特征本身就是非常困难的一项工作。

因此，考虑到实际和快速设计的需求，事例参数要包含工件的主要特征和夹具的结构。事例参数代码由16位数组成：13位数是事例特征 3位数是事例识别数字。

前13位数代表13个特征。 每个数字与特征的一个属性相一致,这可能是'*'、'？'、'1'、'2'，hellip;，'A'、'B',hellip;，'Z'，hellip;，等其中的一个。其中，'*'是指任何一个，'?'代表不确定，'0'代表没有，其他符号根据一般设计方法存入特定的特征参数。

系统规定：夹具的类型，工件的形状，位置模式不能是'*'和'?'。在设计系统时，这三个项目的属性信息没有这些选择，这就意味着必须选择一个确定的属性。

最后三位数是事例识别号码，如果事例特征的13位数是一样的，这三个数字就用来区别他们。

该系统还规定:'000'是用于修正的一个典型事例，其他事例'001'、'002'、hellip;,这些是用于设计师查找参考事例的。如果其中一个偶尔需要改变成典型事例，首先它必须要求改成'000',前面的会自动变成参考事例。

事例索引码的结构如图1所示。

1—夹具类型； 6—工件重量； 11—夹紧模型；

2—工件形状； 7—工件刚度； 12—夹具体；

3—工件材料； 8—加工内容； 13—其他；

4—批 量； 9—过程所有物； 14到16—事例识别码；

5—工件比例； 10—定位模型；

图1 事例索引码的结构

1.2事例库

事例库由许多预定义的事例组成。事例的描述是基于事例推理的最重要的环节之一。所以预定义的事例必须由索引码复合并存入事例库中。

1.3 事例的层次化

夹具的结构相似性表现为夹具整体相似性、构件相似性和构件相似性。所以整个夹具库、构件库、组件库之间的关系是相对建立的。通常整个夹具的设计信息由工件信息和工件工序信息组成，代表夹具满足特定设计功能要求。整个夹具是由功能部件组成，由功能部件的名称和编号来进行描述的。构件代表构件库中的成员。（例如功能构件和其他结构构件，主要驱动参数，数量，和它们之间的约束关系。）组件（最基本的夹具组成要素）包括结构的功能组件和其他组件。现代夹具设计中有大量的参数化标准件和常见的非标准件。因此，组件库应该记录规格参数及其保存方式。

2事例修改的策略

在基于事例的夹具设计中，最重要的是相似点的检索，这样能有助于快速获得最相似的事例，以及缩短匹配时间。根据夹具设计的要求，采用最近邻居和认识引导相结合的方式进行案例检索。即先在深度方向上进行搜索，然后再在广度上进行搜素；认识引导的策略则是利用从根本性质到具体对象的认识方法来进行搜索，首先由夹具类型搜索，然后由工件的形状，然后通过定位方法。例如，首先如果事例索引码包括夹具类型铣床夹具，搜索是所有加工设备，然后确定工件形状的为立方体，最后查找一个平面两个销的定位方法。如果没有匹配，则深度搜索停止，并返回到上层，在广度上检索所有相关的情况。

检索方法：

  1. 根据夹具事例库的事例索引信息，查找有关事例库。
  2. 将事例索引码与事例库的每个事例码匹配，然后计算相似度数值。
  3. 根据相似度数值将检索出的事例按从高往低的顺序排列。

两个事例之间的相似点是基于两个事例特征之间的相似点而确定的。相似点尺寸的计算依靠特征的类型参数。相似点的价值可以通过数字化的价值来计算，例如比较重量分别是50kg 和 20kg的工件。非数字化的价值也能进行计算，例如，现在前13位索引码都是非数字化的价值。一个夹具的相似尺寸的计算公式如下：

其中S表示通用夹具的相似尺寸，n表示索引特性数，表示每个特性的重量，表示事例库中特性和相关夹具的特性的相似尺寸。同时， ，数值计算如下：

其中表示第i个特征的索引特性值，表示事例库中第j个事例的第i个特征的特性值。

所以有两种方法来选择相似的夹具。一个方法是建立有实际价值的数值。如果通用事例的相似尺寸值比给定的数值小，这些事例就不能选来作相似事例。事例库最初建立的时候，只有一些事例，数值可以建小一点。如果有大量的相似事例，数值就应该建的大一些。另外一个方法是只建立相似事例的数字（例如10），这是所有被检索事例的相似度的数值可能达到的的最大值。

3 事例的修改和存储

3.1事例的修改

夹具设计中相似事例的修改主要包括以下三个阶段：

  1. 成分的替代
  2. 保持形式不变，调整成分的特性
  3. 模型重新设计

如果夹具的成分是常规部件，它们能通过使用工具被修改，代替以及删除，这些在系统中已经被设计好了。

3.2事例的存储

在将一个新的事例保存到事例库之前，设计者必须考虑保存的事例是否有价值。如果这个事例不能给系统增加新的知识存储，就没有必要把它保存到事例库里。如果它有价值的话，设计者在保存之前必须分析一下，看看这个事例是否作为标准事例或参考事例被存储了。一个标准事例是一个描述同族事例主要特征的标准。一个同族事例是有事例库中索引码前13位相同而最后三位不同的那些事例组成的。一个标准事例的最后三位通常是“000”。一个参考事例属于同族标准事例，最后三位用不同数字进行区分。

从已解释的概念出发，可采用以下方法：

1）如果一个新的事例和任何一个存在的事例族一致，和一个存在的标准事例的前13位数相同，那么这个事例就不能作为标准事例存储，因为已经这种标准事例了。或者只能作为一个参考事例保存（最后三位不是“000”，而且和其它的不一样）在事例库中。

2）如果一个新的事例和任何一个存在的事例族一致，并且被认为代表这个事例族要比以前的标准事例好，那么这个标准事例就被这个新的事例代替，以前的标准事例作为一个参考事例保存。

3）如果一个新的事例和任何一个存在的事例族不一致，一个新的事例族将会自动产生，并作为标准事例保存到事例库中。

4夹具设计中基于事例推理的过程

根据夹具设计的特性，夹具设计的基本信息，例如夹具的名字，零件，生产和设计者等等，必须先输入。然后，输入或设计工件的模型。输入有关工件的细节信息，建立事例索引码，然后CBR开始依靠相似尺寸查找相似事例，选出最相似的事例。如果事例满足通用性设计且有需要的话再存储到事例库中。该程序的流程图如图2所示

图2 基于事例推理的夹具设计流程图

5基于事例推理的夹具设计实例说明

这是一个工件如图3所示。材料是45钢，底座，形状为块状，生产批量为中等批量。需要设计一个用来钻孔的可旋转夹具。

图3 需要进行夹具设计的一个工件

（最大尺寸80mmx49mmx22mm）

工件的特征值，属性值，事例索引码和重量在表1中列出。

表1 工件的事例索引码和重量

特征名称 特性值 索引码 重量

夹具类型 车床夹具 1 100

工件形状 块状 9 90

工件材料 中碳钢 3 70

批量 中批 2 60

工件比例 小 5 60

工件重量 轻 5 60

工件刚度 硬度强 1 60

加工内容 孔 3 80

程序要求 完成加工 3 70

定位方法 三个平面 1 100

夹紧方法 不确定 ？ 90

夹具体 复合 4 80

其他 没有 0 60

通过查找和计算相似点，最相似的事例的事例索引码是19325513321402000，细节信息在表2中列出。

表2 最相似事例的事例索引码

特征名称 特性值 索引码

夹具类型 车床夹具 1

工件形状 块状 9

工件材料 中碳钢 3

批量 中批

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