基于事例推理的夹具设计研究与应用Application机械类外文翻译

1、 . . . ApplicationanddevelopmentOfcasebasedreasoninginfixturedesignAbstract:Basedonthecasebaseddesigning(CBD)methodology,thefixturesimilarityisintworespects:thefunctionandthestructureinformation.Then,thecomputeraidedfixturedesignsystemiscreatedoncasebasedreasoning(CBR),inwhichtheattributesofthemainf

2、eaturesofworkpieceandstructureoffixtureascaseindexcodearedesignedfortheretrieveofthesimilarcases,andthestructureandhierarchicalrelationofcaselibraryaresetupforstore.Meanwhile,thealgorithmbasedontheknowledgeguidedintheretrieveofthesimilarcases,thestrategyof caseadaptationandcasestorageinwhichthecasei

3、dentifcationnumberisusedtodistinguishfromsimilarcasesarepresented.Theapplicationofthesysteminsomeprojectsimprovesthedesignefficiencyandgetsagoodresult.Keywords:casebasedreasoning ;fixturedesign;computeraideddesign(CAD)Fixturesaredevicesthatserveasthepurposeofholdingtheworkpiecesecurelyandaccurately,

4、andmaintainingaconsistentrelationshipwithrespecttothetoolswhilemachining.Becausethefixturestructuredependsonthefeatureoftheproductandthestatusoftheprocessplanningintheenterprise,itsdesignisthebottleneckduringmanufacturing,whichrestrainstoimprovetheefficiencyandleadtime.Andfixturedesignisacomplicated

5、process,basedonexperiencethatneedscomprehensivequalitativeknowledgeaboutanumberofdesignissuesincludingworkpiececonfiguration,manufacturingprocessesinvolved,andmachiningenvironment.Thisis alsoaverytimeconsumingworkwhenusingtraditionalCADtools(suchasUnigraphics,CATIAorPro/E),whicharegoodatperformingde

6、taileddesigntasks,butprovidefewbenefitsfortakingadvantageofthepreviousdesignexperienceandresources,whicharepreciselythekeyfactorsinimprovingtheefficiency.Themethodologyofcasebasedreasoning(CBR)adaptsthesolutionofapreviouslysolvedcasetobuildasolutionforanewproblemwiththefollowingfoursteps:retrieve,re

7、use,revise,andretain1.Thisisamoreusefulmethodthantheuseofanexpertsystemtosimulatehumanthoughtbecauseproposingasimilarcaseandapplyingafewmodificationsseemstobeselfexplanatoryandmoreintuitivetohumans.Sovariouscasebaseddesignsupporttoolshavebeendevelopedfornumerousareas2-4,suchasininjectionmoldingandde

8、sign,architecturaldesign,diecastingdiedesign,processplanning,andalsoinfixturedesign.Sunusedsixdigitalstocomposetheindexcodethatincludedworkpieceshape,machineportion,bushing,the1stlocatingdevice,the2ndlocatingdeviceandclampingdevice5.Butthesystemcannotbeusedforotherfixturetypesexceptfordrillfixtures,

9、andcannotsolvetheproblemofstorageofthesameindexcodethatneedstoberetained,whichisveryimportantinCBR6.1 ConstructionofaCaseIndexandCaseLibrary1.1 CaseindexThecaseindexshouldbecomposedofallfeaturesoftheworkpiece,whicharedistinguishedfromdifferentfixtures.Usingallofthemwouldmaketheoperationinconvenient.

10、Becausetheformsofthepartsarediverse,andthetechnologyrequirementsofmanufactureintheenterprisealsodevelopcontinuously,lotsoffeaturesusedasthecaseindexwillmakethesearchrateslow,andthemainfeatureunimportant,forthereasonthattherelativeweightwhichisallottedtoeveryfeaturemustdiminish.Andontheotherhand,itis

11、hardtoincludeallthefeaturesinthecaseindex.Therefore,consideringthepracticalityandthedemandofrapiddesign,thecaseindexincludesboththemajorfeatureoftheworkpieceandthestructureoffixture.Thecaseindexcodeismadeupof16digits:13digitsforcasefeaturesand3digitsforcaseidentificationnumber.Thefirst13digitsrepres

12、ent13features.Eachdigitiscorrespondingtoanattributeofthefeature,whichmaybeoneof“*”,“？”,“1”,“2”,“A”,“B”,“Z”,etc.Inwhich,“*”meansanyone,“?”uncertain,“0”nothing.Thesystemrules:fixturetype,workpieceshape,locatingmodelcannotbe“*”or“?”.Whenthesystemisdesigned,theattributeinformationofthethreeitemsdoesnoth

13、avetheseoptions,whichmeansthecertainattributemustbeselected.Thelastthreedigitsarethecaseidentificationnumber,whichmeansthe13digitsofthecasefeaturearethesame,andthenumberofthesethreedigitsisusedfordistinguishingthem.Thesystemalsorules:“000”isaprototypecase,whichisusedforretrieval,andothercasesare“001

14、”,“002”,whichareusedforreferencecasestobesearchedbydesigners.Ifoccasionallyoneofthemneedstobechangedastheprototypecase,firstitmustberequiredtoapplytochangetheoneto“000”,andtheformerischangedtoreferentialcaseautomatically.TheconstructionofthecaseindexcodeisshowninFig.1.1.2 CaselibraryThecaselibraryco

15、nsistsoflotsofpredefinedcases.Caserepresentationisoneofthemostimportantissuesincasebasedreasoning.Socompoundingwiththeindexcode,.1.3 HierarchicalformofCaseThestructuresimilarityofthefixtureisrepresentedasthewholefixturesimilarity,componentssimilarityandcomponentsimilarity.Sothewholefixturecaselibrar

16、y,componentscaselibrary,componentcaselibraryoffixtureareformedcorrespondingly.Usuallydesigninformationofthewholefixtureiscomposedofworkpieceinformationandworkpieceprocedureinformation,whichrepresentthefixturesatisfyingthespecificallydesigningfunctiondemand.Thewholefixturecaseismadeupoffunctioncompon

17、ents,whicharedescribedbythefunctioncomponentsnames and numbers. Thecomponentscaserepresentsthemembers.(functioncomponentandotherstructurecomponents， maindrivenparameter,thenumber,andtheirconstrainrelations.) Thecomponentcase(thelowestlayerofthefixture)isthestructureoffunctioncomponentandothercompone

18、nts.Inthemodernfixturedesigntherearelotsofparametricstandardpartsandcommonnonstandardparts.Sothecomponentcase libraryshouldrecordthespecificationparameterandthewayinwhichitkeepsthem.2 StrategyofCaseRetrievalInthecasebaseddesignoffixtures,themostimportantthingistheretrievalofthesimilarity,whichcanhel

19、ptoobtainthemostsimilarcase,andtocutdownthetimeofadaptation.Accordingtotherequirementoffixture design, thestrategyofcaseretrievalcombinesthewayofthenearestneighborandknowledgeguided.Thatis,firstsearchondepth,thenonbreadth;theknowledgeguidedstrategymeanstosearchontheknowledgerulefromroottotheobject,w

20、hichisfirstlysearchedbythefixturetype,thenbytheshapeoftheworkpiece,thirdlybythelocatingmethod.Forexample,ifthecaseindexcodeincludesthemillingfixtureoffixturetype,thesearchisjustforallmillingfixtures,thenforboxofworkpieceshape,thethirdfor1plane+2pineoflocatingmethod.Ifthereisnomatchofit,thenthesearch

21、stopsondepth,andreturnstotheupperlayer,andretrievesalltherelativecasesonbreadth.Retrievalalgorithms:1)Accordingtothecaseindexinformationoffixturecaselibrary,searchtherelevantcaselibrary;2)Matchthecaseindexcodewiththecodeofeachcaseofthecaselibrary,andcalculatethevalueofthesimilaritymeasure;3)Sorttheo

22、rderofsimilaritymeasure,thebiggestvalue,whichisthemostanalogicalcase.Similaritybetweentwocasesisbasedonthesimilaritybetweenthetwocases.features.Thecalculationofsimilaritymeasuredependsonthetypeofthefeature.Thevalueofsimilaritycanbecalculatedfornumericalvalues,forexample,compareWorkpiecewiththeweight

23、of50kgand20kg.Thevaluecanalsobecalculatedbetweennonnumericalvalues,forexample,nowthefirst13digitsindexcodeisallnonnumericalvalues.Thesimilaritymeasureofafixtureiscalculatedasfollows:whereSisthesimilaritymeasureofcurrentfixture,nisthenumberoftheindexfeature,istheweightofeachfeature,isthesimilaritymea

24、sureoftheattributeofthei2thfeaturewiththeattributeofrelativefeatureofthej-thcaseinthecaselibrary.At thesametime, ,thevaluecountsasfollows:.Whereisthevalueoftheindexattributeofthei-thfeature,andisthevalueofattributeoftherelativei-thfeatureofthej-thcaseincaselibrary.Sotherearetwomethodstoselecttheanal

25、ogicalfixture.Oneistosetthevalue.Ifthevaluesofsimilaritymeasureofcurrentcaseswerelessthanagivenvalue,thosecaseswouldnotbeselectedasanalogicalcases.Whenthecaselibraryisinitiallysetup,andthereareonlyafewcases,thevaluecanbesetsmaller.Iftherearelotsofanalogicalcases,thevalueshouldgetlarger.Theotherisjus

26、ttosetthenumberoftheanalogicalcases(suchas10),whichisthelargestvalueofsimilaritymeasurefromthesortedorder.3 Case adaptationandCaseStorage3.1 CaseadaptationThemodificationoftheanalogicalcaseinthefixturedesignincludesthefollowingthreecases:1)Thesubstitutionofcomponentsandthecomponent;2)Adjustingthedim

27、ensionofcomponentsandthecomponentwhiletheformremains;3)Theredesignofthemodel.Ifthecomponentsandcomponentofthefixturearecommonobjects,theycanbeedited,substitutedanddeletedwithtools,whichhavebeendesigned.3.2 CasestorageBeforesavinganewfixturecaseinthecaselibrary,thedesignermustconsiderwhetherthesaving

28、isvaluable.Ifthecasedoesnotincreasetheknowledgeofthesystem,itisnotnecessarytostoreitinthecaselibrary.Ifitisvaluable,thenthedesignermustanalyzeitbeforesavingittoseewhetherthecaseisstoredasaprototypecaseorasreferencecase.Aprototypecaseisarepresentationthatcandescribethemainfeaturesofacasefamily.Acasef

29、amilyconsistsofthosecaseswhoseindexcodeshavethesamefirst13digitsanddifferentlastthreedigitsinthecaselibrary.Thelastthreedigitsofaprototypecasearealways“000”.Areferencecasebelongstothesamefamilyastheprototypecaseandisdistinguishedbythedifferentlastthreedigits.Fromtheconceptthathasbeenexplained,thefol

30、lowingstrategiesareadopted:1)Ifanewcasematchesanyexistingcasefamily,ithasthesamefirst13digitsasanexistingprototypecase,sothecaseisnotsavedbecauseitisrepresentedwellbytheprototypecase.Orisjustsavedasareferencecase(thelast3digitsarenot“000”,andnotthesamewithothers)inthecaselibrary.2)Ifanewcasematchesa

31、nyexistingcasefamilyandisthoughttobebetteratrepresentingthiscasefamilythanthepreviousprototypecase,thentheprototypecaseissubstitutedbythisnewcase,andthepreviousprototypecaseissavedasareferencecase.3)Ifanewcasedoesnotmatchanyexistingcasefamily,anewcasefamilywillbegeneratedautomaticallyandthecaseissto

32、redastheprototypecaseinthecaselibrary.4 ProcessofCBRinFixtureDesignAccordingtothecharacteristicsoffixturedesign,thebasicinformationofthefixturedesignsuchasthenameoffixture,part,productandthedesigner,etc.mustbeinputfirst.Thenthefixturefileissetupautomatically,inwhichallcomponentsofthefixtureareputtog

33、ether.Thenthemodeloftheworkpieceisinputordesigned.Thedetailedinformationabouttheworkpieceisinput,thecaseindexcodeissetup,andthentheCBRbeginstosearchtheanalogicalcases,relyingonthesimilaritymeasure,andthemostanalogicalcaseisselectedout.Ifneeded,thecaseisadaptedtosatisfythecurrentdesign,andrestoredint

34、othecaselibrary.TheflowchartoftheprocessisshowninFig.3.5 IllustratingforFixtureDesignbyCBRThisisaworkpiece(seeFig.4).Itsmaterialis45#steel.Itsnameisseat.Itsshapeisblock,andtheproductbatchsizeismiddle,etc.Afixtureisturningfixturethatservestoturnthehole,whichneedstobedesigned.Thevalueoffeature,attribu

35、te,caseindexcode andweightoftheworkpieceisshowninTab.2.Throughsearching,andcalculatingthesimilarity,thecaseindexcodeofthemostsimilarcaseis,andthedetailedinformationisshowninTab.3.Thesimilarityiscalculatedasfollows:Sothevalueofsimilaritymeasureofthefixturewhichneedstobedesignedwiththemostanalogicalca

36、seincaselibraryis0.806,andthestructureofthemostanalogicalcaseisshowninFig.5.Afterhavingbeensubstitutedthecomponent,modifiedthelocatingmodelandclampmodel,andadjustedtherelativedimension,thenewfixtureisdesigned,andthefigureisshowninFig.6.Asthereisnottheanalogicalfixtureinthecaselibrary,thenewfixtureis

37、restoredintothecaselibrary.Thecaseindexcodeis.6ConclusionCBR,asaproblemsolvingmethodology,isamoreefficientmethodthananexpertsystemtosimulatehumanthought,andhasbeendevelopedinmanydomainswhereknowledgeisdifficulttoacquire.TheadvantagesoftheCBRareasfollows:it resembleshumanthoughtmoreclosely;thebuildin

38、gofacaselibrarywhichhasselflearningabilitybysavingnewcasesiseasierandfasterthanthebuildingofarulelibrary;anditsupportsabettertransferandexplanationofnewknowledgethatismoredifferentthantherulelibrary.AproposedfixturedesignframeworkontheCBRhasbeenimplementedbyusingVisualC+,UG/OpenAPIinUngraphicswithOr

39、acleasdatabasesupport,whichalsohasbeenintegratedwiththe32Dparametriccommoncomponentlibrary,commoncomponentslibraryandtypicalfixturelibrary.Theprototypesystem,developedhere,isusedfortheaviationproject,andaidsthefixturedesignerstoimprovethedesignefficiencyandreusepreviousdesignresources.外文翻译基于事例推理的夹具设

40、计研究与应用摘要:根据基于事例的设计方法,提出采用工序件的特征信息和夹具的结构特征信息来描述夹具的相似性,并建立了包括这2方面主要特征信息为基础的事例索引码,设计了事例库的结构形式,创建了层次化的事例组织方式;同时,提出了基于知识引导的夹具事例检索算法,以与事例的修改和采用同族事例码进行相似事例的存贮,形成了基于事例推理的夹具设计.所开发的原型系统在型号工程夹具设计等项目的设计过程中得到了应用,并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夹具是以确定工件安全定位准确为目的的装置，并在加工过程中保持工件与刀具或机床的位置一致不变。因为夹具的结构依赖于产品的特点和在企业规

41、划中加工工序的地位,所以它的设计是制造过程中的瓶颈,制约着效率的提高. 夹具设计是一个复杂的过程,需要有从大量的设计论文中了解质量知识的经验，这些设计论文包括工件的结构设计、涉与加工工艺，和加工环境。当用这些擅长绘制详细设计图的传统的CAD工具（如Unigraphics、CATIA、Pro/E)时,这仍然是一项非常耗时的工作，但是利用以往的设计经验和资源也不能提供一些益处,而这正是提高效率的关键因素. 基于事例推理 (CBR) 的方法适应以往个案解决的办法,建立一个新问题的方法,主要有以下四步骤:检索、利用、修改,并保留.这是一个比用专业系统模仿人类思维有用的使用方法，因为提出一个类似的情况,

42、和采用一些修改,似乎不言自明,而且比人类更直观.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，如在注射成型与设计、建筑设计、模具设计投死, 规划过程中,还有夹具设计. 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夹具类型,不能解决储存需要保留的同一参数代码的问题,这在CBR中是非常重要的. 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方便. 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

43、数将会使搜索速度降低,其主要特征是不重要的,因为分配给每个特征的比重必须减少. 另一方面,事例参数包含所有的特征是困难的。 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"，"A"、"B",，"Z"，等其中的一个。其中，"*"是指任何一个,&

44、quot;?"代表不确定,"0"代表没有。 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,三个项目的属性信息没有这些选择,这就意味着必须选择确定的属性。最后三位数是事例识别,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"、,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

45、面的自动变成参考事例. 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问题之一。所以由索引码复合。1.3 事例的层次化夹具的结构相似被认为是整个夹具，成分和容相似。所以，整个夹具事例库，成分事例库，夹具的成分事例库形成一样。整个夹具的设计资料通常是由工件资料和工件加工资料组成,这就意味着夹具的设计应满足特别功能

46、的需求.全部夹具事例是由功能成分组成，它是用功能成分的名字和数字来进行描述的。成分事例代表成员（成分功能和其他结构成分，主要驱动参数，数字，和它们的约束关系）。成分事例（夹具的最低层）是功能成分和和其他成分的结构。在现代夹具设计中有很多参数化准件和普通非标准件。所以成分事例图书馆应记录特殊参数和保持它们的方法。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修改，这样能有助于获得最相似的事例，以与缩短适应时间。根据夹具设计的需求，事例修改的策略使最接近的事例方法和知识指导结合起来。首先在深度上查找，然后在宽度上；知识指导策略意味着在来自客观事物根源的知识规则上查找，这就要首先查找固定

47、类型，然后查找工件的形状，第三查找定位方法。例如，如果事例索引码包括夹具类型的磨削夹具，就只查找所有的磨削夹具，然后查找工件形状的盒子，第三查找一个平面两个销的定位方法。如果没有合适的，就查找深度标点，然后回到最上层，然后再找所有与宽度相关的事例。 修改方法：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，然后计算相似尺寸的价值。3） 整理相似尺寸的次序，最大的架子是最类似的事例。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。相似点尺寸的计算依靠特征的类型。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

48、件。非数字化的价值也能计算，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。 所以有两种方法选择相似夹具。一个方法是建立数值。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），这是类型单里相似

49、尺寸的最大值。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普通的物品，它们能通过使用工具被修改，代替以与删除，这些已经被设计好了。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是否有价值。如果这个事例不能增加系统的知识，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位一样而最后三位不同的那些事

50、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区分。从被解释的概念中，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位数一样，那么这个事例就不能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，并且被认为代替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

51、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。如果需要的话，事例要满足通用性设计，再存储到事例库中。程序流程图如图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，生产批量为中批等。需要设计成一个用来旋转孔的旋转夹具。图3 需要设计夹具的一个工件（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