基于事例的汽車夾具設計關鍵技術研究

摘要：本文以汽車夾具為研究對象，分析了汽車夾具的相似性，指出汽車夾具相似可描述為功能相似和結構相似兩個方面，根據基于事例的推理方法，研究了汽車夾具設計中的事例庫組織、檢索方法、檢索算法和事例檢索器等關鍵技術。實踐表明，基于事例的求解方式對汽車夾具設計CAD系統來講是一種有效的推理方法。

關鍵詞：基于事例的推理；汽車夾具設計；計算機輔助設計

引言

汽車夾具在現代制造中起著重要的作用，直接影響產品的加工質量、生產率、成本，制約著產品上市時間，汽車夾具設計作為制造環節中生產準備時間和加工成本的重要影響因素，而倍受關注。本文運用基于事例的推理CBR（Case Based Reasoning）方法，通過汽車夾具相似性的分析，提出了基于事例的汽車夾具設計方法，并就其中的事例庫組織、事例檢索、檢索算法和事例檢索器等關鍵技術進行了研究，取得了較好的使用效果。

1.CBR的基本原理

CBR是80年代初期提出的一種AI技術，其實質是根據問題描述，從事例庫中提取相似的事例，并通過對事例的參考，得到問題的解決，這個過程大體上分為以下幾個步驟：

1.1.索引：輸入待解決問題的要求，初始條件等新任務相關的信息，指定一個索引；

1.2.檢索：根據索引，從事例庫中提取一個或一組與當前問題相似的事例；

1.3.修改：從相似事例中找出最相似的事例或多個事例的組合，形成問題可能解決方案，并通過目標方案的評價修改，來滿足當前的設計要求；

1.4.存貯：問題解決后，當前的解，即可作為新的事例存入事例庫，實現自學習。

2.汽車夾具的相似性

汽車夾具通常按所用機床分為車床汽車夾具（簡稱：車夾）、銑床汽車夾具（簡稱：銑夾）、鉆床汽車夾具（簡稱：鉆模）以及鏜床汽車夾具（簡稱：鏜夾）等；在具體的結構上，雖因所裝夾的工序件的特征不同其具體的結構形式不同，然而其工作原理是基本相同。在空間中，汽車夾具的設計信息包括零件的基本特征、工序件特征、工序內容、毛坯性質、加工機床、刀具類型等，反映了汽車夾具的功能。因此，汽車夾具的相似性表現為汽車夾具的功能相似和汽車夾具的結構相似兩個方面。

現代企業為了滿足市場大批量定制的要求，生產大量變型產品，因此，企業中有許多同類型或系列化的產品。因此，如將基于事例的推理方法應用于汽車夾具CAD系統之中，可以避開傳統汽車夾具CAD系統中知識獲取、規則組織的瓶頸以及大量設計信息輸入的需求，而只需要收集過去的事例，這符合工程技術人員的設計習慣，從而減少因重新設計及設計驗算所化費的時間，提高設計速度，達到保證設計質量的目的。

3.汽車夾具事例庫組織

3.1.汽車夾具事例庫的結構

汽車夾具的結構相似，表現為整體相似、組件相似和元件相似，因此，就形成了整體結構事例庫、組件事例庫和元件事例庫。汽車夾具的整體結構事例表現為汽車夾具滿足特定的功能，即由零件信息和工序信息所約束，同時，表達了其組成中功能組件的名稱、數量、與目標對象工序件以及組件之間的裝配關系；組件事例反映了其成員：功能元件及其它結構件的驅動主參數、數量以及裝配約束關系；元件事例則是具體的功能元件和結構件。現代汽車夾具設計中含有較多的已參數化的標準件和常用非標件，元件事例庫記錄著相應事件下的規格參數和元件路徑。汽車夾具事例庫的組織結構如圖1所示。

圖1.汽車夾具事例庫的組織結構

本人所服務的東風悅達起亞汽車有限公司在汽車夾具事例庫方面的管理方法是：針對本公司汽車生產的五大工藝（沖壓、焊裝、涂裝、總裝、發動機）的要求，根據夾具的功能將汽車夾具歸類為焊接夾具和裝夾夾具二大類，其中焊接夾具僅適用于焊裝車間，它的功能是將多個汽車車身零部件在夾具的定位并夾緊下通過焊接方法使之成為焊合體；而裝夾夾具可適用于五大車間，如沖壓車間模具維修鉆銑床加工的裝夾夾具；涂裝車間電泳和噴涂用于車門限位的裝夾夾具；焊裝車間的車門及翼子板的裝配夾具；總裝車間的發動機、前后橋、油箱、輪胎等零部件的裝配夾具；發動機車間的各種加工專機的裝夾夾具。另外對于同一車間的夾具又可以按照車型不同進行細分，也可以按照仕樣不同進行區分：比如有專用夾具與共用夾具之分；手動夾具與自動夾具之別。最后工藝設計人員將這些不同用途的汽車夾具進行歸納，并根據圖1組織結構分類后資源共享，對公司新產品開發過程中工藝裝備的設計和優化起到了省時省力節減成本的作用。

3.2.事例的檢索方法

汽車夾具的功能相似和汽車夾具的結構相似，反映了汽車夾具設計信息與汽車夾具結構特征之間的映射關系。基于汽車夾具功能相似的檢索，通過輸入相應的設計信息，可以獲得相似工序件下的汽車夾具結構組成；而基于汽車夾具結構相似的檢索，則在檢索相似結構事例的同時獲得事例相應的使用場合，常用于對功能組件和汽車夾具元件的檢索；當設計人員已具備一定的設計經驗時，也可少輸入一些設計信息，采用與汽車夾具結構特征混合檢索的方法，進行快速檢索。

4.檢索算法

在基于事例的汽車夾具設計中，最重要的是相似事例的檢索，最佳事例的選擇與事例參數的修改。針對汽車夾具設計要求，采用知識引導和最相鄰近策略相結合的方法。知識引導策略主要用于在引導程序打開相應的事例庫，如事例中帶有一面兩銷定位信息時，則打開一面兩銷定位組件事例庫，事例中有支座的信息，則打開支座事例庫。

檢索算法：

4.1.根據汽車夾具事例庫的索引信息，打開相應的事例庫；

4.2.將新的事例信息與打開的事例庫中的所有事例信息逐個進行匹配，并進行相似度計算，從而得到n個相似度值；

4.3.對n個相似度值進行排序，值最大的即為最相近的事例。

相似度是所求問題事例的屬性值與以往事例屬性值一致程度的度量值，在汽車夾具事例信息既有數值型，又有字符型數據，提出了如下的相似度計算公式：

5.事例檢索器和設計任務的完成

在汽車夾具設計過程中，設計任務的內容是逐漸增加的，需要完成的設計任務從整體結構汽車夾具到汽車夾具組件以及到汽車夾具元件，常常是要進行分解和組合。因此，事件的檢索過程可通過不斷地檢索設計任務的內容來觸發。檢索器的結構如圖2所示。

圖2 汽車夾具事例檢索器的結構圖

將設計任務存放于黑板之中，檢索器不斷地對黑板中的數據進行檢測，若某個設計任務所需的數據完備時，將引起觸發的動作，即對事例庫進行檢索，相似度計算和排序，修改后完成這個任務，并將生成的數據寫入黑板中，這樣重復直到整個汽車夾具設計完成為止。

6.結束語

通過對汽車夾具結構特征和汽車夾具功能分析以及企業中存在大量相似結構特征的零件事實，指出汽車夾具設計中存在大量相似的設計工作。通過對CBR技術研究，我們認為CBR在汽車夾具設計CAD系統中是可行的。并就系統中的汽車夾具事例庫、事例檢索、檢索算法和事例檢索器等關鍵技術進行了研究，在實際設計工作中提高了汽車夾具設計效率，實現了設計的規范化，保證了設計質量，取得了較好的使用效果。

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