基于實例推理的機床夾具參數化變型設計* ＊

梁麗芬 王宗彥 吳淑芳 張 鵬 李瑞祥

(中北大學機械與動力工程學院，山西 太原030051)

在機械產品的實際設計中，將近70%的產品是以現有產品為模板進行變型設計來完成的，因此，對變型設計提出一種快捷有效的求解方法是實現快速智能化設計的一項關鍵技術。目前，國內外許多學者對此進行了深入研究，包括:模塊化變型設計［1］、三維參數化變型設計［2］、基于產品基因與物理表達的變型設計［3］，等。

機床夾具作為機械產品制造過程中重要的工藝裝備，其標準件種類多，設計過程依賴專家的經驗知識，設計周期長，勞動強度大。針對以上特點，將實例推理和參數化技術引入到機床夾具變型設計中，提出了一種基于實例推理的參數化變型設計方法，并開發了一套計算機輔助夾具設計系統。建立夾具及其零部件的參數化模型庫與數據庫，采用最近相鄰算法檢索夾具實例，并利用基于布局草圖的自動裝配技術，對夾具及其零部件進行快速變型設計，可以極大地提高夾具的設計效率和設計質量，縮短研發周期，有助于實現夾具設計的標準化、高效化和柔性化。

1 實例推理技術

實例推理CBR(case based reasoning)是一種相似類比推理方法，是使用過去成功的實例為基礎進行修改，從而求解當前問題的一種推理模式［4］。它強調人們在解決新問題時，檢索出相似度最高的實例，對其提取和修改，滿足要求后，作為新的案例存儲于實例庫中，便于下次案例的檢索和使用。基于CBR 的問題求解步驟包括:實例檢索、實例修改(即參數化變型設計)、實例評價和實例更新。

如圖1 所示，首先建立實例庫，包括模型庫和數據庫兩部分，設計人員輸入設計要求，系統從數據庫中提取相應參數計算相似度，根據保存地址查找與當前要求相匹配并具有最大相似度的實例模型。復制該模型并提取模型信息，修改差異模塊的參數，系統會自動進行實例修改，即參數化變型設計。最后，進行實例評價:如果模型滿足設計要求，則生成該模型序列號，并作為新實例存入模型庫，且將該模型的參數信息存入數據庫，如不滿足，則再次修改。用戶也可新建實例，利用零部件庫進行創新設計，設計結果也將存入實例庫。

實例推理技術具有自主學習和積累知識的能力，實例修改后如果滿足條件，實例庫則不斷積累成熟實例。系統的推理效率不斷提高，同時，系統解決問題的能力也不斷增強，最終實現產品的智能設計。

2 參數化變型設計

變型設計是通過提取已有產品，修改產品主模型的參數或對其結構進行局部調整，生成相似的產品或零部件。參數化變型設計是利用參數化技術，對模塊的參數進行調整使其尺寸或結構變型，是對實例模型的二次設計。它是將實體圖形的尺寸值與設計要求或約束條件相關聯，以設計要求即實體圖形的主要尺寸為自變量，非關鍵尺寸為函數值的一種驅動機制。當設計要求發生變化時，只需調整關鍵尺寸和部分約束參數就可完成變型設計，得到新的實體［5］。

采用基于SolidWorks 的參數化變型設計，實質是在SolidWorks 平臺下利用視圖中的布局草圖定義零部件的尺寸、結構以及裝配約束關系來驅動模型。圖2為某夾具前視圖中的布局草圖，零件均與草圖和基準面或基準軸建立約束關系，零件之間無配合關系，避免產品在參數化變型過程中零部件之間出現約束求解錯誤，同時便于相似實例的替換［6］。

然后，在SolidWorks 內部添加方程式，建立各零部件尺寸及約束關系間的數學關系，將其都反映在布局草圖內。方程式作為聯系布局草圖和零部件尺寸關系之間的紐帶，以關鍵尺寸或者屬性名稱為自變量，描述了各尺寸或屬性間的約束關系，是參數化變型設計的關鍵［7］。

最后，利用Visual Basic 程序調用SolidWorks API函數來控制布局草圖，并利用方程式的關系等式驅動模型來完成整機的自動裝配。

這種方法將零部件的約束關系都建立在布局草圖上，當草圖中主動參數發生變化時，非關鍵尺寸和各零部件的位置關系也發生相應變化，整個裝配模型也隨著發生變化，避免了產品模型在變型過程中遭到破壞，確保了模型的完整性。

3 基于CBR 的機床夾具參數化變型設計

基于CBR 的參數化變型設計的基本原理是將大量的成熟產品預先存入實例庫中，根據設計要求從實例庫中檢索出相似度最高的實例作為模板，利用基于布局草圖的參數化設計思想對三維模型進行變型設計形成新的產品，并且作為新的實例擴展實例庫。

基于CBR 的機床夾具參數化變型設計包括產品整體設計和詳細設計兩個階段，CBR 貫穿于產品設計全生命周期。在產品整體設計階段，首先建立機床夾具零件實例庫，根據工件、工藝及裝夾信息，從中檢索出與設計要求最為接近的夾具設計實例，確定夾具的整體設計方案以及夾具的模塊組成。詳細設計階段則是修改某個模塊的參數，對其進行參數化變型設計，最終實現裝配體驅動。具體流程主要包括建立實例庫，實例檢索，實例修改(即變型設計)和實例更新4 個步驟。

3.1 機床夾具實例庫的建立

實例庫包括模型庫和數據庫，是進行實例檢索及檢索。系統會自動計算設計產品與各實例的相似度并提取相似度大于檢索閾值的夾具，可選擇相似度最高的夾具作為實例模板進行變型設計。

3.3 實例修改

當用戶選擇相似度最高的夾具模板后，可根據“機床夾具零部件設計”人機交互界面，選擇需要修改的零部件。如果選擇圖5 檢索結果中相似度最高的夾具，即固定式鉆模，需要根據工件對其零部件進行修改。如圖6 所示，對活動V 形塊進行修改，可輸入工件直徑以及工件長度，檢索符合條件的V 形塊，可也輸入V 形塊各參數進行檢索。選擇檢索結果中的零件模板后，系統會對用戶填寫的參數進行分析，如滿足要求則利用該零件修改后的參數驅動模型。用戶也可根據系統提示與幫助進入SolidWorks 三維繪圖環境進行新建或修改。

夾具模型驅動分為兩部分:外部驅動和內部驅動。外部驅動即通過VB 編程將夾具設計的結果賦值給布局草圖的參數進行驅動。可通過SolidWorks 的宏錄制模擬修改參數過程，再把參數設置為變量，通過給變量賦值即可實現模型驅動。內部驅動即通過SolidWorks添加方程式來實現模型驅動。

這種基于布局草圖的自頂向下的模塊化與參數化設計思想，設計人員可以根據需求對夾具的各零件進行修改和替換，并可通過布局草圖參數來驅動整個夾具模型，自動生成其三維實體模型和二維工程圖，變型設計后的夾具模型如圖7 所示。

3.4 實例更新

對裝配體干涉檢驗成功且夾具滿足設計要求后，系統會將夾具的相關參數根據其序列號分別存入檢索參數數據庫和設計參數數據庫，而模型將存入其所屬類型文件夾中，作為新的實例擴充實例庫。如不滿足要求，則再次進行實例修改。

4 結語

本文以SolidWorks2015 為開發平臺，Visual Basic 6.0 為開發工具，采用基于實例的推理方法，結合面向對象的參數化設計思想及基于布局草圖的自動裝配技術，實現了機床夾具及其零部件的變型設計。隨著實例庫的擴大，系統的檢索能力不斷提高，設計效率也隨之增強，實現了機床夾具的快速智能設計。基于實例推理的機床夾具三維參數化變型設計系統及其相關技術的研究成果，對其他機械產品的CAD 設計尤其是對自動化和智能化要求高的領域具有一定的指導意義。

［1］杜輝，葉文華，樓佩煌. 基于實例推理技術在模塊變型設計中的應用研究［J］. 山東大學學報:工學版，2011，41(1):78 -85.

［2］李瑞祥，王宗彥，李靜. 基于參數化變型設計的機床夾具庫設計［J］. 制造技術與機床，2014(9):175 -178.

［3］劉偉，曹國忠，檀潤華，等. 基于產品基因與物理表達的變型設計［J］. 計算機集成制造系統，2015，21(2):381 -391.

［4］Watson I. Case - based reasoning is a methodology not a technology［J］. Knowledge-Based Systems，1999，12(5 -6):303 -308.

［5］吳淑芳，陸春月. 機械結構三維參數化建模與開發［M］.長春:吉林大學出版社，2013.

［6］王珂，王宗彥，陸春月，等. 基于模板的減速機參數化設計系統［J］. 機械傳動，2014，38(5):50 -52.

［7］王相兵，王宗彥，吳淑芳，等. 面向模塊化、智能化、參數化的產品變型設計技術研究［J］. 機械科學與技術，2010，29(2):153 -158.

［8］蔣麒麟，薛小強，李翔英. 基于實例推理的鈑金件數控切割工時估算［J］. 制造技術與機床，2014(4):156 -159.