基于本體和知識組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設計

鄧江榮

摘 要：本文結(jié)合夾具結(jié)構(gòu)設計的知識本體模型理論與知識組件技術(shù)原理，進行基于本體和知識組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設計方法構(gòu)建，并對其具體設計實現(xiàn)的過程以及智能化選擇與控制方法進行分析，最后通過實例，對該系統(tǒng)的設計應用可靠性進行驗證。

關鍵詞：知識本體；知識組件；夾具結(jié)構(gòu)；智能設計

夾具作為機械加工中用于加工元件固定與支撐的重要工件，也是加工機床裝置結(jié)構(gòu)的重要組成部分之一，在產(chǎn)品加工及質(zhì)量效益提升等方面都有著非常重要的影響。需要注意的是，由于機械加工中，加工生產(chǎn)零配件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及類型本身的復雜、多樣性特征，使得夾具結(jié)構(gòu)設計中也具有一定的多樣性和不確定性特征，對設計人員的知識、經(jīng)驗等要求較高。另一方面，隨著計算機技術(shù)與軟件系統(tǒng)在機械加工領域的應用實現(xiàn)，采用計算機輔助夾具設計以促進夾具設計智能化與自動化發(fā)展，成為當前機械制造智能化發(fā)展中研究和關注的重點。

1 夾具結(jié)構(gòu)設計的知識本體模型與知識組件技術(shù)理論分析

1.1 夾具結(jié)構(gòu)設計的知識本體模型

夾具設計中，其知識經(jīng)驗主要圍繞夾具元件以及工件、實例等夾具設計實體要素及其相互關系的規(guī)則與方法進行展開論述，因此，夾具結(jié)構(gòu)設計中，其知識本體模型就是建立在上述三個實體要素及其設計知識基礎上。

首先，夾具元件作為構(gòu)成夾具的重要結(jié)構(gòu)單元，夾具元件知識本體模型的構(gòu)建則是以夾具元件屬性及使用情景進行相應的模型體系構(gòu)建，如下圖1所示，即為夾具元件的知識本體模型結(jié)構(gòu)示意圖。其中，F(xiàn)uo被定義為夾具元件的知識本體模型，而Tdm、Idf、Pas和Abi分別對應夾具元件知識本體的三維模型與功能標識、基本信息、裝配知識等結(jié)構(gòu)單元，值得注意的是，在夾具元件知識本體的三維模型單元中，三維模型Tdm中又包含夾具元件三維實體模型Gem和三維模型創(chuàng)建的特征參數(shù)集合Fep、夾具元件尺寸與特征參數(shù)關系公式Eop等要素；而功能標識Idf中則包含夾具元件功能類型Clt與幾何類型Cot、夾具元件作用的特征信息Cgf等。此外，夾具元件基本信息Pas與裝配信息Abi中則分別包含夾具名稱（Nom）、標準號（Nos）、外部參數(shù)（Poe）、內(nèi)部參數(shù)（Poi）、詳細尺寸系列（Dms）以及夾具裝配特征（Asf）、裝配關系（Asr）、裝配參數(shù)（Asp）等。

其次，夾具設計知識本體模型中，工件知識本體則是夾具設計需求的體現(xiàn)，也是進行夾具結(jié)構(gòu)設計的重要信息來源，其模型結(jié)構(gòu)包含三維實體Tmw以及基本信息Biw、工件裝夾規(guī)劃要求Iwp，如果將工件知識本體模型定義為Wpo，則其結(jié)構(gòu)組成可以通過下圖2進行表示。

此外，夾具實例知識信息是夾具設計完成基礎上的整體信息完整表示形式，也是夾具元件與工件知識本體上層表現(xiàn)，其知識本體模型結(jié)構(gòu)包含夾具元件集合信息Fuo以及工件信息Wpo、夾具和工件關聯(lián)信息Rel，其中，夾具與工件關聯(lián)信息Rel中由包含夾具與工件的位置對應關系Prp、夾具與工件的裝配關系Arp、其他信息Oth等，如果將夾具實例知識本體模型定義為Cpo，那么其模型結(jié)構(gòu)可以通過下圖3進行表示。

1.2 基于知識組件的夾具結(jié)構(gòu)設計分析

夾具結(jié)構(gòu)設計中，知識本體屬于設計知識的靜態(tài)部分，其靜態(tài)知識需要結(jié)合夾具結(jié)構(gòu)設計過程，并根據(jù)相應的規(guī)則機制和結(jié)構(gòu)框架在合理運用與決策基礎上，形成夾具結(jié)構(gòu)設計，從而獲取相應通過夾具實例本體表現(xiàn)的設計結(jié)果。其中，夾具結(jié)構(gòu)設計中對知識本體模型的合理運用和決策所依據(jù)的規(guī)則機制與結(jié)構(gòu)框架則是依賴知識組件技術(shù)實現(xiàn)的。知識組件，顧名思義，就是由知識域中知識點之間關系構(gòu)成的、具有局部完整性特征的知識結(jié)構(gòu)模塊。如下圖4所示，即為夾具結(jié)構(gòu)設計中知識組件的結(jié)構(gòu)組成示意圖。

在夾具結(jié)構(gòu)設計知識組件結(jié)構(gòu)中，知識組件任務向?qū)е忻總€模板能夠?qū)崿F(xiàn)獨立管理，而知識組件引擎作為整個結(jié)構(gòu)的核心，主要進行信息傳遞和處理；知識庫是為知識組件引擎在夾具結(jié)構(gòu)設計中應用的對象數(shù)據(jù)及智能設計提供方法；求解器是進行知識組件應用程序集中管理的重要結(jié)構(gòu)裝置，能夠進行求解模板中各類文件的執(zhí)行。基于知識組件的夾具結(jié)構(gòu)設計是在對夾具結(jié)構(gòu)設計過程中夾具類型選擇、尺寸參數(shù)確定以及建模、組裝等任務在夾具選擇知識組件與尺寸驅(qū)動知識組件、建模裝配知識組件中分別封裝實現(xiàn)，來根據(jù)相關設計順序進行相應知識組件調(diào)用及其各自之間信息與知識傳遞關系設計，完成以夾具結(jié)構(gòu)智能設計模型為支持的各項設計任務。

2 基于本體和知識組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設計分析

2.1 基于本體和知識組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設計

根據(jù)上述對夾具設計的知識本體與知識組件技術(shù)理論分析，我們得出在基于知識組件的夾具結(jié)構(gòu)設計中，知識組件引擎為其重要核心構(gòu)件，并且也是對不同設計任務的智能設計方法集成。所以，此夾具結(jié)構(gòu)智能設計可以從夾具結(jié)構(gòu)設計的三個本體模型知識組件引擎智能設計上進行論述。

首先，在夾具元件類型的智能選擇設計上，夾具選擇知識組件中，對于工件定位與固定等裝夾特征有關的具體夾具元件類型，具體過程如下圖5所示。

根據(jù)上述智能選擇設計流程可以看出，夾具結(jié)構(gòu)設計中選擇知識組件的智能選擇主要包含備選夾具選擇和依照匹配度進行備選夾具元件排序兩個階段。其中，在備選夾具選擇中主要應用了基于規(guī)則的推理計算方法，共包含依照夾具工件知識本體模型結(jié)構(gòu)中的夾具規(guī)劃和裝夾特征信息對預設規(guī)則外的夾具進行排除，以及通過將工件知識本體和夾具實例知識本體進行匹配，對匹配度大于設定范圍值情況的裝配夾具進行保留。

其次，在夾具尺寸智能驅(qū)動設計中，夾具結(jié)構(gòu)設計的知識組件尺寸驅(qū)動知識組件部分，主要通過對工件和夾具本體關鍵參數(shù)的匹配實現(xiàn)夾具大小確定。如下圖6所示，即為夾具結(jié)構(gòu)設計中夾具尺寸智能驅(qū)動具體流程示意圖。

圖6 夾具結(jié)構(gòu)設計中夾具尺寸智能驅(qū)動流程

最后，在夾具結(jié)構(gòu)設計中，夾具智能裝配由建模裝配知識組件設計實現(xiàn)，其在對尺寸驅(qū)動知識組件所生成的夾具元件模型進行接收并對通過裝配特征表示的裝配信息進行提取基礎上，利用求解器，根據(jù)匹配工件需求與夾具元件本體的裝配特征關系實現(xiàn)相應的裝配約束構(gòu)建，從而完成夾具元件的自動裝配，其具體流程如下圖7所示。

2.2 實例驗證

根據(jù)上述提出基于本體和知識組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設計方法，以下圖8所示的金屬斜面鉆孔夾具結(jié)構(gòu)設計為例，該夾具結(jié)構(gòu)設計中以某一斜面鉆孔為主要任務，通過構(gòu)建以三維模型和XML封裝本體文件為主的工件知識本體模型，在確定工件知識本體參數(shù)信息的情況下，采用基于本體和知識組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設計方法，在夾具類型智能選擇、尺寸智能驅(qū)動以及最終的夾具智能裝配下完成對該工件的智能設計，并生成新的夾具設計實例，在實例庫中保存后用于夾具選擇支持。

3 結(jié)語

總之，進行基于本體和知識組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設計研究，有利于促進以知識本體和知識組件相結(jié)合的夾具結(jié)構(gòu)智能設計開發(fā)和應用，對促進設計知識在夾具結(jié)構(gòu)設計中的應用以及提高設計效率等，都有著十分積極的作用和意義。

參考文獻

[1]吳巍，胡憶溈.承壓設備帶壓密封夾具智能設計系統(tǒng)研究及應用[J].壓力容器，2015，32（08）：75-80.

[2]焦麗麗，趙健.基于UG的組合機床夾具智能設計系統(tǒng)的研究與應用[J].機械設計與制造，2011（08）：240-241.