基于混合推理的汽輪機葉片夾具自頂向下設計方法*

沈子恒,呂彥明,袁 飛,趙 鵬,方文湛

(江南大學 江蘇省食品先進制造裝備技術重點實驗室,江蘇 無錫 214122)

0 引 言

夾具是汽輪機葉片制造過程中重要的工藝裝備。通過分析企業汽輪機葉片夾具實例不難發現,多數夾具表現得極其相似,甚至完全相同,往往只是在各自的具體尺寸表達上有所出入。同時,夾具設計是一項對經驗依賴性較高的設計活動[1]。工程設計人員在拿到一個新的夾具設計任務時,往往是借鑒以往的夾具實例,很少重新設計。

根據上述特征,本文基于Top-Down思想,運用知識推理方法,提出基于混合推理的汽輪機葉片夾具自頂向下設計方法。

1 Top-Down設計方法

常見產品設計方法一般可分為自底向上(Bottom-Up)和自頂向下(Top-Down)兩種。自底向上的方法設計思路簡單、清晰。但在裝配過程中,難免會存在部分零件不符合要求,如零件兩兩之間存在干涉或零件無法定位和安裝等,此時必須對相關零件進行重新設計,然后再次裝配,直至產品分析通過。因此,這種設計方法難以實現產品的快速設計與修改[2,3]。

而自頂向下的產品設計方法強調在整個設計過程中從全局入手,可分為功能設計、概念設計和詳細設計3個階段[4],它們兩兩之間是相互迭代地、遞歸地交織在一起,相互之間不存在確定的分界線。在進行自頂向下的產品設計時,首先要依據產品的功能要求建立初步方案的總體結構模型,再由該模型自頂向下傳遞總體的設計信息,并在該模型的約束下完成對各個零部件的詳細設計。

綜合分析可知,自頂向下的產品設計方法具有顯著優點,它可以更加充分地考慮產品的整體性能,更容易實現參數化,增加了產品設計的柔性;而且在初始的功能和概念設計階段,產品設計意圖、主要結構關系和關鍵約束等信息就已明確,企業內各設計人員可并行完成各自的零部件詳細設計工作,實現高效的并行設計。

2 夾具模板的創建

2.1 夾具零件模板的創建

2.1.1 系列化零件模板的創建

系列化零件設計流程如圖1所示。

圖1 系列化零件設計流程

本文使用UG的部件族功能創建汽輪機葉片夾具的系列化零件模板,步驟如下:

(1)建立表達式;(2)建立系列化零件二維草圖模型;(3)建立系列化零件三維實體模型;(4)創建Excel族表;(5)保存Excel族表,并將系列化零件以.prt形式保存。

汽輪機葉片夾具系列化零件調用程序結構如圖2所示。

圖2 汽輪機葉片夾具系列化零件調用程序結構

此處筆者利用UG/OPEN MenuScript模塊制定系列化零件調用菜單,以MFC制定用戶對話框,開發系列化零件調用程序。

2.1.2 參數化零件模板的創建

參數化零件的形狀、尺寸與汽輪機葉片產品具有緊密聯系。本文對企業現有的夾具參數化零件創建參數化零件模板,并將葉片產品與參數化零件的聯系利用表達式來體現。其創建過程與系列化零件模板創建雷同,此處不再贅述。

2.2 夾具實例模板創建流程

由于參數化零件需要企業自行設計,設計人員把主要精力都集中在參數化零件設計上。夾具實例模板創建流程如圖3所示。

圖3 夾具實例模板創建流程

當創建完某套葉片夾具的參數化零件之后,首先通過系列化零件查詢與調用工具檢索出該夾具所需要的全部系列化零件,并保存在指定位置,再按要求裝配得到該套葉片夾具實例模板。

2.3 夾具實例模板創建

該夾具實例創建要考慮的因素很多[5-7]。夾具實例模板裝配體的層次模型如圖4所示。

圖4 夾具實例裝配體層次模型

當修改夾具實例中的部分尺寸時,要能夠使修改信息從夾具實例模板自頂向下傳遞到相互關聯的每個零件,實現夾具實例裝配體的全盤更新。裝配約束和參數關聯是其關鍵環節。

(1)裝配約束的實現。裝配約束條件可歸納為耦合、對齊、插入、同軸和定向等5類;裝配約束一旦確定,除非人為修改,否則不會改變;

(2)參數聯動的實現。通常把參數分為內部參數和外部參數兩種;外部參數指的是與其他零件之間存在關聯的參數,而內部參數只影響零件本身結構尺寸。

筆者企業中現有的汽輪機葉片夾具實例以該方法建立夾具實例模板,保存后構建夾具實例庫。

3 夾具實例功能與自頂向下檢索

3.1 夾具自頂向下設計的推理機制

結合Top-Down思想,本文從夾具的功能要求出發,檢索并重用相似的夾具實例。目前,支持重用的方法主要有以下兩種:

(1)基于規則的推理(RBR)。RBR是一種利用人工智能技術的推理方法。推理過程中的知識表示的方法采用產生式規則,可表示為“If A Then B”的形式,其中A是條件,B是結論或者要執行的動作;

(2)基于實例的推理(CBR)。CBR憑借以往成功的經驗或具體實例來解決新的問題。CBR過程可以簡單概括為4個主要階段[8,9]。

結合汽輪機葉片夾具設計特征,若單獨使用基于實例的推理技術則缺乏演繹推理能力,導致夾具實例檢索效率低下、重用困難。本節提出基于規則和實例混合推理的夾具自頂向下設計方法。

3.2 夾具功能分析

在進行推理的時候,首先要根據夾具的功能信息描述夾具實例。夾具功能信息主要由葉片產品信息、加工工藝信息以及裝夾信息等組成。

3.3 夾具實例的表示

根據功能要求完成夾具實例的特征信息描述后,還需要有一種表示方法來清楚表達夾具實例。

基于編碼技術的實例表示方法,首先按照事先約定的規則把數字或字符符號賦予實例中所包含的各種特征信息,然后針對此類規則進行區分及分類。由于該方法具有操作方便且便于計算機識別等突出特點,本文運用該方法對夾具實例進行表示。

夾具實例編碼系統如表1所示(該編碼系統詳細地描述了夾具實例的功能特征)。

表1 夾具實例編碼系統

3.4 夾具實例檢索方法

檢索是夾具自頂向下設計的核心環節。最近鄰索引法在檢索時,利用輸入的信息和實例庫中的實例信息進行匹配,所有信息都被賦予一個權值,通過各種信息之間的權值計算組織實例。

3.5 實例相似度計算

影響汽輪機葉片夾具相似度計算的因素有很多。實現葉片定位是夾具的最主要功能,定位方法和夾具結構聯系密切,因此,本文提出對首要因素加權平均的方法計算兩夾具之間的相似度:

(1)

式中:Pij—首要因素系數;i—所求的夾具實例;j—實例庫中與所求夾具相似的夾具實例。

依據相似度計算理論,兩夾具相似度Sij計算方法如下:

(2)

式中:n—特性組合編號,如1為產品信息,2為加工工藝信息,3為裝夾信息;WFn—特征組合n的權值系數;Wijn—夾具i和j在相同的特征組合n上權值平均相似系數。

Wijn計算方法如下:

(3)

式中:K—特征組合n中的項,如產品信息中包含葉片類型、葉片大小和葉片材料等3項;Aink,Ajnk—夾具i和j的特征組合n在k項上的編碼;Rnk—特征組合n中k的范圍;WFnk—特征n在k項的權值系數。

汽輪機葉片夾具的功能特征屬性均不能用數字衡量,即Aink、Ajnk無法比較,因此根據相似度計算理論可把式(3)可簡化為:

(4)

式中:Kn—特征組合n的特征數目,如葉片產品信息的特征數目為3;Fijnk—兩夾具在特征組合n上的k項相似系數。

Fijnk可通過下式計算:

(5)

根據表1所示的夾具實例編碼系統,可進一步確定葉片產品信息、加工工藝信息和裝夾信息的權值平均相似系數分別為:

(6)

(7)

(8)

(9)

根據夾具相似度計算結果,即可設定相似度閥值P,通過改變閥值P大小來控制候選集實例數目n;并且可以滿足工程設計人員的心理預期,靈活可變,因此本文采用第一種方法。

3.6 夾具生成與各零件設計

筆者根據功能要求完成對夾具實例的描述,通過描述信息進行相似度計算。若閥值P為1時,可檢索出夾具實例,則該夾具無需修改。不過在實際應用中這樣的情況一般不多見。那么對于檢索出的相似度不為1的夾具實例,就需要根據具體葉片和強度、剛度等需要,對相似夾具實例進行修改。

3.7 夾具實例信息的保存

汽輪機葉片及其夾具實例所包含的信息十分豐富,需要數據庫來管理。數據表的創建分為:(1)創建數據表結構;(2)錄入表中的數據。

葉片信息數據表如圖5所示。

圖5 葉片信息數據表

本節的數據表主要有葉片信息數據表和夾具實例信息數據表等。葉片信息數據表在加工葉片前已作為技術準備工作,由企業工程設計人員創建完成。

夾具實例信息數據表結構如圖6所示。

圖6 夾具實例信息數據表結構

將夾具實例信息以特定的方式儲存起來,以便檢索、重用;再根據夾具的功能進行分析。

4 夾具自頂向下設計方法的應用

基于混合推理的汽輪機葉片夾具自頂向下設計自動化技術實現流程,如圖7所示。

圖7 基于混合推理的夾具自頂向下設計流程

汽輪機葉片夾具自頂向下設計過程是利用基于規則和實例混合推理的方式去實現的。下面以U103型號葉片的某夾具為例,進行具體說明。

U103葉片某夾具功能信息如表2所示。

表2 U103葉片某夾具功能信息

汽輪機葉片工裝模具自頂向下設計菜單如圖8所示。

圖8 設計菜單

筆者選擇“基于混合推理的夾具自頂向下設計”下的二級菜單“夾具實例描述”。登錄界面如圖9所示。

圖9 登錄界面

本文為對話框進行加密處理,當打開夾具實例描述對話框,輸入用戶名和密碼后方可繼續使用;由表2中的夾具功能信息對夾具實例進行描述。

夾具實例描述如圖10所示。

圖10 夾具實例描述

根據夾具實例的功能信息描述點擊“顯示編碼”則生成對應編碼;完成夾具實例描述后,點擊用戶界面上“下一步”按鈕,即可進入檢索與重用環節。

夾具實例檢索與重用對話框如圖11所示。

圖11 夾具實例檢索與重用對話框

根據工程設計人員需要,可自由對閥值進行設定,然后點擊“開始檢索”,程序根據夾具功能信息進行相似度計算,并將相似度在閥值以上的夾具實例代號按照相似度大小從高到底依次排列,同時顯示相似夾具對應的葉片型號。

檢索結果如圖12、圖13所示。

圖12 閥值為1時的檢索結果

圖13 閥值為0.9時的檢索結果

檢索結果是閥值為1和0.9時的夾具實例檢索結果,對比可發現:

(1)夾具實例庫中無與本次需求完全符合的夾具實例;

(2)閥值對檢索結果存在較大影響,合理的閾值設置使檢索結果更加精煉、準確。

根據檢索結果可知,葉片U103R的葉身綜合銑夾具與葉片U103的夾具功能要求十分相似,此時選中

葉身綜合銑夾具,單擊“重用”按鈕,程序自動完成相似夾具實例的重用。U103R與U103兩葉片屬于同種類型不同大小的葉片,由于U103整體尺寸較小,工程設計人員可根據葉片以及強度、剛度等需要,對U103R葉身綜合銑夾具進行有限的人工干預,自頂向下驅動符合葉片U103夾具功能要求的新夾具生成,完成各零件的詳細設計,將菌形葉片裝夾在底面墊塊和斜面壓板之間。

U103葉片夾具自頂向下設計結果如圖14所示。

圖14 U103葉片夾具自頂向下設計結果

5 結束語

本文基于Top-Down,利用CBR、RBR技術各自的優勢,提出了一種基于混合推理的汽輪機葉片夾具自頂向下設計方法,實現了從夾具的功能要求出發,檢索并重用實例庫中的相似夾具實例,再結合有限的人工干預,自頂向下驅動夾具實例的全盤更新,完成了各零部件的詳細設計。主要內容有:

(1)研究得出了夾具結構的普遍規律;采用基于模板的參數化設計方法完成了夾具系列化和參數化零件的創建,并開發了系列化零件的調用程序;依據裝配約束和參數聯動要求,完成了夾具實例模板的創建,得到了夾具實例總體結構模型,構建了夾具實例庫;

(2)為方便夾具實例重用,基于Top-Down分析了夾具功能要求,并通過編碼技術完成夾具實例的表示,構建了夾具設計編碼系統,提出了對首要因素加權平均的最近鄰索引法檢索相似夾具實例;最后根據具體葉片和強度、剛度等要求,自頂向下完成了各零部件的設計。