哈尔滨石油学院机械电子工程系 黑龙江哈尔滨 150028
摘要：具方案设计专家系统是实现夹具设计自动化的有效途径。本文重点讨论了机床夹具智能化设计系统的研究与开发。知识表示是实现机床夹具智能化设计系统的的关键技术之一，以下提出了 把几种单一知识表示方法按照本体的原理组成一种基于立体混合型的知识表示方法，并将其应用在机床夹具智能化设计系统中，大大地提高了产品的设计效率。并基于特征的回转体零件信息描述，夹具方案设计专家系统和夹具装配图设计等技术，并开发了专用夹具设计原型系统SFDS。
关键词：机床夹具；设计系统；研究与开发
传统的机床夹具设计系统是夹具设计人员通过经验法和类比法进行设计的。这需要查阅大量的资料和手册，通过手工计算，再用笔绘制机床夹具的装配图和零件图。传统的设计方法劳动强度大，设计周期长，效率低，而所设计的机床夹具标准化、通用化程度低。因此，传统的机床夹具设计方法已经不能满足市场快速多变的要求，甚至成为了制约现代制造技术发展的瓶颈。因此，采用人工智能技术，实现机床夹具设计的智能化，将会大大提高机床夹具设计的质量和自动化程度。
1机床夹具的概念及其作用
夹具是在机械加工、焊接、检验、热处理、装配等工艺过程中，用以固定加工对象，使之占有正确位置，以便保证产品质量，并提高生产率的一种工艺装备。而机床夹具是金属切削机床上使用的夹具，在机械加工中应用最为广泛。在机床上加工工件时，必须用夹具装好夹牢工件。将工件装好就是在机床上确定工件相对于刀具的正确位置，这一过程称为定位。将工件夹牢，就是对工件施加夹紧力，保证工件正确的定位位置在加工的过程中不受外力的影响而始终保持不变。总的来说机床夹具的作用就是保证加工精度，使一批工件加工质量稳定，减少废品；缩短辅助时间，提高劳动生产率；扩大机床的工艺范围；在特种零件的加工中起着特殊的作用；平衡生产节拍，以便组织流水线生产。
2机床夹具智能设计系统
2.1机床夹具智能设计系统的研究现状
随着科学技术的发展和新技术的广泛应用，机床的精度和性能得到大幅度提升，为各种高性能复杂零部件的加工提供了装备保证。与此同时，近年来数字化制造的研究成果为加工工艺参数的合理选择和优化提供了理论支承。机床夹具设计质量成为影响工件加工质量的重要因素。哈尔滨工业大学的金天国等人给出了自动确定和求解装配中元件尺寸或位置的启发式算法。介绍了参与装配零件的标定方法和装配时匹配关系与装配模型的表达方法，讨论了生成方向匹配链和方向约束链的方法，根据方向约束链和工程约束列出关于零件尺寸和位置的约束方程组。该方法能使设计者在计算机辅助装配设计时对零件的尺寸和位置进行调节，从而使设计者较为全面地考虑装配关系。孙中华等人为提高箱体类零件夹具定位机构设计的智能化水平，提出了箱体类零件夹具定位机构设计的一种智能化方法，设计了夹具定位机构智能化设计的总体结构，采用基于规则与模糊综合评判算法相结合的方法确定定位方案及定位基准面，建立了选取箱体类零件定位件的知识库，并应用知识树通过推理选取定位元件。
2.2机床夹具智能设计系统的开发难点
机床夹具是针对某种特定零件的特定工序设计的，当产品更新或加工对象稍有改变时，它很难重新改装，往往需要另行设计制造，所以对于这类产品的三维计算机辅助设计提高的设计效率并不十分可观，导致了其在今天二维转三维的热潮中，仍然原地踏步。另外一个原因就是对于机床夹具的设计找不到有“任何规律”的夹具体和灵活性”零件等来组成定位元件、导向元件和夹紧机构等通用件，虽然在计算机辅助的智能设计系统中，那些通用件是很容易实现的，但是夹具体这种“灵活性”零件是随着被加工件的改变而改变，又随着定位、导向、夹紧等通用件选择和定位的不同而变化的，其实现智能设计存在着一定的困难。所以机床夹具的智能化设计系统的研发是有一定难度的。
2.3机床夹具智能设计系统的系统结构
专用夹具设计是一个复杂问题，不仅需要选择定位元件、导向元件和夹紧元件等其他装置或元件，并进行精度分析和夹紧力校核，而且需要进行夹具结构设计，最后绘制出夹具装配图和零件图。根据出产品的功能要求，在进行产品设计时，工程技术人员需要参阅大量的技术资料、相关技术数据，以及以往相似的设计方法和经验，进行综合性的比较、计算、推理和评价，这个过程是以知识库为信息传输的。因此，机床夹具智能化设计系统中包含了通用件库、数据库、夹具实例库、及模型库等在内的知识库系统。系统再根据获取的零件信息和工序信息，进行决策，选择定位件、夹紧件等，然后进行夹具结构布置设计，并输出设计结果。装配图的设计是根据生成的夹具设计方案自动生成装配图。但自动生成的装配图是不完善的，还不能满足实用要求，因此系统提供了一交互设计工具，对装配图进行编辑修改。数据库管理系统对夹具元件库、装配图库和零件图库等进行统一的管理与维护。
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2.4机床夹具智能设计系统技术发展
CAD和CAFD技术，在整个机床夹具智能化设计系统的研究和开发中，CAD技术起着十分重要的作用，但是通用化为标准的CAD技术只是简单地画图工具，并不能专业的计算机辅助设计技术，所以很多技术设计人员都着重去研究面向行业的CAD系统，所以在夹具设计行业，诞生了计算机辅助夹具设计技术CAFD。CAFD属于计算机辅助设计范畴，指导其设计对象是夹具，因此在计算机辅助设计中所用的设计方法、设计技术、设计工具、计算机软硬件等在计算机辅助夹具设计中均可运用。UG参数化设计技术，参数化造型设计技术是指设计对象的结构形状比较定型，可以由一组参数来约束其几何形状和尺寸的关系。其中几何约束用于保证特征的几何形状及已有特征的连接关系，如平行、垂直和共线等约束；尺寸约束用于通过尺寸驱动来改变特征的大小，并保证其与已有特征的尺寸联系。参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，通过修改参数和进行尺寸驱动可得到不同形状和尺寸的设计模型。其中参数化设计的主要特点有以下几点：设计的三维模型可以随结构尺寸的变化而自动修改，减少重复劳动；可以将三维几何形体向所需要的平面投影以获得二维视图；可以非常方便地计算设计中所需要的体积、质量和质心等物理量，能够生成与CAE 系统密切相关的数据；能够仿真装配、运动及加工过程，生成数控加工的数据。UG 是德国西门子公司推出的当今世界上最先进的高端软件平台之一，广泛应用于航空、航天、机械、汽车、船舶、模具和家用电器等领域。许多世界著名公司均选用 UG 作为企业计算机辅助设计、制造和分析的平台，通过以上分析将UG参数化设计技术是机床夹具智能化系统设计未来发展的必然趋势。
3机床夹具智能设计系统实现的关键技术
3.1建立完整的知识库
以三维数字化模型的方式存储典型夹具案例，以供用户参考学习。当用户调入一个被加工件模型后，可以到这个案例库中搜索相似工件的夹具设计方案以便进行快速合理的夹具总体设计方案的确定。在通用件库中存储的是定位元件、导向元件、夹紧机构及操作机构等通用件，这些通用件也是以三维数字化模型的方式存储，每个模型中存储模型的尺寸信息还有可选择的系列数据等信息。为了确保智能化设计系统设计的夹具能够满足精度要求，保证定位的可靠性，在选择完定位元件后，要根据需要进行定位误差的计算；为了使夹紧装置满足夹紧需求，需要进行夹紧力的计算及夹紧机构推力的计算。不同的工件类型对应不同的定位方式和夹紧方式，需要选择不同的计算公式进行计算，所以在数据库中对这些不同类型的计算进行了分类存储。对于夹具系统中的导向模板及夹具体等零件的设计比较灵活，对常用的夹具体和钻模板等结构存储到了模型库中供用户参考。
3.2 CAFD技术的研发
交互式计算机辅助夹具设计系统：设计人员应用CAD软件的图形功能，建立标准夹具数据库，通过对定位方法的选择、信息检索、选择原件和安装增强计算机的辅助图像功能。交互式夹具设计在传统的夹具设计基础上根据工件的性能、特征对定位方案、夹紧方案进行更为精确的选择，再通过人机交互的方式完成各功能元件和部件的选择与设计。计算机辅助夹具设计系统基于承租技术的基础上，承租技术能根据零件几何形状的信息和装夹信息，由夹具编码系统在典型夹具图形库中检索出相似夹具，输入来完成夹具的设计。在设计新夹具时，系统根据工件的信息找到类似的夹具，再进行修改以满足设计的要求。智能化的计算机辅助夹具设计系统：随着CAD技术和人工智能技术的发展，智能化计算机辅助夹具设计技术普遍被应用。主要研究夹具设计专家系统，它是收集人类夹具专家的知识整理成知识库，解决定位、夹紧方法的选择、位置的确定。
3.3 UG软件的OPEN API开发与WAVE技术的结合
系统开发的实现是利用了UG软件的OPEN API开发功能，并结合了软件提供的 WAVE技术。虽然现在的很多三维设计软件都提供了产品参数化设计的功能，但他们只是实现了零件或部件间的尺寸相关的手段，而UG的 WAVE 技术在此基础上，还能实现零件或部件间的几何形状的相关性，可以根据具体的需要进而实现几何形状和空间位置的完全相关。这个功能成功解决了机床夹具体这类“灵活性”零件的建模问题。该系统不仅提供了符合三维设计流程的设计向导和供设计人员选择调用的强大的知识库，还解决了夹具体等“灵活性”零件的三维模型生成问题，是组合机床夹具设计人员很好的辅助工具，对提高设计效率有很现实的意义。
3.4 ODBC技术的应用
微软公司首先确立和倡议使用ODBC，随后渐渐被数据库界广泛接受和采用的访问数据库的统一标准。ODBC主要由数据源、数据库驱动程序、驱动程序管理器和应用程序构成。数据源主要是用来提供在应用程序中要访问数据库的位置及DBMS 等信息。而数据库驱动程序是用来实现 ODBC本身的 API 函数与数据源进行交互的一组动态链接库，不同的数据库需要不同的数据库驱动程序，通过应用程序实质上对数据库进行各种具体的操作。驱动程序管理器是ODBC技术的一个重要组成部分，是用来管理数据库的驱动程序，根据应用程序的信息进而确定数据库中相应的驱动程序，负责将程序中的数据库通信的 SQL语句及其他有用的信息传递给驱动程序。应用程序主要负责调用 ODBC提供的API函数，提交要对数据库执行的 SQL语句，提供给用户方便、友好的操作界面，以完成特定的功能。
在机床夹具设计中，方案设计是最重要的方面，对夹具设计的质量具有决定性的影响。而目前的CAD技术尚不能解决方案的自动化设计问题。这是因为方案设计是一种创造性活动，需要综合运用许多学科的专门知识和丰富的经验，经过思考和推理，才能得到正确合理的设计。设计质量则取决于设计者个人的知识水平和经验。因此，采用人工智能技术、CAFD技术以及UG技术，实现夹具方案的智能化设计，将会大大提高机床夹具设计的质量和自动化程度。但是要想进一步研究和开发机床夹具智能化设计系统，需要吸收国外先进的技术与经验，应用于实践并进行总结与归纳。
参考文献：
［1］赵红美.组合机床多轴箱 CAD 的应用现状［J］.现代制造工程，2013（11）：63-65.
［2］王德权.组合机床夹具 CAD 系统的开发［J］.组合机床与自动化加工技术，2014（6）：7-10.
作者简介：
吴垠昊，哈尔滨石油学院，系别：机械电子工程系，专业：过程装备与控制工程，年级：14级。
论文作者:吴垠昊
论文发表刊物:《基层建设》2015年27期供稿
论文发表时间:2016/3/18
标签：夹具论文; 机床论文; 系统论文; 工件论文; 技术论文; 零件论文; 元件论文; 《基层建设》2015年27期供稿论文;