基于本體和知識(shí)組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)

鄧江榮

摘 要：本文結(jié)合夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的知識(shí)本體模型理論與知識(shí)組件技術(shù)原理，進(jìn)行基于本體和知識(shí)組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)方法構(gòu)建，并對(duì)其具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的過程以及智能化選擇與控制方法進(jìn)行分析，最后通過實(shí)例，對(duì)該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：知識(shí)本體；知識(shí)組件；夾具結(jié)構(gòu)；智能設(shè)計(jì)

夾具作為機(jī)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(jī)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(jī)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(fù)雜、多樣性特征，使得夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中也具有一定的多樣性和不確定性特征，對(duì)設(shè)計(jì)人員的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)等要求較高。另一方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與軟件系統(tǒng)在機(jī)械加工領(lǐng)域的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，采用計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)以促進(jìn)夾具設(shè)計(jì)智能化與自動(dòng)化發(fā)展，成為當(dāng)前機(jī)械制造智能化發(fā)展中研究和關(guān)注的重點(diǎn)。

1 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的知識(shí)本體模型與知識(shí)組件技術(shù)理論分析

1.1 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的知識(shí)本體模型

夾具設(shè)計(jì)中，其知識(shí)經(jīng)驗(yàn)主要圍繞夾具元件以及工件、實(shí)例等夾具設(shè)計(jì)實(shí)體要素及其相互關(guān)系的規(guī)則與方法進(jìn)行展開論述，因此，夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，其知識(shí)本體模型就是建立在上述三個(gè)實(shí)體要素及其設(shè)計(jì)知識(shí)基礎(chǔ)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(shí)本體模型的構(gòu)建則是以夾具元件屬性及使用情景進(jìn)行相應(yīng)的模型體系構(gòu)建，如下圖1所示，即為夾具元件的知識(shí)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(shí)本體模型，而Tdm、Idf、Pas和Abi分別對(duì)應(yīng)夾具元件知識(shí)本體的三維模型與功能標(biāo)識(shí)、基本信息、裝配知識(shí)等結(jié)構(gòu)單元，值得注意的是，在夾具元件知識(shí)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(shí)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(guān)系公式Eop等要素；而功能標(biāo)識(shí)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(biāo)準(zhǔn)號(hào)（Nos）、外部參數(shù)（Poe）、內(nèi)部參數(shù)（Poi）、詳細(xì)尺寸系列（Dms）以及夾具裝配特征（Asf）、裝配關(guān)系（Asr）、裝配參數(shù)（Asp）等。

其次，夾具設(shè)計(jì)知識(shí)本體模型中，工件知識(shí)本體則是夾具設(shè)計(jì)需求的體現(xiàn)，也是進(jìn)行夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要信息來源，其模型結(jié)構(gòu)包含三維實(shí)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(shí)本體模型定義為Wpo，則其結(jié)構(gòu)組成可以通過下圖2進(jìn)行表示。

此外，夾具實(shí)例知識(shí)信息是夾具設(shè)計(jì)完成基礎(chǔ)上的整體信息完整表示形式，也是夾具元件與工件知識(shí)本體上層表現(xiàn)，其知識(shí)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(guān)聯(lián)信息Rel，其中，夾具與工件關(guān)聯(lián)信息Rel中由包含夾具與工件的位置對(duì)應(yīng)關(guān)系Prp、夾具與工件的裝配關(guān)系A(chǔ)rp、其他信息Oth等，如果將夾具實(shí)例知識(shí)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(jìn)行表示。

1.2 基于知識(shí)組件的夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，知識(shí)本體屬于設(shè)計(jì)知識(shí)的靜態(tài)部分，其靜態(tài)知識(shí)需要結(jié)合夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程，并根據(jù)相應(yīng)的規(guī)則機(jī)制和結(jié)構(gòu)框架在合理運(yùn)用與決策基礎(chǔ)上，形成夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而獲取相應(yīng)通過夾具實(shí)例本體表現(xiàn)的設(shè)計(jì)結(jié)果。其中，夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)知識(shí)本體模型的合理運(yùn)用和決策所依據(jù)的規(guī)則機(jī)制與結(jié)構(gòu)框架則是依賴知識(shí)組件技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。知識(shí)組件，顧名思義，就是由知識(shí)域中知識(shí)點(diǎn)之間關(guān)系構(gòu)成的、具有局部完整性特征的知識(shí)結(jié)構(gòu)模塊。如下圖4所示，即為夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中知識(shí)組件的結(jié)構(gòu)組成示意圖。

在夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)知識(shí)組件結(jié)構(gòu)中，知識(shí)組件任務(wù)向?qū)е忻總€(gè)模板能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立管理，而知識(shí)組件引擎作為整個(gè)結(jié)構(gòu)的核心，主要進(jìn)行信息傳遞和處理；知識(shí)庫是為知識(shí)組件引擎在夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用的對(duì)象數(shù)據(jù)及智能設(shè)計(jì)提供方法；求解器是進(jìn)行知識(shí)組件應(yīng)用程序集中管理的重要結(jié)構(gòu)裝置，能夠進(jìn)行求解模板中各類文件的執(zhí)行。基于知識(shí)組件的夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在對(duì)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(wù)在夾具選擇知識(shí)組件與尺寸驅(qū)動(dòng)知識(shí)組件、建模裝配知識(shí)組件中分別封裝實(shí)現(xiàn)，來根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)順序進(jìn)行相應(yīng)知識(shí)組件調(diào)用及其各自之間信息與知識(shí)傳遞關(guān)系設(shè)計(jì)，完成以夾具結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)模型為支持的各項(xiàng)設(shè)計(jì)任務(wù)。

2 基于本體和知識(shí)組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)分析

2.1 基于本體和知識(shí)組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)

根據(jù)上述對(duì)夾具設(shè)計(jì)的知識(shí)本體與知識(shí)組件技術(shù)理論分析，我們得出在基于知識(shí)組件的夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，知識(shí)組件引擎為其重要核心構(gòu)件，并且也是對(duì)不同設(shè)計(jì)任務(wù)的智能設(shè)計(jì)方法集成。所以，此夾具結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)可以從夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三個(gè)本體模型知識(shí)組件引擎智能設(shè)計(jì)上進(jìn)行論述。

首先，在夾具元件類型的智能選擇設(shè)計(jì)上，夾具選擇知識(shí)組件中，對(duì)于工件定位與固定等裝夾特征有關(guān)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(shè)計(jì)流程可以看出，夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中選擇知識(shí)組件的智能選擇主要包含備選夾具選擇和依照匹配度進(jìn)行備選夾具元件排序兩個(gè)階段。其中，在備選夾具選擇中主要應(yīng)用了基于規(guī)則的推理計(jì)算方法，共包含依照夾具工件知識(shí)本體模型結(jié)構(gòu)中的夾具規(guī)劃和裝夾特征信息對(duì)預(yù)設(shè)規(guī)則外的夾具進(jìn)行排除，以及通過將工件知識(shí)本體和夾具實(shí)例知識(shí)本體進(jìn)行匹配，對(duì)匹配度大于設(shè)定范圍值情況的裝配夾具進(jìn)行保留。

其次，在夾具尺寸智能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的知識(shí)組件尺寸驅(qū)動(dòng)知識(shí)組件部分，主要通過對(duì)工件和夾具本體關(guān)鍵參數(shù)的匹配實(shí)現(xiàn)夾具大小確定。如下圖6所示，即為夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中夾具尺寸智能驅(qū)動(dòng)具體流程示意圖。

圖6 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中夾具尺寸智能驅(qū)動(dòng)流程

最后，在夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，夾具智能裝配由建模裝配知識(shí)組件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，其在對(duì)尺寸驅(qū)動(dòng)知識(shí)組件所生成的夾具元件模型進(jìn)行接收并對(duì)通過裝配特征表示的裝配信息進(jìn)行提取基礎(chǔ)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(guān)系實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的裝配約束構(gòu)建，從而完成夾具元件的自動(dòng)裝配，其具體流程如下圖7所示。

2.2 實(shí)例驗(yàn)證

根據(jù)上述提出基于本體和知識(shí)組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)方法，以下圖8所示的金屬斜面鉆孔夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，該夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中以某一斜面鉆孔為主要任務(wù)，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(shí)本體模型，在確定工件知識(shí)本體參數(shù)信息的情況下，采用基于本體和知識(shí)組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)方法，在夾具類型智能選擇、尺寸智能驅(qū)動(dòng)以及最終的夾具智能裝配下完成對(duì)該工件的智能設(shè)計(jì)，并生成新的夾具設(shè)計(jì)實(shí)例，在實(shí)例庫中保存后用于夾具選擇支持。

3 結(jié)語

總之，進(jìn)行基于本體和知識(shí)組件的夾具結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)研究，有利于促進(jìn)以知識(shí)本體和知識(shí)組件相結(jié)合的夾具結(jié)構(gòu)智能設(shè)計(jì)開發(fā)和應(yīng)用，對(duì)促進(jìn)設(shè)計(jì)知識(shí)在夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用以及提高設(shè)計(jì)效率等，都有著十分積極的作用和意義。

參考文獻(xiàn)

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

[2]焦麗麗，趙健.基于UG的組合機(jī)床夾具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（08）：240-241.