摘要：提高夹具设计的质量和效率在产品生产制造中具有重要的意义，计算机辅助夹具设计技术（Computer Aided Fixture Design，CAFD） 的提出，为夹具设计提供了一条非常有效的途径。但是，当前基于CAD的夹具设计系统大多还停留在解决设计过程中的几何建模层次上，即使引入了一些智能机制，但在处理复杂夹具设计时仍然存在一些问题，主要表现在大多数CAFD系统忽略了工件的几何特征或者其求解机制很少结合这些几何特征，使得实现智能化的夹具详细设计困难。另一方面，工件几何拓扑特征直接决定了夹具结构，在应用广泛的基于实例推理的夹具设计系统中几何拓扑信息无法利用， 限制了实例检索效率，也限制了实例重用效率。此外，夹具设计中常用的专家系统等推理方式，知识获取困难，在很大程度上限制了智能设计系统的应用。
关键词：夹具设计；计算机辅助夹具设计；几何推理；几何分析；特征识别；智能设计
引言
随着对于夹具在生产中的重要性认识，CAD技术逐渐被引入到夹具设计领域，从而形成了计算机辅助夹具设计（Computer Aided Fixture Design ,CAFD）研究领域。并将产品设计的许多先进思想也引入到夹具设计领域，其中包括CBR（Case-based Reasoning）、专家系统技术（Expert System）旧和基于知识的夹具设计等。使得夹具CAD从提高设计绘图的效率、辅助夹具绘图，发展成为以提高夹具设计效率为目的的多种技术综合应用。但是这些技术往往与产品设计中使用的方法相似，产品设计经验的重用，基于规则的方法的应用，而忽略了夹具本身的特点。夹具设计具有强经验弱理论的特点，对于夹具设计的专家系统等技术存在知识难以获取等不利因素，同时夹具设计较之普通的机械产品设计具有大量的几何信息可以利用。而夹具设计的布局规划、元件选择等各个方面都与这些几何信息有着直接的联系，这样的背景下几何推理技术被引入到夹具设计过程。目前，国外的研究已经将几何推理技术应用到夹具设计领域，但是这些研究还主要集中在二维规划方面，对于日益兴盛的三维设计技术，这样的规划方法一定程度上已经不能满足集成化的要求，而几何推理的最新成果也没有能够在夹具领域得到应用。本文在这样的背景下，提出了针对三维夹具自动化智能化设计要求的几何推理技术的研究，以实现CAFD技术与CAD/CAM的集成，提高生产准备的效率，探索几何推理技术在产品智能化设计中的应用途径。
一、计算机辅助夹具设计（CAFD）
1.1 CAFD发展概述
CAFD作为CAD应用的一种专业系统，基本上是和CAD技术同步进行研究的。从文献[20]上可见，俄罗斯学者在20世纪70年代开始夹具CAD的工作，由于计算机硬件和软件的限制，进-步发展受到很大的阻碍。20世纪80年代，欧美学者投入这一工作。80年代后期以后我国也开始进行研究。目前CAFD的研究可以分为以下几个阶段：
1）第一阶段：交互式计算机辅助夹具设计系统。
与20世纪80年代初CAD软件的水平相配合，这是一种交互式设计系统。设计人员简单应用CAD软件的图形功能，建立一个标准夹具元件数据库，结合定位方法选择、工件信息检索、元件选择、元件安装等功能，在计算机屏幕上装配成夹具图，这在一定程度上增强了计算机的辅助图功能，避免了一些重复性的劳动。随着三维CAD逐渐成为计算机辅助设计的主流和参数化技术的发展，标准件库技术也得到了相应的发展，并具有了一定可扩展能力，提高了标准件库的适用范围，交互式计算机辅助夹具设计也逐渐转向三维设计环境，为夹具设计提供了良好的设计平台。无论自动化设计还是智能化设计都不能完全解决夹具设计的所有问题，因此交互式夹具设计在目前很多智能化和自动化夹具设计系统中仍然需要应用。
2）第二阶段：基于成组技术（GT）的计算机辅助夹具设计系统。
基于GT的CAFD出现于20世纪80年代中期。其基本思想是利用成组技术根据零件的几何形状的信息、零件的装夹信息，即定位、夹紧及零件的加工工艺信息等进行编码，由夹具编码系统在典型夹具图形库中检索出相似夹具，或直接选用过去使用效果良好且技术成熟的夹具，经过手动修改成合乎需要的夹具，并将修改后的夹具按照GT编码，输入夹具库完成夹具的设计。成组技术的主要缺点是编码过程复杂，而且编码对于夹具信息的描述准确程度有限，而且需要确定如何评价夹具之问的相似性系数，需要专家给出，否则检索不到合适的夹具。但是对于不同的夹具的相似性评价方法不一，因此，这种设计方法的柔性不好，需要对于各个企业订制。而且这种方法中，夹具修改的自动化程度也比较低。
3）第三阶段:自动化计算机辅助夹具设计系统。
20世纪80年代中期以后，以Brost-Goldberg算法为代表，人们开始试图采用一定算法来自动设计出符合要求的夹具。这些算法包括自动确定夹具的定位方案，确定零件的夹紧方案，夹具安装规划等。但是最初这些算法主要解决的二维和准二维的零件的夹具规划，算法适用性有限，并且也只能对于简单的零件进行夹具规划。随着三维CAD软件的逐渐普及，目 前自动化夹具设计方法已经开始转向三维夹具规划，相对于二维夹具的定位规划，三维情况更加复杂，规划与装配应该同时予以考虑。但是，这些算法对于解决三维环境下的夹具设计都显现出或多或少的不足，特别是对于复杂零件。而且，这些算法支持的是过于刚性的自动化，只能适用于某一类零件，对于其他零件则无能为力。例如Brost-Goldberg算法只能支持棱柱类零件。由于自动化的刚性，智能化的夹具设计开始受到人们的重视。
4）第四阶段:智能化的计算机辅助夹具设计系统。
智能化的计算机辅助夹具设计技术是随着CAD技术和人工智能技术的发展而逐渐发展起来的。智能化夹具设计的研究主要包括以下几个方面：夹具设计专家系统、基于实例的夹具设计、基于智能算法的夹具规划方法等。夹具设计专家系统主要是收集人类夹具专家的知识整理成知识库中的规则，然后通过专家系统的推理机得到各种决策。这类系统主要解决定位、夹紧方法的选择，位置的确定。在目前的研究中，有的专家系统已经收集了上千条的规则，但因工件的多样性和夹具设计的复杂性，也只能设计工件形状较简单的夹具。基于实例的夹具设计，针对于夹具设计规则抽取困难的弊端，采用一种利用经验知识来解决夹具设计问题，并取得了较好的效果。基于实例的夹具设计主要研究对于夹具设计实例的检索,对于实例的存储、实例的修改、实例重用的研究则很少涉及。并且目前夹具检索算法也主要是对于夹具的宏观属性进行比较，这种实例检索算法与基于GT技术的夹具设计基本没有分别，没有充分发挥CBR技术的潜力，因此在基于实例推理方面的夹具设计还有待进- -步研究。面向夹具设计的知识挖掘技术是智能化夹具设计的另一个研究方向。这类研究针对夹具设计知识获取困难的问题，将数据挖拥技术和神经网络技术引入到夹具设计学习过程，从夹具实例中提取出支持夹具设计的知识。但是这些方法中没有考虑到夹具设计工序件的几何拓扑特征，而几何拓扑特征恰恰是决定夹具设计的关键因素，需要进-步改进。其他应用于夹具设计领域的智能技术还包括灰色系统理论和Agent技术，随着CAD技术和人工智能技术的发展将有更多的智能方法将会应用于夹具设计以提高夹具设计的效率。
二、夹具智能设计的关键技术
2.1夹具自动规划。
夹具规划又称为夹具方案设计。主要是根据工件信息、安装规划（CAPP确定的加工次数、加工表面、工件方位）、加工的刀具机床、夹具组件等信息，规划设计夹具的定位方案和夹紧方案。要求夹具智能设计系统具有对于三维CAD软件进行自动分析的能力，在分析结果的基础上利用算法确定工序件的定位方案和夹紧方案。当然规划设计的结果要经过人工的或者自动的验证确定，然后输出某种格式的夹具规划结果，作为后续工作的输入。这里面的关键是自动规划设计的推理方法、寻找定位夹紧位置的算法、运动分析、基于规则的系统方法等研究途径。
2.2夹具结构设计自动化。
夹具结构自动化设计就是要根据夹具规划的结果，选择元件决定位置和方位，输出夹具装配图、元件明细表、夹具装备说明等信息或者直接输出到机器人装配。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆这需要夹具设计软件具有智能化选择夹具元件的能力和自动化装配的能力。这方面难点很多，而在这方面的研究文献很少，.上世纪90年代以 来有一些研究，但是都不成熟，这也是至今未有商品化结构设计自动化软件产生的原因。
2.3夹具设计知识获取。
夹具设计知识的获取就是从以往的夹具设计实例中获取支持夹具设计决策知识的过程。但是夹具设计的经验性往往高于夹具设计的理论性，在一定程度上限制了夹具设计知识的表达。目前利用经验知识比较成功的方法是基于实例的推理方法，但是当实例规模较小时，或者检索到的实例与待设计夹具的相似性很小，则这种经验性的指导意义基本为零。由于企业间的技术保密问题，基于实例的推理系统，移植性很差， 因此，采用一定的手段从夹具设计实例中总结出夹具设计的知识，并以一定的形式表达出来，对于夹具设计具有积极的意义。目前，这方面的研究较少，这也是夹具智能化设计的一个主要障碍。
2.4 CBR技术的全面解决。
CBR技术的主要包括实例存储、实例检索、实例重用和实例修改，但是目前研究主要集中在实例存储和实例检索，实例重用和实例修改的研究则比较少见，造成了CBR技术成为一种“检索软件”。并且，目前实例存储和实例检索都没有考虑到工件的几何拓扑信息，检索精度有限，且需要大量输入信息，过程繁琐。因此，很多研究人员开始怀疑CBR的必要性，当实例规模较小的情况下，采用人工的检索方法得到的结果更加准确，使得CBR失去了原有的意义。因此，寻求CBR技术的全面解决，将成为进一步提高夹 具设计智能化的方法。
2.5夹具功能检查和性能评价。
夹具智能化设计结果都需要检查某些性能要求，以保证夹具设计的合理性。通常对于夹具设计结果的检测项目包括:刀具加工轨迹包络面是否和夹具元件产生干涉、加工精度、刚度和变形、各夹紧点夹紧力作用下的工件稳定性等。对于夹具智能化设计，夹具功能检查和性能评价是必不可少的部分。
2.6系统集成和标准化接口及分析技术。
夹具的智能设计不可能是孤立的，必定要和其他的系统、软件集成，获得必要的信息从而支持夹具的智能化设计。比如:需要从CAPP得到安装规划，需要调用工件CAD图数据、元件CAD数据。结果要用CAD输出，夹县设计人员可以修改夹具的CAD图，需要和夹具元件库、夹具设计图纸库、夹具的生产准备和流通、生产作业计划等信息管理系统交互。从其它系统输入的信息要经过智能化分析，输出的信息要经过智能化加工，而读取数据的标准化是保证智能化设计的必不可少的条件。因此开放的系统体系结构和标准的接口将有助于智能化CAFD系统的开发与实施。
三、几何推理技术
由于CAD、CAPP、CAFD和CAM的集成需要的信息往往不同，目前实现CAD、CAPP、CAFD和CAM集成的方法需要大量的重复劳动，这样不但延长了产品开发时间和减低了开发效率。
利用几何推理技术可以重复利用CAD模型中的几何信息，实现对于CAPP、CAFD和CAM的多方面信息的支持，实现一种信息多种利用，减小工作的重复程度，提高整个产品开发效率。
3.1特征识别技术
特征识别的研究工作最早开始于70年代中期的英国剑桥大学CAD中心。该中心的Grayerl6l在1975年首次尝试从零件的实体模型中自动提取出对计算零件的数控加工刀具轨迹有意义的几何形状，如型腔，并基于如此的特征进行零件的刀具轨迹计算。1980年， 该中心的另一位研究人员Kyprianou,在他的博士论文中首次正式引入了现有的特征识别思想，从而奠定了基于边界表示进行特征识别的基础。从此以后，特征识别技术以及特征的概念受到了学术界以及工业界的普遍重视，研究工作广泛展开。新的特征识别方法不断出现，特征识别的范围也从开始的加工特征扩展到检测特征、分析特征等许多方面。
到目前为止，虽然特征识别方法的种类已经很多，但是它们从整体上可以分成两大类，一类是基于边界匹配的特征识别方法，另一类是基于立体分解的特征识别方法，下面对这两类方法进行具体讨论。
3.1.1基于边界匹配的特征识别方法
由于每一类特征都有其一定的边 界模式，因而特征识别的一个自然方法就是通过搜索零件的边界模型，寻找其中符合特征边界模式的区域，进行识别出零件中包含的所有特征。我们将这类基于零件的边界表示，通过边界匹配进行特征识别的方法统归为基于边界匹配的特征识别方法，这类方法也是最早出现的特征识别方法。
3.1.2基于体分解的特征识别方法
特征除具有特定的边界模式外，还具有特定的体积模式。鉴于特征的体表示十分重要，从而特征的边界表示自动导出特征的体表示并非易事，因此人们从80年代初就开始研究直接识别体特征的方法，即所谓基于体分解的特征识别方法。该类方法在80年代初提出后，曾沉寂了许多年，似乎已被人们放弃，然后到了90年代初，人们对它的研究开始复苏。
3.2夹具设计的几何推理技术
夹具设计包括三步:安装规划；夹具规划和夹具结构设计。安装规划的研究已经在CAPP范围内提出。计算机辅助夹具设计（CAFD）的基本工作集中在夹具规划中，已有的研究有:一种自动决定夹具定位和夹紧的方法；提供最大机械力臂的定位、夹紧位置选择的一种算法；基于夹具规划的运动学分析，以及对于菱柱形工件的基于规则的组合夹具设计系统。但是以前的工作中关于自动生成工件夹具结构，即夹具结构自动设计（AFCD），却很少涉及。夹具设计依赖于工件表面.上的关键的定位和夹紧点，相对于这些点才能够根据CAD图形功能选择夹持工件的夹具元件。目前已经有了二维组合夹具元件放置算法。除此之外，也已经有了槽系组合夹具元件的自动结构设计方法。当指定定位夹紧面和点的时候，也已经有了开发成功的自动夹具结构设计系统，它能够自动选择组合夹具元件并产生夹具组件，并且将其放置到满足装配要求的位置。也定义了自动生成夹具元件之间的装配关系。
结束语
由于CAD、CAPP、CAFD和CAM的集成需要的信息往往不同，目前实现CAD、CAPP、CAFD和CAM集成的方法需要大量的重复劳动，延长了产品开发时间和减低了开发效率。利用几何推理技术和智能化设计技术可以重复利用CAD模型中的几何信息，实现对于CAPP、CAFD和CAM的多方面信息的支持，实现一种信息多种利用，减小工作的重复程度，提高整个产品开发效率。
面向产品设计的几何推理技术还有待进一步研究。本文讨论的主要是夹具设计问题，从夹具工序件中提取工序件的几何信息，通过几何推理技术确定夹具结构方案，这是在具有-定几何拓扑信息可以利用的条件下进行的推理过程。而对于产品设计过程来说，功能-结构映射中能够利用的几何信息不多，如何在这种情况下利用几何推理技术还有待进一步研究。
参考文献
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论文作者:郝首成
论文发表刊物:《基层建设》2018年第19期
论文发表时间:2018/9/10
标签：夹具论文; 几何论文; 技术论文; 特征论文; 方法论文; 实例论文; 工件论文; 《基层建设》2018年第19期论文;