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参照实例的计算机辅助焊接工装夹具设计的推理机制
摘要：本文呈现了一个在大型复杂设备制造中的重要问题：焊接工装夹具设计中的推理机制，然而之前关于夹具设计的研究主要是在加工夹具而不是焊接工装夹具，在本文中列出了一种在夹具设计中数据抽象化的解决方法，首先被用于系统化管理夹具相关的资源。例如，以前的夹具设计解决方案，夹具单元储存。基于这种方法，呈现了一个多层级的焊接夹具的问题调用系统，这种方法能通过参考以前的设计案例帮助设计师们做出一个大概的夹具的解决方案，最终在夹具设计上做出一个详细的解决方案。
介绍
焊接对于包括国防工业在内的高价值制造过程是十分重要的，焊接通过这些工业对美国经济的贡献不少于78.5亿，这数据代表了这些公司所有支出量的7%，焊接夹具对焊接质量，焊接效率，焊接消耗有着巨大的影响，并且被广泛地用于焊接行业。大约来说，这种跟夹具和制造相关消耗可以占总的制造系统消耗的10%-20%。传统地说，夹具设计经常依靠与夹具设计工程师的经验/知识，并且经验和知识通常需要10年以上的制造经验才能用于设计高质量的夹具。此外，设计夹具是一项乏味耗时的工作，一个有经验的夹具设计人员，会对例行公事一样的工作和它低下的效率而感到疲惫，尽管一个夹具工程师在他掌握夹具设计技术前需要积累上年的经验。尽管，现在在制造公司已经有了丰富的技术知识，和许多设计案例，并且计算机辅助设计制造技术已经足够先进了，但是在焊接夹具方面的应用仍然非常有限。因此，发展先进的夹具设计方法可以产生显著的好处，包括减少消耗。最近，大多数报道的研究主要都着重于加工夹具，而在焊接方面计算机辅助夹具的应用仍然十分有限。一个十分重要的原因是缺少有效的方法来利用焊接相关的产品数据。本文剩下的部分如下组织：第二部分提供了一个对现在夹具研究的讨论。第三部分对于我们基于案例的焊接工装夹具设计研究的详细描述。首先，给出了一种利用多层次抽象数据机制作为他的核心的信息表示方法，这种表示方法把焊接夹具设计的解决方案当作一个部分关系模型。然后，基于这种信息代表方法——一种案例依据参照的焊接夹具设计方法提供了一种三级参照人机交互并存的设计，最终，呈现了一个用于说明我们提出的基于案例的参照方法。
文献回顾
设计夹具是用来在一定范围内定位或者夹持一个工件，一般来说在夹具设计中有四个部分: 安装构想、夹具构想、夹具单元设计和验证。正如图表1所说的，安装构想决定了完成制造工艺所需要安装的步骤和每个步骤所需要完成的任务，例如：每步正在进行的制造工艺和工件，每个工件的摆放方向和位置。一步代表着工件不人工改变方向和位置所有的加工步骤之和。在夹具设计中，需要辨识出定位所作用的表面和工件上实际的位置，定位点的数量和位置必须如此工件才能在加工过程中被有效的限制住。在夹具设计的第三层面，生成合适的单元（及定位夹紧单元和基板）在验证阶段，设计被测试以确保满足所有工件加工的需求。设计还需经过确认以确保它满足其他的设计考虑包括夹具消耗，夹具重量装配时间，工件和夹具单元的装载卸载时间。
图表1.夹具设计过程的基本组成成分
图表2.夹具设计的案例参照分析方法
过去十年间，无数的努力造就了很多智能的计算机辅助夹具设计的应用，例如专家系统、案例参照分析、追溯性算法。有些方法初生之际就被寄予帮助整个夹具设计过程的期望。Nee和Kumar做出了重要的贡献，他们改写了一个依据规则的专家系统，能够生成一系列的夹具建议和评估夹具表现。他们也提供了一个案例参照分析系统的框架，过去的设计案例能够根据夹具设计的工件的属性被索引。然而，很少有方针是选择合适指标而不是靠设计师的设计的指引，Shu Huang Sun和J. L. Chen提出了一个模块化夹具设计方面案例参照的技术。Boyle,Rong 和Brown他们在夹具设计的案例参照的工作十分有趣，他们呈现了一个带有两个案例文件库的案例参照技术CAFixD：第一个文件库储存了概念夹具设计就夹具设计原则而言，而第二个文件库储存了构成夹具的各个单元。所以，CAFixD用户可以通过第一文件库的导航得到概念化的设计，然后通过第二个文件库得到合适的夹具单元。很多智能的方法也被用于夹具设计的阶段，有些致力于产生最优夹具布局的方法。在夹具设计优化方面追溯性算法是十分流行的。N. Kaya的追溯性算法在定位夹紧的优化方面，而Krishnakumar的追溯性算法主要致力于结构的优化T. Aoyama, et al.的算法主要用于优化装夹的位置和夹紧力。这些方法给出了一系列夹具该如何定位而不需提供夹具单元的实际物理形态Kumar 和Subramaniam尝试着在概念层面上利用追溯算法、神经网络和机器学习技术先设计一个夹具单元，然而他们产出是一个高度概念化的夹具单元设计，并指定了基本型和其组分的性质。夹具设计验证方面的研究也引起了关注Kang使用了定位表现指数来优化定位的布局和准确性，连接稳定性指数来优化夹紧力。Yi Zheng利用了有限元分析来优化夹具的刚度，Ceglarek 和Shi在车身部件中利用了模式识别来诊断夹具的失效
夹具设计中替代方法同样也是一个很好的方法，问题替代通常对夹具的可行性和尝试的方法十分重要。与此同时，一个开源的概括的问题解决方法也同样能够帮助在CAFD（计算机辅助工装设计）和其他的CAD(计算机辅助设计)CAM(计算机辅助制造)系统，或者整合一些只着重于一些层面的设计的系统成为一个有效的混合夹具设计系统，一些爱好者以XML为基础用于案例参照分析的案例呈现也是一个很好的例子。
夹具设计的工作是一个典型的依据经验的工作，要减少消耗增加产能，在夹具设计的自动化智能化的技术的需求还是很大的。然而计算机辅助夹具设计知识应用和工业需求的高效夹具设计系统仍应是有很大的差距的，要求夹具设计系统要能够利用专业的只是和以往良好的夹具设计案例。发展一个灵活的机制把安装计划，夹具计划，夹具单元设计和设计确认整合成一个联合的框架是十分必要的。基于这种机制，面向工业夹具设计系统将大有可为。
此外，很多以前的研究致力于加工夹具，而实际上，夹具也广泛用于许多其他的重要制造领域例如焊接。加工夹具的设计和焊接夹具的设计还是有些不同的，例如他们之间最明显的不同是焊接工序下的工件通常是几个部分，而加工工序下的工件通常是一个部件。其他的不同如焊接工装夹具通常比加工用的夹具小，但焊接工装中的夹具的精度不一定有加工中的高hellip;hellip;总的来说，发展和实行焊接夹具设计系统在技术上和经济上都是十分必要的
3、一个以案例参照分析为基础的计算机辅助焊接夹具设计系统
3.1、背景和我们工作的目的
在过去的十年里，Kevin Rong教授所领导的研究团队在夹具设计研究和提供相关工业应用方面投入了很大的努力。我们的最终目的是发明一个在夹具设计的工业应用原理何其解决问题的方法。最近几年，我们得以有机会和一些工业伙伴合作来系统化验证我们的在焊接领域的原理。一般来说，大的工程设备的焊接夹具设计对技术工程师来说是一个复杂并且枯燥的工作。因此，对于我们工业的合作伙伴来说，他们希望能有一个计算机辅助工具来提高效率限制夹具设计师的工作压力，与此同时，由于他们在过去几十年有许多夹具设计的知识，如果一个能够帮助重新利用和参照现存的优秀设计案例的计算机工具能够被发明并被用于这样一个需要经验的工作上面，那将会是一个很大的进展。
以此，我们发明了一个计算机辅助系统促进大型复杂设备的焊接夹具的设计，该系统基于最近夹具设计信息呈现夹具设计知识整合和先进夹具设计方法的进展
3.2、所提出系统的介绍
系统构造是用内核/壳技术，作为一个壳，一个框架一个统一的基础上，系统化的信息表达被发明来封装基本算法在很大层面上数据处理方法，一个夹具设计方面的案例参展分析引擎和数据处理（夹具解决方案的案例为基础）这个壳依照了许多表面接口的CAD系统（如Unigraphics和Pro/Engineer）在这些CAD系统中有嵌入性的应用。作为一个有效协助性工具。提出的计算机复制焊接夹具设计系统能够大概做出一个夹具设计的过程。系统的构造在图表3中表示，主要由如下的功能模块组成:夹具设计的案例参照分析引擎，在解决方案分析中，在引擎能够检索和参照以往的设计案例帮助夹具设计者制作一个大概的夹具设计方案。在细节的设计中，他能够根据夹具的定位夹紧功能结构特点检索合适的夹具单元案例，因此，设计者能够参照旧的案例解决新的问题。
概念设计
概念设计模块利用一个设计师驱动模块，他能够生成一个概念化的夹具设计方案和一些专门的设计方针，在一些总的指导方针模板中，并且指导整个设计过程。
夹具设计模块
这个模块，集成在CAD软件内(如Unigraphics [24], Pro/Engineer [25])帮助设计者们实行详尽的夹具设计和想关的数据处理，他被通过开放架构的系统集成到CAD软件中，例如，纠正负载的案例并且他们修改并应用于新的案例，根据工件检索夹具单元
验证功能
这个模块是一个能够从不同视图/需求下检查设计结果的功能文件库，与此同时，他也能被植入案例参照分析系统来帮助获得合适的结果，他主要包括这些功能：冲击检测，装配/运动仿真，加载/卸载模拟，刚度分析和制约因素分析。
文档处理
这是一个跟文档制作有关的模块，例如编辑、保存BOM的文档，夹具方案，设计需求。导出夹具设计的二维三维模型等等。在这项系统中，整个过程由案例参照分析引擎驱动，并且该引擎是整个系统的核心，引擎对对系统的表现有着决定性的影响。在接下来的部分，我们会给出夹具设计信息呈现的详细介绍，这是我们提出的案例参照分析的坚实基础。
3.3、在夹具设计案例中的多层次的数据抽象化呈现
抽象化是一个在强调共有部分和重要部分时忽略特别部分和次要部分的过程。一般来说，夹具设计的方案可以被看作在这些部件中一些抽象的东西和关系的结合。这些部件（如工件，夹具设计，夹具单元）代表了生产相关的数据集，而这些维度、位置、方向等等的关系反映了设计者技术知识的应用。在图表4中，提出了工业案例中基于模型的对象的数据抽象化处理的原理，一个对象可以被分解成许多更为简单又更确切的技术信息的子对象。
这种想法最终会导致在夹具设计方案中数据对象的分级结构，要把这种方案具体化并且处理大量的潜在数据对象，我们设计了一个语义词典来描述这些数据对象和他们之间的关系
对象语义词典
对象语义词典，实际上，是一系列有着特殊技术意义的对象，它在夹具设计领域有着定义现存对象，对象的性质，和不同实体之间联系的作用。这是为了能够更好的帮助人们理解这些对象的信息并且有助于机器处理相同的信息，该词典作为我们提出方法重要组成部分的重要性，已经把他的规范和表现工具组成了一个汇聚的工作。总的来说，基于层级化信息和关系的抽象画的想法，这些对象，利用对象建模技术，代表了在夹具设计领域的一个明确的技术规范。例如，我们可以定义一个设计案例的结构信息作为对象，结构属性（如图表5）有些在结构属性中的项目也白对象语义词典中被定义了明确额的技术意义，自然地，这样就会生成一个复杂的金字塔结构和信息图。
图表3.计算机辅助夹具设计的系统架构
图表4.夹具设计案例的概念数据抽象化处理
在其底部，有很多只有简单设计意义的基本单元，图表6展示了夹具单元数据抽象化参数，而图表7展示了对象化夹具单元的例证。这种方案的目的是确认信息，搜索查找不同信息资料，从不同的信息源接受观看信息，为提供一个自然连贯的环境，把结果同现在进行的设计相连接。鉴于在制造业公司每天频繁的信息更新，该词典应该灵活可扩展以应对复杂的工业应用，为了达到如此的目的，我们需要为该词典设计一个词义翻译。总而言之，一个词义翻译提供了一个在产品信息模型中的词义物品和词义词典中的物品中建立直接联系的机制。在工业应用方面，我们面对了大量的设计信息（数据）和该数据的更新迭代，为了了解这个机制，我们尝试让这个词义词典更加的灵活。作为在工业应用时系统进化（数据更新）的一个方便设计，词义翻译如果必要可以调整使结果相近。
图表5.设计解决方案的架构（XML形式）
图表6：夹具单元的功能结构制图
所提出理解语义翻译的方法可以是如下：语义翻译提供了一系列语义关联的样本，这样就可以根据这些关联在产品的语义模型和词典中个体建立联系。一方面，这种方法可以确保产品信息模型的简洁性，另一方面，他可以为在语义词典的数据文件中找寻相关信息提供一个简单的方法。在语义词典中语义对象的扩展性对我们提出的理论是一个重要的特性，正如上文所提到的产品信息模型的语义对象和他在资源贮存处的技术信息的关系应该是多级相关的。在语义翻译和语义词典所提供的机制下，一切在词义模型和词义字典相关储存空间中、语义词典的相关部分、甚至是在资源库，这之间的发展或者补充和提升可以很简单的发现。这些改变只能在保证大多数关系和产品的主要结构稳定的情况下影响一个有限的范围，该设计在工程应用中十分有用。由于在实际应用中频繁改变升级的需要，要维持对象语义词典中的平衡通常是十分费力的，这种方法可以减少每天工作的困难，简化操作，提高系统稳定性。
实际上，夹具设计案例的数据抽象化处理的逻辑过程和自顶而下设计有着异曲同工之妙。从一个夹具设计师的角度看，在概念化夹具设计的描述中，他最初会想
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