基于本体和知识组件的夹具结构智能设计

邓江荣

摘 要：本文结合夹具结构设计的知识本体模型理论与知识组件技术原理，进行基于本体和知识组件的夹具结构智能设计方法构建，并对其具体设计实现的过程以及智能化选择与控制方法进行分析，最后通过实例，对该系统的设计应用可靠性进行验证。

关键词：知识本体；知识组件；夹具结构；智能设计

夹具作为机械加工中用于加工元件固定与支撑的重要工件，也是加工机床装置结构的重要组成部分之一，在产品加工及质量效益提升等方面都有着非常重要的影响。需要注意的是，由于机械加工中，加工生产零配件产品结构及类型本身的复杂、多样性特征，使得夹具结构设计中也具有一定的多样性和不确定性特征，对设计人员的知识、经验等要求较高。另一方面，随着计算机技术与软件系统在机械加工领域的应用实现，采用计算机辅助夹具设计以促进夹具设计智能化与自动化发展，成为当前机械制造智能化发展中研究和关注的重点。

1 夹具结构设计的知识本体模型与知识组件技术理论分析

1.1 夹具结构设计的知识本体模型

夹具设计中，其知识经验主要围绕夹具元件以及工件、实例等夹具设计实体要素及其相互关系的规则与方法进行展开论述，因此，夹具结构设计中，其知识本体模型就是建立在上述三个实体要素及其设计知识基础上。

首先，夹具元件作为构成夹具的重要结构单元，夹具元件知识本体模型的构建则是以夹具元件属性及使用情景进行相应的模型体系构建，如下图1所示，即为夹具元件的知识本体模型结构示意图。其中，Fuo被定义为夹具元件的知识本体模型，而Tdm、Idf、Pas和Abi分别对应夹具元件知识本体的三维模型与功能标识、基本信息、装配知识等结构单元，值得注意的是，在夹具元件知识本体的三维模型单元中，三维模型Tdm中又包含夹具元件三维实体模型Gem和三维模型创建的特征参数集合Fep、夹具元件尺寸与特征参数关系公式Eop等要素；而功能标识Idf中则包含夹具元件功能类型Clt与几何类型Cot、夹具元件作用的特征信息Cgf等。此外，夹具元件基本信息Pas与装配信息Abi中则分别包含夹具名称（Nom）、标准号（Nos）、外部参数（Poe）、内部参数（Poi）、详细尺寸系列（Dms）以及夹具装配特征（Asf）、装配关系（Asr）、装配参数（Asp）等。

其次，夹具设计知识本体模型中，工件知识本体则是夹具设计需求的体现，也是进行夹具结构设计的重要信息来源，其模型结构包含三维实体Tmw以及基本信息Biw、工件装夹规划要求Iwp，如果将工件知识本体模型定义为Wpo，则其结构组成可以通过下图2进行表示。

此外，夹具实例知识信息是夹具设计完成基础上的整体信息完整表示形式，也是夹具元件与工件知识本体上层表现，其知识本体模型结构包含夹具元件集合信息Fuo以及工件信息Wpo、夹具和工件关联信息Rel，其中，夹具与工件关联信息Rel中由包含夹具与工件的位置对应关系Prp、夹具与工件的装配关系Arp、其他信息Oth等，如果将夹具实例知识本体模型定义为Cpo，那么其模型结构可以通过下图3进行表示。

1.2 基于知识组件的夹具结构设计分析

夹具结构设计中，知识本体属于设计知识的静态部分，其静态知识需要结合夹具结构设计过程，并根据相应的规则机制和结构框架在合理运用与决策基础上，形成夹具结构设计，从而获取相应通过夹具实例本体表现的设计结果。其中，夹具结构设计中对知识本体模型的合理运用和决策所依据的规则机制与结构框架则是依赖知识组件技术实现的。知识组件，顾名思义，就是由知识域中知识点之间关系构成的、具有局部完整性特征的知识结构模块。如下图4所示，即为夹具结构设计中知识组件的结构组成示意图。

在夹具结构设计知识组件结构中，知识组件任务向导中每个模板能够实现独立管理，而知识组件引擎作为整个结构的核心，主要进行信息传递和处理；知识库是为知识组件引擎在夹具结构设计中应用的对象数据及智能设计提供方法；求解器是进行知识组件应用程序集中管理的重要结构装置，能够进行求解模板中各类文件的执行。基于知识组件的夹具结构设计是在对夹具结构设计过程中夹具类型选择、尺寸参数确定以及建模、组装等任务在夹具选择知识组件与尺寸驱动知识组件、建模装配知识组件中分别封装实现，来根据相关设计顺序进行相应知识组件调用及其各自之间信息与知识传递关系设计，完成以夹具结构智能设计模型为支持的各项设计任务。

2 基于本体和知识组件的夹具结构智能设计分析

2.1 基于本体和知识组件的夹具结构智能设计

根据上述对夹具设计的知识本体与知识组件技术理论分析，我们得出在基于知识组件的夹具结构设计中，知识组件引擎为其重要核心构件，并且也是对不同设计任务的智能设计方法集成。所以，此夹具结构智能设计可以从夹具结构设计的三个本体模型知识组件引擎智能设计上进行论述。

首先，在夹具元件类型的智能选择设计上，夹具选择知识组件中，对于工件定位与固定等装夹特征有关的具体夹具元件类型，具体过程如下图5所示。

根据上述智能选择设计流程可以看出，夹具结构设计中选择知识组件的智能选择主要包含备选夹具选择和依照匹配度进行备选夹具元件排序两个阶段。其中，在备选夹具选择中主要应用了基于规则的推理计算方法，共包含依照夹具工件知识本体模型结构中的夹具规划和装夹特征信息对预设规则外的夹具进行排除，以及通过将工件知识本体和夹具实例知识本体进行匹配，对匹配度大于设定范围值情况的装配夹具进行保留。

其次，在夹具尺寸智能驱动设计中，夹具结构设计的知识组件尺寸驱动知识组件部分，主要通过对工件和夹具本体关键参数的匹配实现夹具大小确定。如下图6所示，即为夹具结构设计中夹具尺寸智能驱动具体流程示意图。

图6 夹具结构设计中夹具尺寸智能驱动流程

最后，在夹具结构设计中，夹具智能装配由建模装配知识组件设计实现，其在对尺寸驱动知识组件所生成的夹具元件模型进行接收并对通过装配特征表示的装配信息进行提取基础上，利用求解器，根据匹配工件需求与夹具元件本体的装配特征关系实现相应的装配约束构建，从而完成夹具元件的自动装配，其具体流程如下图7所示。

2.2 实例验证

根据上述提出基于本体和知识组件的夹具结构智能设计方法，以下图8所示的金属斜面钻孔夹具结构设计为例，该夹具结构设计中以某一斜面钻孔为主要任务，通过构建以三维模型和XML封装本体文件为主的工件知识本体模型，在确定工件知识本体参数信息的情况下，采用基于本体和知识组件的夹具结构智能设计方法，在夹具类型智能选择、尺寸智能驱动以及最终的夹具智能装配下完成对该工件的智能设计，并生成新的夹具设计实例，在实例库中保存后用于夹具选择支持。

3 结语

总之，进行基于本体和知识组件的夹具结构智能设计研究，有利于促进以知识本体和知识组件相结合的夹具結构智能设计开发和应用，对促进设计知识在夹具结构设计中的应用以及提高设计效率等，都有着十分积极的作用和意义。

参考文献

[1]吴巍，胡忆沩.承压设备带压密封夹具智能设计系统研究及应用[J].压力容器，2015，32（08）：75-80.

[2]焦丽丽，赵健.基于UG的组合机床夹具智能设计系统的研究与应用[J].机械设计与制造，2011（08）：240-241.