黃斌達，周來水,2，卜慶奎，安魯陵,2，衛(wèi) 煒,2，王小平,2

(1.南京航空航天大學 機電學院，南京 210016；2.江蘇省精密與微細制造技術(shù)重點實驗室，南京 210016；3.中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，沈陽 110000)

基于公理設計理論的機加夾具概念設計*

黃斌達1，周來水1,2，卜慶奎3，安魯陵1,2，衛(wèi) 煒1,2，王小平1,2

(1.南京航空航天大學 機電學院，南京 210016；2.江蘇省精密與微細制造技術(shù)重點實驗室，南京 210016；3.中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，沈陽 110000)

為提高機加夾具概念設計的規(guī)范化水平，降低機加夾具概念設計對設計者經(jīng)驗知識的依賴程度，提出了基于公理設計理論(AD)的機加夾具概念設計方法。以公理設計理論為指導，將企業(yè)現(xiàn)有的機加夾具設計實例進行多級分解，構(gòu)建了機加夾具多級實例庫，在此基礎(chǔ)上，設計了基于AD和多級機加夾具實例庫的機加夾具概念模型生成算法，將機加夾具概念設計過程轉(zhuǎn)換為搜索符合機加夾具多級功能需求的機加夾具實例的過程,從而快速生成夾具概念模型。以銑削航空發(fā)動機機匣外型面機加夾具的概念設計為例，驗證了文中所提方法的有效性和可行性。

公理設計；機加夾具；概念設計；多級實例庫

0 引言

夾具概念設計的主要任務是設計出滿足工件裝夾要求的夾具結(jié)構(gòu)，是后續(xù)機加夾具詳細設計的基礎(chǔ)，這一階段的決策將對夾具的最終性能產(chǎn)生直接影響。因此提高機加夾具概念設計的質(zhì)量和效率在機加夾具設計中具有重要的意義。

目前在大部分航空制造企業(yè)中，機加夾具概念設計主要依賴于設計者自身的設計經(jīng)驗和知識水平[1]，設計規(guī)范性較差，設計效率低下。近年來，研究者將多色集合理論[2]、混合推理技術(shù)[3-4]、可拓集理論[5]等產(chǎn)品設計理論和技術(shù)引入到機加夾具概念設計領(lǐng)域，但相關(guān)研究多集中在對機加夾具概念設計中的個別關(guān)鍵點，而在機加夾具概念設計整體理論框架方面的研究還較為缺乏。

公理設計(Axiomatic Design, AD)是一種基于邏輯和理性思維過程的設計決策理論，該理論將依靠個人經(jīng)驗甚至直覺的設計活動轉(zhuǎn)換為以科學公理、設計法則為基礎(chǔ)的設計活動，目前已在產(chǎn)品概念設計中得到成功應用[6-7]。因此，本文將AD理論引入機加夾具概念設計領(lǐng)域，在構(gòu)建機加夾具多級實例庫并設計實例檢索算法的基礎(chǔ)上，以AD理論為指導構(gòu)建了機加夾具功能—結(jié)構(gòu)分解與映射算法，將機加夾具概念設計過程轉(zhuǎn)換為面向機加夾具多級功能需求的機加夾具實例檢索過程，提高了機加夾具的設計效率和質(zhì)量，規(guī)范了機加夾具概念設計過程。

1 公理設計理論的基本概念

AD理論是Suh N.P.教授提出的一種基于邏輯和理性思維過程的設計決策理論，旨在為產(chǎn)品設計活動提供科學的理論框架，使設計過程更具創(chuàng)新性的同時減少搜索解的過程的隨意性，最小化“設計/反饋/再設計”循環(huán)迭代過程，并在可行方案中確定最佳設計[6]。

在AD中，設計空間被劃分為用戶域、功能域、結(jié)構(gòu)域和工藝域等四個域，每個域都是一組數(shù)據(jù)的集合，分別為客戶屬性(Customer Attributes, CAs)，功能需求(Functional Requirements, FRs)，設計參數(shù)(Design Parameters, DPs)和工藝變量(Process Variables , PVs)。基于AD理論可將設計過程分解為四個域之間的數(shù)據(jù)映射和域中數(shù)據(jù)的處理[8]，如圖1所示。

2 機加夾具多級實例庫構(gòu)建

一般而言，同類型零件中相同機加工序?qū)臋C加夾具結(jié)構(gòu)具有高度相似性，因此，為提高夾具的設計效率、減少夾具的設計成本，在夾具概念設計過程中，應盡可能重用以前成熟的機加夾具產(chǎn)品、機加夾具功能結(jié)構(gòu)和機加夾具元件。

為提高對已有機加夾具實例的重用率，本文構(gòu)建機加夾具多級實例庫，具體方法為：運用文獻[9]提出的設計實例多級分解方法，分別獲得同類型機加夾具實例的功能結(jié)構(gòu)樹TF和夾具實例結(jié)構(gòu)樹TC，功能樹節(jié)點Fs與實例樹節(jié)點Cs存在映射關(guān)系，隨著完成分解的夾具設計實例的增加，夾具各層設計對象實例依據(jù)夾具分解結(jié)構(gòu)構(gòu)成夾具樹狀多級實例庫，TF和TC是多級實例索引的有效組成部分。夾具多級設計實例

庫的構(gòu)建過程如圖2所示，對應的實例可表示為一個四元組(F,C,W,P)，其中：F為功能信息集，C為實例信息集，W為工序件信息集，P為工藝信息集。F、C、W、P均可用相應的屬性來描述，用巴克斯范式(Backus-Naur Form, BNF)表示為：

FixCase::=

::=

::=

::=

::=

(1)

式中，F(xiàn)ixCase為夾具概念設計實例。F_Level為功能等級，分為產(chǎn)品級、功能結(jié)構(gòu)級和元件級；F_Type為功能類型，分為標準、通用和專用三類；F_Name為功能名稱；F_Dimension為功能尺寸。C_ID為實例的標識號；C_Name為實例名稱；C_Model為實例三維模型地址；C_Preview為實例輕量化三維模型預覽圖地址。W_Type為工序件類型，如機匣件、葉盤件、盤環(huán)件等；W_Mterial為工序件材料；W_Output為零件的年產(chǎn)量；W_Heat為工序件熱處理狀態(tài)，如調(diào)質(zhì)、淬火、退火等。P_Type為工序類型，如車、銑、鉆等；P_Stage為加工階段，如粗加工、半精加工、精加工等；P_Machine為機床名稱；P_Feature為加工特征，如平面、外圓、內(nèi)孔等。夾具設計實例屬性如表1所示。

表1 夾具實例屬性

圖2 機匣機加夾具多層實例庫構(gòu)建過程

3 機加夾具實例檢索

(2)

式中，max(Xmj,Ymj)表示Xmj和Ymj中的最大值。

運用公式(2)計算得到Xm中其他屬性與設計目標屬性的相似度，則Xm與Ym的總體相似度為：

(3)

運用公式(3)分別得到SIMF、SIMW和SIMP，則實例FixCasei與設計目標的綜合相似度為：

SIMs=ωF·SIMF+ωW·SIMW+ωP·SIMP

(4)

用同樣的方法計算實例庫中其他實例與設計目標的綜合相似度，將綜合相似度大于閾值ξ的實例提取出來，并按照綜合相似度由大至小排列，設計者根據(jù)實際需求選擇合適的夾具設計實例作為設計目標的初始解。

4 基于AD的機加夾具概念模型生成

圖3 機加夾具概念模型生成算法

夾具概念設計的主要內(nèi)容是將用戶需求分解為不同層次的夾具功能需求，并將其通過功能和結(jié)構(gòu)之間的映射轉(zhuǎn)變成合理的夾具結(jié)構(gòu)。根據(jù)AD理論的功能-結(jié)構(gòu)分解框架，在第2節(jié)建立的夾具多級實例庫中檢索相應的夾具結(jié)構(gòu)實例作為夾具功能需求FR對應的結(jié)構(gòu)DP，當沒有現(xiàn)成的實例可實現(xiàn)該功能時，在AD框架下將該功能逐級分解為一系列子功能，直至分解級數(shù)達到預設值或所有子功能均有相應的實例滿足為止，最終得到夾具概念模型，夾具概念模型生成算法如圖3所示。

5 實例驗證

某航空發(fā)動機對開環(huán)形機匣材料為TC4，其外型面分布有大量的島嶼、凸臺、安裝邊、凹槽等特征，屬于典型的大尺寸多特征薄壁結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，在加工中易變形，因此，在設計夾具時，除基本的夾緊功能和定位功能外，應提供支承功能。

圖4 航空發(fā)動機壓氣機機匣結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)第4節(jié)提出的夾具概念模型生成算法，構(gòu)建銑削機匣外型面夾具概念模型：銑削機匣外型面夾具首先需保證機匣在銑削過程中的定位和夾緊要求，此外，由于壓氣機機匣屬于大尺寸薄壁件結(jié)構(gòu)，在加工過程中易發(fā)生變形，因此，夾具需提供支承功能，保證機匣的加工質(zhì)量?；诖耍瑢A具的一級功能需求設為FR1機匣定位，F(xiàn)R2機匣夾緊，F(xiàn)R3機匣支承。設定初始功能級N=1，最大分解層級數(shù)Nmax=3。之后根據(jù)一級功能需求選擇對應的夾具概念設計實例庫，進行夾具實例檢索。某夾緊實例屬性與設計目標信息對比如表2所示，表中的權(quán)重運用文獻[10]所提方法計算獲得，根據(jù)式(2)和式(3)可得SIMF=0.6；SIMW=0.73；SIMP=0.88，再運用式(4)可得該螺旋夾緊結(jié)構(gòu)實例與設計目標之間的綜合相似度SIMS=0.74。運用同樣的方法計算夾緊結(jié)構(gòu)實例庫中其他實例與設計目標的相似度，設定相似度閾值ξ=0.8，將SIMs≥0.8的夾緊結(jié)構(gòu)實例提取作為備選實例，并按照相似度大小排列。表2為螺旋夾緊結(jié)構(gòu)實例屬性與設計目標信息對比。通過預覽夾緊結(jié)構(gòu)實例3D預覽圖，沒有找到合適的夾緊結(jié)構(gòu)實例，結(jié)合夾具設計知識，將FR2進一步分解為二級功能需求：FR21在夾緊面上施加夾緊力；FR22夾緊力大小調(diào)節(jié)；FR23夾緊力方向控制；FR24夾緊力作用點位置控制。根據(jù)二級功能需求，結(jié)合第3節(jié)給出的夾具實例檢索算法分別在夾緊件實例庫、緊固件實例庫、支承件實例庫和連接件實例庫中檢索對應的實例(具體計算過程略)，得到FR2的二級功能需求對應的結(jié)構(gòu)為：DP21轉(zhuǎn)動寬頭壓板；DP22帶肩六角螺母；DP23調(diào)節(jié)支承；DP24雙頭螺柱。采用同樣的方法進行夾具其他功能的分解，并在夾具多級實例庫中檢索對應的夾具結(jié)構(gòu)，最終得到的銑削機匣外型面夾具的概念模型如圖5所示(因篇幅所限，只列出定位、夾緊和支承結(jié)構(gòu))。

表2 螺旋夾緊結(jié)構(gòu)實例屬性與設計目標信息對比

(a)銑削機匣外型面夾具的功能需求和設計參數(shù)分級層次

(b)精銑機匣外型面夾具概念模型結(jié)構(gòu)圖5 銑削機匣外型面夾具概念模型示意

6 結(jié)論

針對目前航空企業(yè)中機加夾具概念設計缺乏科學的理論框架作指導，以及對已有夾具的重用度較低等問題，提出了基于公理設計理論的機加夾具概念設計方法。在構(gòu)建夾具多級實例庫及夾具實例檢索算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合AD理論設計了夾具概念模型生成算法，該方法在顯著提升夾具概念設計規(guī)范化水平的同時，有效重用了已有的夾具資源，從而提高了夾具概念設計效率，并降低了夾具的設計和制造成本。

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[5] 秦國華,葉海潮,崔躍,等.面向計算機輔助夾具設計的修訂式定位方案設計算法[J].計算機集成制造系統(tǒng),2012,18(10): 2145-2150.

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(編輯 李秀敏)

Configuration Design of Fixture Based on Axiomatic Design Principles

HUANG Bin-da1, ZHOU Lai-shui1,2, BU Qing-kui3，AN Lu-ling1,2, WEI Wei1,2, WANG Xiao-ping1,2

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,NanJing University of Aeronautics And Astronautics, Nanjing 210016, China;2. Jiangsu Key Laboratory of Precision and Micro-Manufacturing Technology, Nanjing 210016, China)

To improve the level of fixture configuration design standardization, a design method based on integrating Axiomatic Design was proposed. The design case of fixture was decomposed on the basis of AD theory, and meanwhile, the multi-hierarchy case database was constructed. On this basis, the function decomposition algorithm was designed to search for sub-solutions for sub-FR, after that, the fixture initial design schemes was generated. Finally, the effectiveness and feasibility of this method were verified in a milling fixture scheme design for a casing.

axiomatic design(AD); machining fixture; scheme design; multi-hierarchy case database

1001-2265(2017)02-0123-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.031

2016-11-17;

2016-11-29

國家自然科學基金(51575266)；國家商用飛機制造工程技術(shù)研究中心創(chuàng)新基金(SAMC13-JS-15-021)；江蘇省精密與微細制造技術(shù)重點實驗室開放基金項目資助

黃斌達(1988—)，男，甘肅省白銀市人，南京航空航天大學博士研究生，研究方向為數(shù)字化設計與制造，(E-mail)hbd880331@126.com。

TH122;TG65

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