基于公理設(shè)計(jì)理論的機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)*

黃斌達(dá)，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(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016；3.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，沈陽 110000)

基于公理設(shè)計(jì)理論的機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)*

黃斌達(dá)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(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016；3.中航工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，沈陽 110000)

為提高機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)的規(guī)范化水平，降低機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)對設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)知識的依賴程度，提出了基于公理設(shè)計(jì)理論(AD)的機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)方法。以公理設(shè)計(jì)理論為指導(dǎo)，將企業(yè)現(xiàn)有的機(jī)加夾具設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行多級分解，構(gòu)建了機(jī)加夾具多級實(shí)例庫，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于AD和多級機(jī)加夾具實(shí)例庫的機(jī)加夾具概念模型生成算法，將機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)過程轉(zhuǎn)換為搜索符合機(jī)加夾具多級功能需求的機(jī)加夾具實(shí)例的過程,從而快速生成夾具概念模型。以銑削航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣外型面機(jī)加夾具的概念設(shè)計(jì)為例，驗(yàn)證了文中所提方法的有效性和可行性。

公理設(shè)計(jì)；機(jī)加夾具；概念設(shè)計(jì)；多級實(shí)例庫

0 引言

夾具概念設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)出滿足工件裝夾要求的夾具結(jié)構(gòu)，是后續(xù)機(jī)加夾具詳細(xì)設(shè)計(jì)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(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率在機(jī)加夾具設(shè)計(jì)中具有重要的意義。

目前在大部分航空制造企業(yè)中，機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)主要依賴于設(shè)計(jì)者自身的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識水平[1]，設(shè)計(jì)規(guī)范性較差，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)理論和技術(shù)引入到機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)領(lǐng)域，但相關(guān)研究多集中在對機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)中的個(gè)別關(guān)鍵點(diǎn)，而在機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)整體理論框架方面的研究還較為缺乏。

公理設(shè)計(jì)(Axiomatic Design, AD)是一種基于邏輯和理性思維過程的設(shè)計(jì)決策理論，該理論將依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)甚至直覺的設(shè)計(jì)活動(dòng)轉(zhuǎn)換為以科學(xué)公理、設(shè)計(jì)法則為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)活動(dòng)，目前已在產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中得到成功應(yīng)用[6-7]。因此，本文將AD理論引入機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)領(lǐng)域，在構(gòu)建機(jī)加夾具多級實(shí)例庫并設(shè)計(jì)實(shí)例檢索算法的基礎(chǔ)上，以AD理論為指導(dǎo)構(gòu)建了機(jī)加夾具功能—結(jié)構(gòu)分解與映射算法，將機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)過程轉(zhuǎn)換為面向機(jī)加夾具多級功能需求的機(jī)加夾具實(shí)例檢索過程，提高了機(jī)加夾具的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，規(guī)范了機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)過程。

1 公理設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)決策理論，旨在為產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動(dòng)提供科學(xué)的理論框架，使設(shè)計(jì)過程更具創(chuàng)新性的同時(shí)減少搜索解的過程的隨意性，最小化“設(shè)計(jì)/反饋/再設(shè)計(jì)”循環(huán)迭代過程，并在可行方案中確定最佳設(shè)計(jì)[6]。

在AD中，設(shè)計(jì)空間被劃分為用戶域、功能域、結(jié)構(gòu)域和工藝域等四個(gè)域，每個(gè)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(shè)計(jì)參數(shù)(Design Parameters, DPs)和工藝變量(Process Variables , PVs)?；贏D理論可將設(shè)計(jì)過程分解為四個(gè)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(jī)加夾具多級實(shí)例庫構(gòu)建

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

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

庫的構(gòu)建過程如圖2所示，對應(yīng)的實(shí)例可表示為一個(gè)四元組(F,C,W,P)，其中：F為功能信息集，C為實(shí)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(yīng)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(shè)計(jì)實(shí)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(biāo)準(zhǔn)、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(shí)例的標(biāo)識號；C_Name為實(shí)例名稱；C_Model為實(shí)例三維模型地址；C_Preview為實(shí)例輕量化三維模型預(yù)覽圖地址。W_Type為工序件類型，如機(jī)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(jī)床名稱；P_Feature為加工特征，如平面、外圓、內(nèi)孔等。夾具設(shè)計(jì)實(shí)例屬性如表1所示。

表1 夾具實(shí)例屬性

圖2 機(jī)匣機(jī)加夾具多層實(shí)例庫構(gòu)建過程

3 機(jī)加夾具實(shí)例檢索

(2)

式中，max(Xmj,Ymj)表示Xmj和Ymj中的最大值。

運(yùn)用公式(2)計(jì)算得到Xm中其他屬性與設(shè)計(jì)目標(biāo)屬性的相似度，則Xm與Ym的總體相似度為：

(3)

運(yùn)用公式(3)分別得到SIMF、SIMW和SIMP，則實(shí)例FixCasei與設(shè)計(jì)目標(biāo)的綜合相似度為：

SIMs=ωF·SIMF+ωW·SIMW+ωP·SIMP

(4)

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

4 基于AD的機(jī)加夾具概念模型生成

圖3 機(jī)加夾具概念模型生成算法

夾具概念設(shè)計(jì)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(shí)例庫中檢索相應(yīng)的夾具結(jié)構(gòu)實(shí)例作為夾具功能需求FR對應(yīng)的結(jié)構(gòu)DP，當(dāng)沒有現(xiàn)成的實(shí)例可實(shí)現(xiàn)該功能時(shí)，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(dá)到預(yù)設(shè)值或所有子功能均有相應(yīng)的實(shí)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(shí)例驗(yàn)證

某航空發(fā)動(dòng)機(jī)對開環(huán)形機(jī)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(shè)計(jì)夾具時(shí)，除基本的夾緊功能和定位功能外，應(yīng)提供支承功能。

圖4 航空發(fā)動(dòng)機(jī)壓氣機(jī)機(jī)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(jī)匣外型面夾具概念模型：銑削機(jī)匣外型面夾具首先需保證機(jī)匣在銑削過程中的定位和夾緊要求，此外，由于壓氣機(jī)機(jī)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(jī)匣的加工質(zhì)量。基于此，將夾具的一級功能需求設(shè)為FR1機(jī)匣定位，F(xiàn)R2機(jī)匣夾緊，F(xiàn)R3機(jī)匣支承。設(shè)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(yīng)的夾具概念設(shè)計(jì)實(shí)例庫，進(jìn)行夾具實(shí)例檢索。某夾緊實(shí)例屬性與設(shè)計(jì)目標(biāo)信息對比如表2所示，表中的權(quán)重運(yùn)用文獻(xiàn)[10]所提方法計(jì)算獲得，根據(jù)式(2)和式(3)可得SIMF=0.6；SIMW=0.73；SIMP=0.88，再運(yùn)用式(4)可得該螺旋夾緊結(jié)構(gòu)實(shí)例與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的綜合相似度SIMS=0.74。運(yùn)用同樣的方法計(jì)算夾緊結(jié)構(gòu)實(shí)例庫中其他實(shí)例與設(shè)計(jì)目標(biāo)的相似度，設(shè)定相似度閾值ξ=0.8，將SIMs≥0.8的夾緊結(jié)構(gòu)實(shí)例提取作為備選實(shí)例，并按照相似度大小排列。表2為螺旋夾緊結(jié)構(gòu)實(shí)例屬性與設(shè)計(jì)目標(biāo)信息對比。通過預(yù)覽夾緊結(jié)構(gòu)實(shí)例3D預(yù)覽圖，沒有找到合適的夾緊結(jié)構(gòu)實(shí)例，結(jié)合夾具設(shè)計(jì)知識，將FR2進(jìn)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(diǎn)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(shí)例檢索算法分別在夾緊件實(shí)例庫、緊固件實(shí)例庫、支承件實(shí)例庫和連接件實(shí)例庫中檢索對應(yīng)的實(shí)例(具體計(jì)算過程略)，得到FR2的二級功能需求對應(yīng)的結(jié)構(gòu)為：DP21轉(zhuǎn)動(dòng)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(jìn)行夾具其他功能的分解，并在夾具多級實(shí)例庫中檢索對應(yīng)的夾具結(jié)構(gòu)，最終得到的銑削機(jī)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(shí)例屬性與設(shè)計(jì)目標(biāo)信息對比

(a)銑削機(jī)匣外型面夾具的功能需求和設(shè)計(jì)參數(shù)分級層次

(b)精銑機(jī)匣外型面夾具概念模型結(jié)構(gòu)圖5 銑削機(jī)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(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)缺乏科學(xué)的理論框架作指導(dǎo)，以及對已有夾具的重用度較低等問題，提出了基于公理設(shè)計(jì)理論的機(jī)加夾具概念設(shè)計(jì)方法。在構(gòu)建夾具多級實(shí)例庫及夾具實(shí)例檢索算法的基礎(chǔ)上，結(jié)合AD理論設(shè)計(jì)了夾具概念模型生成算法，該方法在顯著提升夾具概念設(shè)計(jì)規(guī)范化水平的同時(shí)，有效重用了已有的夾具資源，從而提高了夾具概念設(shè)計(jì)效率，并降低了夾具的設(shè)計(jì)和制造成本。

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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(xué)基金(51575266)；國家商用飛機(jī)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(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目資助

黃斌達(dá)(1988—)，男，甘肅省白銀市人，南京航空航天大學(xué)博士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造，(E-mail)hbd880331@126.com。

TH122;TG65

A