基于公理设计理论的机加夹具概念设计*

黄斌达，周来水,2，卜庆奎，安鲁陵,2，卫 炜,2，王小平,2

(1.南京航空航天大学 机电学院，南京 210016；2.江苏省精密与微细制造技术重点实验室，南京 210016；3.中航工业沈阳飞机工业(集团)有限公司，沈阳 110000)

基于公理设计理论的机加夹具概念设计*

黄斌达1，周来水1,2，卜庆奎3，安鲁陵1,2，卫 炜1,2，王小平1,2

(1.南京航空航天大学 机电学院，南京 210016；2.江苏省精密与微细制造技术重点实验室，南京 210016；3.中航工业沈阳飞机工业(集团)有限公司，沈阳 110000)

为提高机加夹具概念设计的规范化水平，降低机加夹具概念设计对设计者经验知识的依赖程度，提出了基于公理设计理论(AD)的机加夹具概念设计方法。以公理设计理论为指导，将企业现有的机加夹具设计实例进行多级分解，构建了机加夹具多级实例库，在此基础上，设计了基于AD和多级机加夹具实例库的机加夹具概念模型生成算法，将机加夹具概念设计过程转换为搜索符合机加夹具多级功能需求的机加夹具实例的过程,从而快速生成夹具概念模型。以铣削航空发动机机匣外型面机加夹具的概念设计为例，验证了文中所提方法的有效性和可行性。

公理设计；机加夹具；概念设计；多级实例库

0 引言

夹具概念设计的主要任务是设计出满足工件装夹要求的夹具结构，是后续机加夹具详细设计的基础，这一阶段的决策将对夹具的最终性能产生直接影响。因此提高机加夹具概念设计的质量和效率在机加夹具设计中具有重要的意义。

目前在大部分航空制造企业中，机加夹具概念设计主要依赖于设计者自身的设计经验和知识水平[1]，设计规范性较差，设计效率低下。近年来，研究者将多色集合理论[2]、混合推理技术[3-4]、可拓集理论[5]等产品设计理论和技术引入到机加夹具概念设计领域，但相关研究多集中在对机加夹具概念设计中的个别关键点，而在机加夹具概念设计整体理论框架方面的研究还较为缺乏。

公理设计(Axiomatic Design, AD)是一种基于逻辑和理性思维过程的设计决策理论，该理论将依靠个人经验甚至直觉的设计活动转换为以科学公理、设计法则为基础的设计活动，目前已在产品概念设计中得到成功应用[6-7]。因此，本文将AD理论引入机加夹具概念设计领域，在构建机加夹具多级实例库并设计实例检索算法的基础上，以AD理论为指导构建了机加夹具功能—结构分解与映射算法，将机加夹具概念设计过程转换为面向机加夹具多级功能需求的机加夹具实例检索过程，提高了机加夹具的设计效率和质量，规范了机加夹具概念设计过程。

1 公理设计理论的基本概念

AD理论是Suh N.P.教授提出的一种基于逻辑和理性思维过程的设计决策理论，旨在为产品设计活动提供科学的理论框架，使设计过程更具创新性的同时减少搜索解的过程的随意性，最小化“设计/反馈/再设计”循环迭代过程，并在可行方案中确定最佳设计[6]。

在AD中，设计空间被划分为用户域、功能域、结构域和工艺域等四个域，每个域都是一组数据的集合，分别为客户属性(Customer Attributes, CAs)，功能需求(Functional Requirements, FRs)，设计参数(Design Parameters, DPs)和工艺变量(Process Variables , PVs)。基于AD理论可将设计过程分解为四个域之间的数据映射和域中数据的处理[8]，如图1所示。

2 机加夹具多级实例库构建

一般而言，同类型零件中相同机加工序对应的机加夹具结构具有高度相似性，因此，为提高夹具的设计效率、减少夹具的设计成本，在夹具概念设计过程中，应尽可能重用以前成熟的机加夹具产品、机加夹具功能结构和机加夹具元件。

为提高对已有机加夹具实例的重用率，本文构建机加夹具多级实例库，具体方法为：运用文献[9]提出的设计实例多级分解方法，分别获得同类型机加夹具实例的功能结构树TF和夹具实例结构树TC，功能树节点Fs与实例树节点Cs存在映射关系，随着完成分解的夹具设计实例的增加，夹具各层设计对象实例依据夹具分解结构构成夹具树状多级实例库，TF和TC是多级实例索引的有效组成部分。夹具多级设计实例

库的构建过程如图2所示，对应的实例可表示为一个四元组(F,C,W,P)，其中：F为功能信息集，C为实例信息集，W为工序件信息集，P为工艺信息集。F、C、W、P均可用相应的属性来描述，用巴克斯范式(Backus-Naur Form, BNF)表示为：

FixCase::=

::=

::=

::=

::=

(1)

式中，FixCase为夹具概念设计实例。F_Level为功能等级，分为产品级、功能结构级和元件级；F_Type为功能类型，分为标准、通用和专用三类；F_Name为功能名称；F_Dimension为功能尺寸。C_ID为实例的标识号；C_Name为实例名称；C_Model为实例三维模型地址；C_Preview为实例轻量化三维模型预览图地址。W_Type为工序件类型，如机匣件、叶盘件、盘环件等；W_Mterial为工序件材料；W_Output为零件的年产量；W_Heat为工序件热处理状态，如调质、淬火、退火等。P_Type为工序类型，如车、铣、钻等；P_Stage为加工阶段，如粗加工、半精加工、精加工等；P_Machine为机床名称；P_Feature为加工特征，如平面、外圆、内孔等。夹具设计实例属性如表1所示。

表1 夹具实例属性

图2 机匣机加夹具多层实例库构建过程

3 机加夹具实例检索

(2)

式中，max(Xmj,Ymj)表示Xmj和Ymj中的最大值。

运用公式(2)计算得到Xm中其他属性与设计目标属性的相似度，则Xm与Ym的总体相似度为：

(3)

运用公式(3)分别得到SIMF、SIMW和SIMP，则实例FixCasei与设计目标的综合相似度为：

SIMs=ωF·SIMF+ωW·SIMW+ωP·SIMP

(4)

用同样的方法计算实例库中其他实例与设计目标的综合相似度，将综合相似度大于阈值ξ的实例提取出来，并按照综合相似度由大至小排列，设计者根据实际需求选择合适的夹具设计实例作为设计目标的初始解。

4 基于AD的机加夹具概念模型生成

图3 机加夹具概念模型生成算法

夹具概念设计的主要内容是将用户需求分解为不同层次的夹具功能需求，并将其通过功能和结构之间的映射转变成合理的夹具结构。根据AD理论的功能-结构分解框架，在第2节建立的夹具多级实例库中检索相应的夹具结构实例作为夹具功能需求FR对应的结构DP，当没有现成的实例可实现该功能时，在AD框架下将该功能逐级分解为一系列子功能，直至分解级数达到预设值或所有子功能均有相应的实例满足为止，最终得到夹具概念模型，夹具概念模型生成算法如图3所示。

5 实例验证

某航空发动机对开环形机匣材料为TC4，其外型面分布有大量的岛屿、凸台、安装边、凹槽等特征，属于典型的大尺寸多特征薄壁结构(如图4所示)，在加工中易变形，因此，在设计夹具时，除基本的夹紧功能和定位功能外，应提供支承功能。

图4 航空发动机压气机机匣结构示意图

根据第4节提出的夹具概念模型生成算法，构建铣削机匣外型面夹具概念模型：铣削机匣外型面夹具首先需保证机匣在铣削过程中的定位和夹紧要求，此外，由于压气机机匣属于大尺寸薄壁件结构，在加工过程中易发生变形，因此，夹具需提供支承功能，保证机匣的加工质量。基于此，将夹具的一级功能需求设为FR1机匣定位，FR2机匣夹紧，FR3机匣支承。设定初始功能级N=1，最大分解层级数Nmax=3。之后根据一级功能需求选择对应的夹具概念设计实例库，进行夹具实例检索。某夹紧实例属性与设计目标信息对比如表2所示，表中的权重运用文献[10]所提方法计算获得，根据式(2)和式(3)可得SIMF=0.6；SIMW=0.73；SIMP=0.88，再运用式(4)可得该螺旋夹紧结构实例与设计目标之间的综合相似度SIMS=0.74。运用同样的方法计算夹紧结构实例库中其他实例与设计目标的相似度，设定相似度阈值ξ=0.8，将SIMs≥0.8的夹紧结构实例提取作为备选实例，并按照相似度大小排列。表2为螺旋夹紧结构实例属性与设计目标信息对比。通过预览夹紧结构实例3D预览图，没有找到合适的夹紧结构实例，结合夹具设计知识，将FR2进一步分解为二级功能需求：FR21在夹紧面上施加夹紧力；FR22夹紧力大小调节；FR23夹紧力方向控制；FR24夹紧力作用点位置控制。根据二级功能需求，结合第3节给出的夹具实例检索算法分别在夹紧件实例库、紧固件实例库、支承件实例库和连接件实例库中检索对应的实例(具体计算过程略)，得到FR2的二级功能需求对应的结构为：DP21转动宽头压板；DP22带肩六角螺母；DP23调节支承；DP24双头螺柱。采用同样的方法进行夹具其他功能的分解，并在夹具多级实例库中检索对应的夹具结构，最终得到的铣削机匣外型面夹具的概念模型如图5所示(因篇幅所限，只列出定位、夹紧和支承结构)。

表2 螺旋夹紧结构实例属性与设计目标信息对比

(a)铣削机匣外型面夹具的功能需求和设计参数分级层次

(b)精铣机匣外型面夹具概念模型结构图5 铣削机匣外型面夹具概念模型示意

6 结论

针对目前航空企业中机加夹具概念设计缺乏科学的理论框架作指导，以及对已有夹具的重用度较低等问题，提出了基于公理设计理论的机加夹具概念设计方法。在构建夹具多级实例库及夹具实例检索算法的基础上，结合AD理论设计了夹具概念模型生成算法，该方法在显著提升夹具概念设计规范化水平的同时，有效重用了已有的夹具资源，从而提高了夹具概念设计效率，并降低了夹具的设计和制造成本。

[1] 汪鹏, 王焱. 薄壁类零件装夹夹具设计方法研究[J]. 航空制造技术, 2014(3):60-62.

[2] 姜莉莉,李德治,周鑫,等.基于多色集合的连杆清洗夹具概念设计[J].机床与液压,2013,41(7):131-134.

[3] 崔联合.基于CATIA V5知识工程专用夹具CAD系统[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2015(8):127-131.

[4] 秦国华,叶海潮,崔跃,等.面向计算机辅助夹具设计的修订式定位方案设计算法[J].计算机集成制造系统,2012, 18(10): 2145-2150.

[5] 秦国华,叶海潮,崔跃,等.面向计算机辅助夹具设计的修订式定位方案设计算法[J].计算机集成制造系统,2012,18(10): 2145-2150.

[6] SUH N P. Axiomatic design advances and application[M]. New York: Oxford University Press, 2001.

[7] 刘晓敏, 黄水平, 陈智钦,等. 基于TRIZ与AD的海草夹苗机械手概念创新设计及可靠性研究[J]. 机械工程学报, 2016, 52(5):40-46.

[8] 高常青, 杨波, 吕冰,等. 科学效应在产品概念设计中的应用[J]. 组合机床与自动化加工技术, 2014(5): 46-49.

[9] 王体春,钟诗胜,王威. 基于公理化设计的多级实例知识重用技术研究[J].计算机集成制造系统,2008,14(5): 833-841.

[10] 严爱军,钱丽敏,王普.案例推理属性权重的分配模型比较研究[J].自动化学报,2014,40(9):1896-1902.

(编辑 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

国家自然科学基金(51575266)；国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金(SAMC13-JS-15-021)；江苏省精密与微细制造技术重点实验室开放基金项目资助

黄斌达(1988—)，男，甘肃省白银市人，南京航空航天大学博士研究生，研究方向为数字化设计与制造，(E-mail)hbd880331@126.com。

TH122;TG65

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