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1、 外文资料名称：Multi-objective optimal fixture layout design 外文资料出处：Robotics and Computer Integrated Manufacturing 附 件： 1。外文资料翻译全文 2。外文原文 指导教师评语： 签名： 年 月 日夹具装置的多目标优化设计Diana M. Pelinescu, Michael Yu Wang*陈少卫译摘要: 本文重点阐述了夹具布局设计，主要用于多种质量标准下确定和评价夹具设计的可用性，并利用近似交换法结合多种性能要求进行夹具优化设计。重要的性能参数与运动定位的基本要求和封闭形式下的总体定位。三个性
2、能参数为工件定位精确度、基准和定位接触力的分布。本文着重利用分级递进的方法进行多基准优化设计。引入多种有效的算法并推广应用到各种实际案例，形成了执行夹具组合的适当交换方法。举例说明了上述方法的实验观察和实验效果。关键词：夹具；夹具布局；夹具组合；多目标优化设计1. 引言在产品加工精度和装配精度方面，适当的夹具设计是保证产品质量的关键。夹具系统通常由夹紧和定位组成，必须能够通过及其操作执行定位并夹紧工件。虽然出现了一些像3-2-1规则设计指南，但基于CAD模型的自动夹具设计系统一直发展缓慢。本文论述了一类三维工件夹具的自动设计方法。被夹紧工件是一个任意复杂的几何体,夹具有最小数量的限位元素，即六
3、个定位和一个夹紧。而且, 夹具要素被看作是非摩擦接触点接触，并限定于在具体的特定的定位。一般来说,一套有效的夹具可假设为一个大的收集装置。例如,定位点可能产生于离散工件的表面。夹具设计的要求首先是确定可行夹具结构，满足定位和闭合的要求。其次, 该夹具设计需基于一些评价标准和最优(或次优)夹具的选择。这表现为定位精度、规范和分散定位力。这些要求包括了夹具设计的关键技术。这些多重要求可能会冲突。因此，必须进行多目标夹具设计。文中给出的是一种优化夹具的设计方法。该方法是基于理论的最佳实验设计。 研制了一种高效评价受力递归特性的方法，自己设计开发了受力分析软件。优化算法夹具设计制作了一套适应多种性能要
4、求的算法。2.相关工作 参考文献1是普通夹具技术。多年来对夹具有了一个基本要求,近年来已广泛应用于自动化领域。有几种基于螺旋理论来分析夹具性能，来解决诸如封闭运动学，接触类型和摩擦效应。参考文献7是基于不同的几何分析技术。除了封闭运动学，组合夹具自动设计程序是基于这一方法开发的。近来固定模块化设计问题得到更多的关注。有深入研究夹具设计、围绕工件和坚固的夹具结构，可行的刀具和路径间隙。综合研究夹具问题，已大致集中在夹具组成上，尤其在自动化方面的应用。参考文献14描述的是夹具设计技术。3. 夹具模型 夹具的基本性能在于被夹紧的运动约束。其运动条件是清楚的。如一个夹具有n个定位点，(i=1,2,n)
5、,夹具可表示为：由和确定了定位位置和工件定位。夹具设计由定位矩阵来定义，当和，表面标准和工件表面接触点的位置。夹具设计需要一个综合计划，以满足一定的装夹性能要求。4. 夹具的质量性能规范4.1 精确定位夹具质量的一个重要方面就是工件定位在夹具上的精度要高。一般工件的位置误差由几何变形和定位误差造成的。本文只讨论定位误差造成的误差。作为一种夹具模型的扩展(公式(1)，定位误差和工件定位误差可表示如下： （2）显然, 误差来源于定位基准的工件定位精度。定位误差可表示为系统矩阵或是信息矩阵，M=GGT。实验表明，一个确定的标准达到高定位精度是信息矩阵的最大决定因素(D-optimality)等等，最
6、大值（即M）。4.2最小定位力夹具设计的另一个要求是尽量减少定位接触力和任何约束或闭合力。让我们讨论一下完全确定的位置矢量和单元表面。对于点接触，广义的工件夹紧力可表示为： （3）表示夹紧力的大小。因此,定位接触力可表示为 （4）我们可得出这些力的夹紧强度： 当 （5）在闭合情况下,需要将这些力定位于N个定位点中的每个定位点： 计算平均定位接触力为： （6）得出一个适当的设计值（Pc）。这表明，在优化设计过程中，应该明确定位点和夹紧定位。4.3平衡定位接触力夹具设计的另一个重要问题是对工件的总应力应尽可能均匀分布在定位处。在夹紧过程中，若P表示反应力，那么我们可以确定分散定位接触力 （7）因此
7、,最小化目标是确定均衡分散力，最小值（d）。5. 优化夹具设计与交换算法如前所述，在工件表面产生一系列不连续的拾取点，我们可以为夹具生成可能存在的拾取点。例如,使用CAD模型的工件, 离散的单元平均矢量，可以产生均匀的表面,尽量为夹具零件组件，如图1。在夹具布局设计中, 从夹具定位的性能要求中，选择最佳拾取点,以及闭合运动条件。通过若干个拾取点，选择一套合适的定位和夹紧，是一项复杂的工作。参考文献1214已经找到理想的有效方法，对于夹具的质量要求在第4部分，是追求最佳方法的一个交换算法。如图2的流程图，其算法由三个阶段组成：第一阶段：随机生成初始定位。布局初步随机产生选取了包括N个定位点中的六
8、个定位点，如果夹紧是预设了一套有效的定位，则运动约束是令人满意的。反复产生多种初始定位，每经过进一步优化的初始定位都会进一步得到最佳结果。图1. 部分CAD模型和收集的夹具拾取点元素图 2. 相互转换算法的流程图 第二阶段：改进交换。交换的目标是追求一个注重要求的初步定位设备。基本上，这是逐步迭代交换。从目前全面定位与拾取点采集。还必须考虑在闭合形状约束的交换过程中。这个过程将继续改进目标函数。基于代数性质, 一个高效的最好评价，被选为最大目标功能（即M），最小Pc,和最小（d）。 第三阶段：选择最优方案。运用交换算法随机产生一个初始定位，我们可以为优化夹具结构产生几个不同的结果。最佳夹具设计
9、能明显改善最佳目标函数值。应当强调，这种算法可应用于不同要求的功能。根据要求, 最好能直接获得一个目标，或者需要设计师的最终决定，来平衡多重目标。6. 多目标优化夹具定位在许多情况下, 通过最优夹具的预夹紧，再选择一个适当的定位，就能构建好夹紧区域,这样大大提高了功能要求。采用随机算法描述以上内容，我们可以分析影响优化过程的特点，为了特殊标准，确定最佳夹具方案。广泛采用最佳算法夹具设计一个单一要求。根据统计和实例观察,可得出三个优化完成结果，最大值（即M），最小值Pc、（d），一般有些冲突。因此,综合夹具设计需要平衡多重功能要求。文章的重点，进一步讨论如下。6.1多目标均衡一些定位特性和最小分
10、散力的应用是比较重要的。在这种情况下,我们要使用两步算法：第一，最大值（即M）和第二，最小值（d）。实验表明，数值最大化行列式分散力将会减少，另一方面，分散力减少将导致行列式值下降（即M）。因此, 有人建议平衡两者之间的具体优化目标，多目标优化问题的交换算法已成功应用于这两个要求。当夹具预紧后，闭合形式条件维持每一步交换。计算结果为精确定位的多目标优化，如图1、图36。图3和4为夹具两步算法进行了初步随机产生与定位预夹紧。用最大值(即M)作为第一步换算，已初见成效。当行列式增加后，规范和分散的接触力将会减少,可得出一个全面的高质量夹具。首先，多重初始定位设备以减少优化解法交换改进。其次，在第二
11、阶段应用最小值（d），观察行列式会减少。两个目标间的比较，会产生一个最终解决方案。这一事件由帕里托线积分来表示 (图4)。在这种情况下，由设计师最终决定最佳夹具方案。例如, 最初的定位研究于两步算法的交换过程(图5)进一步举例验证。均衡区是多目标设计的关键。每阶段后得出的夹具结构，如图6。应当指出，第一阶段的优化最大值（即M）目标，定位贴近水平面的部分，且互相远离边界。另一方面，第二阶段的优化最小值（d）目标定位在表面内部。图3. 变化的特性夹具的两步优化图 4. 权衡期间两步交换优化图5.行为两步交换优化设计6.2夹具的最后设计决定在第二阶段的算法可能导致行列式值下降。以致于结果不能解决。为
12、防止这个问题, 交互式控制被设计师在最小值（d）换算得到推荐。基本上，由转换过程来控制这种行列式（即M）的定位改善必须保持一定约束。然而考虑一定的行列式, 更好的解决方案，是不受优化最小值（d）控制。如图 7 。图 6. 夹具配置的两步优化:(a)初始定位；(b)最大值（M）后的定位；(c)最小值（d）后的定位图7. 第二阶段的两步换算过程。左图：无约束最小值（d）过程；右图：约束最小值（d）过程例如, 一套研究在换算过程的两种定位控制行列式，见 (图8)。然后列出相应的夹具结构图。这个例子说明对交互控制的最佳夹具结构性能起决定性作用。7. 优化夹具夹紧本节处理更复杂的问题，同时为了寻找最佳夹
13、紧和定位，夹具需实现性能要求。通过更改夹紧方式，能够增加夹紧力。这表明，这个问题可以由精确定位目标控制。至于其它目标，我们必须约束搜索优化夹紧内部定位点。这样，优化程序能被高效运行。7.1在夹紧中优化夹具 在夹紧应用中，有一定的优化区域。因此，有必要从预选点选择最佳拾取点。例如，当我们觉得预选点是优化夹具设计方面的目标精确定位首选点。显然，如果采用随机换算方式，可先后为每个专用夹具找到最优夹具结构。在这些夹具方案中，我们将选择一个最佳夹紧定位及其相应的夹具优化设计。如图9和图10。 图8.均衡两步优化 (a)两个目标之间均衡 (b)高出B1的行列式夹具配置情况(c)高出B2的行列式夹具配置情况
14、图9. 从单目标设计中选择夹紧图10. 初始夹具拾取点(左)以及相应的最佳夹具和相应的定位点(右)图11. 多目标夹具设计的选择图12. 初始夹紧选择（左）和最佳夹紧选择及相对应的优化定位7.2从一套夹具中优化夹具另外,优化夹具设计可以延伸到多目标设计问题。在每个夹具中主要应用两步换算方法。在应用所有夹具选择这一结果的过程中，我们可以比较结果，来选择最适合夹具。如上所述，在考虑多方面要求均衡，每个夹具会产生不同的结果。这表现在图11和图10。最佳夹紧应定位精确和接触力均衡，如图11。最后设计最优的相应夹具定位，见图12，当夹紧定位在左边。8. 结论本文针对三维工件的夹具布局优化设计转换算法。多目标优化的目标包括工件定位准确，较少力和平衡接触力。本文着重于多基准优化设计与分层研究。利用优化工艺过程，以实现高效率转换均衡各指定目标。并实例来说明设计过程及其成效。定位和夹紧的相互关系，在夹具质量测量中起决定性作用，在今后的优化夹具定位中需要更为连贯和完整的研究方法。9.参考文献1 Campbell PD. Basic fixture design. New York: Industrial Press,1994.2 Reuleaux F. The kinematics of machinery. New York: DoverPublications, 196
