基于CAD辅助组装夹具的设计.docx

基于cad辅助组装夹具的设计目录1.1 研究背景 1.2 夹具设计知识重用的理论基础 1.2.1 设计知识重用概念1.2.2 设计知识重用的研究内容 1.2.3 三维设计制造集成环境下的夹具设计知识重用模式2基于知识的计算机辅助夹具设计支持系统的体系结构2.1基于知识的计算机辅助夹具设计支持系统的功能需求分析2.22基于知识的计算机辅助夹具设计支持系统体系结构2.23基于知识的计算机辅助夹具设计支持系统的功能模型2.24基于知识的计算机辅助夹具设计支持系统实施的关键技术2.24.1夹具信息集成技术2.2.42夹具的知识表达!获取和发现技术2.2.43夹具设计中的知识推理技术2.2.44夹具设计集成知识资源管理2.2.45夹具构形设计的智能求解方法3 组合夹具对象装配模型3.1 组合夹具对象装配模型描述3.2 组合夹具对象装配模型数学表达3.3 组合夹具装配几何特征装配准则3.3.1 组合夹具装配几何特征装配可行性准则3.3.2 装配对象装配几何特征合并准则3.4 组合夹具装配策略3.4.1 组合夹具分层次装配策略3.4.2 组合夹具装配有效路径策略摘 要随着数控机床的广泛应用，组合夹具在企业中应用越来越广泛。组合夹具设计效率和设计质量对产品的上市时间和质量的影响越来越大，同时企业在长期的组合夹具设计过程中积累了丰富的设计经验，迫切需要一种高效可行的方法来重复利用这些已有的设计经验以提高组合夹具设计的质量和效率夹具设计是产品设计与制造的关键环节，它直接影响产品的制造质量和研制周期。夹具设计过程是经验知识积累、转化和重用的过程，现有的夹具设计过程缺乏合理的知识表示和获取方法、以及有效的知识重用机制，导致设计知识不能为数字化夹具的智能设计提供有效支撑。特别是在航空制造领域，夹具的设计效率和质量依然是影响产品快速响应制造的“瓶颈”环节。如何有效地重用夹具设计资源和知识是实现夹具智能化设计的重要手段，也是实现产品精益研发的主要研究问题之一。本文主要针对三维设计制造集成环境下的夹具智能化设计需求，以夹具设计的各阶段设计任务为研究对象，分析夹具设计领域知识重用的过程与特点，研究了基于知识重用的夹具智能设计关键技术，从理论和方法上对夹具设计领域知识建模、装夹智能规划、基于实例的夹具规划及布局优化、夹具元件的智能设计等内容进行了深入的研究，并结合飞机结构件的夹具设计过程，验证了理论研究的可行性和有效性关键词：夹具设计 计算机辅助设计 solidworks apiabstractwith the widely application of the cnc machine tools, modular fixture is finding wider and wider application in the enterprise. modular fixture design efficiency and design quality on the quality of the product time to market and more and more big, at the same time, enterprises in the long-term modular fixture design process has accumulated rich experience in design, urgently need to be an effective and feasible measures to reuse the existing design experience in order to improve the quality and efficiency of modular fixture design fixture design is a key link in the process of product design and manufacturing, it directly affect the quality of product manufacturing and development cycle. fixture design process is a process of knowledge accumulation, transformation and reuse of existing fixture design process lack of rational knowledge representation and acquisition methods, as well as the effective mechanism of knowledge reuse, cause the design knowledge cant provide effective support for the intelligent design of digital clamp. especially in the field of aviation manufacturing, fixture design efficiency and quality is still the bottleneck that affect product rapid response manufacturing. how to effectively reuse the fixture design resources and knowledge is the important means to realize intelligent fixture design, is also one of the main research problem of product research and development of lean. this paper focuses on three dimensional design and manufacture of integrated environment of intelligent fixture design requirements, in the stages of fixture design design task as the research object, analyses the process and features of fixture design knowledge reuse, studies the jig intelligent design based on knowledge reuse key technologies, from the theory and method of modeling, the clamping fixture design domain knowledge intelligence planning, case-based fixture planning and layout optimization, intelligent design of fixture element conducted in-depth research, and in accordance with the process of the fixture design of aircraft structure, verified the feasibility and effectiveness of theory researchkeywords: fixture design computer aided design solidworks api1.1 研究背景夹具是在加工过程中保证工件准确定位和牢固夹紧的一种重要工艺设备。据统计，工装夹具设计与制造成本占产品整个研制成本的 10%-20%。并且，大约 40%的部件质量问题是由夹具的误差引起。特别是在航空制造领域，由于零部件的精度要求高、工艺装备系数（工装夹具总数与飞机零件品种总数之比值）高等特性，使得生产准备时间占生产制造周期的 50%-70%，而其中，夹具的设计与制造占生产准备时间的 70%左右。因此，夹具的设计与制造在缩短产品研制周期、提高研发成功率、降低研制成本等方面发挥着非常重要的作用夹具的设计是一个涉及工艺、装夹、加工等多领域知识的复杂设计过程。需要依靠设计者长期积累的经验和知识，才能产生高质量的夹具设计。目前，我国航空制造业的数字化技术发展迅猛，三维数字化设计与制造技术已经在航空制造领域得到了深入研究与应用。其中，基于模型的数字化定义技术（model based definition，mbd）是三维数字化设计与制造的核心环节，它是通过集成的三维实体模型来完整地表达产品的定义信息，使三维实体模型成为设计制造过程中的唯一依据，实现产品设计、工艺设计、夹具设计、产品制造和检测于一体的三维数字化设计制造集成体系。现有的基于三维的设计制造模式对知识支撑的夹具规划及设计提出了更高的要求，虽然，航空企业积累了大量的与夹具设计相关的技术数据和资料，其中包含了设计者长期积累的宝贵工程技术经验和知识。比如：制造资源库、夹具元件库、夹具实例库等静态知识，也包括设计规则、规划算法、设计流程等动态知识。但是，由于缺乏有效的夹具设计知识重用机制，使得相关知识没有很好地与实际的夹具设计任务紧密结合起来，导致夹具的设计标准化程度低，设计质量参差不齐，规范性和重用性差，夹具的智能化设计水平低，与夹具规划相关的知识没有得到优化配置，规划方案也没有进行优化等等。使得夹具的设计效率和质量依然是影响产品快速响应的“瓶颈”环节，成为目前航空产品快速研制迫切需要解决的问题之一。夹具的设计活动可以看作知识流动的过程，即对相关信息经过采集、加工并融合形成可以物化的解决方案。只有将夹具设计知识与夹具的设计过程紧密结合起来，对分散的知识进行分析与获取，将知识以自动化、半自动化的方式驱动设计人员的各种规划及设计活动，才能使得夹具的设计过程演变为知识积累和技术创新的过程。基于知识重用的数字化夹具智能设计技术对提高夹具设计效率、提升产品质量、缩短产品的研制周期，都有着重要的实际意义和理论价值。因此，如何以知识重用支撑数字化夹具智能设计，成为影响夹具设计快速响应的关键因素，也是实现航空制造产品精益研发亟待解决的问题之一。1.2.1 设计知识主要概念产品设计知识重用是指在产品概念设计、功能设计、结构设计、工艺设计以及围绕该产品的各种设计活动中重用、引用或参考已有的产品设计成果。航空产品的设计过程也存在着设计知识重用的问题，设计人员对新产品进行设计时，往往都会借用成功的设计实例方法，辅助完成新产品的设计过程。在各种设计过程中通过引用或参考已有的设计知识，实际上是对以往的设计知识进行了重用。据统计，新产品开发中完全重用的零件占 40%，修改后重用的零件约占40%，而全新设计的零部件仅仅占到 20%左右。这些数据表明多数的设计工作都重用了以前的产品设计知识。由此可见，产品设计知识重用对提高产品设计效率具有非常重要的意义。数字化夹具设计也是一个非常依赖设计经验和知识的设计过程，设计人员在构思夹具设计方案时，通常会根据个人的设计经验，将新夹具的设计要求与以往的夹具设计实例进行比对，如果存在非常相似的夹具设计实例，新的夹具设计便可以参考已有的成熟设计经验和知识，对以往的夹具设计实例进行修改来满足新夹具的设计需求。夹具设计知识的重用，就是在夹具装夹规划、夹具规划和结构设计中，最大限度地利用已有的夹具设计经验和设计成果，形成变形设计或者创新性的夹具2.夹具设计知识形态分析知识是人类对客观事物规律性的认识,可划分为两个层次:领域知识和元知识领域知识包括该领域对象的原理性知识和启发性知识原理性知识是有关该对象的事实!定理!方程!实验和操作等,一般存在于书本和文献中,大都有一定的数学模型;启发性知识是解决该领域复杂的不良结构问题时特有的经验。元知识关于知识的知识分为刻画领域知识的知识，如领域知识的范围，产生背景，重要性，可信度和运用领域知识的知识(如求解问题的推理方法，解决问题的规划，知识组织，知识选择等)夹具设计是一个需要不同领域知识的复杂过程,在夹具的设计开发过程中知识包容的范围相当广泛。(1)静态型知识:是客观对象的描述,包括基本资料、事实、状态、环境等,也可包括概念和定义如夹具分类、关系、零部件的几何、拓扑和特征属性、工艺条件、生产过程数据等均为静态性知识,基础资料库与事务库组成了静态知识库。(2)策略型知识:是问题求解策略和方法的启发性、推理性知识(设计知识),包括产品设计的各种方法,如配置、变型设计理论、技术和方法。主要用于寻求设计问题的解,是有关设计过程和设计问题求解的知识“这类知识主要涉及启发性和管理性策略在产品开发系统中,这类知识用来操纵静态知识以产生新的设计知识”(3)推理型知识:是有关问题中与行动、动作相联系的因果关系知识,是动态的表达专家经验、设计过程中模块、组件之间的几何、物理约束等用于推理和问题求解,是一种形式化的知识表示方法。(4)实例型知识:设计实例是满足特定要求的得到应用的设计结果,包括产品分析和产品参数化特征实例等。在设计实例的形成过程中,包含了领域专家们解决特定问题的知识推理、决策和判断，因此设计实例是一种重要的知识来源，通过对设计实例的剖析，一方面可以获得有价值的知识，另一方面可以组织成实例库，为基于实例的推理提供丰富的知识源“夹具设计知识主要存在于各类设计手册、教材专著、企业资源文档和设计专家的头脑中”为了更清楚理解夹具设计过程,我们将夹具设计将所涉及的知识资源分为几个知识组。(1)零件几何:主要指零件几何形状,如平面类,箱体类等;尺寸;公差等。(2)加工工艺:包括加工类型;加工阶段或子阶段;加工工步。(3)夹具设计知识:其中包括设计方法;设计规则;求解规则;设计约束等。(4)夹具资源(夹具的功能元件和物理元件):包括夹具类型(组合夹具、通用夹具或专用夹具);夹具元件的类型(基础件、支承件、定位件、夹紧件等);机床类型(垂直铣床,水平铣床等)3.夹具设计知识具有以下的特点:(1)在夹具设计过程中的涉及的表达形式多种多样,如原理图、草图、二维工程图、三维模型、图表、表格等，并且它们通过复杂的关系联系在一起;(2)夹具设计是由不确定性的知识和正在探索中的策略完成的,它们的表达和处理。12计算机辅助夹具设计的内涵和系统夹具设计过程计算机辅助夹具设计cadf(conputeradiedfixturedesign,简称cafd),以其自身的特点和其他部分的紧密连接是cadc/am系统中的一个独立部分,从更广义的角度上讲,cadf属于计算机辅助工艺装备cat(computeradiedtoolnig)范畴。cadf作为计算机辅助设计的一个应用方面,它和计算机辅助工艺共同组成了cad和cam的桥梁计算机辅助夹具设计系统的研制和开发是直接从零件cadciapp集成环境中获取工件信息,包括cad系统输出的工件几何信息和capp系统输出的工件加工工艺信息,然后将读取的工件的几何信息和工程信息作为夹具设计的已知条件进行夹具的计算机辅助设计与分析,以实现夹具的自动设计作为一个相对独立的工程系统,计算机辅助夹具设计系统一般被分为四个阶段，工件装夹规划,夹具方案设计,夹具结构设计,夹具性能评价。装夹规划(seutpplnaning)：装夹规划是确定工件在加工中所需的安装次数，每次安装中工件的方位和待加工的表面工件装夹规划分为三步：根据零件的几何特征、技术要求、尺寸公差对零件的特征进行加工方法分类，每类特征为一次装夹中所加工的特征确定装夹顺序确定每次装夹中各特征的加工顺序，选择工件的定位夹紧功表面因为装夹规划作为capp的一个子集,可作为cadf和capp集成的交互接口2)夹具方案设计(fixtureplnaning):夹具方案是根据待加工工件的几何形状和加工工艺信息,确定工件的定位形式,工件表面上的定位!夹紧点的个数和位置,夹具方案设计是计算机辅助夹具设计中的关键部分,研究重点侧重于以下几个方面，确定工件的定位形式及定位，夹紧点的个数和位置3)夹具结构设计(configuraitondesign)：夹具结构设计是选择夹具元件,确定夹具元件的尺寸参数,完成夹具元件的布局和组装4)夹具性能分析与评价(verifieation)：性能分析是对已设计完成的夹具,进行有关性能的评价和估算,如夹紧力计算!夹具定位精度、刚度和稳定性分析、综合性能的评价。2.2 组合夹具元件几何建模常用方法组合夹具构件库和夹具实例库建立的基础是组合夹具元件库，因此首先分析一下组合夹具元件库的建立方法。对于几何特征的自动建模，三维 cad 软件一般都为用户提供了下述三种开发方法：1系列零件设计表技术系列零件设计表，在一些系统中又被称为簇表。它为一个系列的零件提供关键的驱动数据。这种技术一般是由三维 cad 软件本身提供的。对于一个模板文件，如果要生成系列零件设计表，则必须在模板中定义想要生成配置的名称，指定要控制的参数，并为每个参数分配数值。以下是生成系列零件设计表的两种方法：1）作为一个独立的操作，在 excel 中生成系列零件设计表工作表。保存此工作表，然后将其插入模型文件以生成配置；2）在模型中插入一个新的、空白的系列零件设计表，然后直接在工作表中输入系列零件设计表资料。当完成输入系列零件设计表资料后，模型中会自动生成新的配置。2宏技术 宏技术建模就是从内部编程角度操作三维软件提供的 api 对象，然后利用语言编程实现自动建模。比如六角头螺栓的模型，首先，建立一个六角头螺栓的 cad 模型，录制其绘制过程，建立宏文件（即内部编程）。然后用变量代替宏文件中的关键数据，如螺纹规格螺纹长度、六角头厚度、圆角半径等等，而这些变量的数据来源即为螺栓数据库中的某种螺栓类型数据表。这样就可以利用语言编程方便地来实现自动化造型。这种方法的缺点是使零件模型与语言程序混在一起，不能实现用户自己添加元件，建库柔性差，元件库的维护人员要求较高。3尺寸驱动原理尺寸驱动原理从外部编程角度操作三维 cad 软件提供的 api 对象，实现自动建模。尺寸驱动原理如图 2.2 所示。夹具元件参数化过程也就是将夹具元件图形模型进行尺寸驱动的过程，其中尺寸驱动参数名称的自动提取是这一技术的难点，但这种技术实现了零件模型与语言程序的有效分离，使它们之间的耦合性变小，可以实现用户自己添加元件，建库方便，柔性高，对维护人员要求不高。从实用性和有效性的角度考虑，本文应用尺寸驱动原理对组合夹具元件库进行开发。2.3.2 组合夹具元件模板建立所谓模板是具有属性的，参数化的，大小可变的三维几何实体。这种几何实体在有些相关研究中被称之为“哑图”或者“母板”。组合夹具元件模板即为带有属性的，参数化的组合夹具元件图形。它可以根据设定的参数值进行相应的自动几何建模。元件模板的参数分为主参数和辅助参数。主参数是指决定元件几何形状的关键几何参数；辅助参数是指由主参数通过一定的方程式决定的其他几何参数。辅助参数的值可由主参数的值决定。一般三维 cad 软件都提供了对辅助参数设定方程式的功能，在建立组合夹具元件模板时，可以充分利用这一功能，这样可以使得建立的模板参数数据冗余最少，可大大减少系统存储数据负担，同时也可提高图形文件尺寸参数驱动的速度。图 2.3为主要的基础件模板文件的图例。2.4 组合夹具构件几何建模的关键技术2.4.1 组合夹具构件的自动几何建模原理为了加快组合夹具的设计速度，作者认为可以在元件自动建模的基础上，进一步实现夹具构件的自动建模。我们把组合夹具构件定义为由一定尺寸约束关系的各个组合夹具元件组装而成的，具有一定功能的装配体。组合夹具构件几何建模建立在组合夹具元件几何模型基础上的，主要利用组合夹具元件自动基于 solidworks 的组合夹具快速设计技术研究建模原理和元件之间的相互尺寸参数约束方程，来完成构件自动几何建模。当给定一个组合夹具构件几何模型，必须定义它的约束方程。否则，就会造成构件中元件之间驱动尺寸参数没有规则约束，构件中元件的类型参数匹配就会变得庞大，而且很多参数类型根本不能生成合理的构件图形，成为参数冗余。相反，约束方程定义越准确越完备，构件中类型参数匹配结果也就越准确。然后，通过提取定义的完备约束方程式和分析方程式，从组合夹具元件尺寸数据库中就可以自动查找符合约束方程的尺寸参数规格形成构件驱动参数视图。我们调用 solidworks api 来读取各个零件和它们对应的尺寸驱动参数，并利用元件参数化的方法，实现了组合夹具构件的自动几何建模。2.4.2 构件模板建立构件模板建立是构件参数化的基础，元件模板又是构件模板建立的基础。构件模板如图 2.4 所示。组合夹具元件库中的每一个元件都是模板文件，它们都是可参数化的，由属性，数据等组成。因此，最简单的构件模板建立方式就是充分利用元件模板。构件中各个元件之间要设定尺寸约束方程式。这些尺寸约束方程式表达了各元件之间的相互约束关系，是构件参数化的基础。各元件之间的尺寸约束方程式可利用solidworks中工具菜单下的方程式子菜单设置完成。2.5 面向快速设计的组合夹具元件和构件信息模型前面主要研究了如何在 solidworks 上实现组合夹具元件和构件几何模型的自动建模方法。在面向快速设计的组合夹具模型中，几何模型仅是组合夹具元件和构件信息模型的一个重要组成部分。除此之外，还包括元件基本信息、可装配表面信息和参数驱动数据等三部分，组合夹具元件的基本信息是由元件的类别信息及编码信息等组成，它是标识元件唯一性的信息单元；元件几何模型信息主要是由 cad 图形文件组成，它包括图形的点、线、面以及相互之间的拓扑关系等，是夹具元件的图形载体，也是上述的元件模板文件；可装配表面信息是由元件的可装配表面或者装配表面集合组成，这些装配表面信息是进行下一章实例推理和自动装配的基础；参数驱动数据是进行几何自动建模的关键尺寸参数数据，它存储在数据库中，供程序调用，是组合夹具元件的基础数据。组合夹具构件信息模型也是由构件基本信息，几何模型信息，可装配表面信息以及参数驱动数据等四部分组成。几何模型信息主要包括构成构件的元件图形文件和装配文件，元件图形文件是由元件的构成元素和元素之间的拓扑关系组成；装配文件是记录元件之间的装配拓扑关系的载体，包括各种元件的位置和相互之间