（机械电子工程专业论文）开放式夹具异地设计平台实现的若干关键问题研究.pdf

y 5 1 7 4 8 1 摘要 通过对现阶段国内外夹具设计研究水平的分析，为促进分布于不同地域的夹具产 品和设计技术资源的合理利用以提高夹具设计的效率，本文以异地化的夹具设计为对 象进行了研究。同时，由于夹具设计的自身规律，在异地设计中对夹具元件的快速而 合理的选择是提高夹具设计质量和效率的关键所在，因而对夹具装配体本身的结构表 达与描述显得十分重要。因此，文中结合前阶段华中科技大学进行的夹具本地设计的 研究成果，对装配序列规划的相关理论进行较为深入的研究，为实现夹具构型和装配 设计提供一条重要途径。本文的主要内容为: 1 )对夹具装配特征的分类定义及夹具体的层次化分解作出较为深入的分析。 研究 了在装配规划中首先进行子装配识别，再利用夹具装配体层级关系，实现装配序列分 层规划的方法。 z )基于夹具装配体所包含的两类基本装配信息， 建立一种能够较好地反映装配体 结构特性和内在装配关系的混合型装配模型。 3 )给出了装配序列规划中的装配信息的多种表示方法，如:表、 矩阵、装配体层 次树、有向图、装配知识规则等。通过分析比较，采用有向图原理建立面向夹具装配 序列求解问题的数据结构及遍历算法。 4 )在上述理论与方法的指导下， 利用v r m l 和j a v a 语言建立v i r t u a l f i x t u r e 系 统，以实现夹具虚拟装配过程和客户端夹具异地设计。 5 ) 建立了夹具企业网站系统。该系统具有销售中介和夹具异地设计服务两个职 能，便于设计夹具企业之间、夹具企业与客户之间进行沟通，为夹具企业提高市场竞 争力和减少夹具产品设计成本提供了有效方法。 夹具异地设计的研究在现阶段具有十分重要的意义，本文的工作为下一阶段的研 究打下了坚实的基础。 关键词:夹具装配序列规划装配模型异地设计夹具企业网站 来冬 一冷导 师 i -7 意 i 全 _ 义 公布 ab s t r a c t b a s e d o n a r e v ie w o f t h e s t u d y l e v e l o f f i x t u r e d e s i g n i n p r e s e n t , a i m i n g t o i m p r o v e t h e r e a s o n a b l e u s a g e o f f i x t u r e p r o d u c t a n d d e s i g n r e s o u r c e i n d i f f e r e n t r e g i o n a n d p r o m o t e t h e e f f i c i e n c y o f t h e f i x t u r e d e s i g n , t h e s e p a r a t e d c o o p e r a t i v e d e s i g n o f f ix t u r e i s s t u d i e d i n t h i s p a p e r . f u r t h e r , a c c o r d i n g t o t h e r u l e o f f i x t u r e d e s i g n , t h e k e y t o p r o m o t e t h e q u a l i t y a n d e ff i c i e n c y o f f i x t u r e s e p a r a t e d c o o p e r a t i v e d e s i g n l i e s i n t h e r a p i d a n d p ro p e r s e l e c t i o n f o r f i x t u r e p a r t s , s o i t i s im p o r t a n t t o c o r r e c t l y d e s c r i b e s t r u c t u r e o f f i x t u r e a s s e m b l y . t h u s , o n t h e b a s e o f f i x t u r e d e s i g n s t u d y o f r u s t , t o f a c i l i t a t e th e c o n f i g u r a t i o n a n d a s s e m b l y d e s i g n o f f i x t u r e , t h i s p a p e r s t u d i e s t h e t h e o r y o f a s s e m b l y s e q u e n c e p la n ( a s p ) c o m p r e h e n s i v e l y . t h e m a i n p o in t i n t h i s p a p e r i s s u m m a r iz e d a s f o l l o w s . 1 ) t h e c l a s s i f y i n g o f fi x t u r e a s s e m b l y c h a r a c t e r a n d t h e h i e r a r c h i c a l d e c o m p o s i t i o n o f f i x t u r e i s d e e p l y r e s e a r c h e d . t h e a s s e m b l y s e q u e n c e p l a n o f h i e r a r c h y i s s t u d i e d b a s e d o n t h e m e t h o d o f i d e n t i fy i n g t h e s u b - a s s e m b l y a n d t h e h i e r a r c h i c a l r e l a t i o n o f f i x t u r e as s e m b ly . 2 ) t h e m i x e d m o d e l o f fi x t u r e a s s e m b l y , w h i c h d e s c r ib e s t h e h i e r a r c h i c a l s t r u c t u r e a n d i n h e r e n t a s s e m b l y r e l a t i o n o f f i x t u r e as s e m b l y w e l l , i s p r o d u c e d b a s i n g o n t h e t w o k i n d s o f b a s i c a s s e m b l y i n f o r m a t i o n . 3 ) s o m e d e s c r i p t i o n m e t h o d s o f a s p , s u c h a s , t a b l e , m a t r i x , t r e e o f a s s e m b l y r e l a t i o n a n d d i r e c t e d g r 叩h , a r e i n t r o d u c e d . t h r o u g h c o m p a r i n g w i th t h e m , t h e d a t a - s t r u c t u r e f a c e d t o a s p i s e s t a b l i s h e d b y t h e p r in c ip l e o f d i r e c t e d g r a p h . 4 ) w i t h t h e t h e o r y a n d m e t h o d a b o v e , t o r e a li z e t h e f i x t u r e v i r t u a l a s s e m b l y p r o c e s s a n d s e p a r a t e d c o o p e r a t i v e , t h e s y s t e m o f v i r t u a l f i x t u r e i s d e s i g n e d b y v r ml a n d j a v a l a n g u a g e . 5 ) a w e b - s i t e s y s t e m o f f i x t u r e e n t e r p r i s e i s e s t a b l i s h e d . t h i s s y s t e m w h i c h f a c i l i t a t e t h e c o m m u n ic a t i o n b e t w e e n f i x t u r e - e n t e r p r i s e a n d u s e r w i t h t w o f u n c t i o n s o f e - c o m m e r c e a n d s e p a r a t e d c o o p e r a t i v e d e s i g n , e n h a n c e t h e c o m p e t e - f o r c e i n m a r k e t a n d r e d u c e t h e d e s i g n c o s t o f f i x t u r e p r o d u c t . t h e s t u d y o f s e p a r a t e d c o o p e r a t i v e d e s i g n o f f i x t u r e i s w i t h g r e a t m e a n s a n d t h e b a s e o f t h e i n t e n d i n g r e s e a r c h i s e s t a b l i s h e d i n t h i s p a p e r . k e y w o r d s : f i x t u r e a s s e m b l y s e q u e n c e p l a n a s s e m b l y m o d e l s e p a r a t e d c o o p e r a t i v e d e s i g n w e b - s i t e o f f i x t u r e e n t e r p r i s e 坏 1 绪论 1 . 1 课题概述 1 . 1 . 1课题提出的原因 机床夹具是在机床上加工零件时，用以准确地确定工件与刀具之间的相对位置， 即实现工件的定位与夹紧，以完成加工所需要的准确相对运动的一种工艺装备。它的 主要作用是:保证工件的加工质量，提高加工效率，减轻劳动强度，充分发挥和扩大 机床的工艺性能。因此，机床夹具在机械制造中占 有重要的地位【 l 。 现代制造业正面对一个快速多变的竞争市场，制造企业必须以敏捷的应变能力去 适应市场的挑战，因而，现代制造企业应具有快速开发新产品以适应市场多元化、个 体化发展的能力。目前，异地设计技术己成为制造领域中的一个重要发展方向，而实 现异地设计的关键技术之一是异地设计企业或场所间的协同， 以实现信息交流和共享。 传统的夹具设计因其生产准备周期长和成本高己不适合目前的要求，夹具设计正 朝着数字化、异地化、敏捷化方向发展。根据在全国夹具行业的充分调研，我们得出 结论:夹具的设计和使用之间存在十分严重的沟通问题，使得夹具的产品资源与技术 资源未能有机地紧密结合。因此，建立一个以进行技术与商务交流，服务于夹具行业 的网络平台， 将大大提高各种资源的利用效率并增强我国整个夹具行业的国际竞争力。 同时，由于夹具设计的自 身规律，能对夹具元件快速而合理的选择是在异地设计 中提高设计质量和效率的关键所在，因而对夹具装配体本身的结构表达与描述显得十 分重要。但是目前在夹具设计方面进行的研究，重点主要针对夹具构型设计，而在夹 具装配序列规划方面的研究则相对较少，例如:前阶段华中科技大学进行的信息结构 分析、夹具设计规则体系的建立及其实现方法的研究。因此，本文结合前阶段华中科 技大学夹具设计的研究成果，对装配序列规划的相关理论进行了分析，以建立一种能 够较好地反映装配体结构特性和内在装配关系的装配模型，从而达到提高夹具设计和 装配效率的目 的，为实现夹具构型和装配设计提供一条重要途径z z 夕 1 . 1 . 2课题的目的 充分整合现有的夹具产品和技术资源，实现夹具异地设计和建立新的现代夹具设 计系统已 成为夹具设计发展的必然趋势。因此， 本文的目 的是对夹具装配序列规划的 相关理论进行研究并建立夹具异地设计平台，为实现真正意义上的夹具异地构型和装 配设计打下坚实的基础。 1 . 1 . 3课题的来源 本课题来源于国 家自 然科学基金项目“ 敏捷夹具的建模与计算机辅助设计”， 项 目 编号:5 9 7 7 5 0 8 0 合作单位:天津组合夹具厂等。 1 . 2目 前央具异地设计系统和技术的研究情况 . 2 . 1目 前研究情况 华中科技大学在前阶段进行了夹具本地设计的研究。 提出了新的夹具辅助设计理 论，建立了新的夹具数学模型，研究组合夹具辅助设计的实现方法，并开发出 a u t o f i x t u r e 2 0 0 3 组合夹具辅助设计软件系统。 东南大学机械工程系开展的夹具虚拟装配和异地设计技术研究中，以 c l i e n t s e r v e r 为架构，采用寄生于p r o / e 环境的虚拟装配系统对装配c a p p 系统生成 的装配工艺进行可视化装配验证。但由于不能脱离 p r o / e环境，对于在网络环境下进 行虚拟装配验证和装配顺序动画演示的发布带来了一定的困 难。异地的用户必须具备 相同的 p r o / e环境才能对虚拟装配的过程进行再现，而这一点对于敏捷制造环境下的 企业来说通常不能保证。 目 前，国内外夹具产品的异地设计的研究相当 有限，因此进行本课题研究时我们 也参考了其它一些机械产品的异地设计的研究成果: 大庆油田有限责任公司采油二厂研究的 “ v r m l 在机械产品设计及异地设计中的应 i 用” ， 根据c a d , u g , s o l i d e d g e 等这些软件生成的图片或动画文件都比较大， 而且 没有交互功能，不便于设计人员之间、设计人员和管理决策人员之间、设计人员和客 户之间 沟通以 及对设计过程中的产品进行全面的分析和了 解， 采用v r m l 来创建三维模 型和动画，由于其浏览器虚拟现实的功能和文件本身所设置的交互功能，可以让其他 设计人员全方位来了解该设计，包括产品的工作机理、组装、拆卸等，以进行全面客 观的分析和论证，同时也便于向管理决策人员演示和汇报产品的设计思路。同时，由 于v r m l 文件尺寸非常小， 能够很方便地通过网络发布， 可以起到产品宣传和征求客户 意见的作用。从而提供了一种解决一些大型的机械产品有时需要几家异地单位合作设 计 1 的问题的方法。 华南理工大学机电系基于v r m l 和j a v a的虚拟现实技术在可视化装配中的应用的 研究4 2 1 ，依据传统的 装配体的设计采用自 底向 上的方式，需要将零件制造出 来后进行 装配，往往会造成装配体各部件的干涉以及与设计目 标不符等缺陷，导致设计成本增 加，开发周期延长等问题，为实现建立在开放技术标准之上的可视化装配系统，对基 于v r m l 的虚拟现实技术在工程设计领域的应用进行了研究， 提出一种新型的w e b 环境 下3 d 交互仿真结构。 用c + + 编写了s o l 工 d 2 . 0 碰撞检测模块并编译成为动态链接库， 由 服务器上的j a v a程序通过 j n i ( j a v a n a t i v e i n t e r f a c e ) 对其进行调用，由 该检测模 块实时运算装配时是否发生干涉。 在此基础之上完成v r m l 场景的动态生成、 装配控制、 碰撞检测以及装配过程的动画回放等功能。该结构不仅可用于网络环境下的可视化装 配，也适合于其他领域基于w e b 的科学可视化。 2 . 2目前夹具异地设计系统中存在的问题 在夹具产品的设计过程中，往往需要三维建模，以用于方案设计、结构分析、汇 报演示、 产品宣传等。 目 前很多软件都具有创建三维模型的功能， 如a u t o c a d , 3 d s m a x , u g , s o l i d e d g e 等， 但用这些软件生成的图片或动画文件都比 较庞大， 而且没有交互功 能，不便于设计人员之间、设计人员和管理决策人员之间、设计人员和客户之间沟通 以对夹具设计过程中的产品进行全面的分析和了解。而且一些大型的夹具产品有时需 要几家异地单位合作设计，有时甚至是国际合作，在设计过程中不可避免地需要合作 ? 单位间的相互协调。如何解决异地设计中的协调问题变得越来越重要。工 n t e r n e t的迅 猛发展给问 题的解决提供了 很好的思路， 但是传统的三维动画和模型由于文件庞大不 便网络传输，同时由于其无交互性，很难使异地的设计人员全面了解设计者的思路， 以致造成错误设计。 敏捷制造是为了应对激烈的市场竞争而提出的先进制造模式，以多种形式实现竞 争环境下的敏捷性，主要包括个性化需求满足、 快速反应性、低成本、生产系统的重 组与资源的 重用等。 它强调各盟员企业之间的 信息和资源共享。 敏捷制造模式中的虚 拟装配和设计有其自 身 特点:企业联盟动态形成， 各企业的设计开发环境不尽相同， 因此构建的异地设计和虚拟装配系统需要不受到软、硬件平台和 c a d环境的约束。如 果采用寄生于c a d 环境的虚拟装配系统对装配c a p p 系统生成的装配工艺， 由于不能脱 离c a d环境， 对于在网 络环境下 进行虚拟装配验证和异地设计带来了 一定的困 难， 异 地的用户必须具备相同的c a d环境才能对虚拟装配的过程进行再现，而这一点对于敏 捷制造环境下的企业来说通常不能保证。 从目 前开发的夹具异地设计系统来看， 要么就是简单的二维效果图式，要么就是 单向的静态三维虚拟式。前者的结果往往是用计算机辅助设计系统，甩掉图板、甩掉 手册;后者的结果虽不再是单调的图档，而是组装过程重现，但没能提供用户的交互 性，达不到异地设计的目的。 夹具设计是一种经验性很强的过程，建立完全实用的夹具异地设计系统在短期内 难于实现。总的来讲，目 前开发的 夹具异地设计系统中存在有如下问 题: 1 )缺乏表现产品动态效果的简单、实用的造型设计工具。 2 )存在不同计算机平台下异地设计、数据共享的问 题，即客户端和服务器端都必 须配备完全相同的c a d 环境。 3 )存在客户端只能浏览设计结果，而不能远程直接参与设计的问题，即缺乏交互 性设计。 4 )没有充分利用到现有的网络资源，缺乏信息交换的实时性。 究其深层原因 在于: 没有给出 有效的 夹具体装配序列规划的 方法， 从而不能准确地 表达夹具装配信息， 不能充分表达夹具设计过程中 不同零部件之间的装配状态与装配 关系 1 . 3 因而无法完整地描述动态的设计过程并远程给出夹具设计方案。 中国企业网站的发展综述 中国互联网络经历了1 9 9 3 年的科教上网，1 9 9 5 年的百姓上网和 1 9 9 9 年的政府_ l 网几个发展时期，中国互联网络得到了快速发展 计全国1 . 5 万家国有大中型企业已有半数上网， 2 0 0 0 年中国企业己开始上网。据统 中国企业正在大举进入互联网。 天津组合夹具厂在 1 9 9 9 年利用a s p技术建立了企业网站， 主要内容为: 企业概 况;介绍该院的集团概况，发展规模和下属科室。组织结构:给出了该院组织结构 图以介绍该院职能部门、专业科室、及服务部门。 硕果累累:介绍该院的重大项目、 优秀项目、 重大合作项目。 介绍该院在工艺工程、质量认证等方面所取得的技术科 研成果。科技质量:科技质量手册、方针和目 标及质量管理体系程序文件和质量管 理体系作业性文件企业论坛:工程项目 设计、职能部门及各个技术专业。 企业上网是为了利用先进的信息技术和手段，占 领市场，扩展市场，更好、更快 的为客户提供产品、住处和服务，企业上网作为注意力经济的一部分，是为了吸引客 户的注意力。而企业通过在网 络为客户提供更快捷、更优质的服务是吸引注意力的关 键。因此面向客户、面向服务是企业互联网站的经营理念。在这种理念的指导下，我 们再看目 前中国的企业网 站的不足4 3 1 . 企业网站的定位不足:大多数企业网站只注 重企业自身的形象宣传，将互联网作为一种媒体来使用，而没有将互联网络作为一种 生产力来看待。企业网站服务理念的偏差:大多数企业网站仍是以企业为中心的c i 形象宣传，不但没有吸引客户对企业及其网站的注意力，反而使客户产生厌恶情绪。 企业网站内容贫乏，更新率低:网站上最多的内容是产品目录、产品介绍、企业简 介等内容，企业网站的更新率也很低。据有关部门调查，8 0 %以上企业网页半年不更 新。企业网站的互动能力差:大多数的企业网站不能收集用户注册信息，不具有进 行客户需求信息收集和市场调研的能力。 企业网站的电子商务能力不足:企业网站 都有一定的电子商务频道，但它们的能力很差。降低了企业网站提供服务的质量，加 大了企业的机会成本。 企业网站的服务能力弱:目前只有极少数的网站客户可以与 企业进行互动式操作，通过w e b 页面提供即时服务的网站还没有。 目 前应用最广泛的两种建设企业网站的技术是 j a v a 服务器页面( j s p ) 和活动服务 器页面( a s p ) . s u n公司的 j s p 是w e b 服务器端的开发环境， 利用它可以 产生和运行 动态的、交互的、高性能的we b服务应用程序。 其以t o m c a t 作为we b信息服务器 以 及 用m y s g l 数 据库 来 存储 数 据。 j s p 使 用 面向 对 象 的j a v a脚本 语 言， 结 合h t m l 代码， 即可快速地完成网站的应用程序。 j s p 脚本具有平台无关性， 一处编写， 随处运 行。 j s p 的 源程序在j a v a 虚拟机 ( v m ) 内 运 行， 具 有很高的 安 全性。 j a v a b e a n 服务器组 件具有无限可扩充性。mi c r o s o ft公司的 a s p 以 i i s 5作为网站服务器及用 s q l s e v e r 2 0 0 0 数据库来存储建立网 站 所需的 大 量数 据。 从字 面上说， a s p 包含三方面 的含义: ( 1 ) a c t i v e : a s p 使用了 微软公司的a c t i v e ( c o m ) 技术。 ( 2 ) s e r v e r : a s p 是 运行 在服务 器端的， 编程语言是v b s c r i p t . ( 3 ) p a g e s : a s p返回 标 准的h t m l页 面， 可以 在常用的浏览器中正常显示。 a s p使用简单易懂的v b s c r i p t 脚本语言， 无 须编译， 可在服务器端直接执行。 通过 a c t i v e ( c o m ) 服务器组件技术网站，建设人员 可利用现有的大量动态链接库( d l l ) 来轻而易 举地实现网 站所需的功能。 1 . 4本文的主要工作 本文以实现夹具的异地设计为研究对象， 对夹具装配序列分层规划和建立能 够较 好地反映装配体结构特性的夹具装配模型并开发夹具异地设计平台中存在的问题进行 了 研究， 主要工作如下: 1 ) 为 进一步 促进 分布在不同 地域的 夹具 产品 和设计 技术资 源的 合理利用， 提高 夹 具设计的效率，建立了一个夹具异地设计系统框架。 2 )对夹具装配体的结构作出 较深入的分析讨论， 研究在装配规划中进行子装配识 别，并利用装配体层次关系，实现夹具装配分层规划方法。以夹具装配体所包含的两 类基本装配信息为基础，建立一种能够较好地反映装配体结构特性和内在装配关系的 混合型装配模型。利用有向图原理， 实现装配关系拓扑模型，建立相应的数据结构。 在数据结构的基础上，利用广度遍历算法， 得到夹具装配元件的装配序列。 3 )采用v r m l 和j a v a 语言开发v i r t u a l f i x t u r e 系统，实 现夹具虚拟装配过程及 异地设计。 ! 1 . 4 ) 创建面向 远程快速服务的夹具企业网 站， 便于夹具企业之间、 夹具企业和客户 之间的沟通，为夹具企业提高市场竞争实力和减少产品设计成本提供了有效方法。 1 . 5本文的内容和结构 本文分为七章，讨论了建立计算机辅助夹具异地设计系统的要求、问题和解决方 案。最后总结了全文和展望了下一步的研究方向。 第一章绪论，介绍了课题研究的原因和日的及本文的主要工作。 第二章对夹具装配特征的分类定义及夹具体的层次化分解作了较为深入的分析讨 论。研究了在装配规划中首先进行子装配识别，再利用夹具层次关系，实现装配分层 序列规划方法。 第三章以夹具装配体所包含的两类基本装配信息为基础，建立了一种能够较好地 反映装配体结构特性和内在装配关系的混合型夹具装配模型。 第四章给出了装配序列规划中的装配信息的多种表示方法，如:表、矩阵、装配体层 次关系树、有向图、装配知识规则等。通过分析比较，采用有向图原理建立了面向夹 具装配序列求解问题的装配关系拓扑模型。 第五章基于上述理论与方法， 采用v r m l 和j a v a 语言建立了v i r t u a l f i x t u r e 系统，实 现了夹具虚拟装配过程及动态夹具异地设计。 第六章建立了 “ 博菲特”夹具企业网站系统。该系统具有电子商务和夹具设计服 务两个职能，便于夹具企业之间、夹具企业和客户之间的沟通，为夹具企业提高市场 竟争实力和减少产品设计成本提供了有效方法。 第七章总结了本文的工作，指出了下一步研究的方向。 i 多 2 夹具装配序列的分层规划 装配序列规划在夹具产品异地设计、虚拟装配等领域有着重要的作用。由于夹具 设计的自 身规律，在异地设计中 对夹具元件的 快速而合理的 选择是提高设计质量和效 率的关键所在，因而对夹具装配体本身的结构表达与描述显得十分重要。同时， 装夹 特征的分类定义是夹具设计的基础工作，是决定夹具设计的方法和方式丰富程度的基 本因素之一 2 . 1装夹特征的分类定义 装夹特征是工件上用于定 位或夹紧的 工件形素( 形状要素) 的 特征。 一方面工件形素 特征呈多种多样， 必须在夹具设计时明确进行装夹设计所需要的工件形素特征的类型， 另一方面装夹特征是装夹规划以 及结构设计时进行决策的分析对象和设计对象。 因此， 装夹特征的分类定义是夹具设计的基础，也是决定夹具设计的方法和方式丰富程度的 基本因素之一16 1 装夹特征是具有装夹涵义的工件实体形素特征， 不仅具有形状、 尺寸参数、 位置、 方向以及精度等一般特征属性，还具有可及性、精度等级这类不同于一般形素特征属 性的装夹属性。 迄今为止，对于装夹特征进行系统的分类定义，及其相关的研究尚不多， 但这对 于发展和开发计算机辅助夹具设计系统实属迫切的需要。 2 . 1 . 1 装夹特征的分类定义方法 装夹特征表现为定位特征和夹紧特征， 其定义的目 的在于明 确用于装夹的工件表面类 型，为装夹规划提供操作对象的特征范围，并作为夹具设计的 特征依据。 在夹具设计中， 主要的分析、 处理对象是工件特征模型上的 特征面。 显然， 装夹特 征的主要表现形式是装夹特征面。尽管工件几何形状可能十分复杂， 但在夹具的实际 应用中， 绝大多数的情况下用于装夹的工件表面不外乎平面、外圆 柱面、内圆柱面( 即 t ip 孔) 三种类型， 这主要因为这三种类型的表面具有良 好的接触和配合性能， 并易于加l 和测量。在本系统中，装夹特征主要采用这三种表面类型。 出于夹具设计的需要， 装夹特征进一步划分为装夹特征面和装夹特征点， 装夹特征 点依附于所属装夹特征面，用于明确夹其功能元件在装夹特征面上接触或配合时的具 体方位。 装夹特征具有典型的方向性， 并蕴涵着装夹意义。 因此， 一般按照表面类型、 方向、 装夹方式三个方面来分类定义如下 。 1 . 平面类型的装夹特征 在工件实体模型中，平面的方向特征以其法矢 v来表示，平面类型的装夹特征定 义如下， 其图例说明见图2 . 1 ，其中v . h - z , v b / / z , v 。 土z , v d 土 z , v e 土 z ， 工件坐标 系以x - y - z表示。 底面定位面:v / / - z的用于定位的工件平面表面，例如图2 . 1 中底部平面ao 侧面定位面: v 土 z的用于定位的工件平面表面，例如图2 . 1 中面c , d , e o 侧面夹紧面:v 土z的用于夹紧的工件平面表面，例如图2 . 1 中面c , d , e o 顶面夹紧面:v / / z的用于夹紧的工件平面表面，例如图2 . 1 中的顶部平面b o 平面类型的装夹特征面与夹具功能元件装夹接触的位置， 只需面上的一个装夹特征 点即可描述清楚。为便于叙述，这种装夹接触方式简称为一点装夹。 2 .外圆柱面类型的装夹特征 外圆柱面与夹具功能元件的接触区域为其表面母线的一段， 故其方向特征一般有两 个:圆柱面轴心线方向v a ， 母线的径向法矢方向v r o 外圆柱面在装夹使用中， 与夹具功能元件一般有两种典型的接触方式， 一种是与定 位或夹紧元件在一个表面母线上接触，属于一点装夹的情况;另一种是与装夹元件同 时在两个不同的母线上接触( 如使用 v型块) ， 称为两点装夹情况。 对于一点装夹的 情 况，装夹特征点取在圆柱表面母线上，是一个实际的形体点;而在两点装夹情况下， 则将装夹特征点取为v型块轴向对称面与圆柱轴心线的交点，是一个虚拟的形体点， 如图2 . 2 。 中点p s 和图2 . 3 c 中点p 2 所示。 这样， 通过装夹特征点的位置状态可以 清楚 地反映与夹具功能元件的接触方式。 l 了 根据轴心线方向v a ，外圆柱面分为两种装夹可用状态: v a 土 z时， 称为水平外圆 柱面( 如图2 . 2 a ) ; v a / / z时， 称为垂直外圆柱面( 如图2 . 3 a ) . 水平外圆柱面在一点装夹情况下，只有四条表面母线可用作装夹特征，定义如下: 顶部夹紧: v r / / z的用于夹紧的水平外圆柱面母线，如图2 . 2 b 中p ， 所示。 侧面定位. v r 1 z的 用于定位的水平外圆 柱面母线， 如图2 . 2 b中几、 p ; 点所示. 侧面夹紧: v r i z的用于夹紧的 水平外圆 柱面母线， 如图2 . 2 b 中p 2 . p 4 点所示。 底部定位: v 胡一 z的用于定位的水平外圆柱面母线， 如图2 . 2 b 中p 3 点所示。 水平外圆柱面用于两点装夹的情况， 定义为 水平外圆柱面定位， 可用区 域为其下半 部表面，即v r / / z ，如图2 . 2 c 中p 5 点所示。 垂直外圆柱面在一点装夹情况下，周向各条表面母线均可用作装夹特征，定义为: 垂直外圆 柱面侧面定位和垂直外圆 柱面侧面夹紧， 如图2 . 3 b 中p , 点所示. 垂直外圆柱面用于两点装夹的情况，定义为垂直外圆柱面定位或垂直外圆柱面夹 紧，其各部分表面都有可能用于该装夹特征，如图2 . 3 c 中p : 点所示。 / l 2 t v , / - -7 yt/ b ea vv介 、 v己 v a 图2 . 1 平面类型装夹特征 v a a ) b ) c ) 图2 . 2 水平外圆柱面类型装夹特征 图2 . 3 垂直外圆柱面装夹特征 1 6 外圆柱面用于装夹特征可以是整个圆柱表面，也可以是圆柱表面的一段或一部分。 3内圆柱面类型的装夹特征 内圆柱面，即孔，主要用于定位，其特征方向一般以 其轴心线的方向v a 表示， v a 指向与相应夹具功能元件的接触特征方向相对。该类型的装夹特征分为以 下两类: 垂直定位孔:v a / / z的用于定位的内圆柱面，如图2 . 4 a 所示。 水平定位孔:v a 土 z的用于定位的内圆柱面，如图2 . 4 b 所示。 4 . 其他非基本装夹特征 边定位: 边定位实际上是侧面定位面与底面定位面一起用于特定的定位元件( 如角 型支承) 的组合装夹形式， 该装夹形式以 其两定位面的交线作为装夹特征的表示，故称 为边定位，如图2 . 5 所示。 图2 . 4 内圆柱面类型装夹特征图2 . 5 边定位 边定位在夹具自 动设计时，并不像上面介绍的基本装夹特征一样被装夹规划所考 虑，而是作为结构设计根据实际情况进行选择夹具元件的结果表现。但在人工交互设 计状态，用户可以直接在工件特征模型上定义该装夹特征。 特殊定位面和特殊夹紧面， 属于用户自定义范畴的装夹特征， 主要用于定义工件实 体上其他特殊的形素或几个形素组合，以与特定的夹具组件挂钩。从而为专用夹具设 备提供了接口，也保证了夹具元件、组件类型以及装夹方式等具有按用户方式扩展的 能力。特殊装夹具有明显的专用性，在本文中暂不讨论。 装夹特征的分类定义是夹具设计的基础工作， 普遍的工件几何表面一旦被定义为装 夹特征便具有了明确的装夹含义。本节对各种工件装夹特征进行了系统地分类定义， l a 明确了用于装夹的工件表面类型，作为夹具设计的 特征依据。 2 . 2夹具装配序列规划的研究 为保证夹具装配的质量和效率，必须对其装配过程进行正确、有效的描述。装配 规划的内容主要包括对装配序列、方法、精度要求、手段、工具的描述，其中，装配 序列的确定是装配工艺规划的核心。现在，国内外己 有许多研究人员为此提出了一些 实用的理论和方法， 主要针对以 下三个方面b 4 ( 1 ) 装配体的建模方法， 主要为有向图法， 即以图的结点表示装配体中的零、 部件， 以边表示结点之间的关系，这种关系可以是具体的，如联接、配合等装配关系，也可 以是抽象的，如主从属性; ( 2 ) 装配棋型的求解方法，如割集法、归纳法等; ( 3 ) 约束条件的表达和求解， 包括装配操作的几何、 机械和工艺可行性的表达和求 解。 但在以往提出的理论和方法中， 还存在一些不足之处，主要表现是: ( 1 ) 建模对装配信息的 要求较高。 在装配体的有向图 表达方法中， 边的方向 一般代 表装配方向，即由装配过程中的移动件指向固定件，表达了两个结点的装配序列，但 这个信息的获取较为困难， 会增大建模的工作量和难度。 ( 2 ) 对于大、中型装配体来说，由于其零、 部件繁多且结构关系复杂， 使用一般建 模方法会使生成的模型图过于复杂，易导致推理效率下降甚至无解。 因此，本节针对以上不足，采用子装配的识别及夹具层次分解的方法，实现了夹 具装配序列分层规划。 2 . 2 . 1夹具装配体中子装配的识别 在目 前的装配序列规划中， 其思想是首先利用产品装配图信息形成一个网 络图。 图 中结点代表零件，边代表零件间的联系，然后提出一系列与零件相关的问题，并通过 回答这些问 题来生成装配序列。 这些方法在一定程度上解决了 装配序列问题， 但当 产 t 9 品中零件数目 较多时，就会出现组合爆炸问题，从而会影响这些方法的使用。克服上 述问题的方法之一就是生成子装配，即把装配序列规划问题化解为若干子问题，从而 可简化装配序列的生成。 子装配问题需要对产品中各种可能的零件组合进行分析计算， 本节首先对装配体中 的联接关系作了分析，把装配体中的联接关系分为两类，然后提出子装配识别的理论 及方法。 装配体中的联接关系及子装配 装配体中零件间的联接关系 一个夹具产品是由零件以一定的装配关系联接而成且结构稳定的装配体。产品装 装配结构表达及装配过程一般是在笛卡尔坐标系 x - y - z下进行的，其装配( 拆卸) 方向 一 般是士 x ，士 y ，士z 。装配体中零件之间的联接关系可以 分为两大类:一类为零件配 合表面间的 接 触联接关系; 另 一类为 零 件间的 紧固 联接关系。 为 此，引 入如下定义【9 1 m 定义 1 设一产品p由n 个零件组成，p = p p z ,，p k ，若零件p 、 沿k 方 向( k 二 土 x ,士 y ,士 z ) 与相邻零件 p ; 只是简单的相接触，且两相邻零件 p 和p 可自 发 分离，则称p ， 和p ; 在k 方向的联接关系为接触联接关系，用布尔量u k ( p ; , p ; ) 来表示。 若p ; 和p ; 在k 方向存在接触联接关系，则u k ( p ; , p ; ) = 1 ，否则u k ( p ，p ; ) = 0 . 定义2 设一产品p由n 个零件组成，p = p，p z ,，p w ) ，若相邻两零件p ; 和 p 在k 方向形成不可自 发分离的联接，即需借助一定的外力才能使零件 p ， 和 p 分开， 则称p ， 和p , 在k 方向上的联接关系为紧固联接关系，用布尔量w k ( p ， p ;) 表示。若p ; 和p ; 在k 方向存在紧固联接关系，则w k ( p ，p ; ) = 1 ，否则w k ( p ，p , ) = 0 o 在实际的装配体中，接触联接关系主要是指零件之间的靠装关系。紧固联接关系 包括可拆卸联接和不可拆卸联接， 如过盈配合、螺纹联接、粘接及焊接等。 2 )装配体中的子装配 一个由n 个零件组成的产品p = p , , p z ,，p n ，一般都存在若干个由m ( 2 p : ，p 、 中，若m ( 2 2 3 0 上述两种装配关系规则是装配过程中要普遍遵循的，但对某些典型的零部件的组装， 光凭上述两条规则还无法完成任务。因此，根据实际需要，我们可以从基类规则派生 新的规则，以满足需要。以轴组件的装配为例，轴类零件的装配符合下面的规则:以 轴上轴径最大处为界限，同一侧的零件，离最大轴径处越近，则优先装配;不同侧的 零件，零件数目多的一端优先于少的一端。但这条规则必须以规则a , b 为基础。 3 . 2 混合型夹具装配建模 研究夹具的装配可分为宏观的装配序列问题和微观的元件装配位置问题。只有首 先解决了装配序列，然后才能按照这一序列在装配关系约束的条件下完成装配过程。 为此须建立装配序列模型，来达到表达和求解装配问题的目的。本节讨论的装配建模 要完成的任务是在有限装配信息( 主要是两类基本装配信息) 的基础上 ，建立一种能够 较好地反映装配体结构特性和内 在装配关系的装配模型1 2 . 15 3 对装配模型的研究最早出现于7 0 年代末， 经过多年的研究， 出现了许多装配模型， 归纳起来可以 分为关系型模型和层次型模型。关系型模型以一种基于 “ 表”的结构来 建立装配模型，记录( 行) 表示将要装配的元件，字段( 列) 表示它与其他元件之间的装 配关系;而层次型模型则将某些零件合并为一个子装配，使模型呈树状结构。这两种 模型互有优缺点:关系型模型比 较直观，容易由计算机自 动生成，在装配工艺规划中 其信息便于管理和利用;缺点是信息描述往往在同一层次进行，不符合产品的实际结 构和人们的自 然思维习惯，产品零件数量不能太大，否则将给以后的装配规划带来很 大的困 难。 层次型模型的 优点恰恰是符合人们的思维习惯，能较好地体现设计意图和 产品结构，并且能减少一层元件的数量，降低装配分析的复杂性;但是其缺点是零件 之间的装配关系描述不够直观，子装配内和子装配间的划分没有明确的规则，其模型 生成往往需要人工参与。 为了使装配模型能够满足结构重构和装配关系的要求，我们将装配模型的结构树 与装配关系分离，使装配模型产生两个视图， 一个是纯粹的层次化的装配模型，即装 配树结构;另外一个是纯粹的关系型模型，即不存在子装配， 记录所有零件之间的装 配关系，如图3 . 1 e 装配关系 “ 图3 . 1 混合型装配模型示意图 这种混合型模型通过对于装配的划分形成装配体的树型结构，而同一父节点的兄 弟节点之1 j 则采用关系模型。这种模型与一般的混合模型的区别在于，普通的混合模 型将子装配看作一个整体，与它的兄弟节点组成关系模型，这样整个模型形成上下若 干层的关系模型;而我们建立的装配模型的关系视图只有一层，子装配的装配关系则 根据装配结构树动态生成。 建模的关键在于确定建模的起点，以及建模的关系基础，即从装配休的哪一部分 出发，以何种关系连接各个结点以构成一个完整的装配模型图，并能够较好地反映装 配体的结构特性和内在关系。本文经过对孔系夹具的研究，发现它们都属于基础件结 构的装配体。 所谓基础件结构是指，装配体在装配或使用过程中，依靠自 身的某个或 某几个零件作为基础件支撑整个装配体。基础件是装配体中非常重要的一个部分，本 文将它作为装配建模的起点， 在建模时由 人指定。基础件的确定也是产品设计阶段的 一个重要任务之一，由于基础件数量很少，因此不会额外增加装配建模的难度。建模 的关系基础则定为装配体的两类基本装配信息。建模过程如下: ( 1 )指定装配体的基础件，将其作为装配模型图的起始点