（机械电子工程专业论文）快速可重构夹具设计.pdf

摘要 二十一世纪的制造业面临着顾客需求驱动、不可预测、快速多变和来自全球不 断增加的市场竞争，而且竞争不断加剧。市场的不断变化要求制造系统加工的产品 品种能够快速变换以满足市场需求。近来的制造业发展表明，兼具自动化生产流水 线和柔性制造系统二者优点的快速可重构制造系统已成为未来制造业发展的方向， 它能比较好的满足上述要求并符合我国国情。作为制造系统重要组成部分的夹具设 计部分，制造系统对其提出了新的要求。因此，可重构制造系统用可重构兴具的设 计成为一个值得研究的问题，本文对此进行了一系列的探索和研究。 本论文综述了制造系统和夹具的发展，在可重构性的研究基础上提出适应可重 构制造系统的快速可重构夹具的概念，分析了它和以往夹具的联系和区别，研究了 它的元件和组件的具体分类。 根据可重构制造系统的特点及其对夹具的要求，将可重构制造系统的夹具的设 计过程分为三个部分：基于工件制造特征定位和夹紧的夹具规划；在概念设计中进 行夹具组件的设计；在详细设计中进行夹具的装配设计。 建立以功能组件模块为核一i i , 的可重构夹具组件库。并在此基础上开发了交互式 可重构夹具设计系统。该系统以s o l i dw o r k s 实体造型软件与v i s u a lb a s i c 软件为基 础，用户可以在进行产品设计的同时进行夹具组件元件的重构、排列和设计。该系 统可以也可根据实际需要对夹具库进行必要的添加、删除、修改等工作。参数化的 功能使所开发的夹具元件模型能同时表示多个外形相似、尺寸不同的夹具元件。 最后，通过理论论证和程序运行结果表明，论文所采取的理论和方法是正确可 行的。 关键词：快速可重构制造系统，可重构夹具，组件，参数化 a b s t r a c t i v l a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e s i nt h e2 1 “c e n t u r y w i l lf a c e u n p r e d i c t a b l e ， h i g h - f r e q u e n c ym a r k e tc h a n g e sd r i v e nb yg l o b a lc o m p e t i t i o n t h ec o n t i n u o u sc h a n g e s o fm a r k e tr e q u i r ear a p i dc h a n g eo fp r o d u c tv a r i e t i e si no r d e rt om e e tt h em a r k e t d e m a n d s r e c e n t s u r v e y s h a v es h o w e d t h a t ，r a p i dr e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m s ( r r m s ) w h o s ec o m p o n e n t sa r er e c o n f i g u r a b l e m a c h i n e sa n dr e c o n f i g u r a b l e c o n t r o l l e r s ，a r et h ec o r n e r s t o n e so ft h i sn e wm a n u f a c t u r i n gp a r a d i g m r r m si s a l s o s u i t a b l et oo u r c o u n t r y a f t e rr e c o n f i g u r a t i o nm a n u f a c t u r i n gs y s t e mp u t s n e w r e q u i r e m e n t s o nf i x t u r e d e s i g n ，a l li m p o r t a n t c o m p o n e n t o ft h et r a d i t i o n a l m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，s ot h a tt h ef i x t u r ed e s i g nb e c o m e s a k e yp r o b l e m i nr m s i nt h i s p a p e ras e r i e so f s o l u t i o n sh a v eb e e np r o p o s e df o rt h ef i x t u r ed e s i g n t h e d e v e l o p m e n to fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m sa n d f i x t u r e sh a sb e e nd e s c r i b e d t h e c o n c e p t o ft h e “f i x t u r e ”b a s e do nt h er e s e a r c ho fr e c o n f i g u a b i l i t ya n ds u i t a b l ef o rr m s h a sb e e np r e s e n t e d t h er e l a t i o na n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e naf i x t u r ei nr m sa n d c o n v e n t i o n a lf i x t u r eh a sb e e n a n a l y z e d t h ec a t e g o r y o ff i x t u r ee l e m e n ta n df i x t u r eu n i t f o rr a m sh a sa l s ob e e ns t u d i e d a c c o r d i n g t ot h ep e r f o r m a n c eo fr m sa n di t sd e m a n do nf i x t u r e ，ag e n e r a lf i x t u r e d e s i g np r o c e s so fr m s c a r tb ed i v i d e di n t ot h r e ep h a s e s ：f i x t u r ep l a n n i n g ( i n c l u d i n g l o c a t i n ga n dc l a m p i n 曲b a s e do nt h ef e a t u r e so fw o r k - p i e c e ；f i x t u r eu n i td e s i g ni n c o n c e p td e s i g na n df i x t u r ec o n f i g u r a t i o n i nd e t a i l e dd e s i g n g r o u p w a r e m o d u l ei st h ec o r ea n db a s eo f r e c o n f i g u r a b l e f i x t u r e c o m p o n e n t e l e m e n tl i b r a r y ai n t e r a c t i v er e c o n f i g u r a b l ef i x t u r ed e s i g ns y s t e mh a s b e e nd e v e l o p e db a s e do nt h i s b u d i n go faf i x t u r ee l e m e n t sl i b r a r y s o l i d w o r k sa n d v i s u a lb a s i ca r es o f t w a r ep l a t f o r m sf o rt h i ss y s t e m t h ee l e m e n t sc a nb er e c o n f i g u r e ， r e f o r ma n dd e s i g na ss o o na st h ep r o d u c tb ed e s i g n i n g u s e r sc a na p p e n d ，d e l e t ea n d m o d i f yt h ef i x t u r ee l e m e n tl i b r a r ya c c o r d i n gt os p e c i f i cd e m a n d s t h ep a r a m e t r i z a t i o n f u n c t i o ne n a b l e st h em o d e lt o r e p r e s e n tm o r et h a no n ef i x t u r ee l e m e n t sw h i c hh a v e s i m i l a r s h a p e s b u td i f f e r e n ts i z e s a tl a s t ，t h ed e m o n s t r a t i n g o f t h e o r ya n d t h er e s u l to f m y p r o g r a m ，t h ep r i n c i p l ea n d m e t h o d sa r et r u ea n df e a s i b l ef o rr r m s i i k e y w o r d s ：r a p i dr e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ( r r m s ) ，r a p i dr e c o n f i g u r a b l e f i x t u r ed e s i g n ( r r f d ) ，f i x t u r e c o m p o n e n t ，p a r a m e t r i z a t i o n i i i 快速可重构夹具设计 第一章：绪论帚一早：珀1 = 匕 1 1 课题的研究目的及意义 制造业是国家经济中一个关键性的工业部门，它在建设国家强大的社会物质技术基 础中起着十分重要的作用。国家实力的增强和经济的繁荣同制造业所能提供的产品和服 务的竞争力密切相关。因此，每个工业化国家都给予制造业以足够的重视，把制造同科 学与技术并列为国家经济发展确保的三太研究主题( 美国工程科学院，1 9 9 1 ) 。 2 0 世纪8 0 年代末至9 0 年代中漕0 造企业面临顾客需求驱动、不可预测、快速多变 和来自全球不断增强的市场竞争，且竞争不断加剧。这些变化要求实现经济、技术和社会 的一种新的平衡。在未来2 0 年，为了迎接挑战，企业应该注视下述基本变化： ( 1 ) 在敏捷制造等先进制造战略的推动下，各国正在进行制造产业结构和企业结构 的调整。企业获取和保持生存与发展的竞争力是由多因素整合，并随竞争的主要因素决定 的，这些因素主要有交货期( t ) 、质量，功能性能( q ) 、成本效益价格( c ) 、服务( s ) 和对环 境的影响( e ) 。 ( 2 ) 政府有关安全陛、市场运行和环境的政策、法律、法规的及时调整，使企业面对 一个更多变化的市场环境。 ( 3 ) 为了适应市场的变化、利用变化和引导变化，以及利用知识和服务使物质产品迅 速地增值，企业将频繁地引入改进与( 或) 创新产品的生产，加速了产品设计开发和制造系 统快速的调整。研究证明，实现企业、产品、制造系统、机床设备及其部件和过程的可重 构性( r e c o n f i g u r a b i l i t y ) 成为未来制造的挑战和第一项关键技术，因此，制造系统快速可重 构的研究、开发和应用应尽快列入日程。 ( 4 ) 多变的需求和订货化推动企业越来越多地采取混流生产流程，进一步推动制造 系统向快速可重构的方向发展。 ( 5 ) 基于系统论的以制造过程的研究开发( r & d ) 、规划、设计、控制和管理为主要 研究对象的过程工程成为我国制造企业获得快速反应能力最迫切、最有效的关键使能技 术。它也是可重构性实现的支撑技术。 综上所述，未来的制造要求企业实现可重构企业和可重构产品，并采用快速可重构制 造系统( r r m s ) 和先进的过程工程技术等关键技术。 传统制造系统中典型的有“组合机床生产线”( 即自动化生产流水线) d m l ( d e d i c a t e d m a n u f a c t u r i n gl i n e ) 和“柔性制造系统”f m s ( f l e x i b l em a n u f a c t u r i n g s y s t e m ) ：d m l 生产效率高，成本低，质量易于保证，但生产刚性大，难阱适应产品换 型需要；f m s 柔性大，通过软件的编制，可以适应于各类零件的加工，但由于其机床主 要是通用性的数控加工中心，加工成本高效率低。几种典型制造系统的对比见表l 。表 1 中过程可变性指制造工艺过程的变化能力；功能可变形指制造( 加工、处理) 功能的 变化能力：可缩放性指制造生产能力( 产量) 的可扩展与压缩能力。我们应清醒地认识 到，近几年和未来几年内，快速可重构生产制造系统主要以系统级的可重构用于生产实 践中，快速可重构生产制造系统的研究、开发、和应用，对提高我国制造业的水平和能 快速可重构夹具设计 力电是极为重要的。 i 特征 制造系统类型 机械化机器机械自动化柔性制造系可重构制造系统 流水线统 产品生产特多品种单件单一或少品组零件的多组零件变批量 征 小批量生产种大量生产批量生产生产 基制造柔性 高无或极低中等按订货要求变化 本 过程可变性大无或极小中等 大 制 功能可变性小无无或小 大 造 可缩放性中等无中等 大 过 成本效益低最高中等 大 程 投资回报率低或较高较高或中最高或低 中等或高或低 系系统组态能低的可重构不可重构性 不可重构性硬软件系统可重 统力性 构 特机床结构固定式通用固定式专用固定式通用 可重构机床 征 部件结构固定式固定式固定式 可重构部件 加工作业单刀为主多刀为主单刀为主 可变 表1 制造系统的比较 为了适应市场的变化、利用变化和引导变化，以及利用知识和服务使物质产品迅速 增值，企业必须频繁地引入改进与( 或) 创新产品的生产，加速产品设计开发和生产制 造系统快速的重构。美国制造业近年来的飞速发展和研究证明，实现企业、产品、制造 系统、机床设备及其部件和过程的可重构性( r e c o n f i g u r a b i l i t y ) 成为未来制造的挑战和 第一项关键技术，“可重构制造系统”( r e c o n f i g u r a b l em a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 被列为“美 国2 0 2 0 年制造技术展望”中“十大关键技术”的第一项。因此研究介于d m l ( 流水 生产线) 和f m s ( 柔性制造系统) 之间的一种生产制造系统“可重构性制造系统”， 使其兼具d m l 和f m s 两者的优点，对于同产品族的产品或零件，通过对软件和硬件 的快速重构与添加，实现对产品的按节拍生产，或一定时期内多种型号产品的同时按批 量生产，具有重要的意义 夹具的快速设计与制造，已经成为产品快速变换和制造系统新建成或重构后运行的 瓶颈，严重地影响制造系统的设计建造周期、系统生产率、质量和成本。目前国内外主 要研究和开发的是基于c a d 技术的柔性夹具的设计和各种相关的分析和校核。它们不 同于组合夹具的c a f d 之处是不仅能用于标准的组合夹具中，而且也能用于通专用夹 具的c a f d 中。这些夹具设计方法在汽车、摩托车、缝纫机和计算机行业中将会得到广 泛应用。 本课题主要研究和开发的是可重构夹具设计方法，力求为可重构系统理论提供一种 新的思路，把c a f d 应用到可重构制造系统中，对可重构制造系统进行大胆尝试。可重 构夹具软件设计平台开发出来之后，将可以根据用户的不同需要，进行夹具元件的选择、 快速a j 重构央具设汁 重构或装配，将对提高可重构制造系统的生产效率，缩短加工时间，降低生产成本起到 重要作用。 1 2 夹具发展简史及其分类 早期的机床夹具，如车床的鸡心夹头和卡盘、刨床的虎钳，是和机床同时诞生和发 展起来的。由于他们是与机床配套供应用户，一般也称为机床附件，是通用机床夹具的 鼻祖。 现代的专用夹具是伴随着大批大量生产的发展而发展出现的，特别是和汽车工业的 发展密切相关。专用夹具的使用，一方面缩短了工序时间，降低了加工成本：另一方面， 夹具本身的设计制造工时、材料消耗等又增加了工件的成本。因此，在何种生产条件下 使用哪种类型的夹具才是经济合理的，也就是夹具的经济性，一直都是夹具结构发展和 设计的一个主要问题。 机床夹具ll 装配夹具ll 焊接夹具ii 检验夹具 工艺过程分类 夹具 按适用范厨和结构特点分 通用夹具 li 一次性使用夹具ii 可多次重复使用夹具 专用夹具ii 组合夹具li 可调整夹具li 可重构夹具 图1 i夹具分类框图 专用夹具的费用分担在大批量生产的每一个工件上是极小的，所以，从事大批量生 产的企业都采用专用夹具。与此同时，却带来一个严重问题如果零件的结构和尺寸 参数一旦发生变化，相关夹具就要报废。从这个意义上说专用夹具被认为是一种一次 性使用的夹具。但是制造业中约有7 5 的企业从事单件小批生产。若为其单独设计制造 专用夹具，在经济上就极不合理了。为解决这问题，从2 0 世纪4 0 年代开始，人们就 已经着手研制能够适合单件小批和成批生产的可多次重复使用的夹具，相继出现了组合 夹具和各种可调整夹具。 9 0 年代以后，快速多变的市场竞争促进制造产品的快速变化，要求制造企业对传统 的夹具技术进行革新，以满足产品品种变化频繁、批量变换、交货期缩短、制造低成本 与高质量的要求。它们形成了夹具发展的新动力。 1 2 1 数控机床对夹具功能的影响 为解决单件小批生产的问题，上世纪5 0 年代以来美国致力于发展数控技术，数控 快速可重丰 ： 夹具设计 ( c n c ) ) t 床的出现是机械制造业的一次重大发展。随着机床和3 h i 中心在生产中的普遍 使用，机械制造的各行各业纷纷用c n c 机床加工各种机械的主要零部件，如：主轴、 机座、箱体等多种回转体和非回转体的零件。这些零部件精度要求高，在产品的总工时 占有很大比重。利用数控机床加工不仅容易保证质量、提高生产效率、缩短交货时间， 而且允许加工件的可变性。c n c 类机床的多工序加工特点是机械加工过程愈来愈多的 前掉采用工序集中而较少采用传统大量生产系统中的工序分散方式。在加工中心上，共 建在一次安装条件下，可以完成传统非数控机床要用多工序才能完成的多个表面的加 工。粗精加工也可以在同一机床上进行，很多复杂的工件，只能在普通机床上完成基准 加工后，在不超过3 次的安装条件下在。根据不同的生产条件，普通机床和加工中心的 混合使用和工序的进一步集中成为现在机械加工的主要趋势。 数控机床和加工中心对夹具的使用性能和结构都提出了新的要求，特别需要以孔定 位的孔系柔性夹具。以数控机床为基础建立的现代柔性制造单元和柔性制造系统，需要 一种组装时间短和灵活机动的夹具系统。 现代c n c 机床具有较大柔性和较高的自动化水平，加工中心都有快换刀具和自动 对刀的能力，并可借助转台在一次安装下加工不同方向上的多个表面。c n c 机床的上 述特点对夹具设计产生了直接的影响。传统夹具一专用夹具为代表主要有4 种功能，即： 定位、夹紧、导向和对刀。由于数控系统的准确控制和精密机床传动中低摩擦和零间隙 的实现，以及采用传统转塔车床工艺中钻孔的方法，不用导向套也可以得到高的孔位置 精度。同时可以利用编程决定刀具的正确位置，因此，现代c n c 加工中心机床用的夹 具无需再保留对刀和导向的功能，只须具备定位和夹紧两种功能就能满足加工要求。夹 具中取消了导向和对刀功能就可能是夹具的规划、设计和结构简化，推动现代夹具地规 划、设计、功能、结构和使用的革新和夹具系统的发展。 1 2 2 柔性夹具分析 一般来说，柔性夹具是指工件在形状与尺寸有一定变化后，夹具还能适应继续使用 的应变能力。但是，工件变化可以在小范围，即在相似的形状和尺寸变动不大的范围内， 也可以在大范围，即零件形状完全不同，尺寸变化很大。所以，柔性概念是含糊的，没 有明确的定义和界限。笼统地说，它是指与c n c 机床，加工中心配合使用的，具有加 工多种不同工件能力的夹具。自8 0 年代后夹具的研究开发主要向原理和结构创新，对 传统夹具个性的柔性夹具和无定位加工方向发展。 1 ) 原理和机构均有创新的柔性夹具 这类柔性夹具有三类：相变和伪相变式柔性夹具。利用材料物理性质从液相到 固相，再变回液相，相变的机制一般是效应或电感应。所用材料有铋基低熔点合金， 聚丙烯晴类高分子聚合物等。相变机制必须易于控制，相变材料必须对工件和人无 害。这类夹具通常都有一个充满相变材料的容器，当材料液相时将工件埋入液体中， 然后改变条件( 如升温或降温) ，在液相变成固相时。将零件夹持并固定，然后进 行加工。3 h i 结束后再将材料恢复成液相，就可以将工件取出。由于升降温容易引 起工件的热变形而影响精度。因此，现正研究用电场控制相变的高分子材料。与此 同时，为了避免热致相交的负面效应，新开发了利用伪相变材料替代使用的方法。 它利用颗粒“液态床”来模拟相变材料的双相性质。其基本原理来自真空密封袋装 咖啡的夯实现象。有一种伪相变材料夹具是液态床是夹具，床中布满细小金属颗粒， 快速可重构夹具设计 床底有一个多孔板，板下为进气口。床中放入标准夹具元件，元件埋在颗粒中，当 关闭进气口时，由于重力颗粒形成块状固体并辅以液压板压紧夯实。将工件定位夹 紧后就可以加工工件，加工完成后打开进气口，压缩空气进入使压板松开，颗粒恢 复成松散状态。图1 1 是液态床式伪相变材料夹具的一个例子，此类夹具目前只能 用于曲面定位或加工力轻微的精加工等少数情况，许多问题有待研究。 图1 2 液态床式伪相变材料夹具 另外一种典型柔性夹具是夹紧元件能自动适应工件形状的夹具，是一种被动式 的装置，在夹紧时能改变形状适应工件形状变化。 黟移 图1 3 多叶适应性虎钳 快速可重构夹具设计 图1 ，2 位带有多叶片的虎钳，一个钳口是固定的，令一个钳口由穿在转轴上的 多叶片组成，当其他运动受限制时叶片可绕轴自由转动以适应工件形状。可用于夹 持横截面不规则变化的工件或者特定的工件。 2 ) 传统夹具的创新 传统夹具中，可调整夹具可以适应小范围内的柔性，而组合夹具能符合大 范围内柔性夹具的要求。可调整夹具由于受到成组生产组织形式和产品品种市 场需求不确定性的约束，因而应用受到限制。传统的槽系组合夹具因材料贵， 加工精度高、配套元件多、初置费用高而在市场上逐步受到冷落。自2 0 世纪8 0 年代以来，原理相同只是元件结构和组装方式不同的孔系组合夹具，因其材料 价格低廉、加工方便、配套元件少、成本低、性能好而受到国内外市场的青睬， 已经成为当代组合夹具的主流。 1 3 现有夹具系统存在的缺点 虽然夹具已经从专用夹具发展到了组合夹具，都还难以适应快速多变的市场需求 对快速产品变化的要求。专用夹具现在基本处于手工设计形式，只能针对特定零件进行 设计，制造时间长，不能适应现代制造系统快速多变和建造的要求。另一方面一套夹具 只能用于一种工件的装卡，当工件的形状与尺寸变化时，夹具的大部分组元只能闲置或 报废，经常造成浪费。因此专用夹具除部分批量较大的生产外，其应用受到限制。 组合夹具相对于专用夹具来说有很大优势，但由于组合夹具是有许多具有互换性 划分很细的标准元件组成，与专有夹具结构相比，经常是体积较大，重量更重，结构不 合理，不宜用于多件加工。有时因为使用管理中的问题，无法回收利用。现场调研表明， 一旦组合夹具建立起来之后，往往不愿再拆卸。对于夹具结构的设计来说，就只能在现 有夹具元件库中选择夹具元件进行夹具组合设计。 其次，现有夹具元件划分过细，系列化针对过宽，每一类夹具元件，如定位件、 夹紧件、支承件等，都有各自的系列标准，是夹具元件品种繁多，数量惊人。例如上个 世纪以来开发过的多种槽系组合夹具系统，全世界就有数以千万计的槽系组合夹具元 件。要使用它，至少也要购买几百个品种，几千种规格，处置费用比较高。 从生产方面上看，没有必要把元件进行如此细致和针对面如此宽的划分分类，完 全可以根据应用实际和相似性对元件分类进行合并和简化。从机床本身的发展来看，传 统意义上的车床、铣床、刨床、镗床和磨床的分类，在加工中心出现之后界限已经变得 模糊，总的发展趋势也只有铣镗、车削和磨削三大类方向。从这个角度来看，以前每种 机床各自配备一套完整的夹具系统的意义也应该受到质疑。 电子商务和国际互联网的推广和普及，将使虚拟工厂和网络制造等新型生产和商 贸方式的优越性得到更大发挥。未来产品制造企业的趋势将大部分是专业化和灵活性强 大的中小企业。那种包容所有制造内容大而全的生产模式的企业将会越来越少，而逐渐 过渡到基于零部件制造网络供应链的集成化产品与服务生产，零部件只需从各个供应商 那里采购。夹具的设计制造，只是给夹具设计公司提出订单，由夹具设计公司利用本身 的专业优势、计算机辅助设计技术和制造能力和库存按时完成夹具设计制造任务。对于 缺少的零部件则交给夹具零部件制造公司，由他们具体设计制造。 基于以上考虑，可以看到夹具系统虽然从专用夹具发展到组合夹具，但是都不能 快速叫重构央具设计 适应未来夹具快速高效设计制造的要求。为此有人提出可重构夹具来解决前面的问题。 可重构夹具首先对现有品种、种类、规格繁多的组合夹具、专用夹具系统的各种零件按 其相似形状和功能进行归并简化，组成统一的夹具元件( 零件) 系统。这样将使夹具元 件的品种、规格大为减少，有利于设计、制造和使用。根据所要设计的工件特征，预先 按照功能要求将夹具元件组装成夹具组件，首先在夹具组件的层次上设计夹具结构，这 样就能简化设计过程，使用简化夹具的零件和组件，不仅能增加夹具设计灵活性，并在 完成生产任务后，又能够做到部分、大部分或全部零件和组件的重复使用，是种新型 的夹具设计思想和系统。 综上所述夹具的革新成为现代制造技术中一个活跃的领域，其主要研究方向仍集 中在如何适应先进的制造系统的需求，革新加剧的规划、设计、结构和使用等方面，特 别是对现有组合夹具和专用夹具的革新方向。 1 4 可重构夹具的产生和发展 可重构或重组表示可重新组态或重新布置等含义。可重构性指的是一种可以按照 规划和设计规定的变化，利用子系统、模块或组元的重排、变形、更替、剪裁、嵌套和 革新等手段对系统进行重新组态、更新过程、变换功能或改变系统的输出量，迅速响应 市场变化的能力。他是一种使企业敏捷化，获取适应系统或产品变换的制造过程，制造 功能或制造产出的能力。因此。可重构性是实施敏捷制造等先进制造战略，增强企! 竞 争力和实现t o c 统一的一种重要手段。具有可重构性的企业称为可重构企业。有可重 构性的产品、制造系统或机床设备及其部件称为可重构产品、可重构制造系统或可重构 机床与可重构部件等。这一概念可用于多个系统层次。目前这一概念引发了制造技术与 装备的革新，如：可重构机器人，可重构智能平台，可重构软硬件模块等已经出现。 如果我们把5 0 年代出现的成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ) 和以后发展的零件组成组分 类，组合机床，成组工艺，以及以他为基础发展起来的f m s 、c i m s 和单元制造 ( c e l l u l a r m 龟) 中的共性称为成组性的话，其本质是几何相似性和部分物理相似性，而 可重构性是成组性的拓展，并与之有着质的区别。可重构形不仅考虑了物力和几何相似 性，而且还可以考虑几何物理相似性，生物学相似性，化学相似性的拓扑相似性。可重 构形的本质不仅是基于组合拓扑( c o m b i n a t o r i a lt o p o l o g y ) 、组合设计和群论( g r o u p t h e o r y ) 概念的广义相似性，而且引入了一个极重要的系统的特征一接口( 界面) 整合 ( c o n s i s t e n c e ) ，以实现集成系统的“相乘效果”。另一方面，由于产生于5 0 年代的成 组技术内涵的局限性，不可能完全适应今天和未来制造的市场需求，如：组合机床虽然 在设计与制造上实现了组合化，但使用时仍然按照专用机床利用。因为它没有考虑广义 的相似性和分解后的单元( 模块) 间的接1 3 性，未能在设计制造时解决相关问题，故无 法保证寿命期内使用的可重构性。目前的机床或产品，几乎都是没有可重构性的。因此， 只要市场需求有变化就会导致大量老机床、设备、机器和老产品的闲置，甚至报废，还 要重新投资购进新的，根本谈不上重复利用。这是传统的工业化途径造成的大量资源和 能源浪费的重要原因。同样，在成组技术指导下的f m s 或单元制造也只能对位数较少 的同族零件加工有效。 成组夹具是在通用和专用夹具基础上发展起来的一种先进夹具，他兼取两者之长， 力避两者之短，有其独自的结构特点。 成组夹具有两部分组成：基础部分和调整部分。基础部分是成组夹具的通用部分， 伙速可重构夹具设计 一般包括夹具体、夹紧机构及传动机构等。这部分结构主要是根据零件族中各零件的轮 廓尺寸、央紧方式和切削力大小等因素来确定的，调整部分允许采用一定的调整方式咀 适应零件组各零件的安装。这部分一般包括一些定位、夹紧和导向等元件的可换件、可 调件。前者为全组零件公用的基础件，后者是针对零件组中某一种或几种零件而专门设 计和使用的可调或可换件。 成组夹具的设计原则、步骤 一个优良的成组夹具应满足以下基本要求 ( 1 ) 必须稳定的保证所加工的同族零件的质量： ( 2 ) 迅速、准确、稳定的安装成组工艺文件规定的每一种零件： ( 3 ) 精确、牢固的安装在所用机床上，要保证装卸方便和准确； ( 4 ) 有足够的刚度、精度和较长的使用寿命；( 基本部分的寿命长为1 5 2 0 年) ； ( 5 ) 操作方便、安全； ( 6 ) 结构紧凑、合理，且有良好的工艺继承性。 成组夹具和专用夹具的设计过程大体相同其主要差别在于成组夹具的使用对象不 是一种零件而是组零件。因此，设计中综合分析的工作量较大，既需要对这一组零件 的图纸、成组工艺以及加工条件等作全方面的综合分析，已确定最佳的工件安装方案和 夹具调整方式。成组夹具的调整部分是设计的难点，设计者应该按照确定的调整方式设 计或选用可换件、可调件及可调机构，以满足同组各种工件的安装和加工要求。 可重构夹具在成组夹具的基础上又向前跨进一步，可重构夹具是为了适应可重构制 造而产生的一种新的夹具理念和装夹系统，是传统组合夹具、柔性夹具的延伸和发展。 可重构夹具对提高制造系统快速响应产品变化的能力，缩短产品设计制造周期，增加制 造系统的柔性，降低成本，提高产品质量等都具有十分重要的意义。 可重构夹具与常规的组合夹具、柔性夹具等相比，具有以下特点：( 1 ) 可重构性好。 ( 2 ) 可扩充性好。( 3 ) 开放性好。( 4 ) 适应性强。( 5 ) 响应新产品和重构的速度很快，斜升时间 短。 主要的技术实现方法：( 1 ) 将三维实体建模方法、特征建模方法、面向对象的方法以 及数据库技术相结合，对定位装夹元件和定位装夹单元进行分类、定义和表达，并以此 为基础构造夹具元件库。( 2 ) 利用人工智能、几何约束与参数化建模方法亦即图论和集合 论方法，分析、研究和表达可重构夹具中各定位装夹元件与元件、元件与工件、工件与 机床之间的接口关系或约束关系，构造夹具单元的装配关系图，并以此为基础构造夹具 的整体装配关系模型，实现可重构夹具的构形设计与构型过程模拟。( 3 ) 将人工智能方法 与实体求交理论以及几何推理理论相结合，确定定位、装夹、支撑点以及夹具元件的相 互位置，并对实际结果进行分析和干涉检查。( 4 ) 采用三维造型和动画技术进行装配过程 模拟，采用矩阵法进行定位精度分析，利用有限元法进行变形分析，稳定性分析可采用 运动学分析法。( 5 ) 以三维实体造型软件以及v i s u a lc + + 等作为系统的软件开发平台，充 分利用三维c a d 系统的参数化设计和基于约束的装配设计功能，对夹具系统进行必要 的人机交互设计和基于实例的变型设计。( 6 ) 以i n t c r n e t 或i n t r a n c t 以及数据库技术为基础 实现可重构夹具构型设计系统与c a d 系统、c a p p 系统之间的信息集成以及可重构夹 具构型设计系统与资源的远程调用和共享。 快速可晕构夹具敬计 1 5 论文的主要研究工作 本课题是大连市科技计划项目“快速可重构的生产制造系统”的关于可重构系统用 夹具这一部分。所研究开发的是面向快速可重构制造系统的c a d 及c a f d 系统的原理、 组成特点及系统结构。主要研究内容为根据快速可重构制造系统的特点，研究并建立适 合快速可重构制造系统的c a d 与c a f d 系统模型，并在一定范围内实现计算机辅助设 计与辅助夹具规划的功能。为可重构制造系统控制器设计研究打下良好的理论与技术基 币出。 在快速可重构制造系统中，数控机床和加工中心的使用使加工时间大大减少，系统 柔性增强。现在的加工准备时间，特别是夹具的设计与制造变成可重构制造系统应用的 一个瓶颈环节。从工厂调研中可以看到，夹具的设计与生产已经成为某些厂家发展的一 个主要制约因素。如北京某加工中心和数控机床的生产单位，在进行制造系统和机床设 计的同时要进行大量的配套夹具设计和制造，但是由于其按照传统的夹具设计思想和方 法进行设计费时费力。因此，只能花较多的资金将其配套的夹具设计任务承包给外地厂 家进行设计和制造。每年仅此一项的费用就达到近千万元。而且经常出现加工出的夹具 质量差而进行修改或返工的情况，结果常常烟雾制造系统的交货期。他们急需新的夹具 设计思想和相应的夹具设计软件来辅助进行夹具设计，以提高夹具设计质量，缩短央具 设计周期。 根据上述情况，本课题的具体内容主要包括： ( 1 )通过对制造系统和夹具发展的调研与分析，寻找现有夹具系统存在的问题和不 足，系统分析可重构制造系统的理论研究；并具体研究可重构制造系统中夹具研究的要 求和研究方向。 ( 2 )针对某一族特点显著的零件，分析和确定重构制造系统用的可重构夹具的特点 和内涵，可重构夹具与传统夹具的关系，可重构系统中的夹具元件和组件的技术要求、 分类以及数学表达： ( 3 )为满足可重构制造系统的夹具设计需要，在v b 和s o l i d o r k s 的基础上，建立三 维央具库并开发夹具设计系统用户可以在进行产品设计的同时，交互式的设计配套夹 具。 快速町重构夹具设计 第二章可重构制造系统的理论基础 本章首先根据可重构性的理论，建立符合独立公理设计要求的可重构型夹具设计的 理论依据。然后分析重构型夹具所具有的三个特点。最后研究可重构夹具和传统夹具的 区别和联系。 2 1 可重构性及其科学基础 2 1 1 可重构性的内涵及相关理论 内涵 可重构即可重新组合或重新布置等含义。可重构性指的是一种可以按照规划和设计 之规定的变化，利用子系统、模块或组元的重新排列、更替、剪裁、嵌套和革新等手段 对系统进行重新组合、更新过程、变换功能或改变系统的输出( 产出) 量和形，迅速响 应市场变化的能力。它是企业敏捷化，获取新系统、新产品、新制造过程、新制造功能 或新制造生产能力。因此，可重构性是实施敏捷制造等先进制造战略，增强企业竞争力 和实现t q c 统一的手段。如果把2 0 世纪5 0 年代出现的成组技术( g r o u p t e c h n o l o g y ) 和以后发展的零件族成组分类、组合机床、成组工艺、以及以它为基础发展起来的f m s 、 c i m s 和单元制造( c e l l u l a rm a n u f a c t u r i n g ) q b 的共性称为成组性和组合性的话，其本质是 物理相似性和几何相似性，而且还考虑了几何物理相似性、生物学相似性、化学相似性 等拓扑性。但可重构的本质不仅是基于组合拓扑( c o m b i n a t o r i a lt o p o l o g y ) 、组合设计和 群论( g r o u pt h e o r y ) 概念的广义相似性，而且引入了一种极重要的系统的特征接1 2 1 ( 界面) 整合( c o n s i s t e n c e ) ，实现系统集成的“相乘效果”。另一方面，由于产生于2 0 世纪5 0 年代 的成组技术内涵的局限性，不可能完全适应今天和未来制造的市场需求，如组合机床虽 然在设计与制造上实现了组合化，但使用时仍然按专用机床利用。因为它没有考虑广义 的相似性和分解后的单元( 或模块) 闯的接口性，未能在设计制造时解决相关问题，故 无法保证寿命期内使用的重构性。目前的机床或产品，几乎都是没有可重构性的。因此， 只要市场需求有变化就会导致大量老机床、设备、及其和老产品报废，根本谈不上重复 利用。这是工业化造成大量资源和能源浪费的重要原因。同样，在成组技术指导下的 f m s 或单元制造也只能对为数较少的同族零件加工有效。所以，研究、开发和应用可重 构性是未来制造的重大关键技术，也是时代对制造企业的重大挑战。不言而喻，产品的 改进与创新、制造系统和工具及其它辅助系统的可变性和革新，无一不与可重构性关联。 可重构性是对积木化或成组性的革新，是基于拓扑相似性的组合理论。当需求变化 要求快速变化产品生产时，重构对产品或整机的功能、性能、质量、交货期、售假、服 务及其对环境的影响提出变化的要求，规定了不同的基本拓扑特征组合。可重构性就是 基于众多需求目标及其变化的要求，以及变化中基本拓扑特征子集不变的模块( 或子系 统、组元) ，以较少的模块平台组成多样化的产品整机系统，以适应需求的多样化及其 变化。 快速可重构夹具设计 变流理论与斜升时i 司 产品是市场需求的函数，而制造系统、设备和工具的规划、设计或选择又是产品及 其制造过程设计中的函数。换言之，制造系统是市场需求的泛函，因此，制造过程中的 物流既是市场需求的泛函，也是产品生产过程的函数，描述产品和制造过程变换的流动 原理称为变流理论( t h es t r e a m o f v a r i a t i o nt h e o r y ) 。在轿车车身的装配中，他由 零件一组件一整个车身逐步汇流而成。文献( 6 ) 对之作了详细的研究，但对一般意义 上制造产品的流动，研究得不多。现在倾向于利用变长、变宽和变深的物流河理论描述， 称这种以随产品及其制造过程设计、生产线布置、运转周期和组织管理等变化的河长， 随产品与过程设计、投产批量和订单变化的河宽，随生产策略( 如排队、存储等) 、程 序和辅助运作( 如清洗、标识、检测等) 变化的河深这三个变量决定物料流流速及流出 ( 产出) 量的理论为交流理论。虽然它与江河不同七段和不同季节( 雨季与旱季) 的流 动有相似之处，但它们间质的区别在于物流河内品种和批量是变化的。所以，物流河即 可描述从零部件到产品装配的过程，又可以描述便品种和变批量的各种制造过程中的物 料流。研究变流理论的目的在于及时检测、控制物流河，使物流系统新建、重构后快速 达到和保持系统运行的技术经济指标。变流理论包容了著名的物流河瓶颈约束理论 ( t o c ) 和j i t 流方式。 可重构产品和工厂可重构的基础模块化 “产品中有产品”( 模块) 、“工厂中有工厂”( 模块装配车间) 已经为制造系统的并 行发展和产品的不断更新提供了极好的基础。基于“模块驱动器”提出的模块化方法能 够使每个独立的模块装配单元更适合实际需要。 模块驱动器是沿着整个产品生命周期的一系列不同的建立模块的标准，如下： ( 1 ) 产品开发与设计当现实的技术方法能用在新一代产品上时，此分功能应作为 一个模块：在产品生命周期内，当某部分技术变化会有定的冒险时，应建立一独立模 块：如果根据计划，特征将产生变化，则特征的载体应作为独立的模块。 ( 2 ) 变化当技术允许时，把多种变化集中到一个模块可能更合适；如果产品的趋 势将随其形式和颜色的变化而变化，则应建立单独的模块。 ( 3 ) 制造针对各产品中的共同属性，应建立独立的模块；当其子功能适合单独小 组工作、适于特殊技能或研发时间极其不同，则应建立独立模块。 ( 4 ) 质量当其功能能被独立测试时，应建立独立的模块。 ( 5 ) 购买为减少逻辑费用、平衡体积，可建立独立模块。 ( 6 ) 售后为使服务和维修方便，可按其子功能建立独立模块；若升级可预见，则 此功能应有独立模块：污染性的材料和易循环的材料最好集成到独立模块。 目前模块化的主要障碍：( 1 ) 缺乏刀具、夹具和标准化机床的设计方法：( 2 ) 缺乏各级 模块的接口标准。 2 1 2 可重构性的数学表示 可重构性产品或系统可用图论的工具描述，也可以利用二维、三维或多维相关矩阵 进行描述，其设计原理可用公理设计的设计矩阵表达为： 扶速可重构夹具砒汁 c n = a o f r f r = a d p ( 2 1 ) ( 2 2 ) d p = a2 p v ( 2 ，3 ) c n 顾客需求c 以集合矢量。在需求分析后定义； f r 满足顾客需求的产品功能要求乒r 。集合的矢量，在概念设计时定义； d p 满足f r 要求的设计参数d b 集合的矢量，在制造过程设计中确定； p v 满足d p 要求的制造过程参数j d 珞集合的矢量，在制造过程设计中确定； 4 0 、爿1 与a2 分别为式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 和( 2 3 ) 的设计转换矩阵，他们分 别被定义为： 爿? = 筹 ( 2 4 ) l ：o f r , “” o d p