（机械制造及其自动化专业论文）基于快速成形的快速夹具体系构建与系统开发.pdf

上海大学硕士学位论文 i e i i - - - - - - 舅舅詈曼曼曼曼璺曼曼量曼曼量曼曼曼曼皇曼曼量 摘要 快速夹具是一种重要的工装设备，广泛用于检查、测量、运输、焊接、装 配、展示等领域。快速夹具的出现，对缩短企业夹具的开发周期和降低成本， 实现绿色设计有着非常重要的推动意义；因此，目前新型夹具研究是国内外研 究的热点。本学位论文在研究快速夹具的设计方法的基础上，深入探讨了快速 夹具体系结构、装夹布局规划和快速夹具力学性能分析等问题。本文得到了上 海大学研究生创新基金的资助，研制开发了n x 环境下的快速夹具设计系统。 本文首先对快速夹具设计的相关研究的国内外发展状况进行了综述，提出 了快速夹具的基本概念，在研究了快速夹具基本功能的基础上，给出了快速夹 具体系结构，并着重研究了快速夹具的体系构建方法，提出了快速夹具装夹单 元布局规划方法。 本文探讨了快速夹具力学性能，对快速夹具的关键零部件一夹头进行了 线性静力分析，对夹头的关键参数进行了初步优化。 本文在上述理论与方法研究的基础上，利用u g o p e n 技术开发了n x 环 境下的快速夹具设计系统，并以车载音箱支架的运输用快速夹具为例，验证了 该系统的实用性。 关键词：快速夹具；快速成形；装夹单元布局；力学性能；优化设计 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t r a p i df i x t u r ei so n eo fi m p o r t a n tp r o c e s se q u i p m e n t i ti sw i d e l yu s e di n i n s p e c t i o n , m e a s u r e m e n t ，t r a n s p o r t a t i o n ，w e l d ，a s s e m b l ya n de x h i b i t i o no fp r o d u c t a n do t h e rf i e l d s b e c a u s eo fu s i n gr a p i df i x t u r e ，i ti sa l li m p o r t a n ts i g n i f i c a t i o nf o r e n t e r p r i s et os h o r t e nd e v e l o p m e n tc y c l e ，r e d u c ec o s t ，a n dc a r r yo u tg r e e nd e s i g n s o ， n e w t y p eo ff i x t u r ei sb e c o m i n gt h ef o c u so fr e s e a r c ha th o m e a n da b r o a da tp r e s e n t o nt h eb a s i so fi n v e s t i g a t i n ga n da n a l y z i n gt h ed e s i g nm e t h o do fr a p i df i x t u r e ，a s e r i e so fp r o b l e mo nt h ea r c h i t e c t u r e ，t h el a y o u tp l a n n i n ga n dt h em e c h a n i c a l p r o p e r t ya n a l y s i so fr a p i df i x t u r ei sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r b a s e do nt h er e s e a r c h , t h ed e s i g ns y s t e mo fr a p i df i x t u r ei sd e v e l o p e di nn x t h i sr e s e a r c hi sf u n d e db y p o s t g r a d u a t ei n n o v a t i v ef o u n d a t i o no fs h a n g h a iu n i v e r s i t y f i r s t l y , r e l a t e dr e s e a r c h e so nt h ed e s i g nm e t h o do fr a p i df i x t u r ea r ep r e s e n t e d , a n dt h ec o n c e p t i o no fr a p i df r o - r a r ei sp u tf o r w a r d o nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h e b a s i cf u n c t i o n , t h ea r c h i t e c t u r eo fr a p i df i x t u r ei sc o n s t r u c t e d , a n dt h ek e yo f r e s e a r c hi st h ec o n s t r u c t i n gm e t h o d t h el a y o u tp l a n n i n gm e t h o do fc l a m p i n gu n i t i sa l s op u tf o r w a r d t h e n , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fr a p i df i x t u r ei sc a l c u l a t e da n da n a l y z e d ， e s p e c i a l l yt h el i n e a rs t a t i ca n a l y s i so fk e yp a r tc h u c ki so p e r a t e dt oo p t i m i z et h ek e y o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c h e dt h e o r ya n dm e t h o d ，a l la p p l i c a t i o ns y s t e mf o r d e s i g n i n gr a p i df i x t m ei sd e v e l o p e di nn xb yu s i n gu g o p e n t h ep r a c t i c a b i l i t y o ft h ea p p l i c a t i o ns y s t e mi sv a l i d a t e db yo nd e s i g nc a s eo fr a p i df i x t u r e ，w h i c hi s u s e di nt h ep a r tt r a n s p o r t a t i o no nt h es o u n db o xb r a c k e to fv e h i c l e k e y w o r d s ：r a p i df i x t u r e ；r a p i dp m t o t y p i n g ；l a y o u to fc l a m p i n gu n i t ； m e c h a n i c a lp r o p e r t y ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n i i 上海大学硕士学位论文 曼- - 一 - 一一i i i i j ii l l ：一i 曼 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：公三直e i 期：2 进 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：燃导师签名：j 啦日期：至哆：兰：笸 上海大学硕士学位论文 曼舅曼皇鼍i。 i,_lill 曼皇皇曼量曼皇曼曼曼量曼曼鼍 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题得到了上海大学研究生创新基金“基于u g 的快速检夹具设计系统 研发 的支持。 1 2 研究背景和意义 1 2 1 研究背景 随着世界经济的飞速发展和全球工业市场竞争的不断加剧，人们已经认识 到传统的检夹具设计与制造方法已经不能完全满足现代企业的要求，迫切需要 改进传统的检夹具设计方法与制造工艺，以获得更显著的经济效益，借助快速 成形( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 技术进行这方面的研究倍受学术界和企业界的关 注。 夹具是一种非常重要的工艺装备，它直接影响着机械加工的质量、生产效 率和成本，其设计与加工时间在整个生产准备周期中最长，决定着整个生产准 备周期【1 1 。现代制造业要求缩短产品生命周期，追求个性化和小批量生产。这 就要求工艺装备的快速研制，在设计和加工手段上突破传统的方法，采用先进 的设计方法和加工技术。 为了提高夹具的设计效率，人们利用计算机强大的图形和运算功能，将夹 具设计和装配转移到计算机中去实现，从而出现了计算机辅助夹具设计 ( c o m p u t e ra i d e df i x t u r ed e s i g n ，c a f d ) 技术。c a f d 系统的研究与开发在上个 世纪8 0 年代成为制造业研究的热点，随着c a f d 系统的不断成熟，夹具设计 的效率不断提高，大大缩短了夹具的设计周期，减少了夹具设计成本。1 9 9 7 年， y r o n g 和x l i 首次提出“r a p i df i x t u r e ( 快速夹具) 的概念 2 1 ，但是其含 义仅仅是夹具的快速设计，而加工方法并没有实质性的改变。 上海大学硕士学位论文 将r p 技术应用到快速夹具中，大大缩短了开发周期和加工时间，大大降 低了设计与制造成本，实现个性化设计和小批量生产，出现了全新的快速夹具， 即基于l 冲的快速夹具( r a p i df i x t u r e ，r f ) 。如何将夹具设计技术、c a d 技术、 计算机技术和r p 技术等相结合，开发出满足市场需求的快速夹具设计系统 ( r a p i df i x t u r ed e s i g ns y s t e m ，r f d s ) ，成为国内外学者竟相研究的热点。 基于上述考虑，本学位论文选定r f 设计方法和r f d s 的开发作为研究方 向，着重研究r f 体系结构、r f 关健体系的力学性能和系统智能化开发等问题。 1 2 2 研究意义 随着全球经济一体化的进程加快以及信息技术的迅猛发展，现代制造企业 环境发生了巨大的变化，产品生命周期缩短，交货期成为主要竞争因素，用户 需求个性化、多品种小批量生产比例增大 3 1 。传统夹具结构复杂、装夹效率低、 可再现性差、制造周期长和成本高，在很大程度上影响了产品开发周期和成本。 由此可见，传统夹具已经无法完全满足当今企业的要求，市场迫切需要一 种成本低且能够迅速制造的夹具。随着r p 技术的逐渐成熟，为夹具提供了新 的技术手段，打破了传统夹具的设计和加工思想，出现了r f 。 r f 设计与加工周期缩短、成本降低，且大部分零部件可以回收等特点得到 了制造业的广泛关注，越来越多的企业在产品的展览、运输和检测等过程中使 用了r f ，体现了绿色夹具设计的思想。 由于基于r p 的r f 设计思想出现的时间短，其设计方法还不成熟，因此探 索基于r p 的r f 设计方法和开发基于r p 的计算机辅助快速夹具设计系统 ( c o m p u t e ra i d e dr a p i df i x t u r ed e s i g ns y s t e m ，c a r f d s ) 迫在眉睫。 本文从工程应用的角度出发，研究基于r p 的r f 的体系结构和设计方法， 在此基础上开发了n x 环境下的基于r p 的r f d s 。 1 3 国内外研究概况 1 3 1 国外研究概况 2 上海大学硕士学位论文 早在2 0 世纪7 0 年代末，当时的前苏联学者就开始了夹具c a d 的研究工作。 由于当时计算机硬件和软件的落后，其进一步发展受到了很大的阻碍。2 0 世纪 8 0 年代初期，计算机技术的迅猛发展使得夹具设计进入c a d 时代，欧美学者 纷纷投入到计算机辅助夹具设计研究工作当中，国外学者在c a f d 方面的研究 取得了很大的进展，出现了一些有影响力的成果，其中具有代表性的有： d c b a ，【4 】开发的c a f d 是早期代表，仅仅是使用c a d 技术从标准夹具 组件库中挑选零部件，在计算机中把夹具模型装配起来。 a y c n e e 5 1 和p m g r i p p o t 6 1 开发了具有夹具组件库和引导夹具装配顺序 菜单的交互式c a f d 系统。指定旋转轴和x - y 平面内的旋转角度，完成夹具的 装配操作。 a m 砌吣【7 】和d t p h a m 8 1 开发了基于规则的专家系统，知识库可以回答 用户的询问。知识库的建立是一个巨大的成就，但是依然不能完全满足不同类 型的夹具设计要求，而且不能完成夹具的详细设计。 yr o n g 9 1 开发了一个自动的组合夹具结构设计系统，系统中融入了科学推 理技术，提高了夹具设计的自动化程度。但对于复杂夹具的设计来说，它仍然 不是很成熟。 l e e 和h a y n e s l l 明使用f e a 的方法对夹具设计进行验证。将工件模拟为线弹 性，夹具模拟为刚性，利用优化设计的方法，使工件偏差最小。 n i c h o l a s a m 砌【l l 】对夹具设计的完整性进行了验证。用a n s y s 参数设计语 言代码开发了一个算法，用于自动优化夹具的定位点和夹紧点、夹紧力，使工 件的变形最小，从而提高加工精度。 比利时m a t e r i a l i s e 公司开发的m a g i c s 软件中的r a p i d f i t 在c a f d 领域处在 领先地位，该模块第一次将r f 的设计思想体现在软件中，用户可以迅速完成 i 疆的设计工作。但是，m a g i c sr a p i d f i t 存在诸多局限，不符合我国国情。 从国外研究概况可知，夹具设计思想已经从单纯的结构设计转向了夹具设 计验证( c o m p u t e ra i d e df i x t u r ed e s i g nv e r i f i c a t i o n ，c a f d v ) 。目前对基于r p 的r f 的研究尚处于起步阶段，特别是开发c a r f d s 更是寥寥无几。 3 上海大学硕士学位论文 曼曼皇曼皇舅舅曼曼皇皇曼皇i i ii 鼍摹曼曼曼曼曼曼曼量皇皇皇寡曼鼍寡皇曼舅曼蔓毫曼皇曼曼皇量曼皇曼曼曼曼曼曼舅 1 3 2 国内研究概况 我国c a f d 的研究从8 0 年代中期开始，充分借鉴了国外的研究成果，在 理论和实践方面取得了诸多成绩，主要研究成果有： 朱耀祥【1 2 1 开发了基于成组技术的检索变异式系统，以a u t oc a d 和d b a s e 为支撑软件，构造了一个带有夹具设计信息的编码系统，并且嵌入了一个组装 专家系统，向设计者推荐适当的组装定位方案和可选用的基础件。 刘文剑【1 3 】开发了面向生产的计算机辅助组合夹具设计系统，包括自动选择 元件、图形库管理、元件交互组装三部分，是基于专家系统的设计系统。 李培根1 1 4 】开发了种敏捷夹具计算机辅助构形设计系统，在敏捷夹具计算 机辅助构形设计系统的研究过程中，采用面向对象思想的知识表达方法和推理 方法来实现系统的敏捷性。 融亦鸣【1 5 】利用成组技术的思想，对柔性夹具进行分类编码，建立了柔性夹 具库和计算机辅助夹具设计系统。 范炳炎1 6 1 研究了有限元法在夹具设计中的应用，优化夹具结构及尺寸，有 限元法在夹具c a d 中的研究在国内逐步推广。 吴玉光1 刀研究了孔系组合夹具的一般定位方式，开发了一种自动规划定位 方式的算法，用于夹具设计时夹持点的规划设计。 总体来说，国内外c a f d 的研究主要集中在设计规划、工作图绘制等方面， 可以提供交互式设计。近年来发展起来的c a f d v 只是将设计完成的夹具数字 化模型进行中间数据格式转换，再输入到专业的有限元分析软件中对夹具进行 性能分析，无法实现c a d c a e 数据集成。国内外的学者很少进行r f 研究工作； 据本文所查阅的资料，国内基于r p 的r f 设计方法研究尚未见报道，r f d s 开 发仍处于实验阶段。 1 4 论文主要研究内容 本文以作者攻读硕士学位期间承担的课题工作为基础，探索基于r p 的r f 4 上海大学硕士学位论文 ! ii i ；= i_ i 皇曼曼曼鼍 体系构架和研究基于r p 的r f 设计方法，开发n x 环境下的l 强d s 。本文共分 六章。 第一章绪论。本章提出了课题的研究背景以及意义，阐述了该课题领域内 的国内外发展概况，并介绍了全文的总体框架结构。 第二章快速夹具的体系结构研究。本章从i 江的基本概念出发，探讨了 r f 的定位与夹紧体系。利用功能分解法，对r f 体系进行研究，确定r f 的组 成及相互关系。 第三章r f 体系构建方法研究。本章介绍了r f 的建模方法，对夹头设计 的关键技术进行了深入研究，介绍了装夹单元布局规划方法，探索了知识工程 在r f 中的应用。 第四章r f 力学性能研究。本章用力学分析方法，分析夹头受力情况。利 用线性静力分析方法，求解夹头危险截面的应力，根据强度校核结果进行夹头 尺寸优化。 第五章m 刚强d s 实现与工程应用。本章介绍了r f d s 的系统原型，并通 过一个实例来验证r f 设计方法的正确性和r f d s 的实用性。 第六章结论与展望。本章总结了本文的研究工作，最后对本文的研究工作 提出了改进方法，并对课题的进一步研究内容做出了展望。 如图1 1 所示为论文各章节的结构关系图。 5 上海大学硕士学位论文 图1 - 1 论文研究内容和结构 6 上海大学硕士学位论文 第二章快速夹具的体系结构研究 2 1 快速夹具的基本概念 2 1 1 夹具分类 按照工艺过程的不同，夹具分类如图2 - i 所示【1 8 】。 f ，圈 l 圈 圈 圈 l 圈 l 匪囹 随着新技术的不断发展，出现了许多新型夹具，其中快速夹具是许多新型 夹具中之一，广泛应用于运输、展览和检测等领域。 快速夹具是指在设计上利用c a f d 的快速设计优势，在加工方面采用新技 术以利用快速制造，在使用上利用快速装夹的便利性，在回收利用方面还具有 拆卸方便、可再用行强的优点的一类夹具，属于其他工种夹具。 快速夹具结构简单、生产批量小、成本低且制造周期短。快速夹具在夹持 处的功能表面与工件表面匹配，类似于模具加工中原材料和母模之间的紧密贴 合，使工件放在夹具上时，不需要进行调整便能直接得到准确的装夹方式，如 7 圭堡奎耋堡圭耋堡墼塞 目2 - 2 汽乍仪表盘的快速寰具 212 基于r p 的快速夹具 r p 技术是近年来发展起来的，直接根据c a d 模型快速生产样件或零件， 继承了c a d 技术、数控技术、激光技术和材料技术等现代科技成果。与传统制 造技术不同，r p 从零件的c a d 几何模型出发，通过软件分层离散功能和数控 成形系统，用层层堆叠的方法将材料堆积而形成实体零件 ”1 。由于它把复杂的 三维制造转化为一系，i - - 维制造的叠加，因而几乎可以尘成任意复杂结构的零 件，极大的提高了生产效率和制造柔性。另外，r p 技术利于小批量生产和个性 化加工，这也为央具的加工方法提供了一个新的途径。 央头是r f 中用于定位和央紧的关键零部件，如图2 2 所示。本文研究的 r f 正是将r p 技术和兴头加工相结合，形成了全新的快速夹具概念：基于r p 的r f 。 基于r p 的r f 在设计方法上继承了快速设计的思想，使用便利性r 延续了 快速装央的优势，特别是在加工方面利用了r p 技术，拥有快速加工任意复杂 形状夹具的优越件。 22r f 的基本体系 221r f 的定位体系 r f 用分布在3 个互相垂直平面上的6 个支撑点( 其中第定位基准面3 个， 2 个定位侧面分别是2 个和1 个) 来限制工件的6 个自由度，使工件在r f 中的位置完全确定。 上海大学硕士学位论文 工件的2 个定位侧面通常垂直于第一定位基准面，因此，工件的侧面定位 问题可以转化为第一定位基准平面约束平面轮廓的3 个自由度问题。根据夹具 定位的自由度分析方法，限制平面轮廓的3 个自由度可以采取下列方式：用3 个定位元件分别与工件的3 个不全部互相平行定位面相接触，这种定位方式更 具有一般性，它总是能够找到满足要求的定位方案，这种定位方式称为3 - - 3 定 位方式【2 1 1 。 根据工件在r f 中的定位方式可知，r f 只需要3 个装夹单元就可以限制工 件的六个自由度，达到定位目的，称为工件的完全定位。但是，在r f 设计过 程中，根据不同的装夹要求，除了三个主装夹单元以外，还需要设计辅助装夹 单元以增加r f 的装夹稳定性。这样就造成了工件的一个或几个自由度被几个 装夹单元重复限制，称为工件的过定位。 在一般情况下，过定位是不允许的，会造成工件定位不准确，导致工件定 位表面与夹具定位元件之间产生较大的位置误差，使工件变形，加工质量无法 得到保证瞄j 。 r f 不同于普通机床的夹具，在使用过程中不会持续受到除工件重力以外的 外力作用，所以造成过定位的装夹单元并不会使工件变形，也不会导致上述的 严重后果。在i 江设计过程中，合理采用过定位能够克服工件刚性不足和定位 不可靠等诸多弱点【2 3 】，确保i u 达到最优的夹持效果： ( i ) 避免由于工件尺寸过大而造成的变形，确保i 强夹持的稳定性。三个 主装夹单元可以限制工件的全部六个自由度，但是大尺寸工件会由于自重而变 形，这个时候可以考虑增加辅助装夹单元，以防止这类变形。 ( 2 ) 减少工件振动，提高夹持稳定性。如果仅靠三个主装夹单元支撑，工 件在运输过程中，可能会由于惯性发生振动。在合适的位置添加辅助装夹单元， 可以有效的防止工件振动。 2 2 2r f 的夹紧体系 满足测量和运输功能要求的r f ，必须采用定的装置将工件压紧夹牢，使 其在测量和运输等过程中不会因受到外力、惯性力或离心力等作用而发生振动 9 上海大学硕士学位论文 或者偏移，从而保证工件的精确测量和安全运输，这种装置称为夹紧装置【2 4 1 。 l 江不同于普通机床夹具，它只需要一类特殊的装夹单元作为夹紧元件，而 不需要力源装置和中间传力机构，所以装夹单元是最终执行元件，与工件直接 接触完成夹紧作用。i 讧的夹紧体系必须满足以下基本要求： ( 1 ) 夹紧时不能破坏工件定位时获得的正确位置； ( 2 ) 夹紧时既要保证工件在测量或者运输过程中不移动、不转动、不振动， 又不能使工件产生变形或损伤工件表面； ( 3 ) i 疆夹紧体系的位置选择要合理，保证工件在安装过程中方便、省力、 安全。 2 3r f 结构 2 3 1r f 功能描述与分析 现代设计方法学和价值工程都认为功能是设计的出发点和依据，而且是面 向用户要求、获得成功设计的要素之一。在r f 开发过程中，r f 功能贯穿整个 设计过程，r f 是实现功能的载体，其功能是决定结构、形状、精度、材料等的 基础【2 5 】。本节对i 讧的功能进行描述和分析。 ( 1 ) 总功能分析。r f 功能分析是i u 结构设计过程中必不可少的环节。 功能分析从满足用户对r f 功能要求的角度出发，采用功能分解法，对i 强的总 功能进行划分，把总功能分解成若干子功能，然后通过功能一结构映射得到相 应的功能载体：最后通过结构的组合，实现总体结构的设计1 2 6 l 。r f 的总功能分 解如图2 3 所示。 r f 总功能 ll i 夹持工件增加工件高度连接 支撑装夹部件 i jlii l 夹头支撑件连接件 夹具体 1 图2 - 3r f 总功能分解映射 ( 2 ) 分功能求解。根据已经分析得到的r f 体系，对每个部分进行分功能 1 0 求解。夹头的功能分解如图2 4 所示。 夹头装夹功能 i l 与工件接触- 定位夹紧 固定夫头 连播 王土l 功能表面 夹头底座 夹杆 小 b ) 图2 4 夹头功能分解映射 不同功用的i 心，夹头类型也不同，根据夹头功能可以得到四类夹头( 如图 2 舶所示) 。夹头又分为功能表面、夹杆和夹头底座等几个部分( 如图2 - 4 a 和 2 6 a 所示) 。 ( 3 ) r f 功能之间的关系 由于r f 功能之间的关系对于确定r f 的结构起着重要的作用，所以在分析 r f 功能过程中，不仅要将i 强总功能进行分解，而且要研究r f 功能之间的关 系【2 7 1 。本文通过探讨i 江功能的先后次序关系( 即功能的连接次序) 分析r f 功能之间的关系，如图2 - 6 所示为i 讧功能顺序分析图。 a 1a 类装夹单元功能连接次序 b ) b 类装夹单元功能连接次序 图2 - 5r f 功能顺序 根据如图2 - 5 所示的分析，可以得到两类装夹单元。a 类装夹单元：只有 一个夹头，夹头直接固定在夹具体上，可以降低装夹单元高度以增强装夹稳定 占堡奎耋堡圭兰堡篓耋 性，满足运输和检测等过程的装夹要求；b 装央单元：由夹头、支撑件和连接 件组成，装夹单元固定在央具体上，可以升高工件的位置，满足展览等过程的 装夹要求。如图2 - 6 所示为a 、b 两类装夹单元。 a ) a 类装夹单元b ) b 娄装夹单元 图2 - 6r f 的两类装夹尊元 根据r f 的功能分解可知，r f 体系可以分成夹头、支撑件、连接件和夹具 体四部分。装夹单元安装在央具体上，构成完整的r f ，实现装央功能。 2 32r f 的总体架构 根据r f 功能分析的结果，将相互联系的分功能综合为整体方案。整体原 则是系统方法的核心，这一原则认为，任何系统都是由部分组成的，但整体不 等于部分的机械相加，这是由于各部分之间的相互作用、关系和屡次产生了系 统的整体特性【2 8 】。如图2 7 所示为r f 体系总体构架。 。 ，上墼夹雹一一。一。 图2 7r f 体系总体构架 图2 7 所示的r f 体系构架是对r f 体系本质特征的抽象描述，是对其特征 上海大学硕士学位论文 要素、相关信息和变化规律的表征和抽象，非常清楚的表示了r f 的主要组成 部分。总体构架只是用于反映体系的主要本质( 体系的主要构成要素、要素之 间的联系，实体和环境之间的信息交换等) ，而不是体系的全部。 2 4 本章小结 本章从介绍夹具分类和i 强基本概出发，研究了i 讧定位与夹紧的特征，探 讨了p f 的定位与夹紧的原则与方法。深入研究了r f 的需求、功能和体系，并 对r f 的功能进行了分解和描述。 圭鎏奎茎錾圭茎堡鎏耋 第三章r f 体系构建方法研究 31 r f 的参数化建模 31t 基板的参数化设计 夹具体可以直接设计成非标准基板，在基板的上表面创建装夹单元的定位 孔，如图3 - 1 所示。图3 - 1 所示的兴具体便于加工，符合国内市场要求。 参数化建模方法就是将基板模型中的定量信息( 长、宽、高等参数) 变量 化，使之成为可以任意调整的参数1 2 ”。若对变量化参数赋予不同数值，就可以 得到不同尺寸的基板模型。 目3 - i 夹具体模型 本文采用最小包容体算法设计基板，首先计算工件的最小包容体，然后根 据这个尺寸进行基板设计。基板的长和宽分别与包容体的2 个最长边界相等， 便于工件摆放。具体算法如下【3 0 1 ： s t e p l ：创建个可以将工件模型包覆的包覆正方体； s t e p 2 ：分别测量工件模型与包覆 方体6 个表面之间的距离： s t e p 3 ：包覆j f 方体的边长减去工件模型与包覆正方体6 个表面之间的距离， 得到包容体尺寸和体积： s t e p 4 ：旋转s t e p 中的包覆正方体，重复进行s t e p 2 和s t e p 3 ，直至得到最 占耋奎耋篓圭耋垒鲨吝 小体积的包容体，即最小包容体； s t e p 5 ：根据s t y 4 中的最小包容体的尺寸，得到基板尺寸的推荐数值。 基板模型设计完成以后，可以根据实际夹持要求，调整工件和基板之间的 相对位置。由于本文研究的r f 是实体建模，模型各特征之间存在关联。工件 模型的特征一般比较多，如果改变其位置，则必须移动与其相关的所有特征对 象计算量太大；但是基板只是一个简单的长方体，参数较少，能够方便的进 行移动，所以本文采用移动基板的方法调整基板与工件之间的相对位置。 3 12 支撑件和连接件的特征建模 所谓特征是从工程对象中概括和抽象后得到的具有工程语义的功能要素， 支撑件和连接件模型都是由形状特征构成的。特征建模是通过特征及其集合来 定义、描述零件模型的过程。特征本身是参数化的，在特征建模时可通过尺寸 驱动技术对各结构特征的位置和尺寸进行修改。这样，设计人员可以方便的按 照自己的设计意图动态的、创造性的进行支撑件和连接件的设计和开发p lj 。 支撑件和连接件两类零件都是支持盯的配件，在b 类装夹单元中配对存 在。在r f 设计时，根据支撑件和连接件的特征进行参数化建模即可。 目3 - 2a p s 一8 - 4 c 4 0 w 截面 本文中r f 使用的支撑件是$ m m 系列标准a p s 工业铝制型材，截面边长为 4 0 m m ( 编号：a p s 一8 - 4 0 4 0 w ) ，如图3 - 2 所示为该型号铝制型材截面形状及其 主要尺寸口i 。型材截面有四个角孔和一个中间孔，能够方便地固定夹头和连接 件。支撑件的参数化模型包括草图特征和拉伸特征。支撑件在设计时，可以用 圭耋奎兰堡圭耋堡丝蚤 与型材截面形状和长度都相同的参数化模型代替，利用拉伸特征创建支撵件的 三维模型。 由于支撑件无法直接固定在夹具体上，因此b 类装央单元必须使用连接件。 连接件结构简单，由两部分组成，上半部分有四个凸台和一个定位j l ，便于固 定支撑件，下半部分有四个定位f l ，用于将装夹单元固定在基板上如图3 - 3 所示。图3 - 3 所示的板块类零件包含了孔、凸起、槽等形状特征。通过这些特 征的组合，创建出符合功能要求的连接件参数化模型。 图3 - 3 连接件模犁 3 2 夹头的设计方法研究 321 夹头的建模原理 夹头是r f 体系的关键零部件，本文采用特征识别的建模方法。特征识别 是建立在已有工件模型基础上，它按照给定的模板通过一系列的算法对已有工 件模型进行匹配，识别出相应的特征，并加以定义，达到夹头建模的目的口”。 特征识别首先从工件的几何模型数据库中获得夹持点信息，然后在工件的 几何模型上，通过人工交互或自动识别算法进行央持点附近特征的搜索、匹配， 自动地发现并提取特征。央头建模的特征识别包括以下几个过程： ( i ) 搜寻特征库，在装夹单元的夹持点附近搜索符合夹头创建要求的特征， 以匹配拓扑几何模式； ( 2 ) 由数据库中提取已识别的特征，a 类兴头直接利用工件的体要素，b 、 c 、d 类央头则利用“抽取片体”的功能获取创建夹头所需要的面要索； 上海大学硕士学位论文 mm mmi iaii_ ( 3 ) 确定特征参数，如夹头直径、夹持深度等； ( 4 ) 完成特征的几何模型，创建夹杆和夹头底座； ( 5 ) 将简单的特征组合，获得形状精确的夹头模型。 3 2 2 夹头的建模流程 交互特征识别是较简单但很实用的一种方法。它对照给定的模板由用户直 接直接通过人机交互的方式从已有工件几何模型上选取所包含的几何要素( 装 夹单元附近的上表面) 而构成特征模型。特征识别中的关键技术主要有以下几 个【3 4 】： ( 1 ) 匹配。利用交互式的方法抽取夹持点附近所需的工件上表面，这些面 要素就是夹头与工件的匹配要素，是创建夹头功能表面的形状要素，这种类型 的匹配保证了夹头和工件之间的无缝贴合，同时保证了夹头的夹持稳定性。 ( 2 ) 形体构形元素生长。正确计算夹持点和基板上表面之间的距离，选取 合理的装夹单元类型，创建夹头的夹杆和底座。 ( 3 ) 体积分解。利用匹配要素对形体构形元素做修剪运算，并且将形体构 形要素和工件体要素做布尔减运算，得到形状正确的夹头。 根据图2 - 5 b ) 所示的夹头分功能求解，可以得到如图3 4 所示的四类夹头模 犁。 c 炎夹头d 类夹头 图3 4 夹头简图 将特征识别的技术运用到图3 - 4 所示中的四类夹头的建模过程中，得到如 1 7 上海大学硕士学位论文 曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼量曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼 ：= m mmm m - - - - - - mm m m -= - - m m 曼曼曼皇曼皇曼曼曼曼曼 图3 5 所示的夹头建模流程。 3 3 装夹布局规划 图2 , - 5四类夹头的建模流程 装夹单元的数量确定和位置布置通常取决于工件的形状和尺寸，人工布置 装夹单元时通常会根据工件的规约化形状确定夹持点位置【3 5 1 。因此，确定工件 的规约化形状是决定装夹单元布局的关键。但是，由于工件的几何外形千变万 化，要让系统识别工件的规约化形状是十分困难的。为此，我们充分利用人工 视觉和经验。 3 3 1 工件形状规约化 将工件在基板上的投影外轮廓边界按一定规则不断约简，直至最后变成一 个称为规约化形状的四边形或三角形。具体步骤为【3 6 1 ： ( 1 ) 将工件投影到基板的上表面，得到工件的外轮廓投影，然后利用受力 多边形的生成方法将该投影转化成凸多边形。 ( 2 ) 利用长度规则、角度规则和面积规则约简工件投影轮廓凸多边形，使 l s 上海大学硕士学位论文 詈曼曼曼皇曼曼舅量孽- m m u m - - - - _ - - - - _ 曼量皇曼曼曼毫置量皇寡 之变成三角形或四边形。 ( 3 ) 如果上述规约化完成以后得到的多边形边数大于4 。以剩下的最长的 4 条边为基础，将其余的边与它的相邻边中较短的一条拉直，依次合并剩余的 边，直到合并完成为止。 得到工件轮廓规约化形状以后，根据其形状和工件的重心位置来确定三个 主装夹单元夹持点的大致区域，具体规则为： ( 1 ) 三角形3 个项点附近各找一点组成3 个夹持点； ( 2 ) 三角形3 条边的中点附近各找一点组成3 个夹持点； ( 3 ) 四边形最长边的2 个端点附近与其余2 个顶点中离长边最远点附近各 找点组成3 个夹持点； ( 4 ) 四边形“顶点一对边”中距离最远的“顶点一对边的3 个顶点附近 各找一点组成3 个夹持点。 3 3 2 装夹区域确定 得到工件的规约化形状以后，将工件可行的主装夹单元夹持区域离散化成 夹持点，根据工件的大致形状对这些夹持点进行区域划分，确定可行的夹持区 域，具体规则为： ( 1 ) 基于工件结构的布局。装夹单元的夹持点设置在工件较薄边缘处、圆 孔、凸台、加强筋、肋板等地方，能有效的限制工件的自由度，而且可以增加 装夹稳定性。 ( 2 ) 基于工件和基板相对位置的布局。为了提高夹具装夹的稳定性，降低 夹具加工成本，在满足r f 功能要求的前提下，尽量降低装夹单元高度。 ( 3 ) 基于r f 功能的布局。对于检测用的r f ，为了不影响检测过程中检 测仪器对工件表面的检测，r f 不宜设置在检测表面附近。 ( 4 ) 基于工件装夹方便的布局方法。跟传统的组合夹具不同，r f 没有专 用的夹紧零部件。r f 装配时，只需要将工件卡入夹头，利用夹头的变形应力和 支撑力定位和夹紧工件。在装夹单元设计时，需要考虑装配和拆卸的便利因素， 用于夹紧的卡夹头数目尽可能少，而且尽量分布在规约化图形的同一条边上。 1 9 上海大学硕士学位论文 经过以上处理的夹持区域是工件外形轮廓上的一些互不相连的线性区域， 用这些边界来表示夹持区域，然后以边界的起点开始，每个夹头半径的距离就 确定一个点，并称该点为夹持点。 3 3 3 夹持点选择及评价 在可行的装夹区域内选择合适的夹紧点组成夹持方案，由于夹持点数量较 多，因而夹持方案的数量也非常多，给夹持方案的评价带来困难。为了提高设 计效率，减少夹持方案组合数量，选择夹持点时采用的规则： ( 1 ) 首先确定三个主装夹单元的装夹位置，再根据实际需要布置辅助装夹 单元。 ( 2 ) 三个主装夹单元的夹持点投影在基板上表面，构成投影三角形，其形 状应尽量趋于正三角形。 ( 3 ) 工件重心在基板上表面的投影点尽量与上述投影三角形的重心重合。 ( 4 ) 在上述的可行夹持区域内，选择合适的位置设置辅助装夹单元。 最后需要根据一定的规则对夹紧方案的质量进行评价，确定最优的夹紧方 案。夹紧方案的质量取决于夹紧稳定性、夹紧变形等许多因素的相互作用，衡 量方法相当复杂，目前，本文的评价方法仅考虑了以下两种评价条件： ( 1 ) 夹头受力均衡。由于三个主装夹单元承受大部分工件重力，为了避免 某个夹头受力过大，需要根据工件重心合理分布装夹单元，尽量使三个主装夹 单元受力均衡。 ( 2 ) 工件变形。工件在三个主装夹单元的夹持作用下，工件的变形量越小 夹持方案越符合要求。 3 4 知识工程在r f 中的应用初探 知识工程将r f 的设计知识和经验用规则的形式存储在知识库中，它在r f 体系构建中仅仅起到提示和引导作用，并非是全智能操作。在r f 体系构建过 程中，系统从知识库中获取、判断并且表达出相关的r f 设计知识，再辅以适 当的人工干预，完成r f 体系构建。 上海大学硕士学位论文 3 4 1 知识获取 为了减少r f 设计时间，提高设计效率，需要获取可重用的知识并将其转 化为知识库，引导设计者完成k f 设计工作。l 疆的设计知识获取主要通过4 种 方式：从书本获取知识，如普通机床夹具的国际国家标准、设计规范、图表等； 与专家进行交流获取知识；借鉴m a g i c sr a p i d f i t 软件的i 强设计思想；通过学 习或数据挖掘的方式获得新知识。 知识工程在r f 中的应用，要解决的首要问题就是知识获取，在获取知识 时要注意以下问题p 7 j ： ( 1 ) 知识范围。一位专家或一本参考文献的知识往往不够全面，而获取的 知识又未必相同，甚至会存在明显地分歧。因此如何区别所获取知识的异同， 构成统一的知识体系是要解决的问题。 ( 2 ) 知识容量。知识量过多时不仅知识库大、处理时间长，而且要求用户 具有专业知识水平更高，否则难以理解系统给出的知识解答；知识量过少时， 无法有效的提高系统智能化。 ( 3 ) 知识使用的频率。在使用框架和语义表示知识时，在知识库中添加知 识的使用频率信息，可提高系统效率，便于设计者操作。 3 4 2 知识利用 知识利用是指根据r f 设计过程中遇到的问题，利用存储在知识库中的知 识推导出新的事实或是执行某个操作的过程。r f d s 知识库就是通过判断、应 用来实现其自身价值的。 知识库的r f 知识集、知识库和知识点之间的支持和被支持的关系是一种 树状结构，所以知识库的结构可以看成是一个树状结构，各知识点之间的关系 有着固定的线路链接，根据已知条件沿着“树干 进行判断、推导，得出正确 的结果【3 8 】。 以装夹单元类型的设计为例，来说明知识利用的过程。其中已知条件为夹 头的高度极限值、支撑件的标准长度等。系统通过选择和比对符合条件的装夹 单元方案，获取一个最佳结果。如图3 5 所示为装夹单元类型的设计知识利用 2 l 上海大学硕士学位论文 流程图。 3 4 3 知识表达 图3 5 装夹单元类型的设计知识利用流程图 该技术在r f 设计过程中为设计者提供知识向导，简化系统操作，大大提 高了r f d s 的智能程度。知识表达有两种途径：消息对话框、提示行和状态行。 在r f 设计中，消息对话框可以显示系统内部通过知识推理得到的r f 设计 参数，供设计者参考使用。当r f 设计过程中某一步操作错误时，利用消息对 话框提示错误原因和修改方法。合理的利用消息对话框，使交互式的r f 设计 过程更加智能化。 n x 4 0 窗口界面的最下方有两个特殊的显示区域：提示行和状态行。提示 行位于左下方，用于引导用户进行下一步的操作，具有一定的操作导航能力； 状态行位于右下方，反映当前的操作结果和反馈状态。r f d s 利用提示行和状 态行传递r f 设计知识，引导设计者进行r f 设计，大大降低了系统操作难度。 上海大学硕士学位论文 3 5 本章小节 本章介绍了r f 零部件的参数化建模方法，研究了夹头的建模原理和流程， 探讨了装夹单元布局方法，最后介绍了知识工程在l 江体系构建中的作用。 圭堡奎耋望圭耋堡篁耋 第四章r f 力学性能研究 夹头是r f 中的关键零部件，其关键尺寸参数是依靠经验确定的。夹头的 形状类似于一个跨度很短的悬臂粱( 如图4 1 所示) ，装夹工件时既承受轴向力 又承受侧向力。因此，夹头的关键尺寸过小，侧向受力时容易断裂；夹头的关 键尺寸过大，不仅加工时间长，而且浪费材料。此外，r p 件的材料在常温下脆 性较大，且夹头在夹杆和底座结合处截面形状发生突变，引起应力集中，在外 力作用下容易断裂。本文利用有限元法对头头进行力学性能的分析，分析夹头 危险截面处的应力情况；并根据分析结果优化 | 头的尺寸参数，避免由于经验 不足而造成设计、加工周期较长，或强度不够而导致零件不合格的缺陷。 4 1 夹头的力学分析 411 夹头的力学模型 兴头分为主夹头和辅助夹头，三个圭央头限制工件的6 个自由度，起到定 位和夹紧的作用，提供丰要的支撑力，其余辅助兴头提供的支撑力相当小，可 以忽略不训i ”i ，因此本研究只讨论三个主兴头的受力情况。央头的典型形状有 两种( 如图4 1 所示) ，与工件接触