（机械制造及其自动化专业论文）基于复杂薄壁件综合误差控制的装夹优化方法研究.pdf

j i i l lj l l l u l r l l l l j l l l f l l l l l l n l l l l i l f f l l l i l l l l l i 东华大学学位论文原创性声明一y 2 1 3 6 4 1 1 。 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一虢冬钐孝 日期：支妒，s 只扣 东华大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权东华大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 口，在年解密后适用本版权书。 本学位论文属于， | 不保密刚 学位论文作者签名： 专耖手 日期帅厂月枷 指导教师虢李五弓 日期：砚哗g 月日 基于复杂薄壁件综合误差控制的装夹优化方法研究 摘要 复杂薄壁件在航空航天工业中得到广泛应用，薄壁件刚性差，在加工过程 中极易产生变形。本文围绕国家8 6 3 项目“基于综合误差分析的复杂薄壁件多 工序制造精度控制 开展了复杂薄壁件装夹优化方法研究。 通过对当前计算机辅助夹具设计内容和特点的分析，构造了一个夹具优化 系统的原型。通过几何信息、工艺信和精度信息的输入，在央具案例、装夹知 识和标准元件数据库技术的支持下对夹具进行优化，输出各工序夹具结构设计 结果。 定位误差是引起加工误差的主要因素，本文分析了夹具定位点分布对定位 误差的影响，弓l 出定位点优化的意义。定位点优化方法主要依据定位点组成面 积最大化和工件重心到定位点组成的三角形各边距离和最大化，在此原则基础 上，本文确定了定位点移动策略，并建立了定位点优化流程。同时，利用a n s y s 的a p d l 建立参数化有限元模型，实现定位点优化方法。 为了分析夹紧顺序和加工顺序对薄壁件加工误差的影响，本文建立了夹具 一工件一刀具系统，研究不同夹紧顺序对工件定位及其对工件加工变形情况的 影响。最后得出了薄壁框体零件多夹紧点时如何确定最优夹紧顺序和最优加工 顺序的方法，具有一般性。 关键词：薄壁件误差分析夹具优化系统定位优化夹紧优化 r e s e a r c ho nf i x t u l 通o p t i m i z a t i o no ft h e t h i n w a l l e dp a r t sb a s e do nt h e c o m p o s i t ee r r o rc o n t r o l a b s t r a c t t h ec o m p l e xa n dm i i l w a l l e dp a r t sa r ew i d e l yu s e di na e r o s p a c ei n d u s t r y d e f o r m a t i o nw i l le a s i l yb ec a u s e dd u r i n gt h em a c h i n i n gp r o c e s sb e c a u s eo fi t sp o o r 吨i d i t y t h er e s e a r c hi ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a l8 6 3p r o j e c t ：t h es t u d yo f p r e c i s i o nc o n t r o lm e t h o d so fc o m p l e x ea n dm u l t i - p r o c e s st h i n - w a l l e dp a r t sb a s e do n c o m p o s i t ee r r o ra n a l y s i s t h ef i x t u r eo p t i m i z a t i o nm e t h o di s s t u d i e da r o u n dt h e p r o j e c t t h e p r o t o t y p eo f t h ef i x t u r eo p t i m i z a t i o ns y s t e mi sb u i l tt h r o u g ht h ea n a l y s i so f t h ec u r r e n tc o n t e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fc o m p u t e r - a i d e df i x t u r ed e s i g n f i x t u r e o p t i m i z a t i o nw i l lb ed o n ea f t e rt h eg e o m e t r i ci n f o r m a t i o n ，p r o c e s si n f o r m a t i o na n d t h ep r e c i s i o ni n f o r m a t i o ni s i n p u tt ot h es y s t e m , t h e nw ec a ng e tt h er e s u ro ft h e f i x t u r es t r u c t u r e o n eo ft h ef a c t o r so fp r o c e s s i n ge r r o ri st h el o c a t i n ge r r o r t h em e a n i n go f l o c a t i o no p t i m i z a t i o nc o u l db es e e nb ya n a l y z i n gh o wt h el o c a t i o nl a y o u ti m p a c t i n g t h el o c a t i o ne r r o r a sw ek n o w ，w ec a nc o n n e c tt h et h r e el o c a t i o np o i n to nt h em a i n l o c a t i o na r e at ob eat r i a n g l e t h el o c a t i n go p t i m i z a t i o nm e t h o di s p r e s e n t e d a c c o r d i n gt ot w op r i n c i p a l s ：m a x i m i z et h ea r e ao ft h et r i a n g l ea n dt h es u m m a t i o no f t h ed i s t a n c et h a tt h eb a r y c e n t e rt ot h ee d g eo ft h et r i a n g l e t h i sp a p e ra l s o e s t a b l i s h e st h el o c a t i n go p t i m i z a t i o np r o c e s s t h el o c a t i o no p t i m i z a t i o nm e t h o di s i m p l e m e n t e db yt h ep a r a m e t e r i z e df i n i t ee l e m e n tm o d e lw i t ht h ea n s y s p a r a m e t r i c d e s i g nl a n g u a g e a f i x t u r e - - w o r k p i e c e t o o ls y s t e mi se s t a b l i s h e dt os t u d yh o wt h ec l a m p i n g s e q u e n c ea n dp r o c e s s i n gs e q u e n c ei m p a c t i n gt h ed e f o r m a t i o no ft h et h i n w a l l e d p a r t s ag e n e r a lm e t h o dw h i c hc a nd e t e r m i n et h eo p t i m a lc l a m p i n gs e q u e n c ea n d p r o c e s s i n gs e q u e n c ef o rc o m p l e xa n dt h i n w a l l e dp a n si so b t a i n e d k e yw o r d s ：t h i n w a l l e dp a n s ，e r r o ra n a l y s i s ，f i x t u r eo p t i m i z a t i o ns y s t e m ， l o c a t i o no p t i m i z a t i o n ，c l a m p i n go p t i m i z a t i o n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第1 章绪论。1 1 1 课题研究背景及意义1 1 1 1 课题研究背景1 1 1 2 课题研究意义1 1 2 本课题研究现状分析2 1 2 1 计算机辅助夹具研究现状2 1 2 2 装夹优化方法研究现状4 1 3 课题主要研究内容6 1 4 论文章节安排7 第2 章夹具优化系统构架。9 2 1 系统功能需求分析9 2 2 夹具优化系统构架1 0 2 2 1 夹具优化系统结构1 0 2 2 2 央具优化系统信息传递机制1 2 2 3 夹具优化系统模块功能分析1 3 2 3 1 信息管理模块1 3 2 3 2 基于案例推理的夹具检索模块1 3 2 3 3 逆向装夹规划模块：1 4 2 3 4 装夹优化模块1 6 2 3 5 结构设计模块1 7 2 4 央具优化系统研究重点17 2 5 本章小结1 8 第3 章夹具定位误差分析1 9 3 1 定位与坐标转换原理1 9 3 1 1 “3 - 2 1 ”六点定位原理1 9 3 1 2 坐标转换原理2 1 3 2 夹具定位误差模型2 2 3 2 1 定位矩阵2 2 3 2 2 定位误差源分析2 4 3 2 3 夹具定位误差通用数学模型2 5 3 3 定位点分布对定位误差影响案例计算2 6 3 4 本章小结2 9 第4 章薄壁件定位点优化方法研究。3 0 4 1 定位点优化关键技术3 0 4 1 1 误差敏感区域和敏感方向识别3 0 4 1 2 边界条件中切削力的计算3 1 4 1 3a n s y s 参数化设计语言( a p d l ) 3 2 4 2 薄壁件定位点优化方法研究3 3 4 2 1 主定位方向上定位点位置配置原则3 3 4 2 2 定位点移动策略3 4 4 2 3 定位点优化流程3 6 4 3 基于a n s y s 的定位点优化方法实现3 7 4 3 1 定位点位置参数化- 3 7 4 3 2 随机生成定位点方法3 8 4 3 3 定位点移动实现方法3 9 4 3 4 误差敏感方向、区域变形结果提取4 1 4 4 案例分析4 2 4 4 1 待加工零件分析及定位方案设计4 2 4 4 2 结果分析4 3 4 5 本章小结4 4 第5 章装夹方案与加工顺序综合优化方法研究4 5 5 1装夹方案与加工顺序综合优化模型4 5 5 1 1 工件一夹具一刀具系统分析与建模4 5 5 1 2 优化模型建立与模型求解4 7 5 2 接触分析求解方法4 7 5 2 1 接触分类与分析过程4 8 5 2 2 接触算法4 9 5 2 3 摩擦模型5 1 5 3 算例综合分析5 2 5 3 1 待加工零件分析及装夹方案设计5 2 5 3 2 装夹方案对工件变形影响分析5 5 5 3 3 加工顺序对工件变形的影响5 6 5 4 本章小结5 7 v 第6 章总结与展望5 8 6 1 论文工作小结5 8 6 2 研究工作展望5 9 参考文献。6 0 攻读硕士学位期间发表的学术论文。6 5 致谢。6 6 v o 第l 章绪论 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 1 1 1 课题研究背景 我国正大力发展航空航天工业，载人航天与太空行走的成功为进一步的航 空航天工作奠定了基础。航空航天工业中大量采用薄壁零件，其特点是重量轻、 结构复杂，是减小能耗和提高性能的最佳选择；薄壁零件结构复杂、刚性差、 需求数量等因素决定其制造工艺复杂、批量化要求高。 薄壁零件刚性差，在加工过程中因受到切削力、夹紧力以及切削热和残余 应力极易产生变形，所以控制加工变形是保证薄壁零件数控加工质量的关键。 在众多的加工变形控制措施中，如进给量局部调整、刀具路径修正、改进装夹 方案和改进毛坯的结构工艺性等，装夹方案是其中的重要一项。夹具可以保 证被加工工件在机床上获得正确的位置，并在加工中防止由于切削力造成的位 置改变及工件变形，夹具也是实现批量化生产的重要的工艺装备。目前一些航 空航天企业的夹具设计现状是：设计随意性大、规范性和重用性差；夹具设计 资源没有得到有效管理；夹具设计质量依赖于个人设计水平，没有经过优化等 等。因此夹具设计效率和设计质量依然是影响产品快速响应的“瓶颈”因素， 成为目前航空航天产品高效、高精数控加工迫切需要解决的问题之一心1 。 在不同的夹具结构、夹紧点布局、夹紧力配置情况下进行加工，产生的加 工变形完全不同，甚至于零件的表面残余应力也是不一样的，而残余应力也会 引起工件的变形。夹具元件在工件外表面的分布情况构成了夹具布局；夹紧元 件对工件施加的用于保持工件稳定的作用力是夹紧力；夹具布局和夹紧力相互 影响，并皆对加工质量有较大影响。对于同类工件、相同加工过程，不同夹具 布局中需要的夹紧力是不同的。在不同的夹具布局和夹紧力作用下，工件刚度 及所受外力不同，加工过程中的工件变形量则不同，造成的加工误差不同。合 理的夹具布局和央紧力会减d , 力h i 变形、提高加工质量；相反则会增大加工变 形，所以，夹具布局和央紧力设计是央具设计的重要方面。“。 1 1 2 课题研究意义 传统的装夹优化系统的基本思路是从零件c a d c a p p 集成环境中获取工件 。 第1 章绪论 信息，包括c a d 系统输出的工件几何信息和c a p p 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。c a d 、c a f d 和c a p p 被认为是 相互独立的，装夹规划是c a p p 的一个子集，可作为c a f d 和c a p p 集成的交 互接口。 装夹方案的设计以工件的几何信息和加工工艺信息为基础，薄壁件弱刚性 特征对加工工艺和装夹方案的要求都很高。在既定加工工艺情况下进行装夹方 案的设计有可能会出现无解的情况，无法通过优化装夹方案的方法满足薄壁件 加工精度，此时必须考虑在最优装夹方案的基础上修改加工工艺方案，可以修 改工艺路径或工艺参数甚至需要修改零件结构。因此c a d 、c a f d 和c a p p 是密不 可分的，单纯的信息合并并不能达到全局最优，薄壁件加工误差需要综合控制。 因此夹具优化系统必须整合工件的精度要求、几何信息、工艺信息、装夹原则 及优化方法等来综合控制薄壁件加工精度。 夹具优化系统的核心是装夹优化方法的实现，目前国内外对装夹技术的研 究仍然集中在装夹方案的理论分析以及基础理论的研究，着重于在装夹技术中 添加新的元件以期达到较好的装夹效果。在夹具设计过程中很少考虑零件的公 差，零件的特征之间的公差关系同时影响零件的装夹规划、加工方法和加工顺 序，不考虑公差的装夹方案设计既不符合实际情况而且也影响零件加工质量1 。 另一方面，目前在工艺规则的制定中，技术人员没有可以遵循的科学的装夹方 案定制法则，大都只能通过经验来制定装夹方案，不仅会延长夹具的设计时间， 而且会经常出现反复设计，浪费了大量的人力和财力，也不利于知识的传递和 继承，严重影响了我国制造业的发展b 1 。 夹具综合误差分析是找出装夹过程误差产生原因，在零件装夹方案的设计 过程中考虑零件公差要求并提取出有规律性的规则，为以后装夹方案的设计提 供指导。通过计算机模拟、分析技术对加工工艺和装夹方案进行优化，以提高安 装质量、优化加工工艺，最终达到控制薄壁零件加工精度的目的。 1 2 本课题研究现状分析 1 2 1 计算机辅助夹具研究现状 计算机辅助夹具设计( c a f d ) t 勺目的就是实现夹具的自动化设计，现在的学 o 第1 章绪论 者普遍认为c a f d 和c a p p 是相互独立的，它们共同组成c a d c a m 的桥梁。 上世纪7 0 年代苏联学者最早对夹具c a d 进行研究，8 0 年代欧美学者涉足这一 领域，8 0 年代后期我国开始对此进行研究。目前c a f d 的研究内容主要集中在 夹具结构自动布局的理论和方法、设计校验和优化算法、夹具规划专家系统研 究、智能化的夹具c a d 系统开发等【6 j 。 第一代c a f d 系统是交互式设计系统。利用c a d 软件建立一个标准夹具 元件库，设计人员根据经验从图库中检索出夹具标准元件，装配成夹具体。后 来逐渐添加了定位方法选择、工件信息检索、夹具元件选择和装配等功能，成 为一个独立的的基于图形的计算机辅助夹具设计系统【_ 7 】【8 】。对于相似性工件夹 具的设计只需要在尺寸、结构稍作修改就可以完成夹具设计任务，但交互式夹 具系统操作还是比较费时，而且无法利用以前的设计经验。例如e m e r v y n 9 j 利用x m l 作为文件格式在不同的制造业计算机辅助设计系统之间传递信息和 知识。r i c kv a g n e r 1 0 】开发了一个f i x t u e r n e t 系统，同样是一个基于网络的交互 式夹具设计系统，用户首先利用系统提供的绘图特征绘制零件草图，系统采用 r r o s t g o l b d e g r 算法为用户输入的零件确定若干定位方案。 第二代是变异式c a f d 系统。基本思想是利用原有解决相似问题的经验， 对新问题进行推理求解。如基于实例推理( c a s eb a s e dr e a s o n i n g ) 和基于成组 技术( g r o u pt e c h n o l o g y ) 的夹具设计理论的应用。s h uh u n a gs u n 1 1 开发的基 于实例推理的智能夹具设计系统具有丰富的实例库，当对新零件进行夹具设计 时，首先从实例库中检索出最相似的夹具，然后根据零件的特殊性对其进行修 改，生成满足设计要求的夹具，同时将新夹具添加到实例库中，作为今后夹具 设计的参考实例，从而实现了系统的自学习功能，不断扩大系统的适应范围。 k u m a ra s e n t h i l 1 2 】用特征识别技术从工件的设计信息中提取加工特征，针对每 一道工序，利用基于实例推理的技术来实现对夹具的自动设计与修改，以满足 当前工序的设计要求。l i ，w 1 3 】等人丌发的敏捷夹具设计系统，利用基于实例 推理的技术进行央具的重构与修改，实现了央具设计的敏捷性。 第三代是生成式c a f d 系统。生成式c a f d 系统设计央具时无需参考任何 设计结果，当输入有关工件信息、工艺及机床数据后，计算机通过一系列逻辑 决策自动或大部分自动完成定位方案和央紧方案的确定、央具元件的选择、装 配图的生成等央具设计全过程。大量的数据库资源及其逻辑推理、管理系统的 设计都是难点 1 4 。美国伍斯特理工的容刃i 鸣教授和清华大学朱耀祥、罗振璧教 3 o黼 第1 章绪论 咖n 啊眦竹硝l 节绪诊 授合作开发了一套孔系数控组合夹具设计系统【1 5 】，是典型的生成式c a f d 系 统。 1 2 2 装夹优化方法研究现状 在国外，对装夹优化问题研究较多也是比较早的。c o g u n n 阳在所有定位件与 工件都是滑动接触的假设基础上利用实验方法研究了夹紧顺序对刚性工件位置 偏移的影响。l e e 和h a y n e s 1 7 】是第一个使用有限元进行夹具设计和分析的，他 们建立了库仑摩擦模型，分析它带给以下参数的影响，如夹紧力、切削力引起 的最大效应，工件变形，工件上的最大压力等。a n a n d 等n 踟以工件只做刚体运 动为前提建立零件定位模型和工件夹具定位刚度模型，以工件、夹具系统总余 能最小为目标进行夹紧顺序优化。b ol i 【1 9 】等提出一个离散弹性接触模型表征工 件夹具接触状态，通过定位夹紧优化减小工件定位误差。m a r k u s ，a 【2 0 】等人利 用人工智能技术将夹具设计专家的经验编入计算机辅助夹具设计系统中，对夹 具元件、定位、支承和夹紧位置的选择提供依据。k i n g 和h u t t e r 2 1 使用工件一 夹具系统的刚体模型，考虑接触刚度，采用非线性优化方法得到了静态稳定的 夹具布局。d e m e t e r 2 2 】建立了夹紧力的最小一最大化模型，工件一夹具系统的 刚体模型，忽略了工件的弹性变形，采用非线性优化方法以优化加工过程中夹 具的性能。他还基于有限元方法和非线性优化进行了辅助元件的布局优化研究， 使得计算速度大大提高。m e n a s s a 和d e v r i e s 23 】使用有限元方法和非线性优化方 法对盘类零件的夹具辅助元件的位置进行优化，使得待加工表面的特定点的变 形最小。c a i 等【2 4 在m e n a s s a 和d e v r i e s 的基础上，进行了板类零件的夹具布 局优化，使得待加工表面的结点的法向变形平方和最小。p o n g 等【25 】使用类似方 法，还运用最小一最大化方法，使得选定的有限元结点的最大偏差最小化。w u 和c h a n 2 6 建立了工件夹具系统的弹性模型，并考虑了摩擦的影响，借助线性 弹簧模拟夹具和工件的接触，使用遗传算法进行静态稳定的夹具布局优化，并 对二进制编码和整数编码进行优缺点比较。i s h i k a w a 和a o y a m a 2 7 1 使用遗传算 法寻求弹性工件的最佳的夹紧条件。s u b r a m a n i a nv a l l a p u z h a 等【2 8 2 9 1 建立了工件 夹具系统的弹性模型，将夹具和工件的接触用弹性元件模拟，利用遗传算法和 有限元方法对夹具布局的优化，使得工件的弹性变形最小化，分析了连续捅值 与离散插值方法对夹具布局优化结果的影响。k u l a n l a r ak r i s h n a k u m a r 3 0 建立无 摩擦的工件一夹具系统的弹性模型，利刖遗传算法和有限元算法进行了定位点、 夹紧点的位置的优化，使得在整个切削过程中加工表面的最大变形值最小，对 4 o 第1 章绪论 不合理的夹具布局采用了惩罚函数的方法处理，对以下两种优化方法进行了分 析比较：首先在切削过程中切削力作用于加工表面的每一个结点时运用遗传算 法得到各自的最优解，而后取其中的最优解；另一种是对整个切削过程中每个 布局运用遗传算法进行优化，得到最优解。k u l a n l a r ak r i s h n a k u m a r 、s r i n a t h s a t y a n a r a y a n 等【3 l 】建立了有摩擦的工件一夹具的弹性模型，利用有限元方法和遗 传算法对切削过程中的夹具布局优化和夹紧力优化，这两个优化过程反复进行 以得到最优解。j o s eeh u r t a d o 3 2 】对采用销钉阵列的柔性夹具进行了布局分析， 力求稳定的工件变形最小、夹紧力最小且数量最优的布局。v s u b r a m a n i a m 3 3 1 利用遗传算法和神经网络进行夹具的优化，但不是针对布局进行的优化，而是 针对定位元件的类型、夹紧力的方向、夹紧元件的类型等进行的，以使夹具装 卸方便，成本较低，生产率高。l a ix i l l i n i i l 【3 4 】针对薄板类零件，把定位元件和 夹紧元件归为同一类，建立了工件夹具系统的刚性模型，考虑了接触处的变形， 采用遗传算法对夹具布局进行优化。m o l l s e nh a m e d i ”l 建立了有摩擦的工件夹 具系统模型，借助人工神经网、遗传算法和有限元方法对夹紧力进行优化。 n e c m e t t i nk a y a 3 6 】采用遗传算法和有限元相结合的方法，对二维的夹具进行了布 局优化的研究，忽略了摩擦的影响，也没有考虑夹紧力，但他考虑了加工过程 中切屑对工件变形的影响。h a i y a nd e n g 和s 1 1 r e y e sn m e l k o t e t 3 7 】将夹紧力的优 化问题归结为二次非线性的问题，对加工过程中要保证动态稳定性所要求的夹 紧力最小化工作进行了研究。 国内的清华大学、浙江大学、南京航空航天大学、华中科技大学、西南科 技大学等高校的学者对此进行了研究，并取得一定成果。清华大学郑少岗脚1 等 通过一个迭代过程确定定位件与工件之间的边界条件，研究夹紧顺序和摩擦系 数对工件夹紧误差的影响。董辉跃o 州等运用有限元方法分析了装夹位置、顺 序及加载对零件变形的影响，他们也使用有限元分析方法讨论了基于残余应力 分布的框类零件装夹方案的优选问题，也是有限元方法与装央方案优选的集成 利用。秦国华等。州n 嵋考虑了接触摩擦力，定量的分析了多重夹紧元件及其作用 顺序对薄壁件变形的影响。李双跃掣4 2 描述了一种自动装央设计系统体系结构， 用3 2 1 定位原理和定性分析方法提出了最佳定位支承点的调整规则和用几何 推理方法求解最小变形定位支承位置推理机制。周孝伦、张卫红、秦国华等。” 利用有限元方法和遗传算法相结合对央具布局和央紧力进行同步优化。陈蔚芳 等。旧3 对f m s 夹具设计专家系统中的自动布局问题进行了探索，分析了自动布 局的协调机制，完善了央具设计的结果，他们采用产生式规则来建立布局知识 5 o 第l 章绪论 库，实现了自动布局。田韶鹏、黄正东、吴森等h 6 儿4 7 1 针对3 2 1 定位原则，定 义了可以反映工件定位点到加工特征关键点处误差传输的矩阵，通过优化该矩 阵特征值来选择工件的合理定位配置，他们还对多工位共用安装的夹具的定位 布局进行了研究，采用了将各个工位的配置加权求解最佳方案。金闻瑞口胡等人 对工件装夹特征进行了系统的分类与定义，明确划分了用于装夹的工件表面类 型，为装夹规划提供了操作对象的特征范围，并成为夹具结构设计的理论依据。 段晓峰、宁汝新h 们在基于零件特征的组合夹具原型系统f j i g 的设计和实现中， 利用特征模型的信息，采用在定位面进行图形搜索的方法实现组合夹具元件的 自动布置。焦黎、孙厚芳嘞1 对遗传算法在夹具元件的布局方面也进行了研究， 他们以获得最稳定的装夹系统、定位元件组合的中心尽量靠近工件几何中心， 夹紧元件中心靠近夹紧面的中心为目标。唐东隋妇等人对零件表面形状为自由曲 面零件的装夹技术进行了研究，是为具有专有形素特征的零件的装夹技术研究。 陈洪军等瞄2 1 提出了组合夹具装配虚拟设计，开发了一种基于p c 的组合夹具虚 拟装配设计系统( v d m f s ) ，此系统能够为组合夹具的设计提供一个虚拟现实的环 境。吴玉光瞄3 3 研究了面向并行工程的计算机辅助零件可制造性的评价方案，其 精髓是把产品的设计过程和可制造性并行考虑，可制造性考虑了零件的结构工 艺性、零件精度设计的合理性和经济性、可装夹性、可装配性等。欧志球1 的 硕士论文中详细论述了基于并行工程的计算机辅助夹具设计，给出了装夹方案 评价和获取最佳方案的有效方法。武凯、何宁等瞄朝对航空薄壁零件的加工变形 进行了研究，改进了相关的铣削力计算模型，并建立了薄壁件腹板变形分析的 有限元模型。 1 3 课题主要研究内容 薄壁件变形是航空制造技术所面对的最突出问题，尤其是材料去除率8 5 以上的复杂薄壁件的制造，目前已成为阻碍航空制造业快速发展的瓶颈。工件 的装夹方案设计必须要考虑加工的过程中不断变化的切削力，夹具、工件和刀 具在加工过程中是一个系统。本文的研究内容如下： ( 1 ) 、夹具优化系统的构架 构架集成c a d 、c a p p 和c a f d 的夹具优化系统，设计出系统功能流程图， 详细定义模块功能，描述系统的信息传递机制。夹具优化系统是装夹优化方法研 究的最终目标。 6 o 第1 章绪论 ( 2 ) 、夹具定位误差分析 建立了夹具的综合误差分析模型。分析了定位误差源，建立夹具综合几何 误差通用数学模型，分析了夹具定位点分布对定位误差的影响。 ( 3 ) 、定位优化方法研究 研究定位点优化方法。根据定位点配置原则确定定位点移动策略，利用 a n s y s 的a p d l 实现定位点优化方法。 ( 4 ) 、夹紧优化方法研究 建立夹具一工件一刀具系统，研究夹紧顺序和加工顺序的不同如何影响定 位、装夹处摩擦力大小，进而影响工件变形情况。本章得出多夹紧点时最优夹 紧顺序，找出刀具3 h q - 路径和装夹方式之问关系。 1 4 论文章节安排 本文共有六个章节。本章为第一章，总结了国内外在c a f d 和装夹优化方 面研究的总体情况。在此基础上，阐述研究薄壁件装夹优化的研究意义和目标， 最后给出了本文的研究内容和总体框架。 第二章构架夹具优化系统。本章整体构架了夹具优化系统，系统集成c a d 、 c a p p 和c a f d 为一个系统，系统包括信息管理、基于案例推理的夹具检索、 逆向装规划、装夹优化、结构设计五个模块。系统层次问的信息传递不单是至 上而下，还有信息对上层的反馈，各个层次功能独立，信息传递。本章确定本 文的研究重点是装夹优化方法的研究。 第三章建立了央具的综合误差分析模型。从3 2 1 定位原理出发，通过坐 标转换原理确定夹具系统中工件位姿变化的定位矩阵；分析了定位误差源，建 立夹具综合几何误差通用数学模型。最后分析了夹具定位点分布对定位误差的 影响。 第四章研究薄壁件定位点优化方法。定位方案的合理性，误差敏感区域和 敏感方向的识别是判断装央方案是否合理的基础，之后根据定位点配置原则设 计了定位点移动策略，建立定位点优化，最后利用a n s y s 的a p d l 进行定位 点优化程序的实现。 7 o 第1 章绪论 第五章研究夹紧力的施加方法对薄壁件n t _ 变形的影响。装夹方案影响工 件在加工过程中的变形情况，根据装夹方案来确定加工顺序能够更有效的控制 加工变形。研究发现，夹紧力同时施加工件变形最小，但是在实际过程难以实 现。加工框体面时，应当先施加长边上的夹紧力，尽量在一个面上多布置夹紧 块，并且先施加靠近定位块的夹紧力。根据定位块的位置可以确定最优的d n ；r 顺序。 第六章对本文进行总结，并对未尽工作进行展望。 8 o 第2 章夹具优化系统构架 第2 章夹具优化系统构架 2 1 系统功能需求分析 薄壁零件刚性差，在加工过程中极易产生变形，夹具设计是保证薄壁零件 加工质量的关键。夹具优化系统的设计，就是为了充分利用前人的夹具设计经 验，尽量减少重复劳动，获得优秀的夹具结构。对于常用零件的夹具设计，可 以设计一个装夹案例库进行存储，以备下次设计调用，或者通过简单修改后使 用。在夹具设计过程中，可以建立数据库存储装夹原则、夹具标准元件，通过 调用机制利用这些经验和标准。 图2 1 夹具优化系统i d e f 0 图 如图2 1 是本文构架的夹具优化系统的i f d f 0 图，系统输入待加工薄壁件 的几何信息、加工信息和精度信息，通过一定的控制和运行机制，输出的是薄 壁件各道工序的详细央具结构和对应的几何、工艺和精度信息，即工件的加工 工艺规程。 传统的央具设计主体思路是获取c a d 系统输出的工件几何信息和c a p p 系统输出的工件加工工艺信息，作为央具设计的已知条件进行央具的计算机辅 助没计与分析，以实现央具的自动设计。然而央具设计的最终目的是为了保证 加一j 一精度，央具设计要以加工精度要求为依据。因此夹具设计首先要获取工件 的儿何信息、精度信息和加工工艺信息，但是这三者并不是孤立的。当优化装 9 o 第2 章夹具优化系统构架 夹方案无法保证工件加工精度时候，需要考虑修改工艺路径或工艺参数，甚至 修改零件精度要求或者几何结构。 2 2 夹具优化系统构架 2 2 1 夹具优化系统结构 本节给出了夹具优化系统结构，如图2 2 所示。系统包括信息管理、基于 案例推理的夹具检索、逆向装夹规划、装夹优化、结构设计五个模块。 信息管理模块包含三类基本信息，即c a p p 的工艺信息、c a d 几何信息和 加工精度要求信息，是整个装夹优化系统的中枢数据库，是基于案例推理的夹 具检索、逆向装夹规划、装夹优化模块的基础数据来源。工艺信息包括各道加 工工序的切削参数、工艺路线、机床与刀具选择以及切削力计算结果。几何信 息包括工件各道工序的几何模型，复杂零件的特征经过简化便于分析，通过特 征识别进行几何信息识别。加工精度要求信息包括尺寸精度要求、形状精度要 求、位置精度要求、表面质量要求信息。 在薄壁件装夹优化前，先概括薄壁件加工的基本信息，在装夹案例库支持 下，进行现有零件与案例库零件的相似度判断。基于相似度判断准则，寻找最 接近的零件及其安装方案作为装夹优化的基础或者直接输出案例夹具设计结 果。 在基本装夹方案选择基础上，系统从最后一道工序开始，逐一考虑每一道 工序精度和工艺方案，进行装夹特征分析。装夹特征分析后需要主定位方向， 主定位表面的法方向称为主定位方向，需在夹具规划中首先确定。装夹规划包 括水平和垂直两个方向的装夹规划，垂直方向装夹规划是确定适合作为主定位、 夹紧的表面以及表面上的定位点；水平方向装夹规划包括侧面定位和夹紧规划。 在装夹优化模块中，根据装夹原则库确定初始装夹方案。装夹优化包括定 位和夹紧优化，优化定位夹紧方式、位置和夹紧力大小。将前面的优化目标参 数化，建立参数化有限元模型进行装夹优化。 结构设计模块根据优化后的装夹方案进行夹具结构设计，丰富的标准元件 库方便设计者调用，交互式夹具元件调用原则为火上i 结构设计提供建 义。结构 设计结束后输出各道工序的夹舆结构以及对应的儿何模型、精度模型和加二 工 艺信息。可以将夹具设计结果保存为典犁案例，i l j 供以后的i 父计人员参考。 1 0 o 奔季天学 第2 章夹具优化系统构架 图2 2 央具优化系统信息流程图 1 1 o 黜 麟燃一构架 2 2 2 夹具优化系统信息传递机制 图2 - 3 给出了面向薄壁件装夹优化的信息流程图。信息管理模块是装夹优 化系统的中枢，系统中其它模块都需要获取信息管理模块中的数据。装夹优化 模块和信息管理模块是个双向可逆的，当装夹优化方法无法保证工精度时，需 要考虑修改加工工艺，甚至于要修改精度要求或者零件结构。 图2 3 夹具优化系统信息传递机制 基于案例推理的夹具检索模块从信息管理模块罩获取的几何信息、精度信 息和工艺信息只是用来检索是否有相似装夹案例，信息在这个层次没有任何变 化，直接进入逆向装夹规划模块。可以看成基于案例推理的夹具检索模块与逆 向装夹规划模块没有信息传递。 逆向装夹规划模块根据信息管理模块的数据进行逆向安装规划，装夹优化 方法无法满足加工精度要求时，同样会反馈信息要求修改装夹规划。 装夹优化模块接收信息管理模块与逆向装夹规划模块的数据，从最后一道 加工工序进行装夹优化分析。装夹优化方法无法满足加工精度时，会反馈信息 要求修改装夹规划方案或者信息管理模块信息。 结构设计模块接收装夹优化模块数据行夹具结构设计。结构设计模块夹具 结构设计结果和对应工序的几何模型、精度模型和加工工艺信息，i i l p t - 还可以 将夹具设计结果保存至案例库中以备检索，避免重复设计，案例保存之后程序 结束。 o 第2 章夹具优化系统构架 2 3 夹具优化系统模块功能分析 2 3 1 信息管理模块 信息管理模块集成c a d 的几何信息与c a p p 的工艺信息和精度信息。通 过信息管理模块确定薄壁件加工分为n 道工序，n 道工序对应不同工件模型、 工艺信息和加工精度信息。信息管理层实现各模型的数据编码，将工件信息、 工艺信息和精度信息量化描述，转化为计算机可以识别的数据进行存储，便于 调用和修改。 几何信息的提取有特征识别和基于特征的设计是获取信息的两条基本途 径。特征识别包括特征定义和实体模型几何描述之间的三维匹配关系，用这种 方法可以处理标准格式的c a d 数据。但是，许多复杂的几何特征无法识别， 而且很难处理精度信息和加工信息这类非几何信息。基于特征的设计是直接方 法，设计者可以使用一套预先制定好的原始特征来进行设计，这就要求事先建 立一个制造特征库。多层次法可以用来表示零件信息，形如i d f 零件名称，零 件材料，毛坯类型，热处理，基本尺寸，形状特征) 。基本尺寸用 长，宽，高) 表示，而形状特征是由1 0 个方位信息来表示，每个方位上会有n 个特征，特征 的属性包括i d ，r a ，l e r ，t o p ，d e p t h ，l e n g t h ，w i d t h ，h e i g h t 等【5 6 1 。 加工精度是安装规划也是装夹优化的主要考虑因素，决定如何进行安装排 序和装夹方案可行性判定。尺寸公差值、形状公差和表面粗糙度都和特征的几 何尺寸有关系，为了自动处理精度信息，可以用一种兼容的格式描述，从而可 以使不同制造特征的精度要求可以按照顺序的优先级来比较和分配。根据i s o 公差等级和用公称尺寸范围划分公差数值之问的自然关系。 工艺信息除了包括上面的工艺路线、切削参数和机床、刀具信息外，还包 括工件的材料、热处理方式和材料去除量等。加工批量大小也是作为工艺信息 输入的一个部分，因为它直接决定央具的设计目标。 2 3 2 基于案例推理的夹具检索模块 基于案例推理的央具检索模块的优点在于可以利用以前的设计经验，提高 设计效率。编码技术可以实现零件信息、精