（机械制造及其自动化专业论文）机床夹具资源共享技术与网络协同设计系统的开发.pdf

摘要 y 6 5 43 2 l 机床夹具资源共享技术与网络协同设计系统的开发 专业机械制造及其自动化 研究生向北平指导教师殷国富 摘要： 随着计算机技术和网络技术进一步发展，现代c a d 技术正向着网络化、集 成化、智能化方向发展。在这样的发展背景下，对夹具的计算机辅助设计也提 出了新的要求，实现夹具设计的网络化自然受到了人们越来越多的重视。同时， 在应用c a d 技术进行机床夹具设计过程中，设计人员仍然需要使用传统的纸质 设计手册进行资料查询，影响了夹具设计的效率和质量。因此，研究机床夹具 资源共享技术和开发机床夹具数字化手册软件系统，对于提高机床夹具设计效 率和质量具有重要的作用。 本论文在分析和总结我国机床夹具设计技术手册资料的基础上，应用现代 c a d 技术、数据库技术和计算机网络技术，对机床夹具资源共享技术和网络协 同设计系统进行了研究，参与开发出机床夹具设计数字化手册软件系统。论文 在理论和实践中的主要成果与特色如下： ( 1 ) 阐述了制造业信息化的现状和特点，c a d c a m 技术的主要研究内容， 在分析了国际、国内计算机辅助夹具设计的研究现状和发展趋势的基础上。提 出了将传统机床夹具纸质手册工具书数字化和夹具设计资源网络化建立机床 夹具资源共享技术与网络协同设计系统的新思想，提供一种以计算机应用技术 为主要手段的辅助夹具设计的新方法和软件系统。 ( 2 ) 论述了项目的立论依据与进行面向信息化制造的信息源基础建设的 研究意义。分析了计算机辅助夹具设计的主要内容、流程和主要实现形式，详 细阐述机床央具资源共享技术与网络协同设计系统的体系结构。针对当前最新 软件开发技术的特征，论述了面向对象程序设计思想、软件复用技术、数据库 凹川太字坝十学位论义 技术和网络技术等的基本思想及其在系统开发中的应用，并用实例验证了其应 用效果。 ( 3 ) 根据对夹具设计手册的市场需求分析，建立了机床夹具数字化手册 软件系统的体系结构、功能模型，详细地晚明了系统的建立过程及其信息流程， 用程序实例说明了系统的开发方法和实现路径。 ( 4 ) 在开发夹具数字化手册软件基础上，分析了夹具j ) c ) 9 络协同设计系统 的体系结构和数据流程，建立了基于a s p 的系统模型。结合应用程序开发实践， 详细说明了夹具网络协同设计系统的建立过程和主要实现技术的应用。 ( 5 ) 在以上= 理论和实践的基础上，开发了夹具网络协同设计系统和数字 化手册软件系统，并以实例阐述了系统的主要功能和特色。 随着系统内容的不断补充和功能的不断完善，相信必将为我国机床夹具设 汁与制造提供全面的设计资源信息服务和网络协同设计环境，进一步提高企业 牟品开发效率和产品质量。 关键词：机床夹具资源共享数字化手册协同设计 i i a b s t r a c t t h er e s o u r c e s h a r i n gt e c h n i q u e a n d d e v e l o p m e n t o f n e t w o r k i n g c o l l a b o r a t i v e d e s i g ns y s t e m f o rm a c h i n et o o l f i x t u r e a b s t r a c t ： w n h t h e d e v e l o p m e n t o f c o m p u t e r a n d n e t w o r k t e c h n i q u e s , m o d e r n c a d t e c h n i q u e s i s t e l 埘t o n 时m 蛐昏 i n t e g r a t i n g a n d i n t e u i g e n t i z i n g d e s i g n u n d e r t h i s d e v e l o p i n g b a c 蜒p u n 血r 站w 稚啦m e n 瞳a r e b r o 唣m 向n 珊i d t oc o m p u t e r a i d e d f i x t u r e d e s i g n , a n d p e o p l e a t t a c h m o r e a n d m o r e i m 脚u n c e t or e a l i z i n g n e t w o r k i n g d e s i g n o f f i x t u r e n a t u r a l l y a t 吐_ i e s a m e t d e s i 罂1 e r ss c m q y 妇d 甑1 m 廿1 r o u g h 怕d 醯删p a i 硝t 0 0 l s 协吐茸p i c e 鹞o f a p p l i c a t i o n o f c a d t e c h n i q u e f o r m a c h i n e t o o l f i x t u r e d e s i g n , i t a f f e c t s t h e e f f i c i e n c y a n d q u a l i t y o f f i x t u r e d e s i g n t h e r e f o r , t h er e s e a r c ho n t h er 9 m c es h a r i n gt e c h n i q u em dd e v e l o p m e n to fn e t w o r k i n gc o l l a b o r a t i v ed e s i g n s y s t e mf o rm a c h i n et o o lf i ：a u r et a k e s o ns i g n i f i c a n ta c t i o nf o ri m p r o v i n gt h ee f l i c i , c ya n dq u a l 时o f f i x t t t r e d e s i g n t h i s p a p e r i s k 谢o 【l 廿1 e s e 赫姻a 1 1 a 晌s 越1 d 勤舢衄y o f 蛔试b 0 0 k d 眦n 触屯0 0 l 五x 嘶d e s 蜘 t e c h n o l o g y t h es y s t e m o f “r 瞄0 t 撇s h a r i n g t e c l l 】a i q u ea n dn e t w o r k i n gc o l l a b o r a t i v ed e s i g n b 他霓鲫。h c d b y a p p l i c a t i o n so f m o d e mc a d , d 出b a s e a n dc o m p u t e rn e t w o r kt e c h n i q u e s m d 柏q k 叫i n t h e d e v e l o p m e n t o f t h ed i 酬z e dh a n d b o o ks o f t w a r es y s t e mf o rm a c h i n et o o l 位c c u md e s i g n t h em a i na c h i e v e m e n t sa n d c r e a t i v e i d e a s o f t h e p a p e r a r e a s f o l l o w s ： ( i ) d i s c u s s e d t h ed e v e l o p m e n ta n dc h a r m t e f i s t i c so f m a n t f f a c m r i n gi n f o n n a t i z a f i o t xa n dm a i n c o n t e n t so f c a d c a m t e c h n i q u e s a c c o i d i n g t o t h e a n a l y s i s o f h a t e m a t i o n a l , d o m e s t i c p r e s e n t s t u d y s t a t u s a n d d e v e l o p m e n t t r e n d o f c o m p u t e r a i d e d f i x t u f e d e s i g n , w o r k e d o u t a n e w i d e a o f s e t t i n g u p s y s t e m o f m a c h i n e t o o l f i x t u r e d e s i g n t _ e s o u l r es h a r i n ga n dn e t w o r kc o l l a b o r a t i v ed e s i g nb yd i 眺n a d i i i o | 1 a lp a p e r r e f e r e n c eh a n d m o ko nf i x t u l e a n dn e t w o r k i n gr e s o t l l v 8o f f i x t u r ed e s i g n , p r o v i d ear m e t h o d a n ds o t b r es y s t e mo f f i x l t d c s 细- a i d e d h a s e do 1c o m p u t e r a p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y 四j i i 大学硕士学位论文 ( 2 ) d i s s e a e dt h ea r g n m e n l a f i o no ft h i sp r o j e c ta n ds i g n i f i c a t i o no fr e s e a r c ho nb a s i cd e v e l o p m e n to f i n f o - a n a t i o n a lr e s o u l _ c e sf a c i n gi n f o n r 枷2 = lm a n u f a c t u r i n g a l 谢归e dt h en a m 函r tc 0 喊d a t af l o wa n dm a i n r e a l i z e f o r mo f c o m p u t e r a i d e d f l x t t 日e d e s i g n d i s c u s s e d t h e f m m e w o l ko f 廿e s y s t e m f o r m a c h i n e t 0 0 l f i x t u r e d e s i g n e s o u r c es h a r i n ga n dn e t w o r k c o l l a b o r a t i v ed e s i g ni nd e t a i l a i m i n ga lf e a t u r eo ft h el a t e s ts o f t w a r e d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y , d i s s e r t e dt h eb a s i cc o m e p f i o nf b rt h eo b j e c t - o r i e n t e d 僦h n o l o g y , s o f c w a i l e u s e , d a t a b a s e t e c h n o l o g y , n 咖o r k 戗i 1 0 i o 斟越】d s 0 弧a n d l t e 如a p p l i 咧匣0 n 妇t 讷船帆l o p r n 咖o f 廿1 e 啦m i sv e d f i e d ( 3 ) a c c o r d i n g t ot h ea n a l y s i s m a r k e td e m a n do f f i x t t d i 鲈i l a 嘣撖，s e tu pt h ef r a m e w o r ka n d f u r c i - i o nm o d e lo fs o f 【 月旧r e s y s t e mo fd j g 赴i d m a c h i n et o o lf i x t u r e d e 蜘 l a l b 0 0 ki l l u m i n a t e d t h e c o m i r u c t i o n p r o c e s s a n d i n f o n n m i o n f l o w o f l h e s y s 把m e x p l a i n e d t h e e x p l o i t a t i o n m e 出0 d s a i l d r e a l i z 鲥帆p 甜1 s t h r o u g hr e a lp r o g r a me x a m p l e s ( 4 ) o n t h e b a s i s o f c x p “馘- 伽0 f d i 蚓腓d e s i 印h a n d 撖，锄a l 归e d 甘】e 向珊删k 舶d d a 妞n o w o f t h ef 岫, n en e t w o r kc o l l a b o r a t i v ed 酋i 舯掣她a n ds e tu ps y s m nm o d e lb a s e do l la s rc o m b m m gt h e p r a c t i c e o fe x p l o i t a t i o no fa p p l i c a t i o np r o g r a m , i l l u m i n a t e dt h ec o n s c n 廿讲1 p r o c e s s o ff i x t u r en e t w 味 c o l l a b o r a t i v e d e s i g na n d a p p l i c a t i o n o f r m i nr e a l i z a t i o n t e c h n i q u e s ( 5 ) b a s e do nt h em i d yo f t h e o r ya n dp l r t i c em e n t i o n e da b o v e , d e v e l o p e d t h es y s 把mf o rm a c h i n et o o l f i x t u r en e t w o r kc o l l a b o r a t i v ed e s i g na n dd i g 砬蜘h a n d b o o k , a n dd e s c r i b e dt h ek e yf l l n c d o i l 5a n ds p e c i a l t i e so f t h es y s t e m b y e x a m p l e s w i t h t h e c o n t i n u o u s l yr e c r u i t i n g o f c o n l a n t a n d c o m u n n n m i n g o f f i m e t i o n o f t h es y s t e m , w e b e l i e v e i t w i u o f f e r a c o m p l e t e d e s i g nr e s o u r c e 确舳s e 毗e a n d 咖枷c 训黼d c s 睁w 姗触 t o o l f i x l u r e d e s i g n a n d m a n u c 眦8 r i d h e l p m a n u 嘁e n t e r p r i s e s t o b r i n g u p t h e i r p r o d u c e e f f i c i e n c y a n d t h e q u a l i t y o f t h e i rp r o d u c t s k e y w o r d s ：m a c h i n e t o o l f u t t u m ，r e s o u r c e s h a d n g , d i g i t i z e d d e s i g n h a n d b o o k , c o l l a b o r a t i v e d e s i g n 1 绪论 1 绪论 随着科学技术，特别是信息技术的飞速发展，推动了世界经济一体化和全 球制造的发展趋势，制造业市场竞争将更加激烈，产品更新周期不断加快，用 户t 需求趋于多样化和个性化。特别是2 0 世纪9 0 年代以来，快速、持续、无法 预测的竞争环境的变化对企业组织结构和生产模式提出了新的挑战。 本章将阐述制造业信息化的发展概况，分析c a d ( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ) 技术与计算机辅助夹具设计技术( c a f d ，c o m p u t e ra i d e d f i x t u r e d e s i g n ) 的研究现状和发展趋势，介绍本课题的研究背景和主要工作。 1 1 制造业信息化技术概况 制造业信息化将提高企业中信息流的速度和质量，改变传统的业务流程和 工作方法，减少环节和管理层次，提高效率，降低成本，加快资金周转，从而 带来明显的经济效益。制造业信息化包括先进的制造信息获取、传递、存储和 管理能力及其质量管理能力，充分发挥人的主观能动性掣“。制造业信息化的 范畴涉及产品开发、生产和营销过程的价值链各方。使得客户能够参与产品设 计和制造过程。只有信息产业与传统制造产业的完全融合，信息化才能带动工 业化。从发展战略的角度看，制造业信息化不是技术决策，而是企业迎接制造 全球化挑战的战略决策，是企业家不断进取和创新精神的体现口】。面对信息化 的挑战，口i ：界各国纷纷提出了先进翎造技术发展战略，推动了计算机辅助设计 与制造、计算机集成制造、并行工程、精益生产、快速原型制造、虚拟制造、 敏捷制造、智能制造等各种先进制造技术、理论、方法的不断涌现，使传统制 造业正发生着根本性变革。 我国的制造业信息化是将信息技术、自动化技术、现代管理技术与制造技 术结合应用，带动产品设计方法和工具的创新，企业管理模式的创新，企业间 1 办作关系的创新，实现产品设计制造和企业管理的信息化，生产过程控制的智 能化，制造装备的数控化，咨询服务的网络化，全面提升我国制造业的竞争力。 制造业信息化关键技术攻关围绕“五化”的目标，以应用为牵引，以集成应用 带动系统研发，以系统研发带动技术突破，以原始创新促进技术发展，突破一 批关键技术，形成一批具有自主知识产权的软硬件产品，促进我国制造业信息 四川大学硕j ：学位论文 化高新技术产业的发展。与此相对应，国家8 6 3 计划现代集成制造系统技术主 题和机器人技术主题分别设立了数字化设计与制造系统专题、企业管理与电子 商务系统专题、网络化制造与系统集成专题、过程自动化系统专题、数控关键 技术与装备专题，一部分研究已经取得阶段性成果【3 1 。 11 1 制造业信息化发展历程与现状 2 0 世纪5 0 年代初，美国m i t 公司研制出世界上第一台用a p t 语言编程的 数控铣床。美国g e r b e r 科学仪器公司为波音公司生产了世界上第一台用a p t 编程的平台式绘图机，从而为计算机绘图奠定了基础。随后，m 1 t 的s u t h e r l a n d 在其博士论文中首次提出计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构 等新思想。从而为c a d 技术的发展和应用奠定了理论基础。1 9 6 4 年，美国通 用公司推出世界上第一个机械c a d 系统( d a c 一1 ) ，随后，i b m 和l o c k h e e d 公司又联合开发了著名的c a d c a m 系统c a d a m ，形成了计算机技术在 制造业中的应用雏形。 2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代巾期，大量专用和通用c a d 系统的相继问世， 不仅推动了二维绘图技术的实用和普及，也带动了三维c a d 技术的发展，同 时将应用范围从单一零件设计拓宽到装配、有限元分析、机构分析、工艺规划、 数控编程等多个应用场合。这一时期，c a d 、c a p p 、c a e 、c a m 等单元信息 投术得到了较快发展和广泛应用。为适应生产规模从大批量到中小批量的变化， 2 0 世纪6 0 年代出现了柔性制造的思想，7 0 年代末到8 0 年代中期，柔性制造系 统( f m s ) 得到了蓬勃发展。f m s 的应用推动了信息技术从点到线的发展。f m s 解决了生产线的高效与自动化，但产品开发涉及企业从市场分析、设计、加工、 经营管理到售后服务的各个环节，为此，1 9 7 3 年美国j o s e p hh a r r i n g t o n 提出了 计算机集成制造( c i m ) 的思想。8 0 年代以来，c i m 思想的实施手段计算机 集成制造系统( c i m s ) 受到了重点研究、发展和应用。从而将信息化范围从技术 领域延伸至管理领域，从单一生产线拓展到整个企业。 随着w e b 技术的发展和i n t e r n e t 的广泛应用，以及企业之问的竞争从局部 到全球范围的演变，制造过程也正从企业内部向区域甚至全球制造方向发展， 企业围墙逐渐淡化，咀“网络化”为特征的制造成为信息化的主流。2 0 世纪9 0 年代以来，面向2 1 世纪的先进制造技术( a m t ) 受到重点研究，一些新的制造思 1 绪论 想、哲理和方法不断涌现，如敏捷制造( a m ) 、并行工程( c e ) 、产品全生命周期 管理( p l m ) 、虚拟制造( v m ) 、电子商务( e c ) 、供应链管t 犟( s c m ) 、客户关系管 i 里( c r m ) 等。这些思想推动了c i m s 中的信息集成到过程集成、企业集成的转 化，推动了制造企业向网络化、敏捷化、智能化、集成化和虚拟化方向发展【4 1 。 我国在制造业信息化方面做过不少尝试。但是，在没有改变企业组织结构 和体制的情况下，许多技术的实施效果受到制约，投入和产出不够理想。从一 定层面看来，在各个单元技术如管理信息系统、c a d c a m 以及制造设备等方 面取得了+ 定的成绩，以c a d 技术应用为例：“九五”国家科技攻关重中之重 项目“c a d 应用工程技术开发与应用示范”的实施，使我国c a d 技术应用在 广度、深度和速度等方面取得了突破性进展，已由六七十年代的技术萌芽期步 入全面发展期，个别领域如工程设计行业已步入成熟期。特别是在2 9 个省市、 三个行业组织实施6 0 0 家示范企业，平均c a d 设计人员普及率达9 5 6 、产 品各货量覆盖率达到9 2 s 、人均微机占有率达到0 8 4 台，c a d 技术的应用已 经辐射到机械、工程设计、船舶、航空航天、汽车、轻工和纺织等行业。示范 企业的c a d 应用水平已达到工业发达国家2 0 世纪9 0 年代中期水平1 5 】。但是大 多数企业内部各部门都没有统一的数据格式、规范和协议，企业各部门使用计 算桃各自进行应用层的开发，形成一个个自动化的孤岛，为此c i m s 系统需要 在对现有资源的集成和改造方面做更大的突破1 6 1 。总的来讲，我国制造业信息 化还存在一些问题：企业领导的观念落后，阻碍了制造业信息化的发展；企业 内部技术力量单薄；投入的资金不足；缺乏整体规划和对信息化的清醒认识： 制造企业的信息资源共享水平低，无法形成真正一体化的信息集成与运行环境： 企业员工对信息化的不支持，不理解等。 2 0 0 2 年，对我国制造业而言，是信息化理念大跳跃的一年，制造业信息化 在经历了2 0 多年的风风雨雨后，大部分制造业企业对企业信息化的认识趋于清 晰，也更加理性，由过去重投入轻效益、重形式轻内容的盲目热潮中，转向真 j 下给企业带来效益的信息化工程【7 1 。制造业企业对信息化的需求呈现出迅猛发 展的态势。 1 1 2 制造业信息化技术的发展趋势 鉴于制造业在国民经济中的主导地位，今后一段时间，制造业信息化技术 四川大学硕上学位论文 仍将受到广泛重视和重点发展。主要的发展趋势为： ( i ) 智能化： 人工智能技术在制造业企业中的主要应用是专家系统。但是，专家系统在 知识获取、推理方法等方面还存在一些问题。各种现代技术的综合应用，如模 糊数学与神经网络的结合，将更进一步推进智能化的发展，实现操作智能化， 设计过程智能化等。 ( 2 ) 集成化： 在现有集成系统的基础上进一步改善集成方式，拓展集成范围，最终目标 应面向产品的全生命周期，满足从市场分析、设计、制造、销售、服务到回收 整个生命周期内各个环节的功能需求。真j f 实现同类、异类单元系统的无缝连 接，保证数据自由、完整、快速通讯和共享，实现各个环节的协调、并行协同 工作。为此需要w e b 协同技术、i n t e r n e t 技术、数据库技术、软件标准化技术 等现代信息技术的支撑，同时体现敏捷制造、精益生产、并行工程、虚拟制造 等现代制造哲理【8 】。 ( 3 ) 网络化： 实现应用软件的网络化，减少软件设计的重复劳动，实现资源共享，建设 企业信息网。企业信息网的建设包括两大任务：企业信息网络支撑平台建设和 网上信息的组织和管理。企业信息网络支撑平台建设以t c p i p 协议为通信协 议，由网络服务器、通信设备、网络安全设备等组成，应用网问互联、路网、 网络交换、网络管理、i n t e r n e t 技术、防火墙以及虚拟专用网( v p n ) 等技术， 同时包容现有网络应用支撑系统，支持上层应用软件的运行，建立起先进、安 全、可靠、稳固、丌放的网络应用平台。在网上信息的组织管理方面，当企业 信息网络的建设完成之后，企业信息化的重点应该从硬件建设转移到软件开发 和信息资源的收集、组织、处理等信息管理工作上来【9 】。 1 2 现代c a d 与c a f d 技术的研究内容 1 2 1 现代c a d 技术的研究内容 c a d ( c i m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是计算机科学与工程设计学科相结合形成 的新兴技术，是计算机在工程中最有影响的应用技术之一也是先进制造技术 和制造业信息化的重要组成部分。其主要研究内容为l i 0 1 ： 4 1 绪论 ( 1 ) 现代设计理论与方法： 随着信息技术和计算机技术的飞速发展，近年来涌现出了许多基于计算机 的设训理沦与方法，如协同设计、并行设计、虚拟设计、分形设计及大规模定 制设计等，只有认真研究这些先进设计理论与方法，才能实现现代c a d 系统。 ( 2 ) 与设计基础信息相关的技术： 一是建立产品设计基础信息资源库，如产品标准库，设计方法库，标准件 参数化三维图库。二是产品共享信息的交换技术；产品数据管理与工作流管理 技术。 ( 3 ) 与设计环境相关的技术： 是研究协同设计环境的支持技术，如广域网上的客户机、服务器结构的 计算机系统技术；基于b s 和c s 的协同设计的平台体系结构技术。二是研究 协同设计的管理技术，如产品异构p d m 系统间的数据交换技术：产品设计过 程建模技术等。 ( 4 )与设计工具相关的技术： 一是研究产品数字化建模技术，如产品模型的表达、s t e p 标准实施与建 模技术等。二是研究发展集成的c a x 和d f x 工具，如d f p ( 性能) 、d f q ( 质量) 、 d f c ( 成本) 、d f s ( 服务) 、d f m ( 制造) 、d f a ( 装配) 、d f t ( 试验) 等，并将它们与 c a d 系统有机地集成起来，使现代c a d 系统支持产品设计的全过程。 ( 5 ) 与智能化设计相关的技术： 是建立产品设计专家系统，产品设计知识库：二是研究发展人工智能技 术、知识获取技术、推理技术等，使产品设计实现智能化。 1 2 2c a f d 技术的产生背景与研究内容 央具是在机床上用以兴紧工件和引导刀具并保持与机床确定的相对位置 的一一种装罨，是机械加工过程中不可缺少的工艺装备。夹具在新产品的研制过 程中，对缩短研制周期起着重要的作用。根据我国机械工业在现有水平，生产 准备周期一般要占整个研制周期的5 0 7 0 ，而工艺装备的设计周期要占生产 准备周期的5 0 7 0 ，其中工艺装备周期中有约7 0 8 0 的时问用于夹具的设 计与制造l 。在现代制造企业中，夹具是保证产品质量，实现全面质量管理的 重要手段，能否快速设计并制造出合格的央具已成为制造系统发展的关键。 四川夫学硕上学位论文 近几十年以来，夹具的基本组成部分虽无明显改变，但对夹具设计的要求 却不断提高。机床夹具设计过程包括多个步骤和内容，设计人员除了要有丰富 的实践经验和夹具设计知识之外，还要翻阅、查询机床夹具设计的技术手册和 相关国家标准，这样才能设计出合理的机床夹具。 传统的央具设计方法在装央方案构思、装夹点的分配、夹具的设计、夹具 组装等方面都由人工来完成，需要较多的人力和较长的设计周期，并且局限于 个人的经验，一般难以得到最优的夹具设计结果。在c a d c a m 技术广泛使用 的令天，这种传统的经验设计方法，限制了夹具设计的效率和质量f l ”，而且不 能满足c a d c a m 集成的需要。尤其是柔性制造系统( f m s ) 和计算机集成制 造系统的迅速发展，使计算机辅助夹具设计( c a f d ，c o m p u t e ra i d e df i x t u r e d e s i g n ) 应运而生。以c a f d 为基础的夹具信息系统成为现代设计制造系统中 信息集成的一个重要环节，它是夹具设计人员通过计算机辅助技术用科学的方 法米进行夹具设计的一种技术。与传统的央具经验方法相比，c a f d 具有设计 周期短、设计质量高等优点，是用来实现夹具设计标准化、自动化、精密化、 柔性化的重要途径从8 0 年代中期开始，c a f d 在国际上普遍受到重视，同 时正在发展成为一个独立的制造软件系统【“】。 c a f d 是计算机技术综合应用于夹具设计制造的一个飞跃，根据c a f d 系 统的工作原理和数据流程，可以将c a f d 系统分为检索式c a f d 系统、交互式 c a f d 系统、智能式c a f d 系统、创成式c a f d 系统等。 c a f d 的主要研究内容为： i s - 1 7 夹具设计时基于成组技术的分类方法及基 于案例的推理；通过运动学分析确定定位点和夹紧点；利用基于知识的专家系 统选择定位面和夹紧面：基于几何分析的夹具规划；用于定位基准选择的精度 关系分析：夹具的构形设计。 1 3 c a f d 技术研究现状与发展趋势 1 3 1c a f d 技术的研究现状 在过去的几十年中，制造研究团体将研究的重点放在了发展和改善诸如 c a d c a m 和c a p p 等方面。只是在最近2 0 年来，c a f d 才发展成为c a d c a m 集成技术的一个重要组成部分【i 引。并且成为c a p p 的一个重要方面，它是c i m s 环境下设计和制造之间的连接纽带。随着c a d c a m 系统在工业中的建立， 6 1 绪论 c a f d 很自然地应用到了夹具设计当中，而且由于夹具对制造成本和制造周期 的影响非常大，研究人员才开始注意到c a f d 的重要作用【1 9 】，并把缩短加工准 备周期作为c a f d 的一个重要目标。在这个阶段，利用c a d 处理图形的能力， 并与使用者的经验相联系产生了第l 代交互式c a f d ( i n t e r a c tc o m p u t e r - a i d e d f i x t u r ed e s i g n ，i - c a f d ) 夹具设计系统。8 0 年代中期发展而来的第2 代c a f d ， 根据变异式( v a r i a n t ) 【2 0 j 和生成式( g e n e r a t i v e ) 两种方法产生了基于成组技术 ( g 1 ) 和基于知识( k b ) 的两类c a f d 系统。 9 0 年代后发展起来的c a f d 是第3 代，这个时代c a f d 的特点是转向了 以产品夹具结构为目的，实际生产应用为导向的夹具的软件设计上 2 ”。目前， c a f d 的发展大大降低了制造研制周期，优化了制造加工过程，验证了制造工 艺流程，在f m s 及c i m s 中正发挥着越来越重要的作用。基于知识的c a f d 是将专家的知识整理成规则，并根据专家系统推理机制得到各种决策，由于规 则应用不太现实，s h uh u a n gs u n 及j a l f a ul e w i sc h e n1 2 2 j 提出一种基于案例推 理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 的智能夹具设计系统。 国内c a f d 方面的研究起源于8 0 年代初期，中国航空技术进出口公司在 向欧洲出口组合夹具元件时，应客户要求用计算机绘制了数套槽系组合夹具装 配图，拉开了我国开发央具c a f d 系统的帷幕，8 0 年代中期先后有l o 余所高 校对c a f d 做了探索。1 9 9 5 年，张世昌等开发了检索式计算机辅助设计系统 t j c a f d 2 3 】，采用交互式输入工件信息后可自动完成夹具设计工作，并可输出 夹具装配图、夹具零件图及有关的技术文件。1 9 9 6 年，杨东哲等人开发了面向 并行 程的c e - - c a f d ，在参数化夹具功能元件库的支持下，在工作站屏幕上 搭建夹具结构，实现参数化夹具设计【24 1 。华东船舶j 业学院的王明强等人开发 了基于特征造型的成组夹具c a d c a p p c a m 集成系统【2 ”。1 9 9 8 年，华东船舶 工业学院的范牧昌等人开发了孔系组合夹具计算机辅助设计系统h m f c a d ， 较好地解决了组合夹具拼装过程中的随机性，继承性，保留性【26 1 。2 0 0 3 年，西 北工业大学嗣锡天等人支持网络化制造的工艺信息系统，它是用于网络化制造 ：i j 艺信息的原型系统 2 7 1 。 从以上的资料可以看出：国内的c a f d 研究经历了从参数化设计到智能化、 网络化的较快发展阶段，特别是近几年，在三维化、智能化、网络化的研究与 应用取得了一些成绩。 7 网川大掌硕。i j 学位论文 国内c a f d 虽起步较晚，但受到了许多学者的重视，取得了一定的成绩。 可足c a f d 与信息化技术的发展一样，目前还处于小范围局部应用中，没有 得到进一步的推广，软件系统缺乏通用性，没有统一的数据格式和没计标准， 没有实际可用的夹具设计资源共享方案和全面的标准件参数化3 d 图库。由于 受| 日内整个软件发展水平的限制，国内c a f d 跟国外的还有一定差距。 1 3 2 c a f d 技术的发展趋势 2 1 世纪夹具制造行业的追求目标是提高产品质量、设计效率，缩短设计及 制造周期，降低生产成本，最大限度提高央具制造业的应变能力。具体表现为 以下6 个特征 2 8 】： ( 1 ) 集成化： c a f d 是生产准备的重要部分。确定该工序所使用的夹具，给出夹具的装 配图和零件图是连接c a d 与c a m 的桥梁。集成化的c a f d 应首先实现与c a p p 的集成。集成化是c a f d 系统发展的必然方向，是企业信息集成的必然要求。 ( 2 ) 标准化： 标准化是提高c a f d 系统适应性和促进集成的基础。功能模块标准化将有 利于实现c a f d 系统与c a p p 的集成。 ( 3 ) 分布式并行处理技术： 该技术实现c a f d 系统中各种问题的协同求解，获得系统的全局最优解， 实现系统的最优决策。 ( 4 ) 智能化： 人工智能技术在c a f d 系统中的主要应用是专家系统。但是，现有专家系 统在知识获取、推理方法等方面还存在一些问题。各种技术的综合应用，如模 糊数学与神经网络的结合，将更进步推进c a f d 智能化的发展。如何使c a f d 系统更加实用是当前c a f d 研究者们最为关注的问题。 ( 5 ) 网络化： 网络技术包括硬件与软件的实现。各种通信协议及制造自动化协议、信息 通信接口、系统操作控制策略，是实现各种制造系统自动化的基础。网络化是 指基于i n t e r n e t i n t r a n e t 网络和w e b 技术的远程异地协同设计与制造【2 9 】，能支持 动态联网中协同设计所需的环境与设计技术【3 0 1 。 绪论 ( 6 ) 虚拟现实技术： 利用虚拟现实技术、多媒体技术及计算机仿真技术，实现夹具设计制造过 程的几何仿真、物理仿真、制造过程仿真及使用过程仿真，采用多种介质来存 储、表达、处理信息，融文字、语音、图像、动画于一体。给人一种真实感。 c a f d 系统将继续朝着以上几个方向发展，同时各方向间相互交叉、互相 促进是c a f d 系统发展的必然趋势。 1 4 课题背景、研究意义与主要研究工作 1 4 1课题研究背景与意义 为了适应当前我国制造业信息化发展的需要，提供一种全面的制造业基础 信息资源，机械工业出版社组织了数字化手册的研制与出版工作。四川大学制 造学院c a d c a m 研究所承担了“机床夹具数字化手册( 软件版) ”的开发研 制工作。 夹具设计作为整个工艺准备活动的一部分，具有十分重要的地位 3 2 】。该项 目的研究方向符合我国制造业信息化的需要，为制造业企业夹具的设计与制造 提供基础信息资源，具有以下几个方面的理论和实际意义： ( 1 ) 丌发c a f d 系统，是实现夹具设计自动化的重要方法和手段，也是 我国制造业信息化的基础信息资源建设的一项重要工作。 ( 2 ) 通过计算机网络实现夹具设计资源共享。 建立网络协同设计的c a f d 系统来实现夹具设计的资源共享，充分利用现 有资源，实现夹具的并行设计，组建企业动态联盟，进一步缩短产品开发周期， 提高设计与制造的效率。 ( 3 ) 可缩短夹具设计周期，缩短产品研制周期，提高夹具设计质量。 通过建立标准夹具元件库，并组装得到夹具装配图，可大大减少绘图时间， 缩短夹具设计周期，从而缩短产品研制周期，通过建立夹具方案设计专家系统 或基于实例的推理技术进行夹具方案设计，提高夹具的设计质量。 ( 4 ) 利于c i m s 各自动化子系统的集成。 c a f d 系统根据c a d 系统提供的工件几何信息、尺寸及精度信息和c a p p 系统提供的定位、夹紧及加工信息，完成夹具元件的选择和组装，获得夹具的 总装配图，因而c a f d 系统有助于c a p p 系统的完善和c a d 、c a m 信息共享 9 凹川大学硕1 。学位论文 和集成。 ( 5 ) 有助于实现产品面向制造的设汁。 集成环境下的c a f d 系统与产品c a d 系统间的信息交互，贯穿于从产品 设计开始到夹具设计结束的整个过程，在产品设计的初始阶段就将零件的设计 信息传送给c a f d 系统，c a f d 系统并行地进行安装方案设计规划、元件布局 和结构设计，并动态地将夹具设计信息或阶段性结果反馈到产品c a d 系统， 从而可不断对产品进行可装夹性评判，实现产品面向制造的设计( d f m ) 。 ( 6 ) 计算机辅助夹具性能分析及仿真，有利于提高零件的加工质量。 可以在产品制造前计算并判断出可能存在的问题，从而避免由于夹具设计 经验不足导致产生不合理的夹具，提高零件的加工的质量，减少由于后期返工 造成的损失。 ( 7 ) 应用计算机辅助设计方法可以更好地发挥人的创造性。 在c a f d 中可利用计算机高速运算与图形处理的功能完成这些工作，人们 则可应用自己的智慧花更多的精力与时间去进行创造性的劳动。 1 ，4 2课题研究的主要工作 在实际应用方面，本文以“数字化设计手册( 软件版) ”系列中的予项目 “机床夹具设计手册( 软件版) ”为研究对象，研究内容涉及到面向对象编程技 术、数据库技术、计算机图形学的基本理论、人工智能技术、网络环境下资源 共享与分布式协同工作的基本理论和实施技术以及软件复用技术等新技术，同 时也是一种c a f d 系统的开发和应用。促进了新技术与夹具制造业的结合。主 要丌发了机床夹具设计手册( 软件版) ，实现夹具设计资料的查询；定位、夹紧 装嚣的设计计算；工程计算器的开发。并在机床夹具设计手册( 软件版) 的基 础上开发了夹具三维标准件库和夹具网络协同设计系统。本论文是作者参与这 一项目研究工作，重点进行机床夹具设计手册( 软件版) 开发和夹具网络协同 设计系统应用研究任务的结果。 0 2 资源共享技术与网络协同设计系统的体系结构研究 2 夹具资源共享技术与网络协同设计系统的体系结构研究 夹具资源共享技术与网络协同设计系统的建立是构建制造业信息化工程 基础支撑环境之一，必将进一步推动制造业信息化的发展。实现夹具设计制造 的信息和资源共享，分为两个基本内容：夹具设计资源数字化和基于a s p 的夹 具远程协同设计系统，而夹具设计资源数字化就是整合目前通用的夹具设计资 料，设计出夹具设计数字化手册软件，基于网络的夹具远程协同设计系统就是 在夹具设计数字化手册软件的基本框架下，开发出基于a s p 的网络协同设计系 统。 本章从夹具设计的流程分析出发，论述了夹具资源共享技术与网络协同设 计系统的总体框架和主要功能，简要介绍了实施开发的主要方法和关键技术。 2 1 机床夹具设计流程分析 21 1 机床夹具的分类 机床