（机械制造及其自动化专业论文）计算机辅助夹具设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 计算机辅助夹具设计( c a f d ) 作为c i m s 集成中的一个重要环节，克服了 传统夹具设计存在的设计周期长，设计效率低等问题，降低了设计人员的劳动强 度。提高了夹具设计的质量，从而能够大幅度缩短产品开发周期，提高企业的市 场竞争力。 论文在回顾了c a d 的概念、发展、组成以及国内外应用现状后，详细介绍 了系统的总体设计和各功能模块的设计，并着重阐述了系统开发过程中的各项关 键技术，如参数化技术、数据库技术、成组技术、a u t o c a d 二次开发技术以及 它们在本系统中的应用。 在对国内外众多夹具设计系统进行仔细的分析研究之后，本课题确定以专用 夹具为对象，以交互检索式系统为主要开发内容，开发一种适合国内企业现状的 具有先进性和实用性的夹具辅助设计系统。在基于a u t o d e s k 公司的功能强大的 绘图软件a u t o c a d 2 0 0 0 平台上，构建了夹具c a d 系统的主要功能模块，包括： 参数化零件图库，参数化设计工具，夹具图形库刨建，数据管理，夹具编码系统， 图样管理。设计计算，绘图辅助等模块。 关键词 成组技术( g t ) i 参数化技术；计算机辅助夹具设计( c a f d ) 数据库管理系统；零件分类编码系统 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sai m p o r t a n tp a r to fc i m s ，c o m p 咖a i d e df i x t u r ed e s i g nc a l ls o l y ep r o b l e m s o ft r a d i t i o nm a c h i n et o o lf i x t u r es u c ha sl o n gd e s i g np e r i o d ，l o wd e s i g ne f f i c i e n c ya n d s oo n t h e r e f o r e , i tc a l li n c r e a s ed e i g ns p e e d ，r e d u c er e p e t i t i o nl a b o r i n ga n d s a t i s f y r a p i da n df l e x i b l er e q u e s t o fm o d e mm a n u f a c t u r es y s t e m a sar e s u l t ，i n c r e a s i n g c o m p e t i n gp o w e ro f t h ee n t e r p r i s e i nt h i st h e s i s ，t h ec o n c e p t , d e v e l o p i n gs u r v e y , c o n s t i t u t i o na n da p p l i c a t i o na th o m e a n da b r o a d o f c a da r er e v i e w e d t h ed e s i g n o f m a i n f r a m e a n de v e r ym o d u l e o f t h e s y s t e ma r ei n t r o d u c e di nd e t m l t h ek e yt e c h n i q u e sd u r i n gd e v e l o p i n ga r ee x p o u n d e d b r i e f l y s u c ha s p a r a m e t r i ct e c h n i q u e s ，s e c o n d a r y - d e v e l o p i n gt e c h n i q u e s o f a u t o c a d g r o u pt e c h n i q u e sa n de n g i n e e r i n gd a t a b a s eo p e r a t i n g t h ea p p l i c a t i o n o f t h e s et e c h n i q u e si nt h es o r w a r ei sd e s c r i b e da sw e l l a t i e rad e e p l ya n dc a r e f u l l ya n a l y z e d 缸di n v e s t i g a t e da th o m ea n da b r o a d ，t h i s p a p e rt r i e st od e v e l o p ac o m p u t e ra i d e df i x t u r e d e s i g ns y s t e mi nt h ed i r e c t i o no f a d v a n c ea n dp r a c t i c a b i l i t yf o rp r e s s i n gd o m a i n ，w h i c ht a k i n g s p e c i a l i z e dm a c h i n e t o o l f i x t u r ea st h er e s e a r c ho b j e c ta n db a s e do ni n t e r a c t e v ea n dr e t r i e v a lm e t h o d t h e p r o j e c tl t l n so np o w e r f i l la u t o c a d 2 0 0 0p l a t f o r mw h i c hd e v e l o p e db ya u t o d e s kc o o f u s a t h e m o s t l y f u n c t i o no ft h i s s y s t e m ：p a r a m e t e r i z e dp a r td r a w i n gd a t d b a s e ， p a r a m e t e r i z e dd e s i g nt o o l sm o d u l e ，c o n s l r u c t e df i x t u r e 乎a p h i e sd a t a b a s e ，f i x t u r ed a t a m a n a g e m e n t ，f i x t u r ec o d i n gs y s t e m ，f i x t u r ed r a w i n gm a n a g e m e n tm o d u l e ，f i x t u r ed e s i g n a n dc a l c u l a t ea n dd r a w i n ga s s i s t a n c em o d u l ee r e k e y w o r d sg r p o u pt e c h n o l o g y ；p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y ；c o m p u t e r a i d e df i x t u r e ； d a t a b a s em a n e g e m e n ts y s t e m ；p a r tc l a s s i f i c a t i o na n dc o d i n 窟s y s t e m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中己经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 做作者签名：扭楚 日期：踟口p 。l ， 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或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 和借阅；本人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蕴垄些导师签名： 论文作者签名：彝丝型坠导师签名： 日期：型生。! ! ：! ! 山东人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1c a d 技术醚 1 1 1c a d 的一般概念 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 就是用计算机硬件和软件协助工程技术人员实 现工程产品的设计。它可以缩短设计周期，提高经济效益。c a d 常与c a m 、c a e 等 合称计算机集成制造系统。 c a d 系统一般由设计者、硬件系统、软件系统三部分组成，其中硬件包括计 算机和有关的外围设备等；软件包括系统软件、支撑软件和应用软件。一个完善 的c a d 系统应具备的主要功能可概括为：快速计算、分析生成、处理图形的能力， 存储程序、数据和快速检索的能力，输入输出能力，以及良好的人机交互功能等。 如今，c a d 技术已在社会各领域获得广泛应用，也成为衡量一个国家工业水 平的重要标志。 1 1 2 c a d 技术的发展概况 在过去的四十年晕，c a d 技术经历了五个主要发展时期。 ( 1 ) 2 0 世纪5 0 年代一准备和酝酿时期1 9 5 0 年，美国麻省理工学院( m i t ) 研制出类似于示波器的图形设备“旋风i 号( w i r l w i n di ) ”，利用它可以显示简 单图形。1 9 5 8 年，美国c a l e o m p 公司研制出滚筒式绘图仪，g e r b e r 公司研制出平 板式绘图仪，由此开始了交互式计算机图形学研究，c a d 技术处于被动式的图形 处理阶段。 ( 2 ) 2 0 世纪6 0 年代一蓬勃发展和进入应用时期这是交互式计算机图形学 发展的最重要时期。1 9 6 2 年美国m i t 林肯实验室的学者i e s u t h e d a n d 研究出 了名为s k e t c h p a d 的系统，发表了名为“s k e t c h p a d ：一个人机交互通讯的图形系统” 的博士论文，首次提出了计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等 新思想，从而掀起了大规模研究计算机图形学的浪潮，并开始出现c a d 这一术语。 2 0 世纪6 0 年代中期出现了许多商品化的c a d 设备，但由于当时刷新式图形显示 器价格十分昂贵，因此c a d 系统很难推广普及。2 0 世纪6 0 年代后期存储管式显 示器以其低廉的价格进入市场，c a d 系统的成本下降很多，于是出现了一批厂商， 他们将硬、软件一起成套出售给用户，即所谓的t u r n k e y 系统( 交钥匙系统) ，并 很快形成c a d c a m 产业。2 0 世纪6 0 年代末，美国c a d 工作站安装数量已达2 0 0 台，可供几百人使用。 ( 3 ) 2 0 世纪7 0 年代一广泛使用时期计算机交互图形技术r 渐成熟并在工 业界中同益得到重视，1 9 7 0 年，美国a p p l i c o n 公司推出第一个完整的c a d 系统。 在此期间出现了廉价的固体电路随机存储器、产生逼真图形的光栅扫描最示器、 光笔、图形输入板等多种输入形式设备，出现了面向中小企业的c a d c a m 商品 化系统。2 0 世纪7 0 年代术，美国c a d 工作站安装数量己超过1 2 0 0 0 台，、使用者 超过2 5 0 0 0 人。 ( 4 ) 2 0 批纪8 0 年代以后_ 突飞猛进的时期进入2 0 世纪8 0 年代，工业界 认识到了c a d c a m 新技术对生产的巨大作用，于是在设计制造方面对c a d c a m 销售商提出了各种各样的要求，导致了新理论、新算法的大量涌现。在软件方面 第1 页 山尔火学硕士学位论文 i i bmi i i i i ii i= i i m a li 薯 做到了将设计与制造的各种单个软件集成起来，其中尤为重要的是实体造型理论 与系统的发展应用。出现了许多实体造型系统，如通用汽车公司的g m s o l i d 、 c o m p u t e r v i s i o n 公司的s o l i d e s i g n 等等。与此同时，计算机硬件及输入输出设备也 有很大发展，同时计算机网络开始得到应用。2 0 世纪8 d 年代末，美国实际安装 c a d 系统达到6 3 0 0 0 套。 ( 5 ) 2 0 世纪9 0 年代开放式、标准化和智能化方向发展的时期这一时期 的特点： 1 ) 开放性c a d 技术和系统的开放性取决于其所用计算机和系统软件的 开发性。由微机和w i n d o w s9 8 2 0 0 0 n t 操作系统与工作站或u n i x 操作系统在以 太网的环境下构成了c a d 系统的主流平台，因此，现在的c a d 技术和系统都具 有良好的开放性。 2 ) 标准化主要表现在图形接口、图形功能同趋标准化。从1 9 7 7 年由 s i g g r a p h 图形特别小组g s p c 推出c o r e 图形标准以来，相继出现了计算机图形 接口( c g i ) 、计算机图形文件标准( c g m ) 、图形核心系统( g k s ) ，基本图形交 换规范( i g e s ) ，程序员层次交互式图形系统( p h i g s ) 和产品数据交换规范( s t e p ) 等。这些都是由国际标准化组织( i s o ) 指定的标准，为c a d 技术和系统的推广、 移植和信息资源共享起到了重要作用。 3 ) 集成化c a d 技术的集成化主要体现在四个方面： 系统构造由过去单一功能变成集成功能，软构件和软总线技术普遍采用， 出现了由计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工艺设计( c a p p ) 、计算机辅助制 造( c a m ) 、计算机辅助工程( c a e ) 、产品数据管理( p d m ) 等功能模块集成的 计算机辅助制造系统( c i m s ) 。 c a d 技术中有关软件和算法不断固化，即用集成电路及其功能模块来实现 有关软件和算法的功麓。 多处理机、并行处理技术用于c a d 中，使工作速度成数量级的提高。 网络技术在c a d 中被普遍采用，使近程和远程的资源都能即时共享，逐 步实现异地、协同、虚拟设计和制造。 4 ) 智能化智能c a d 把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、 拟人化用户接口管理系统集于一体，形成智能c a d 系统。 集成化、智能化c a d 技术与系统是真正实现设计自动化的关键。 1 1 3 c a d 技术发展趋势 2 l 世纪，经济竞争是世界各国竞争的焦点和世界发展的重要推动力。对制造 业而言，每个企业都面临着持续多变和不可完全预测的全球化市场竞争，竞争的 核心是以知识为基础的新产品的竞争。 随着计算机性能的不断提高，计算机网络技术、先进制造技术、先进设计理 论的迅速发展，使得c a d 系统及其极关技术获锝了迅猛发展和广泛应用；面c a d 技术f 经历着由传统单元技术向复杂大系统环境下的设计自动化技术的重要转 变，产生了“现代c a d 技术”。现代c a d 技术是指在复杂大系统( 如先进制造) 环境下支持产品自动化设计的设计理论和方法、设计环境、设计工具三方面各 有关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化、网络化和智能化，达到提高产 品设计质量，降低产品成本和缩短设计周期的目的。因此c a d 技术的发展趋势是 设计集成化、设计网络化、设计智能化和虚拟设计技术。 第2 页 山东大学硕士学位论文 i il 做到了将设计与制造的备种单个软件集成起来，其中尤为重要的是实体造型理论 与系统的发展应用。出现了许多实体造型系统，如通用汽车公司的g m s o l i d 、 c o m p u t e r v i s i o n 公司的s o l i d e s i g r l 等等。与此同时，计算机硬件及输入输出设备也 有很大发展，同时计算机网络开始得到应用。2 0 世纪8 0 年代末，美国实际安装 c a d 系统达到6 3 0 0 0 套。 ( 5 ) 2 0 世纪9 0 年代开放式、标准化和智能化方向发展的时期这一时期 的特点： 1 ) 玎放性 c a d 技术和系统的开放性取决于其所用计算机和系统软件的 开发性。由微机和w o a d o w s9 8 2 0 0 0 n t 操作系统与工作站或u n i x 操作系统在以 太网的环境下构成了c a d 系统的主流平台，因此，现在的c a d 技术和系统都具 有良好的开放性。 2 ) 标准化 主要表现在图形接口、图形功能日趋标准化。从1 9 7 7 年由 $ i g g r a p h 图形特别小组g s p c 推出c 0 r e 图形标准以- 束，相继出现了计算机图形 接口( c g i ) 、计算机图形文件标准( c g m ) 、图形核心系统( g k s ) ，基本图形交 换规范( 1 g e s ) ，程序员层次交互式图形系统( p h i g s ) 和产品数据交换规范( s t e p ) 等。这些都是出国际标准化组织( i s o ) 指定的标准，为c a d 技术和系统的推广、 移植和信息资源共享起到了重要作用。 3 ) 集成化c a d 技米的集成化主要体现在四个方面： 系统构造由过去单一功能变成集成功能，软构件和软总线技术普遍采用， 出现了由计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工艺设计( c a p p ) 、计算机辅助制 造( c a m ) 、计算机辅助工程( c a e ) 、产品数据管理( p d m ) 等功能模块集成的 计算机辅助制造系统( c i m s ) 。 c a d 技术中有关软件和算法不断固化，即用集成电路及其功能模块束实现 有关软件和算法的功能。 多处理机、并行处理技术用于c a d 中，使工作速度成数量缴的提高。 网络技术在c a d 中被普遍采用，使近程和远程的资源都能即时共享，逐 步实现异地、协同、虚拟设计和制造。 4 ) 智能化 智能c a d 把工程数据库及其管理系统、知识库及其专家系统、 拟人化用户接口管理系统集于一体，形成智能c a d 系统。 集成化、智能化c a d 技术与系统是真正实现设计自动化的关键。 l 。1 3c a d 技术发展趋势 2 1 世纪，经济竞争是世界各国竞争的焦点和世界发展的重要推动力。对制造 业而言，每个企业都面临着持续多变和不可完全预测的全球化市场竞争，竞争的 核心是以知识为基础的新产品的竞争。 随着计算机性能的不断提高，计算机网络技术、先进制造技术、先进设计理 论的迅速发展，使得c a d 系统及其相关技术获得了迅猛发展和广泛应用；丽c a d 技术f 经历着由传统单元技术向复杂大系统环境下的设计自动化技术的重要转 变，产生了“现代c a d 技术”。现代c a d 技术是指在复杂大系统如先进制造) 环境下，支持产品自动化设计的设计理论和方法、设计环境、设计工具三方面各 有关技术的总称，它们能使设计工作实现集成化、网络化和智能化，达到提高产 品设计质量，降低产品成本和缩短设计周期的目的。周此c a d 技术的发展趋势是 设计集成化、设计网络化、设计智能化和虚拟设计技术。 设计集成化、设计网络化、设计智能化和虚拟设计技术。 第2 页 山永大学硕士学位论文 ( 1 ) 设计集成化为适应设计与制造自动化的要求特别是近年来出现c i m s 的要求，进一步提高集成水平是c a d 技术发展的个重要趋势。 ( 2 ) 设计网络化由于计算机网络技术的迅速发展与目益成熟，将c a d 系统 与计算机网络技术结合就形成新型的c a d 系统协同设计技术。协同设计是一 种在网络环境下支持多企业合作完成新产品设计的产品开发方式，它是以制造全 球化为背景的一种新的产品开发技术，即由异地分布的多个优势互补企业采用并 行工程的思想来实现新产品的开发。它实现了企业间信息的高度集成与共享。产 品的协同设计是实现先进制造技术模式如敏捷制造与虚拟制造的最重要的一硬技 术，也是传统设计方法在新的历史时期发展的必然趋势，它的应用，可使产韶的 开发周期进一步缩短，从而实现高质量、低成本地开发出满足市场需求的新产品。 ( 3 ) 设计智能化机械设计是一种复杂的、富于创造性的活动，设计过程中需 要多领域的专门知识、丰富的实践经验及问题求解技巧。现有的c a d 技术在机械 设计中只能处理数值型的工作，包括计算、分析与绘图。然而，设计过程不仅仅 是数值型计算，而且包含了大量的决策性和创造性活动，这些工作依赖于一定的 知识模型，采用符号推理方法才能获得圆满解决。因此，将人工智能技术，特别 是专家系统技术与传统的c a d 技术结合起来，形成智能化c a d 系统是机械c a d 发展的必然趋势。 ( 4 ) 虚拟设计技术虚拟设计是一种新兴的多学科交叉技术，是以c a d 技术 为基础，利用虚拟现实技术发展而柬的一种新的设计系统。它涉及多方面的学科 研究成果与专业技术。通过以虚拟现实技术为基础、以机械产品为对象，使设计 人员能与多维的信息环境进行交互；同时，利用这项技术也可以大大地减少实物 模型和样件的制造，可以极大地缩短产品开发周期，节省制造成本。当今在不少 大公司的产品设计中部采用了这项先进技术，例如通用汽车公司、波音公司、奔 驰汽车公司、福特汽车公司等。随着科技日新月异的高速发展。虚拟设计在产品 的概念设计、装配设计、人机工程等方面必将发挥更大的作用。 1 1 4 c a d 技术的应用 ( 1 ) c a d 技术在全球的应用 近几年来，c a d 技术的开发和应用在国内外各行各业的产品和工厂设计、制 造中得到了蓬勃发展，在机械、汽车、船舶、航空、航天、电子，服装、建筑等 领域都取得了显著的成果和效益。在国外，最早应用c a d 技术是从飞机、汽车等 大型制造业开始的。随着计算机硬、软件的发展，c a d 价格逐渐降低，使得中小 企业也有能力应用这一技术。最典型的应用是美国波音公司对波音7 7 7 飞机的设 计，波音公司花了近亿美元，采用i b m 公司和法国达索公司开发的c a t i a 三维设 计与防真系统，用以定义、描述整架飞机外形及有关零部件。并检验它们之间是 否有干涉情况，使得在波音7 7 7 飞机的设计制造过程中不再制作传统的金尺寸实 物模型。设计数据信息实现共享，达到飞机设计史上的最高阶段“无纸”飞机设 计。 ( 2 ) c a d 技术在我国的应用 我国工业系统约有9 0 以上配备了不同档次的计算机，工程设计院9 0 以上 的计算工作量、5 0 左右的方案设计、3 0 左右的绘图工作量通过c a d 完成。“九 五”期问，国家科委将c a d 应用工程列为重中之重，将进一步普及和深化c a d 应用工程列为“科教兴国”的重要内容，提出大规模推广和应用c a d 技术，到2 0 0 0 第3 页 山东大学硕士学位论文 年，我国c a d 的开发和应用水平已基本达到国外中等发达国家2 0 世纪9 0 年代中 后期水平。为了促进制造业应用新技术、新知识的力度，我国科学技术部c a d 应 用工程2 0 0 0 年规划纲要中提出，重点在机械制造业的大中型骨干企业和科研单位 中普及应用c a d 等新技术对传统产业的改造。 2 1 叫6 】 1 2 夹具概述 1 2 1 夹具的一般概念 夹具广泛用于各种制造工序中，用以将工件定位并牢固地夹持在一定的位置i 以便按照产品设计规定完成要求的制造过程。为了将工件可靠定位，经常用定位 件和支撑件与工件表面相接触，以限制工件包括移动和旋转在内的六个自由度， 用夹紧来抵消切削力，以保证工件牢固定位。传统夹具以专用夹具为代表主要有 四种功能：定位、夹紧、导向和对刀。 1 2 2 夹具设计的基本要求 对夹具的基本要求就是将工件定位并牢固的夹持在一定位置，并在机床工作 台上有一定的方位，其次，还要满足其他要求，如保证夹具的生产率( 容易装卸 工件，采用自动或半自动夹紧装置，切屑容易排除) ，操作简单并安全( 如对贵重 工件采用防误功能的元件) ，有效降低成本( 考虑夹具材料和制造过程，优先选用 标准件) 。因此，夹具设计是一个复杂的过程，在传统夹具设计中，这些基本原理 应用于具体夹具设计中主要取决于设计者的经验。从夹具设计人员的经验中收集 和表达这些知识是开发计算枫辅助夹具设计( c a f d ) 系统的关键。 1 2 3 机床夹具的分类 单件小批生产一般选用通用夹具、可调整夹具和组合夹具等，使用这类夹具 时的调整和测量需要依赖经验、而且需花费大量时问。 大批量生产使用以上夹具会使生产效率降低，对操作人员的操作技能要求提 高，生产成本提高。为了提高加工效率和制件精度，降低对操作人员的要求，一 般使用多轴加工的专用机床加工，这种机床包含相应夹具或者设计专用夹具与通 用机床配合使用，这两种方法都涉及专用夹具的设计目题。 计算机辅助制造技术的发展，制造业越来越多的使用数控机床和加工中心组 成柔性制造单元。在使用c n c 机床修改产品设计时，只要交更n c 程序，加工工 艺就能随之变化，而n c 程序借助于计算机辅助编程系统只要花一天或数个小时就 能完成修改。刀具是标准化的，随时可以从市场上购买。如果还使用现有的夹具 或不用柔性夹具，f m s 就不能实现真正的柔性，所以在f m s 和计算机集成制造系 统中追切需要能适用产品变化的柔性夹具。 1 2 4 柔性夹具 一般来说，柔性夹具是指用同一夹具系统装夹定位在形状与尺寸上有所变化 的多种工件。工件的变化可在小范围，即在相似形状和尺寸变动不大的范围内， 也可在大范围，即零件形状完全不同，尺寸变化也很大。所以柔性的概念是模糊 的。笼统的浇是指与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2 0 世纪8 0 年代后柔性央具的研究丌发主要沿原理和结构均有创新和 第4 页 山东大学硕士学位论文 传统夹具创新两大方向发展。下表1 1 为当前研究和应用的柔性夹具的工作原理和 分类的简表 表1 - 1 中原理和结构均有创新的柔性夹具如相变和伪相变式、适应性夹具、模 块化程序控制式、仿生抓夹式等正处于研究阶段，有许多问题尚未解决，如相变 升降温度引起工件变形对精度的影响，伪相交材料夹紧力不大，适应性夹具适应 范围小，模块化程序控制式夹具结构太复杂，成本过高，而柔性有限，不容易在 生产中普及，因此，到目前为止，尚没有找到结构上、经济上、实用上能与传统 夹具中已具柔性的一些夹具相匹敌的新型夹具。 表1 1 现代柔性夹具的工作原理及分类表 表卜一1 分类柔性工作原理子分类 槽系组合夹具 组合夹具标准元件的机械装配 孔系组合夹具 在通用或专用夹具基础 通用可调夹具 可调整夹具上更换元件和调节元件 专用可调夹具 的位置 用伺服控制机构变动元双转台回转式 模块化程序控制式夹具 件的位置可移动拇指式 将定位元件或夹紧元件 涡轮叶片式 适应性夹具分解为更小的元素以适 弯曲长轴式， 应工件的连续变化 真相变材料夹具 相交材料夹具材料物理性质的变化 伪相变材料流态床夹具 用于机器人终端器也可 防生抓夹式夹具形状记忆合金。 用于夹具 1 3 国内外计算机辅助夹具设计发展现状 c a d c a m 系统中，计算机辅助夹具设计( c a f d ) 以其本身特点是相对独立 的一部分，并和其他部分尤其是c a p p 紧密连接，广义的说，c a f d 是新兴的计算 机辅助工艺装备c a t ( c o m p u t e r a i d e dt o o l i n g ) 范畴。准确的说，c a p p 和c a f d 共同构成c a d 和c a m 的接口，而二者彼此之间又是相互独立的。 前苏联学者在2 0 世纪7 0 年代开始了夹具c a d 的研究工作，由于计算机硬件 和软件的落后，进一步发展受到很大的阻碍。2 0 世纪s o 年代欧美学者投入这一工 作，8 0 年代中期以后我国也开始进行研究。到现在大约经历了三代： ( 1 ) 第一代是交互式夹具c a d 系统，该系统应用c a d 软件建立夹具元件库， 菜单驱动的夹具装配程序，借规定的坐标系统和x - y 平面内的转动角度来 执行夹具装配操作。实际操作时费时较多，但在工业上有实用价值。 ( 2 ) 第二代c a f d 是基于成组技术和基于知识的变异式和生成式系统，基于g t 的c a f d 系统主要用零件及夹具分类编码系统进行检索，修改生成合乎要 求的夹具；基于知议的c a f d 系统，主要是搜集人类兴具专家的知识接理 第5 页 山东大学硕士学位论文 成知识库中的各种规则，然后通过专家系统推理机得到各种决策。这种系 统主要解决定位、夹紧方法的选择，位置的确定。有的系统己搜集了上千 条规则，但因工件的多样性和夹具设计的复杂性，只能设计一些简单的夹 具。 o 第三代能生成夹具结构的商品化夹具设计系统，如美国吴士脱理工学院容 亦鸣教授和清华大学朱耀祥、罗振鐾教授合作开发的孔系数控组合夹具设 计系统；国内有中国航空工业总公司保定向阳机械厂用a u t o c a d 开发的 组合夹具设计系统，建有元件库，交互式生成组合夹具。1 7 1 - 0 4 1 1 4 课置的意义及内容 1 4 1 课题的意义 夹具的设计制造在机械制造生产准备工作中占有很重要的地位，它的设计与 制造质量对傈证产品质量有决定性的影响，其设计与制造的周期在整个生产准备 中最长，实际决定着整个生产准备周期。一般来说，夹具的生产属于单件生产， 减少设计周期是减少整个生产准备周期的关键。通过调研我们注意到夹具设计有 以下的特点： ( 1 ) 夹具设计中尽量采用标准件和常用件 设计人员在进行夹具设计时，尽量选用标准件或通用件进行设计，若每次设 计人员都需要重新对这些零件进行造型，设计人员必然要做许多重复性的劳动。 ( 2 ) 夹具设计是一个高度倚赖经验的设计问题 设计师在构思新工件的夹具设计方案时，往往根据个人的设计帝i 造经验将新 工件的结构特征、制造特征与已有工件的结构特征和制造特征相比较，根据这些 特征的相似性找出与新工件最为相似的工件及它的装夹规划方案和夹具元件，经 过调整来获得新夹具的设计，很少是从头做起的。 针对这两个特点，本系统着重研究并充分利用已有的夹具设计经验，将参数 化技术应用到系统当中，以进一步缩短工装设计周期，提高夹具的设计质量。并 应用数据库管理、计算机图形学、成组技术，参数化技术为用户提供一个良好的 设计环境。将标准件、通用件以及以往的设计经验存储在计算机中辅助设计人员 进行夹具设计，将大大提高设计人员的效率，减轻他们的劳动强度。因此，本课 题是具有先进性和实用价值的。 1 4 2 课题研究的内容 本课题的研究内容是围绕如何充分利用已有的设计经验和资源，提高夹具设 计的质量和效率，主要进行了以下几方面的研究： ( 1 ) 基于f o x p r o 的夹具标准元件库、夹具图形库的创建。 ( 2 ) 基于a u t o c a d 2 0 0 0 的参数化绘图技术、对话框技术、图形输出技术。 ( 3 ) 基于g t 的夹具编码系统的创建。 ( 4 ) 央具辅助设计系统的应用实例。 第6 页 山东大学硕士学位论文 胃詈暑鼍! 邕宣i m l , i 一 。, i 置詈皇| 皇詈墨詈皇皇篁鼍罾詈詈鼍鲁量鲁量暑孽 第2 章总体方案设计、系统概况、关键技术 2 1 系统设计思想 传统的夹具设计过程包括信息输入、设计中的决策、夹具设计校验和夹具设 计图的输出，如图2 1 所示。设计中的决策包括：决定定位和夹紧方法。选择夹具 元件和夹具布局以及结构设计。必具设计校验主要内容为定位精度和夹紧力的评 估，如果不能满足要求，就对夹其设计作出修改。夹具设计输出的是夹具装配图、 夹具元件图和标准件明细表。 典型的夹具设计过程包括以下五个步骤：审阅零件图和制造技术要求，选用 定位基准，决定定位夹紧方法，选定标准元件及机构和夹具结构设计。在设计和 生产针对大批量工件加工的专用设备的过程中，夹具的设计已成为其中一个比较 大的难点，它主要依靠设计人员运用设计经验完成，但设计过程和原理在某种意 义上说又具有相似性。 明确设计任务准备资料 上 夹具设计决策： 选择定能基准 选择定位夹繁方案 导向，对刀方案 上 夹具设计校验 - 绘制夹具皱配蹦及非标零t l ：圈 幽2 - i 传统方法流程圈 央具c a d 系统的设计思想，就是在上述各阶段辅助设计人员，提高设计质量 和效率。夹具c a d 的工作方式可分三种：检索式、交互式、创成式。本课题将结 合检索式、交互式e a f d 方法，开发一套先进实用的央具c a d 系统。 2 2 总体结构及开发环境 系统由以下几个功能模块组成： 参数化图形库：国家标准件、通用件、企标件、典型结构组件、典型央具图 库。 参数化设计工具：尺寸驱动功能。 夹具编码系统：对必具总成、部件、零件进行编码，为夹具图库内必具检索 提供有力检索工具。 第7 页 山东犬学硕士学位论文 夹具设计计算模块：夹具设计常用设计计算。 数据库管理模块：夹具设计相关标准资料管理。 夹具图纸管理模块：夹具图纸档案管理。 绘图工具：绘图辅助工具功能、工程标注、二维消隐等。 各模块与设计工作流程的关系如图2 2 所示： 豳2 - 2 系统原理模块图 2 3 系统软硬件环境 本系统基于功能强大的a u t o c a d 2 0 0 0 平台，操作系统为w i n d o w s 9 8 2 0 0 0 ，数 据库采用f o x p r 0 5 0 ，用v i s u a l b a s i c 6 0 作为开发工具，c p u 为p i i 以上为最佳， 内存为6 4 m ，硬盘最好不低于i o g b 2 4 系统开发中的关键技术 2 4 1 参数化技术 2 4 i 1 概述 参数化技术( p a r a m e t r i ct e c n o l o g y ，也叫尺寸驱动d i m e n s i o n d r i v e n ) 一 第8 页 山东大学硕士学位论文 般是指设计图形拓扑关系不变，尺寸形状由一组参数进行约束。参数与图形的控制 尺寸有显式的对应，不同的参数值驱动产生不同大小的几何图形。 参数化技术是c a d 技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使c a d 系统具有 交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。目前它是c a d 技术应用领域内的一个 重要的、且待进一步研究的课题。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统， 可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度， 并减少信息的存储量。 国内外对参数化设计做了大量的研究，目前参数化技术大致可分为如下三种 方法：( 1 ) 基于几何约束的数学方法；( 2 ) 基于几何原理的人工智能方法；( 3 ) 基于特征模型的造型方法。其中数学方法又分为初等方法( p r i i t i a r ya p p r o a c h ) 和代数方法( a l g e b r a i ca p p r o a c h ) 。初等方法利用预先设定的算法，求解_ 些特 定的几何约束。这种方法简单、易于实现，但仅适用于只有水平和垂直方向约束 的场合；代数法则将几何约束转换成代数方程，形成一个非线性方程组。该方程 组求解较困难，因此实际应用受到限制；人工智能方法是利用专家系统，对图形 中的几何关系和约束进行理解，运用几何原理推导出新的约束，这种方法的速度 较慢，交互性不好；特征造型方法是三维实体造型技术的发展，目前正在探讨之 中。 参数化设计是一种驱动机制，参数驱动机制是基于对图形数据的操作。通过 参数驱动机制，可以对图形的几何数据进行参数化修改，但是，在修改的同时， 还要满足图形的约束条件，需要约束间关联性的驱动手段约束联动，约束联动是 通过约束间的关系实现的驱动方法。对一个图形，可能的约束十分复杂，而且数 量很大。而实际由用户控制的，即能够独立变化的参数一般只有几个，称之为主 参数或主约束：其他约束可由图形结构特征确定或与主约束有确定关系，称它们 为次约束。对主约束是不脆简化的，对次约束的简化可以有图形特征联动和相关 参数联动两种方式。 所谓图形特征联动就是保证在图形拓补关系不变的情况下，对次约束的驱动， 亦即保证连续、相切、垂直、平行等关系不变。反映到参数驱动过程就是要根据 各种几何相关性准则去判识与被动点有上述拓补关系的实体及其几何数据，在保 证原关系不变的前提下，求出新的几何数据。称这些几何数据为从动点。这样。 从动点的约束就与驱动参数有了联系。依靠这联系，从动点得到了驱动点的驱 动驱动机制则扩大了其作用范围。 所谓相关参数联动就是建立次约束与主约束在数值上和逻辑上的关系。在参 数驱动过程中，始终要保持这种关系不变。相关参数的联动方法便某些不能用拓 补关系判断的从动点与驱动点建立了联系。使用这种方式时，常引入驱动树，以 建立主动点、从动点等之间的约束关系的树形表示，便于直观地判断图形的驱动 与约束情况。 参数驱动是一种新的参数化方法，其基本特征是直接对数据库进行操作。因 此它具有很好的交互性，用户可以利用绘图系统全部的交互功能修改图形及其属 性，进而控制参数化的过程；与其他参数化方法相比较，参数驱动方法具有简单、 方便、易开发和使用的特点，能够在现有的绘图系统基础上进行二次歼发。而且 适用面广，对三维问题也同样适用。 2 4 1 2 二维参数化技术 第9 页 山东大学硕士学位论文 二维参数化设计方法是指直接在二维平面上对零件进行构型，然后绘出三视 图。二维参数化设计方法比较接近手工制图的模式。其主要特点是：设计过程明 确，便于掌握，可阻用于设计任意结构( 特别是复杂结构) 的零件。该办法的主 要缺点是不易保持各个方向视图的一致性，尤其是对设计结果进行交互式修改时， 这一问题表现得尤为突出。 目前，二维参数化技术大致可以分为直接式和非直接式，如图2 3 所示。非直 接式参数化技术有：编程法和基于三维参数化的形体投影法。直接式参数化技术 则是指设计者通过用户界面赢接对图形进行操作，而不必理会计算机内部的受t 珲 方式，这是当前使用最为广泛的一种方法，也称人机交互法。 | 生i2 - 3 _ 二维参数化技术 2 4 2 成组技术 2 4 2 1 成组技术的基本原理 成组技术( g r o u pt e c h n o l o g y ) 是一门工程科学技术，研究如何识别和发掘 生产活动中有关事物的相似性，并充分利用它，即把相似的问题归类成组，寻求 解决这一组闯题相对统一的最优方案，以取得所期望的经济效益。 长期以来，人们是以一种传统的观点来看待机械制造技术。即无论是大批量 生产、亦或是单件小批量生产，工厂所采用的制造方法和制造手段秘须与加工类 型相适应，这样导致在设计和制造过程中出现许多不合理的理象。例如，在大批 大量生产中，出于工作的集中化和专业化，高效能、自动化专用加工设备以及机 械化、自动化流水生产线的使用，劳动生产率可得到提高，但是，对单件、中小 第1 0 页 山东大学硕士学位论文 批量生产的工厂，一般按机群式布置车间的加工设备并组织生产，由于零件的加 工按各自的工艺流程交叉、往返于各生产班组之间，为满足不同零件的加工就要 采用所谓万能性的生产设各，势必就造成了这一生产类型的生产周期长、效率低、 成本高、管理困难等缺点。 生产的不断发展加快了产品的更新换代，多品种、中小批生产在机械工业的地 位f j 益重要，而且，现代的制造环境还将面临一系的问题和挑战，包括：( 】) 为 满足不同用户的需要，要求产品具有不同的规格和选项；( 2 ) 要求产品具有高 可靠性，以及零件具有高精度；( 3 ) 需要处理极为广泛的工件材料，包括不同 的金属材料、塑性材料、陶瓷材料、以及复合材料；( 4 ) 要求将产品的设计与 制造紧密地结合起来。 成组技术就是为解决这些问题而产生和发展起来的一项新技术。实际上它是一 个关于制造的哲学概念。它是针对相似的零件进行识别和分组，并在零件设计和 制造中充分地利用他们的相似性。相似的零件被列入一个零件组或零件族。例如， 一个能生产1 0 0 0 0 种不同零件的工厂可以将其分类归纳成5 0 或6 0 个零件族。每 一个零件族必须具有相似的设计和加工特点。因此，一个给定零件族，它的每个 成员的工艺过程应该是相似的，这样可以通过将生产设备分成加工组或加工单元 来提高它们的加工效率。同样，在产品设计以及制造业的其它领域中，通过零件 分组的方法也可以得到许多益处。 零件的相似性，包括零件在产品中的作用相似性和与其相对应的结构相似性。 其作用相似性可从零件间的装配关系及零件图纸的某些信息来推断，而零件的结 构相似性则可根据零件图的信息来确定，它又可划分为结构、材料和工艺三个类 别。 成组技术不仅用于零件加工、装配等制造工艺方面，而且还用于产品零件设计、 工艺设计、工厂设计、市场预测、劳动量测定、生产管理和工资管理等各个领域， 成为企业生产全过程的综合性技术。 2 4 2 2 零件分类编码系统酌基本结构 零件分类编码系统是由代表零件的设计和( 或) 制造的特征符号所组成，这 些符号代码可以是数字，也可以是字母，或者两者都有。在一般情况下，大多数 分类编码系统只使用数字，在成组技术的实际应用中，有三种编码系统结构： ( 1 ) 层次结构在层次结构中，每一个后级符号的意义取决于前级符号的值，这 种结构办成之为单码结构或树状结构。出层次代码组成的层次结构具有相 对密实性，能以有限个位数转递大量有关零件信息。 ( 2 ) 链式结构在链式结构中，那些有序符号的意义是固定的，与前级符号无关， 这种结构也可称之多码结构。它要复杂些，因而可以方便地处理具有特殊 属性的零件，有助于区别具有工艺相似的零件。 ( 3 ) 混台结构工业上大多数商业零件编码都是由上述两种编码系统组合而成 的，形成混合结构，混合结构其有单码结构和多码结构共同的优点。典型 的混台结构都由一系列较小的多码结构构成，这些结构中的数字都是独立 的，但整个混合代码中需要一个