（机械电子工程专业论文）组合夹具计算机辅助设计与装配技术研究.pdf

j1；、 摘要 中文摘要 组合央具是机械制造工艺装备中的一种重要的柔性夹具，它有助于制造企业提高产 品质量，降低生产成本。目前，组合夹具在设计与装配过程中存在着资源信息量大，夹 具结构复杂、布局灵活多变、装配规律性差以及企业长期积累的丰富的组合夹具设计经 验不能得到充分再利用等问题，针对以上问题，本文重点对组合夹具资源管理，规则的 表达与应用，组合夹具设计方案，装配技术以及系统开发作了研究，主要研究内容如下： 1 ) 建立面向装配的组合夹具资源模型，对组合夹具资源进行分类存储和管理，并 整理了部分设计和装配规则，对规则的表达、存储和应用作了研究。 2 ) 组合夹具的设计采用“实例+ 规则”混合推理设计方法，并建立组合夹具“实例 + 规则”混合推理模型；在相似实例的修改中，提出了变异实例的概念，采用基于实例 推理的方法进行相似实例的变异修改；并对实例相似度的计算作了研究。 3 ) 通过对组合央具功能及装配特征的研究，建立了基于工件的组合央具面向对象 装配模型；并对组合夹具装配坐标，装配对象的行为和位姿作了研究，最后提出基于工 件的装配顺序。 4 ) 采用面向对象思想，利用u m l 统一建模语言对系统总体以及各子系统建模，进 行系统分析和系统设计；并开发了基于s o l i d w o r k s2 0 0 7 平台的组合夹具计算机辅助设 计系统，给出了系统应用界面及实例。 关键词：组合夹具资源；组合夹具设计；实例推理；变异实例；装配模型；u m l 建模 组合夹具计算机辅助设计与装配技术研究 e x p e r i e n c e so ft h ed e s i g no fm o d u l a rf i x t u r ea c c u m u l a t e db yt h ee n t e r p r i s e si n t h el o n gt e r mc a nn o tb ef u l l yr e u s e d ，a n ds oo n i nv i e wo ft h ea b o v ep r o b l e m s ， t h e k e yc o n t e n t s a b o u tt h em a n a g e m e n to fm o d u l a rf i x t u r er e s o u r c e s ，t h e e x p r e s s i o n a n da p p l i c a t i o no fr u l e s ，t h ed e s i g ns c h e m ea n dt h ea s s e m b l y t e c h n o l o g yo fm o d u l a rf i x t u r e ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fd e s i g ns y s t e mh a sb e e n s t u d i e d ，t h ed e t a i l sa r ea sf o l l o w s ： 1 ) t h er e s o u r c e sm o d e l so fm o d u l a rf i x t u r ef o ra s s e m b l yh a v eb e e n e s t a b l i s h e d ，t h em o d u l a rf i x t u r er e s o u r c e sh a v eb e e nc l a s s i f i e df o rs t o r a g ea n d m a n a g e m e n t ，s o m er u l e sf o rd e s i g na n da s s e m b l yh a v eb e e n ，a n dt h ee x p r e s s i o n ， s t o r a g ea n da p p l i c a t i o no f t h er u l e sh a v eb e e ns t u d i e d 2 ) “r u l e + c a s e ”h y b r i dr e a s o n i n gm e t h o dh a sb e e na d o p t e di nt h ed e s i g n o fm o d u l a rf i x t u r e ，a n dt h e “r u l e + c a s e h y b r i dr e a s o n i n gm o d e lo ft h e m o d u l a rf i x t u r eh a sb e e ne s t a b l i s h e d ；i nt h em o d i f i c a t i o no fs i m i l a rc a s e s ，t h e c o n c e p to f v a r i a t i o nc a s eh a sb e e np r o p o s e df o rt h em o d i f i c a t i o no fs i m i l a rc a s e s b yt h ec a s e - b a s e dr e a s o n i n gm e t h o d ；f i n a l l y , t h ec a l c u l a t i o no f t h es i m i l a r i t yf o r s i m i l a rc a s e sh a sb e e ns t u d i e d 3 ) a c c o r d i n gt ot h es t u d yf o rt h ef u n c t i o na n dt h ea s s e m b l yf e a t u r e so f m o d u l a rf i x t u r e ，t h em o d u l a rf i x t u r eo b j e c t o r i e n t e da s s e m b l ym o d e lb a s e do n w o r k p i e c e h a sb e e ne s t a b l i s h e d ；a n dt h e a s s e m b l yc o o r d i n a t e ，a s s e m b l y b e h a v i o r sa n dp o s e so ft h ea s s e m b l yo b j e c t sh a sb e e ns t u d i e d ，f i n a l l y , t h e a s s e m b l ys e q u e n c eb a s e do nw o r k p i e c ew a sp r o p o s e d 4 ) b a s e do nt h eo b j e c t o r i e n t e dt h o u g h t ，t h eu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g t 组合夹具计算机辅助没计与装配技术研究 ( u m l ) h a sb e e nu s e dt oe s t a b l i s hm o d e l sf o rt h eo v e r a l ls y s t e ma n d e a c h s u b s y s t e m ，w h i c ha l s ou s e df o rt h es y s t e ma n a l y s i sa n ds y s t e md e s i g n ；a n dt h e m o d u l a rf i x t u r ed e s i g ns y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e db a s e do nb a s e do nt h e s o l i d w o r k s2 0 0 7p l a t f o r m ，w i t ht h es y s t e ma p p l i c a t i o ni n t e r f a c e sa n de x a m p l e s p r e s e n t e d k e yw o r d s ：m o d u l a rf i x t u r er e s o u r c e s ；m o d u l a rf i x t u r ed e s i g n ；c a s e - b a s e d r e a s o n i n g ；t h ev a r i a t i o nc a s e ；a s s e m b l ym o d e l ；u m lm o d e l i n g 目录 1 2 1 国外研究现状2 1 2 2 国内研究现状3 1 2 3 现有c a f d 系统研究中存在的问题4 1 3 支持系统开发的理论基础5 1 3 1 面向对象技术5 1 3 2 成组技术6 1 3 3u m l 简介6 1 4 论文研究内容以及章节组织7 第二章面向装配的组合夹具资源模型及资源库构建9 2 1 组合夹具资源分析与资源模型的建立9 2 1 1 工件信息分析与建模9 2 1 2 元件及功能组件信息分析与建模1 1 2 1 3 组合夹具实例信息分析与建模1 2 2 1 4 变异实例信息分析与建模1 3 2 1 5 其它资源的分析与建模1 4 2 2 组合央具资源库的构建1 6 2 2 1 工件库的构建1 7 2 2 2 元件及功能组件库的构建1 7 2 2 3 组合夹具实例库的构建2 0 2 2 4 变异实例库的构建2 l 2 2 5 其它资源库的构建2 2 2 3 规则的分析与表示2 3 第三章组合夹具“实例+ 规则”混合推理设计方法研究2 5 3 1 组合夹具“实例+ 规则”混合推理模型2 5 3 2 组合夹具实例推理模块的相关技术2 7 3 2 1 实例检索2 7 3 2 2 实例修改变异2 9 l 1 l 2 录 组合夹具计算机辅助设计与装配技术研究 3 3 基于规则推理设计模块的设计步骤3 0 第四章组合夹具自动装配技术研究3 3 4 1 基于工件的组合央具面向对象装配模型3 3 4 2 组合夹具装配对象建模3 4 4 2 1 工件、元件及功能组件建模3 4 4 2 2 装配对象可装配表面问的关系3 4 4 3 组合夹具装配3 6 4 3 1 装配特征的装配关系3 6 4 3 2 装配系统坐标定义3 7 4 3 3 装配对象的行为和位姿3 7 4 4 组合夹具装配顺序及实例3 9 第五章基于s o l i d w o r k s 平台的系统实现4 1 5 1 系统开发环境和工具的选择4 l 5 2 系统总体设计4 1 5 2 1 系统用例图设计4 1 5 2 2 系统活动图设计4 3 5 2 3 数据结构设计4 4 5 2 4 对象类图设计4 4 5 3 系统二次开发流程4 5 5 4 系统实现4 8 5 4 1 工件信息输入4 9 5 4 2 变异实例检索4 9 5 4 3 夹具结构布局与装配5 0 第六章总结与展望5 3 6 1 总结5 3 6 2 展望5 3 参考文献5 5 致谢6 1 攻读学位期间发表的学术论文目录6 3 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究背景和意义 组合夹具适用于多品种小批量生产类型，以及新产品的试制等任务。对于成批生产 类型的机械加工，亦可利用组合夹具补充专用夹具数量之不足，提高其工艺装备系数。 组合夹具还可以满足各种不同几何形状的工件，在车、铣、刨、镗、钻、磨等机械加工 以及检验和装配中使用。在加工尺寸大小方面，组合夹具设有大型、中型、小型三种系 列。当前中型系列应用最为广泛，它用于加工长度在3 0 5 0 0 m m 、重量在5 0 k g 以内的工 件。组合夹具加工工件的精度，主要依靠组合夹具元件精度保证，一般可达i t 7 级精度。 如果对所用元件经过仔细测量、挑选和合理选配，也可达到更高的精度。 据国内多年推广使用组合夹具的实践表明，相比专用夹具从提出设计开始，经过设 计、描晒图、生产准备、加工制造直到使用、停产报废，组合夹具从使用前的组装到使 用后的拆卸入库节省时间达9 8 。其次，使用组合央具可以大大减少材料的消耗，一套 中型专用夹具平均所需材料按1 0 5 0 k g 计算，组合夹具每次使用的磨损量则甚微，这样 可以节省大量金属材料。再次，使用组合夹具还可大大减少存放央具的库存面积以及有 关的管理工作。另外，使用组合夹具还可以减少为专用夹具加工制造所需的设备和人力。 最后，使用组合夹具可以提高工艺装备系数，有利于及时平衡生产、保证质量、提高劳 动生产率、减轻体力劳动和增加经济效益】。 但是，由于组合夹具所需储备量大，元件制造精度高，结构较复杂，材料性能要求 高等，使得传统组合夹具人工设计与装配方法具有如下一些缺点：设计效率低，周期长； 一般都采用经验进行设计、拼装与管理，很难实现必要的工程计算，设计精确性差；所 设计的组合夹具结构典型化、标准化程度低，而且缺乏必要的优化设计，设计的图样不 够直观；设计过程中的装配干涉问题，也无法在设计中提前发现，于是更增加了试验装 配的次数，不仅耽误了组合央具的使用，且难免造成组合夹具元件的磨损，降低元件的 精度等等，最终影响企业经济效益。这就使得研究者将研究的重心转移到对组合夹具的 计算机辅助设计与装配技术的研究上。 组合夹具装配是组合央具计算机辅助设计的重要内容。建立能够准确表征组合夹具 装配特征和装配过程的模型，实现组合夹具的自动化装配，将对制造业降低企业成本， 提高产品质量有着十分重要的意义，也是目前研究的重点和难点。 组合央具的计算机辅助设计与装配为克服传统设计方法的缺点提供了新的途径。采 用计算机辅助设计与装配技术代替传统的人工没计与装配，有效的提高了组合央具设计 组合夹具计算机辅助设计与装配技术研究 的速度和质量。即使是经验不够丰富的设计人员，也可以按计算机系统提供的资源轻松 快速地选择设计方案以及装配对象，并在计算机的辅助下快速装配出满足设计要求的组 合央具，组合央具的使用人员按照系统输出的设计图纸快速准确地装好央具，不但加速 了组装过程，而且可以获得较优的结果。组合央具的计算机辅助设计与装配技术将组装 工人的丰富经验与技术人员的理论知识相结合，并且实现了经验与知识的最大共享。因 此对组合夹具的计算机辅助设计与装配技术的研究对于提高企业经济效益，增强企业竞 争力具有重要的意义。 1 2 课题研究现状以及存在的问题 1 2 1 国外研究现状 俄罗斯及欧美等国外研究学者对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 e d e s i g n ，c a f d ) 系统的研究是从二十世纪七、八十年代开始的。大致分为三个阶段： 1 ) 人机交互方法的应用阶段 1 9 9 2 年，k w h y b r e w 和b k a n g o i 丌发了一个交互式组合夹具计算机辅助设计系 统，用户在该系统中输入定位、夹紧类型和定位、夹紧点的位置等，系统会输出夹具的 设计方案，这个过程是由系统提供的一个大型规则库来实现的l 引。 2 ) 基于实例推理方法的应用阶段 1 9 9 5 年，s h uh u a n gs u n 对基于实例推理的组合夹具智能设计系统做了研究，该系 统在实例中用基于实例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 知识代替规则，对c b r 算法 和它在基于规则的专家系统的优点作了介绍，指出变异是c b r 算法的重点，通过将变 异规则存储在知识库中形成新的知识，实现对功能组件的变异。并且验证表明该系统更 智能化，且具有自学习能力i 引。 1 9 9 5 年，k u m a ra s e n t h i l 对基于特征的夹具设计技术做了研究，利用特征识别技 术从工件的设计信息中提取加工特征，针对每一道加工工序，采用基于实例推理的技术 来实现对夹具的自动设计与变异，从而满足当前工序的设计要求州。 3 ) 基于人工智能方法的应用阶段 19 9 7 年，z o n e c h i n gl i n 和j e n c h i n gh u a n g 基于成组技术将神经网络应用 于夹具规划中，开发了计算机辅助夹具系统( c a f s ) ，该系统利用成组技术建立组合 夹具元件数据库，通过神经网络训练，可完成央具模型的央紧和夹具元件选择1 5 j 。 1 9 9 9 年，w m a ，j l i 和y r o n g 开发了一个组合夹具计算机辅助配置设计系统 f i x d e s ，该系统在确定了定位夹紧表面和点后，可以从央具元件库中选取夹具元件， 然后依据夹具元件装配关系组装成组件，再依据夹具要求和装配关系将央具元件和组件 2 第一章绪论 放置在准确的位置上，最后自动生成央具配置【6 】。 2 0 0 0 年，j a m i lk a k i s h 等人对基于知识的统一组合夹具及央具系统( u m j f s ) 的设 计和开发做了研究，基于对组合央具设计系统中应用的的设计参数和规范进行总结，通 过对基于知识的夹具设计和选择系统的应用，使夹具信息完全模块化和透明化，更好地 与工作环境匹配，减少生产准备时间，提高了夹具生产力和企业经济效益【7 1 。 2 0 0 7 年，m e r v y nf a t h i a n a t h a n 和a s e n t h i lk u m a r 等人为处理设计修改问题开发了一 套自适应的机械加工央具设计系统，该系统基于演化搜索算法，对工件模型的改变自动 做出相应的处理，并且验证了该算法在处理变化设计中的有效性和适应性【引。 1 2 2 国内研究现状 从二十世纪五十年代以来，我国众多的专家学者在计算机辅助兴具设计领域做出有 益探索，在设计与装配技术的研究中提出各自的开发思路，也取得了一定的成绩。在设 计方法上，交互式设计主要集中在2 0 0 4 年以前的研究成果中；2 0 0 4 年以来，出现了基 于实例的设计方法和基于知识的设计方法。主要研究成果及设计过程中的一些关键技术 研究成果如下： 2 0 0 1 年，金天国，柏合民，刘文剑等构建了一个定位方案规划系统，分别研究了基 于知识的工件定位表面的自动选择、定位点位置的确定以及央具的综合定位误差。并利 用方向约束链和工程约束链列出关于零件尺寸和位置的约束方程组调节零件的尺寸和 位置，该启发式算法能帮助设计者在计算机辅助装配设计过程中自动确定和求解装配中 零件的尺寸和位置【9 】【l o 】。 2 0 0 2 年，闫献国，郭宏等对基于m d t 的组合夹具计算机辅助设计系统作了研究， 并详细介绍了组合夹具元件编码、元件库的构建、夹具装配与定位误差的分析，以及系 统的实现【1 1 1 。 2 0 0 4 年，西北工业大学的康永刚等提出了一种夹具设计新思路，以c b r 为核心、 k b r ( 基于知识推理，k n o w l e d g e b a s e dr e a s o n i n g ) 为辅助的混合推理方式。并开发了 一套用于表示、检索及修改夹具设计实例的编码系统叫i x c o d 。基于该编码系统， 研究了央具设计实例的检索与相似度计算，提出以关键因素的两重加权平均来定义相似 系数的相似度计算法【1 2 1 。 2 0 0 4 年，陈蔚芳，姜澄宇等对c a f d 中的央具快速装配技术进行了研究，提出了 有效表面和有效路径的概念，建立了快速装配模型，并给出了基于装配特征的夹具装配 规则和装配对象装配位置求解的几何理论方法，为组合央具实现快速装配提供了一种可 能【1 3 1 。 3 组合夹具计算机辅助设计与装配技术研究 2 0 0 4 年，河南科技大学的张海军等采用基于知识工程技术和组合夹具功能组件相结 合的方法，对组合夹具推理设计进行研究，提出采用基于知识的专家系统进行央具功能 组件的选择，完成了轴类及箱体类知识规则的创建，最后分析研究了基于知识工程的组 合夹具设计系统l l4 1 。 2 0 0 5 年，南京航空航天大学的张茂鹏等提出了一种基于装配约束方程的构件自动建 模方法。分析了构件自动建模原理、构件模板建立方法、装配参数方程提取、参数方程 语义分析以及参数驱动方法。并建立了组合央具对象装配模型，采用基于实例推理的方 式设计组合夹具，重点研究了基于g t ( 成组技术，g r o u pt e c h n o l o g y ) 编码思想的组合 夹具检索模型、实例组织模型、实例修改推理机制和实例存储策略【l 引。 2 0 0 5 年，哈尔滨工业大学的陈广锋等研究了基于三维模型的工件定位特征识别和定 位方案的自动推理算法。提出了基于三维模型的候选定位特征信息确定候选定位模式， 此模式结合加工信息可以推理定位基准的选择范围，最后采用规则推理与模糊评判相结 合来确定工件定位方案，并实例验证了方法的可行性1 1 6 1 。 2 0 0 6 年，四川大学的徐雷，殷国富，胡瑞飞等提出了“规则+ 实例”的混合知识推 理的组合夹具设计方法，研究了基于需求一功能特征一结构的映射装配模型的组合夹 具构形设计和夹具自动组装算法。定义了组合夹具元件的有向装配关系图，建立了装配 关系库；研究了基于多层实例库的组合夹具辅助装配方法，建立了组合夹具智能辅助设 计的装配模型；采用分层匹配的方式检索央具元件和组件，最后提出一种自顶向下分层 匹配的组合夹具智能辅助装配方法【 1 8 1 。 2 0 0 6 年，南京航空航天大学的徐伟，陈蔚芳采用v c + + 6 0 成功提取了装配图中的 明细表，分析了作为中间交换文件的d x f 文件的结构以及其所包含的信息，详细讨论 了机械装配图中提取明细表的算法【1 9 1 。 2 0 0 7 年，哈尔滨工业大学的彭高亮，刘文剑通过分析组合央具的特点，研究了组合 夹具计算机辅助装配过程中的元件精确定位技术。提出通过捕捉装配意图来识别装配件 与已装配元件之间的几何约束关系，并研究了组装过程中基于约束的运动导航算法，运 用于装配件的空间位姿调整、装配约束的建立、装配件运动自由度的表达和归约以及待 装配件约束状态的分析等，最后对设计者的装配操作进行详细说明和指导1 2 们。 1 2 3 现有c a f d 系统研究中存在的问题 总体来讲，目前对c a f d 的研究有一定的理论水平和实际意义。但是由于组合央具 本身结构的复杂性和多样性，以及设计中存在很多问题的不确定性，使得组合夹具的计 算机辅助设计与装配技术还不够完善，不能得到推广使用。现将存在的问题总结如下： 4 第一章绪论 1 ) 在组合夹具元件及功能组件库的建立方面，还是停留在几何模型和几何参数上， 没有从面向装配的角度出发，建立相应的组合夹具元件和功能组件特征信息库，而这些 特征信息库将为实现组合央具自动装配等功能奠定基础； 2 ) 目前所开发的系统在组合央具装配模型中没有将工件和组合央具放在一起考虑， 对自动化装配技术的研究较少，组合央具的装配主要靠人工交互完成； 3 ) 组合央具知识资源的获取和识别技术不够完善，缺乏基于知识的设计支持环境， 使得组合央具设计资源的知识化程度较低，组合央具设计与装配过程中涉及到的大量知 识和经验没有得到很好的重复利用； 4 ) 在基于实例的组合夹具设计系统研究中，实例修改和变异的研究较少，实例修 改很大程度上依靠人工修改，降低了设计的效率。 1 3 支持系统开发的理论基础 1 3 1 面向对象技术 面向对象技术( 0 0 ，o b j e c t o r i e n t e d ) 不仅是一些具体的软件开发技术与策略，而 且是一整套关于如何看待软件系统与现实世界的关系，以什么观点来研究问题并进行求 解的方法学【2 1 1 。 面向对象的基本思想： 1 ) 从问题域中客观存在的事物出发来构造软件系统，用对象作为对客观事物的抽 象表示，并以此作为系统的基本构成单位； 2 ) 事物的静态特征( 即可以用一些数据来表达的特征) 用对象的属性来表示，事 物的动态特征( 即事物的行为) 用对象的操作来表示，对象的属性与操作结合为一体， 成为一个独立的实体； 3 ) 具有相同属性和相同操作的对象归为一类，对象是类的一个实例； 4 ) 通过在不同程度上运用抽象原则( 忽略事物之间的一些差异) ，可以得到较一般 的类和较特殊的类。特殊类继承一般类的属性和操作，面向对象方法支持这种继承关系 的描述与实现，从而简化系统的构造过程及其文档； 5 ) 复杂对象可以用简单的对象作为其构成部分( 聚合) ； 6 ) 对象之间通过消息进行通信，以实现对象之间的动态联系； 7 ) 通过关联表达对象之间的静念关系。 面向对象强调以问题域中的事物为中心来思考问题、认识问题，并根据这些事物的 本质特征，把它抽象地表示为系统中的对象，作为系统的基本构成单位。面向对象方法 可以使系统直接地映射问题域，保持问题域中事物及其相互关系的本来面貌。面向对象 s 组合夹具计算机辅助设计与装配技术研究 方法是一种运用对象、类、继承、封装、聚合、关联、消息和多态性等概念和原则来构 造系统的软件丌发方法。 1 3 2 成组技术 成组技术( g t ，g r o u pt e c h n o l o g y ) 是一门工程技术科学，研究如何识别和发掘生 活中客观事物的相似性，并利用其相似性把相似的问题归类成组，从而可以寻求相对统 一的最优方案来解决一组问题，以获得所期望的最优经济效益【2 4 】。 在组合央具的设计中，成组技术应用在如下两个方面： 1 ) 由于被加工工件的结构形状、工艺过程和加工方法的相似性特点，对应组合夹 具也有相似性，所以可应用成组技术对组合夹具进行分组设计。 2 ) 针对组合夹具的相似性特点，按被加工工件的成组分类法对组合夹具实例和组 合夹具变异实例进行分类存储，并制定合理的编码，从而有利于检索出最相似夹具和最 符合要求的变异实例。 1 3 3u m l 简介 u m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) 是统一建模语言的简称，它是一个通用的可视化建 模语言，是用于对软件进行描述、可视化处理、构造和建立软件系统制品的文档。它适 用于各种软件开发方法、软件生命周期的各个阶段、各种应用领域及各种开发工具。 u m l 定义了一系列的图形符号来描述软件系统。这些图形符号及其语义、语法组 成了一个标准，使得软件开发的所有相关人员都能用它来对软件系统的各个侧面进行描 述。u m l 用视图来表示被建模系统的各个方面，视图中的模型元素代表面向对象中的 类、对象、消息和关系等概念。u m l 把软件模型划分为用例视图、模型视图、组件视 图、实现视图和部署视图五个视图【2 5 1 ，如图1 1 所示。 设计词汇、功能描述系统组l 装、配置管理 性能、稳定性、吞吐率系统拓扑、分布、安装 图1 1u m l 的视图 f i g 1 1 v i e wo f u m l 6 第一章绪论 u m l 是面向对象的建模语言，在对象系统建模时，系统数据库设计也是面向对象 数据库的设计，其关键就是完成面向对象数据模型到关系数据库设计模型的转换。 1 4 论文研究内容以及章节组织 本文重点对基于s o l i d w o r k s2 0 0 7 的组合央具计算机辅助设计与装配的关键技术以 及支持系统实现的资源进行了研究，并实现了组合夹具计算机辅助设计系统( c a m f d s ) 的开发。论文主要研究内容及各章节组织如下： 第一章绪论。介绍了本课题研究的背景和意义，通过研究该课题的国内外研究现 状，提出目前组合夹具计算机辅助设计与装配存在的问题。并且介绍了支持本文研究及 系统开发的理论基础。最后给出了课题主要研究内容及章节组织。 第二章面向装配的组合夹具资源模型及资源库构建。通过分析组合央具设计与装 配相关资源信息的内容和特点，重点研究了组合夹具资源信息的分类，表示，编码，存 储及管理。 第三章组合夹具“实例+ 规则”混合推理设计方法研究。建立了“实例+ 规则 混 合推理设计的模型，重点研究了组合央具实例推理模块的相关技术，包括相似实例检索 中相似度的计算以及实例变异修改的方法，提出了基于变异实例的实例变异和修改方 法。最后介绍了基于规则推理设计模块的设计步骤。 一 第四章组合夹具自动装配技术研究。建立了基于工件的组合夹具面向对象装配模 型，包括装配对象模型的建立，装配对象可装配表面间的关系以及装配特征的装配关系。 并对组合央具装配坐标，装配对象的行为和位姿作了研究。最后提出基于工件的装配顺 序。 第五章基于s o l i d w o r k s2 0 0 7 平台的系统实现。介绍了系统丌发环境和工具的选择， 以及s o l i d w o r k s2 0 0 7 二次开发的流程，采用u m l 统一建模语言对系统作了分析和设计， 并给出了c a m f d s 系统实现的界面及实例。 第六章总结和展望。对本课题所做的工作和研究成果进行总结，并给出下一步研 究的方向和重点。 7 组合夹具计算机辅助设计与装配技术研究 8 第二章面向装配的组合夹具资源模型及资源库构建 第二章面向装配的组合夹具资源模型及资源库构建 组合央具的设计基于密集而庞大的组合央具资源信息，这些信息十分繁杂，内容和 形式又多种多样，主要包括各种设计规则、标准件信息、通用件信息、三维实体模型、 设计过程信息等。它们分别以文本文件、数据文件、图形文件等形式存在【l 。因此，在 组合夹具的计算机辅助设计中，建立一个完善的、系统的组合央具资源管理平台来实现 资源的有效共享，对于提高组合央具的设计效率起着不可估量的作用，不仅大大缩短组 合夹具的设计周期，而且可以得到最优的组合夹具设计方案。 面向装配的组合夹具资源库主要体现在两个方面，第一，在零件三维模型的绘制过 程中，应在适当的位置加入基准面与基准轴，用于后期的装配；第二，零件在建模的时 候应考虑该零件与其它零件之间的配合关系，因此，应将零件装配特征如点、线、面等 考虑在内，作为零件模型的一部分。 2 1 组合夹具资源分析与资源模型的建立 组合夹具是由一整套预先制造好的标准元件和功能组件，针对不同的工件，依据一 定的设计方案组装而成的夹具。因此，组合央具资源包括：被加工工件信息、元件信息、 功能组件信息、组合夹具实例信息、变异实例信息和组合夹具设计方案等。组合夹具资 源服务于组合夹具设计与装配的全过程1 2 6 1 ，如图2 1 所示。被加工工件、元件、功能组 件的三维实体 工件信息分析l l t 夸摩白靠f _ l 旧心什 r “元件、功能组件库(：变异实例库h 细合央且谢i 十卜 m u 7 、r y - ：设计方案库h一组合夹具实例库f r。一 装配规则库卜-组合夹具装配 |f 图2 1 组合夹具资源模型图 f i g 2 1m o d e ld i a g r a mo fm o d u l a rf i x t u r er e s o u r c e s 2 1 1 工件信息分析与建模 被加工工件信息就是组合央具设计需求信息，被加工工件与夹具实例是一一对应 的。由于工件是组合夹具装夹的对象，所以对工件模型的建立应考虑到后续装配和实例 变异的需要。因此，面向装配的工件信息包括：基本信息、几何信息、工艺信息、装夹 信息、装配特征信息。面向装配的模型特征信息将在第四章中详细介绍。工件模型如图 o 组合夹具计算机辅助设计与装配技术研究 2 2 所示。 工件的几何信息包括工件类型和几何外形。工件类型是按工件的外形特征来划分 的，大致可分为轴、盘、套、箱体、齿轮、叉架、曲面体等。对于不同外形的工件，其 央具通常差异较大，所以工件外形是决定夹具构型的主要因素之一。而工件的总体尺寸 是选择基础板的主要依据。 i ：件模型 基奉信息几何信息i ：艺信息 装夹信息 装配特征信息 整其加机力n进主加机生装装 主 装可装 w 装 编名类材重维体它 工 工床 j 二给轴 工床产 夹夹定酉己配表配表 号称型料量图 尺尺 序 内 类方方 形 精名批方表位特面问面类 图 j 案面面征 关系 型 形寸寸容型 式式式度称 虽毛 定夹 位紧 方方 案案 图2 2 工件模型 f i g 2 2w o r k p i e c em o d e l 工件的工艺信剧2 6 1 如表2 1 所示。加工内容、加工方式、机床类型、进给形式和主 轴形式对夹具布局的设计有重要的影响；加工精度要求决定了夹具的精度；加工数量为 央具类型选择的考虑因素，这也是对制造成本估算和夹具管理的有用信息。 表2 1 工件的工艺信息 加上内容平面、外圆面、内孔面、型面、槽、倒角、其它 加工方式车、铣、钻、镗、刨、磨、车铣复合、钻铰复合、钻镗复合、铣磨复合、特 种加j j ：、其它 加一i ：精度精加t 、半精加上、粗加工、光整加工 加一数量大批鼍、中批量、小批量 机床类型车床、铣床、刨床、磨床、钻床、其它 进给形式 直线、圆周 主轴形式水平、垂直 1 0 第二章面向装配的组合夹具资源模型及资源库构建 定位、夹紧方案的选择和央具结构的设计是组合央具设计的主要部分，这就需要对 工件的装央信息进行描述和分析，工件的装夹信息包括：装夹方案、主定位表面特征、 装央表面特征等。 2 1 2 元件及功能组件信息分析与建模 组合夹具的计算机辅助设计过程就是依据系统制定的一系列设计方案将分散的夹 具元件和功能组件组装成符合被加工工件工艺要求的夹具整体的过程，而功能组件也是 按照一定的功能要求由两个或两个以上的夹具元件组装而成，因此元件是组合夹具的最 小组成单元。而元件、功能组件的标准化、模块化对提高央具设计效率有着重要的意义。 组合央具元件及功能组件信息包括：基本信息、几何信息、装配特征信息。另外， 功能组件信息还包括其组成元件的b o m 表。面向装配的模型特征信息将在第四章中详 细介绍。 元件的三维模型采用s o l i d w o r k s2 0 0 7 完成，并使用其宏技术录制模型的绘制过程。 宏技术是s o l i d w o r k s2 0 0 7 提供给用户的一个方便的功能，它可以记录用户接口执行的 各种操作，并且可以重放这一过程。一个宏包含对应用程序接口( a p i ) 的调用，这和 使用用户接口进行操作是等效的。宏可以记录鼠标点击、菜单选择和键盘按键的操作， 并且可以生成宏代码【2 ”。使用宏技术对元件建模时，首先使用宏技术录制元件实体模型 的绘制过程，然后将生成的宏代码文件中的参数改为变量，给变量赋值就可以实现元件 的自动建模。建立系列元件的尺寸参数表，将表中参数赋值给变量，就可以得到系列元 件的三维实体模型。因此，使用宏技术不仅能快速地建立系列元件模型，而且从宏代码 可以方便的提取模型特征，如构成模型的点、线、面的描述等，从而也为模型特征提供 一种表达的规范。 图2 3 元件模型 f i g 2 3e l e m e n tm o d e l 1 l 组合夹具计算机辅助设计与装配技术研究 组合央具元件和功能组件模型如图2 3 和图2 4 所示。b o m 表模型图如图2 5 所示， 该模型既可用于功能组件b o m 表，也以用于组合央具实例和变异实例的b o m 表。 图2 4 功能组件模型 f i g 2 4m o d e lo ff u n c t i o nc o m p o n e n t 图2 5b o m 表模型 f i g 2 5m o d e lo f b o m l i s t 2 1 3 组合夹具实例信息分析与建模 由于基于实例推理的方法是系统进行组合夹具设计的首选方案，而且组合央具实例 的典型性和信息完善程度对系统设计的质量和效率有很大的影响，因此，对组合夹具实 例信息进行分析和建模有重要的作用。 组合夹具实例就是指系统已有的、已经设计成功的满足某加工工件加工要求的完整 典型组合央具，文中简称夹具实例。每个完整的组合夹具实例信息包括组合央具元件和 功能组件的b o m 表、被加工工件信息、定位夹紧方案、夹具结构布局以及装配关系等 信息。组合夹具实例的应用实现了经验和知识的重用，提高了设计效率。 组合夹具实例信息包括：基本信息、几何信息、工件信息、装夹信息、b o m 表。 1 2 等 图2 6 组合夹具实例模型 f i g 2 6m o d e lo fm o d u l a r f i x t u r ec a s e 2 1 4 变异实例信息分析与建模 变异实例是在组合夹具基于实例推理的设计过程中用来对检索到的相似实例进行 修改变异的，是专门针对夹具实例间的差异提出的。 将每个被加工工件都看作是由几个简单形状特征组合而成的，下面将每个简单形状 特征称作零件的特征单元。如图2 7 所示一工件模型，它的特征单元有三种：内圆、外 圆和平面。组合央具变异实例就是针对每种零件特征单元，在工件上装夹元件或功能组 件得到的结构，该结构是工件被装夹部分与装夹元件或功能组件的组合。变异实例与功 能组件不同的是，功能组件是具有典型完整功能的元件组合。 图2 7 工件模型的特征单元描述 f i g 2 7t h ed e s c r i p t i o no faw o r k p i e c em o d e lf e a t u r eu n i t 通过对被加工工件外形特征和组合夹具各功能模块的研究，分析变异实例的结构和 功能，得到组合夹具变异实例信息包括：基本信息、几何信息、装央信息和b o m 表， 1 3 组合夹具计算机辅助设计与装配技术研究 b o m 表是组成变异实例的元件和功能组件的清单。变异实例模型如图2 8 所示。 第二章面向装配的组合夹具资源模型及资源库构建 表2 2 定位方案信息表 t a b 2 2l o c a t i n gs c h e m ei n f o r m a t i o n 编号定位方案 轴向自由度数t角度白由度数r定位面上自由度分配公 式 l 1 0 1一面两孔定位33p 3 + h 2 + h 1 l 2 0 1 两面一孔定位 33p xl + p 1 + h x 4 l 2 0 2鼯面一孔定位33p x 3 + p x 卜p hx 2 l 2 0 3 两面一孔定位 3 3 p x 3 + p x 2 + h x1 l 2 0 4两面一孔定位( 重复定位)33p 3 + p xl + h 4 l 3 0 l 三面定位 3 3 p x 3 + p x 2 + p x1 l 4 0 1两面定位( 部分定位)23p x 3 + p x 2 l 5 0 1 一面定位( 部分定位) l2p x 3 l 6 0 l 一面一孑l 定位( 部分定位)32p x l + h x 4 l 6 0 2 一面一孔定位( 部分定位) 32p 3 + h x 2 l 7 0 l两面一外圆定位33p x1 + p x1 + c x 4 l 7 0 2 两面一外圆定位 33p x 3 + p xl + c x 2 l 7 0 3两面一外圆定位33p 3 + p 2 + c l l 7 0 4两面一外圆定位( 重复定位)33p x 3 + p xl + c 4 l 8 0 l一面一外圆定位( 部分定位)32p x l + c x 4 l 8 0 2一面一外圆定位( 部分定位)22p 3 + c l l 9 0 1 一面一孔一外圆定位 33p x 3 + h 2 十c l l 9 0 2一面一孔一外圆定位33p x 3 + h 1 + c l l 0 0 1 一面两外圆定位 33p x l + c 5 表2 2 所示为部分定位方案信息表【2 6 1 ，表中定位面上自由度分配公式中，“p ”表示 平面，“h 表示孔，“c 表示外圆，例如：“p 3 + h x 2 + h x1 ”表示一个平面限制三个 自由度，一个孔限制两个自由度，一个孔限制一个自由度。表2 3 所示为部分夹紧方案 信息表【2 7 1 。 1 5 组合夹具计算机辅助设计与装配技术研究 表2 3 夹紧方案信息表 编号夹紧方案 c 0 0 1压板压紧结构 c 0 0 2弯头压板压紧结构 c 。0 0 3螺钉组合压紧结构 c 0 0 4