（航空宇航制造工程专业论文）计算机辅助夹具设计中快速装配建模的研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 在现代c a d 系统中，特征造型是面向单个零件的。在处理夹具设计中的许多 典型联接单元( 如螺钉联接、销联接等) 时，不仅造型效率低，而且破坏了这类零 件跨零件特征明确的工程意义。 在国家8 6 3 项目面向行业典型产品的三维数字化设计专用系统及工具集 ( 2 0 0 2 a a 4 1 1 0 3 0 ) 课题的资助下，项目组针对计算机辅助夹具设计系统开展了研 究，本课题作为该项目的主要组成部分，主要进行了以下内容的研究： 在研究联接单元特征的内在跨零件性、局部修改性及装配关系的基础上，将面 向零件的特征造型向面向装配的跨零件特征造型延伸，通过虚零件对装配对象实 体模型自动进行局部修改，完成了联接单元的自适应造型。同时，研究了一种根 据零件及其装配特征的参考原点和装配基准面来确定零件移动位置和方向的方 法，从而完成联接单元的自动装配。 基于以上研究，开发出了基于c a x a 平台的夹具设计快速装配功能模块，减 少了c a x a 平台上装配过程输入的数据量，简化了造型和装配过程，提高了夹具 设计的效率。 关键词：装配特征，联接单元，自适应造型，自动装配 计算机辅助夹具设计中快速装配建模的研究 a b s t r a c t i nm o d e m c o m p u t e r a i d e d d e s i g ns y s t e m ，f e a t u r e b a s e dm o d e l i n gt e c h n o l o g y i s o n l yu s e dt os i n g l ep a r t ，h o w e v e g t h et e c h n o l o g yw o u l dc a u s el o w e f f i c i e n t l ym o d e l i n g a n db l u rad e f i n i t ee n g i n e e r i n gm e a n i n go fa ni n t e r - p a r tf e a t u r eo fp a r ta sd e a l i n gw i t h s o m e t y p i c a lj o i n t ( e g ，b l o t , p i n ，e t c ) b yt h ea i do f 3 dd e s i g ns o f t w a r ep a c k a g e sa n dt o o ls e tf o ri n d u s t r i a lt y p i c a l p r o d u c t so f n a t i o n a l8 6 3a r o j e c t o u rw o r k g r o u pg i v e sar e s e a r c ho l lc o m p u t e ra i d e d f i x t u r ed e s i g ns y s t e m a sa i le s s e n t i a lp a r t o ft h e p r o j e c t ，s e v e r a l c o n t e n t sa r e d i s c u s s e di nt h i ss u b j e c t t h r o u g hs t u d y i n gi n t e r n a li n t e r - p a r tc h a r a c t e r , p a r t i a lm o d i f i c a t i o na n da s s e m b l y r e l a t i o no ft h e j o i n t ，t h ep a p e r e x t e n d st h ef e a t u r e b a s e dm o d e l i n go r i e n t e dt op a r tt oa n i n t e r - p a r tf e a t u r e - b a s e dm o d e l i n go r i e n t e dt oa s s e m b l y i tc a l le x p r e s sa u t o m a t i cl o c a l m o d i f i c a t i o nt ot h em o d e lo fa s s e m b l yo b j e c t s a tt h es l i m et i m e ，am e t h o d d e t e r m i n i n gp a r tm o v i n gp o s i t i o na n do r i e n t a t i o na c c o r d i n gt o r e f e r e n c eo r i g i na n d b o u n d a r yf a c eo fm a t i n gf e a t u r ei ss t u d i e d ，w h i c hc o u l dc o m p l e t et h ej o i n ta s s e m b l y a u t o m a t i c a l l y b a s e do nt h ea b o v er e s u l t s ，am o d u l ef o rr a p i da s s e m b l yo ff i x t u r ed e s i g ni s d e v e l o p e di nc a x a ，w h i c h c o u l dd e c r e a s et h ei n p u td a t au s e di nt h ea s s e m b l y , a n d s i m p l i f y t h ep r o c e s so fm o d e l i n ga n da s s e m b l y ，t h em o d u l ew o u l di m p r o v e st h e e f f i c i e n c yo f f i x t u r ed e s i g ne v i d e n t l y k e yw o r d s ：m a t i n g f e a t u r e ，j o i n t ，l o c a lm o d i f i c a t i o nm o d e l i n g ，a u t o m a t i ca s s e m b l y 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将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。 作者签名：丝盘 日期：z 尘：! ：i 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。l 计算机辅助夹具设计( c a f d ) 概述 随着全球经济的飞速发展和市场竞争的日趋激烈，各国制造业都面临着严峻 的挑战。为了在市场竞争中获胜，企业必须通过缩短产品开发周期，提高产品质 量、降低产品成本、提供优质服务及有利于环境保护等方面来赢得市场。近年来， 国内外许多制造企业已经在新产品开发过程中通过引入先进的科技手段如c a d 、 c a p p 、c a m 及生产计划管理系统等，来解决产品开发周期、质量和成本问题， 并取得了一定的效果。但是由于企业首先考虑解决新产品的设计和加工设备问题， 而造成生产准备工作的重头部分，即工装的设计与准备技术落后于产品的设计技 术，致使先进的柔性加工系统等不能发挥其柔性，影响产品的快速响应。 夹具是一种能够使工件按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装置， 它广泛的应用在零件的加工、检测和装配工艺过程中。它的主要作用是：保证工 件的加工质量，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能。据统计，在整个 生产过程中，生产准备时间要占整个产品制造周期的5 0 7 0 ，面其中，夹具设计 与制造占生产准备时间的7 0 左右【”，所以夹具的设计与制造对产品的开发周期有 较大的影响。 早期的夹具设计主要靠工艺人员的经验，需要的时间长，可靠性差，质量低。 尽管人们认识到夹具在生产中的重要性，但夹具设计和装配手段仍旧未从计算机 辅助工程中得到更多的受益，它仍是制约生产高度自动化的“瓶颈”。经过几年新 技术的实践，制造行业已经领会到要缩短产品的生产周期，必须以有效的方式充 分挖掘生产准备各个环节的潜力，构建一个能支持快速产品制造的生产准备系统。 夹具准备技术作为制约企业快速相应的一个关键环节，也应从全局自动化的高度 变革现有的落后准备技术。因此，人们将c a d 技术引入到夹具设计中，形成了 计算机辅助夹具设计( c o m p u t e r a i d e df i x t u r ed e s i g nc a f d ) 方法，研制了相应 的软件系统。在系统中建立了夹具元件库，在计算机屏幕上显示工件的三维视图， 用户交互地从夹具元件库中提取相应的夹具元件，在屏幕上形成夹具装配图，提 高了设计和质量。 1 1 1c a f d 的研究现状 计算机辅助夹具设计( c o m p u t e r a i d e d f i x t u r ed e s i g n ) 是改变传统夹具设计 计算机辅助夹具设计中快速装配建模的研究 手工劳动性质，促使夹具设计自动化的有效途径。它是随着计算机科学与技术的 发展，于二十世纪7 0 年代末才出现的一种新技术。近十年以来，计算机辅助夹具 设计技术已经引起了国内、外学术界的重视，对此进行了大量的研究工作，并取 得了一定的成就。 c a f d 即计算机夹具设计是上个世纪7 0 年代末期出现并开始发展的一门新 技术。传统的夹具设计方法在资料检索、分析计算、绘图、编制技术文件等方面 都是由人工完成的，需要较多的人力和较长的设计周期，设计精度和质量受到限 制，甚至出现不必要的错误。作为计算机辅助夹具设计技术的一个应用方面， c a f d 和计算机辅助工艺设计( c a p p ) 共同组成了c a d 和c a m 的桥梁。计算机辅 助夹具设计系统的研制和开发是直接从零件c a d c a p p 集成环境中获取夹具设 计信息，包括c a d 系统输出的零件几何信息和c a p p 系统输出的零件加工信息， 然后将读取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，以其高速、准备、自动化的特点实现夹具的自动设计，提高夹具 设计效率和质量，缩短产品开发周期和降低产品生产成本。 在1 9 8 4 1 9 8 5 年，m a r k u s a 等研究利用计算机图形零件库，数据库和常规 的夹具设计规则来构造半自动化的设计系统【2 j 。1 9 8 7 年，a y c n e e 将人工智能 应用于夹具设计，作者基于m m 的c a d c a m 系统在i b m 5 5 0 8 0 工作站上进行元 件的参数化设计，其人工智能技术主要用于根据工件定位公差要求，选择相关的 定位元件，根据主切削力的分量来搜索相应可用的夹紧元件，其图形装配则完全 由人工完成。1 9 8 8 年s a m l a z z a r 和d t p h a m 针对f m s 的需要提出设计系统应能 为一类零件进行夹具设计，并采用知识库规则和c a d 相结合的方法进行设计， 完成了v a x 和g p x 工作站上应用实体造型和基于l i s p 推理机的c a d 规则库， 结构化的规则进行设计。1 9 9 0 年，l a z a r o a 等人应用专家系统技术在组合夹具元 件库的支持下实现了夹具的自动生成，在设计过程中考虑了加工工艺和零件的公 差特性 3 1 1 4 。1 9 9 3 年，b e n h a b i b 和s h i r i n z a d h e h 分别对自动装配中的夹具系统进 行了研究【5 】6 1 。1 9 9 5 年，d e m e b r 提出将最大最小载荷应用于夹具性能评价与优化 7 1 。1 9 9 6 年，r o n g 和t r a p p y 等人实现了夹具自动规划和夹具结构自动生成以及 次装夹多道工序情况下加工误差分析悼j 。 目前，国外多注重c a f d 的单项技术研究，作为一个独立的工程系统计算机 辅助夹具设计系统其设计流程一般被分为四个阶段 9 1 ：工件装夹规划，夹具方案 设计，夹具结构设计，夹具性能评价。装夹规划是决定工件在加工中所需的安装 次数，每次安装中工件的方位和待加工的表面。夹具方案设计是根据待加工工件 的几何形状及加工工艺信息，确定工件的定位形式，工件表面上的定位、夹紧点 南京航空航天大学硕士学位论文 的个数和位置。夹具结构设计是选择夹具元件，确定夹具元件的尺寸参数，完成 夹具元件的布局和组装。夹具性能分析是对已设计完成的夹具进行有关性能的评 价和估算，如夹具精度、刚度和稳定性分析，工件在加工过程中的变形分析等。 实现工件装夹规划的方法有以下几种： 1 ) 直接利用特征识别技术和特征重定义实现工件装夹规划。如a j a y j o n e j a 1 0 】 首先定义了加工特征，利用特征识别技术直接从产品c a d 系统中读取零件特征 信息，并根据加工特征对零件特征重新定义和分类，然后根据加工的约束条件确 定装夹的顺序以及每次装夹中加工特征的顺序，并选择工件的定位和夹紧功能表 面。w uh c 【l l 】重点考虑了零件的精度特征信息，利用特征识别技术将零件设计 信息中的精度特征转换为工序中的公差要求，根据各特征的精度要求来优化工件 的装夹规划。 2 ) 利用图论方法将零件设计公差转化为允许的加工误差，实现工件装夹规 划。z h a n g y 1 2 1 提出了自动装夹规划和公差分解的方法，利用f t g 有向图表示零 件特征、尺寸和公差之间的关系，d m g 有向图表示定位基准和加工特征之间的 关系。根据不同的零件特征和制造资源、装夹规划设计原则，提出了公差分解模 型自动从f t g 有向图生成d m g 有向图，从而得到装夹规划。z h a n g h o n g c h a o 1 3 利用混和图来表示公差关系和装夹规划原则，并结合矩阵理论进行装夹规划设计。 3 ) 利用神经网络解决装夹规划的优化问题。m i n g x q 【岍对加工过程中夹 具、加工方向、特征间的关系以及公差关系的约束，利用k o h o n e n 自组织神经网 络生成安装规划。将确定每次装夹中的特征加工顺序和装夹顺序映射为旅行商问 题，利用h o p r i e l d 神经网络进行优化设计。c h e n j i i s 将特征优化转化为类似于 “旅行商”的约束优化问题，利用h o p f i e l d 神经网络来解决特征分类问题，并采 用模拟退火方法避免产生局部最优解，采用基于刀具加工方法的矢量交叉法解决 特征排序问题。 实现夹具方案设计和结构设计的方法有以下几种： 1 ) 利用人机交互的方法实现夹具方案设计和结构设计。该方法是早期的 c a f d 系统经常采用的方法。设计人员利用c a d 软件的图形功能，建立一个标 准夹具元件数据库，并开发了定位方法选择、工件信息检索、夹具元件选择和组 装等模块，充分利用夹具设计人员的设计经验，在计算机屏幕上得到夹具装配方 案图。y w u 1 6 】开发的专用夹具设计系统对夹具元件进行了分类并建立了夹具元件 库，依据工件的定位、夹紧功能表面信息、工件几何形状和加工要求从夹具元件 库中选择合理的定位和夹紧件，计算定位件和夹紧件的尺寸参数，针对工件的几 何形状的特殊性对夹具元件进行修改或重设计，最后得到满足设计要求的专用夹 计算机辅助夹具设计中快速装配建模的研究 具。 2 ) 基于实例的夹具设计方法。由于夹具设计需要丰富的设计经验，需要借 鉴成功的夹具设计实例，因此系统中存储了大量成功夹具实例，并利用成组技术 对相似夹具进行编码，该编码中应包括零件几何形状信息、零件装夹信息和工艺 操作信息等。该方法是参考已有的夹具去形成一个新的工件的夹具，已有的失具 是指以前设计并存储在数据库中的夹具方案。s h u h u a n gs u n i ”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 r a s e n t h i t t 8 1 利 用特征识别技术从工件的设计信息中提取加工特征，针对于每一道工序，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 w0 9 1 等人开发的敏捷夹具设计系统，利用基于实例推理的技术进行夹具的重 构与修改，实现了夹具设计的敏捷性。该系统主要有夹具方案模型的匹配、冲突 的解决及夹具实例修改三个模块，重点分析了夹具实例的相似性评估和基于约束 的冲突解决策略。尽管该设计方法不是自动的，但它充分平h 用了夹具库知识，适 合于大部分零件的夹具设计，应用比较广泛。 在夹具性能分析与评价方面，各c a f d 系统由于侧重点的不同，夹具性能评 价的指标和评价模型各不相同。 1 ) r 1 j m e n a s s a l 2 0 等人提出了评价棱柱形工件夹具性能的方法及数学模型。 该方法考虑了工件在装配和拆卸过程中产生的变形，利扁有限元方法计算工件的 变形量，并根据变形量来优化夹具支撑件的位置。 2 ) r a v i o m i t t a l l 2 1 l 等人提出了夹具一工件系统的动态模型，考虑了定位件、 夹紧件与工件接触面的接触变形，并通过摸拟夹具一工件系统来分析不同因素对 工件加工精度的影响程度。 3 ) y i n g h u a n g 开发的薄板夹具c a d 系统，综合考虑了薄板工件在切削力及 切削热作用下产生的变形问题。 4 ) b o l i 提出了夹具一工件接触的离散型弹性接触模型，将接触表面离散化 为网络，装夹点( 定位点和夹紧点) 处的摩擦力为各个网格单元的两个正切摩擦 力叠加后的平方和，以所有装夹点处的弹性变形量的平方和最小为夹具结构化的 目标函数，以接触摩擦力约束、静平衡约束、夹紧力约束、夹具元件位置约束为 约束条件，通过求解该模型得到弹性变形量最小时夹具定位和夹紧点的优化位置。 5 ) y r o n g 提出了根据工件加工精度分析来评价夹具的性能，在计算工件加 4 南京航空航天大学硕士学位论文 工精度时，综合考虑了刀具、加工中心的最高加工精度、工件安装误差和夹具的 定位误差。 国内c a f d 研究主要集中在高校和科研所，近几年来，所做的研究主要是在 微机上完成二维夹具元件库的建立，组合夹具的自动拼装，夹具参数化设计和参 数化绘图，一些研究人员也开始采用a i ( 人工智能) 、e s ( 专家系统) 、o o ( 面 向对象) 等先进技术，开发了智能计算机辅助夹具系统。 哈尔滨工业大学柏合民【2 2 】等人研制开发的“基于特征与参数化的夹具半智能 化设计系统”除传统的选择定位、夹紧等功能之外，还进行了工件定位精度分析 并采用交互的方法修改夹具设计方案，最后给出夹具装配图和零件图。同时对用 于半智能化夹具设计的工程数据库进行了探讨，该工程数据库基于特征层次对夹 具元件进行描述，能较好地支持夹具元件智能化选择和自动化装配。 北京理工大学在夹具分类代码( j j d m ) 的基础上，开发了基于a u t o c a d 的 二维“成组夹具c a d 系统“t 2 3 及在c a d c a m 集成环境下，基于特征的夹具 方案自动设计的智能夹具c a d 系统。该系统的特点主要是在设计信息描述上引 入了特征建模技术，在设计决策中引入人工智能技术，在装配图生成中采用参数 化驱动技术，强化了夹具的设计功能。 清华大学李敏波【2 4 】等人开发的面向产品并行设计的敏捷夹具设计系统分析 了并行工程中计算机辅助夹具设计的需求，论述了零件可装夹性评价和夹具综合 评价的评价指标，针对评价指标具有较强模糊性，提出了多专家模糊语义表达评 价值的评价方法，并利用动态网页开发技术，开发基于w e b 的夹具评价工具，使 分布在异地的多学科专家通过互联网对夹具设计进行实时协同评价。 南京航空航天大学范炳炎教授p s i 等完成f m c - - 5 0 0 夹具c a d 系统，系统采 用人工交互方法输入原始信息，选择夹具原价，并对定位误差、切削力进行计算， 生成相应的图形元件，最终在c a d 系统中完成夹具的拼装。 哈尔滨工业大学金天国口6 】等人开发了一个支持并行工程的计算机辅助夹具 自顶向下设计系统，给出了设计系统在并行工程环境下的运行模式，采用面向对 象的方法来表达夹具装配模型，该系统具有支持夹具概念设计和详细设计的能力。 徐志刚【”l 等人在广义映射原理指导下，开发了支持“t o p - - d o w n ”的组合夹 具设计自动化软件系统，在对零件夹持特征分析基础上，提取夹具需求信息，建 立了组合夹具的功能需求集合，并对组合夹具功一构映射关系进行了全面分析。 华南理工大学的邵明、谢存禧【2 8 】等人开发了基于面向对象方法的在c + + 开发 平台上建造的可重组自动装配夹具智能规划专家系统等。 国内的学者都从各自的角度采用不同的技术，在计算机辅助夹具领域做了许 计算机辅助夹具设计中快速装配建模的研究 多探讨，提出了各自的开发思路。总的来说，国内夹具c a d 的发展和国际上比 还有很大差距，主要因为c a f d 技术所需的软硬件比较欠缺，进行夹具设计的理 论不够完善，从而阻碍了c a f d 在我国的推广使用。 1 1 2c a f d 的发展趋势 近些年来，由于柔性制造技术的快速发展和在生产中的广泛应用以及产品和 工艺设计中并行工程思想的引入，强烈要求并积极推动了计算机辅助夹具设计的 研究和发展。在c a f d 中许多新技术和新方法被采用，如成组技术、特征建模、 专家系统、虚拟实现技术、网络技术等，新技术的涌现进一步推动了夹具设计向 标准化、集成化、智能化、可视化和网络化方向上探索。 1 ) 标准化c i m s 系统中各子系统的发展很快，如果不受规范制约，则必将 发展成为一个个自动化孤岛，给各应用企业带来很大的问题，为了资源共享， c a f d 子系统也应尽量符合数据标准和规范。目前，已经推出了许多标准和规范 【矧，例如g k s ( g r a p h i c sk e r n e ls y s t e m ，计算机图形核心系统) ，建立应用程序 和图形输入、输出设备的功能接口。i g e s ( i n i t i a l g r a p h i c s e x c h a n g e ss p e c i f i c a t i o n ， 基本图形转换规范) ，用于c a d 系统之间的交换数据。p d e s ( p r o d u c td a t a e x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ，产品数据交换规范) ，是美国制订的产品数据交换标准。 s t e p ( s t a n d a r df o r t h ee x c h a n g eo f p r o d u c tm o d e ld a t a ，产品模型数据交换标准) ， 是正在研制和推行的国际标准，主要研究完整的产品模型数据的交换技术，最终 实现在产品生命周期内对产品数据进行完整一致的描述与数据交换。 2 ) 集成化c a d 、c a p p 、c a f d 、c a m 集成化就是向企业提供体化解 决方案，并行工程和产品数据管理( p d m ) 都是有效的集成方式，c a f d 通过与 其他子系统的集成可以实现产品设计制造和夹具设计间信息的共享，将夹具设计 过程中产生的信息作为评价产品方案设计和产品制造合理性、经济性的指标，从 而提高生产效率。 3 ) 智能化夹具设计是一个复杂的依赖于设计人员丰富的工艺知识和设计 经验的过程，在这个过程中，不仅有许多基于算法的确定性问题的求解，更有许 多基于知识和规则的非确定性问题的求解。而人工智能技术则非常适合于解决这 类基于知识的推理问题，如果能很好地解决夹具知识的归纳和描述，就能够应用 先进的和不断发展的人工智能技术解决计算机辅助夹具设计中的许多问题。 4 ) 可视化( 包括虚拟设计)随着计算机软硬件水平的提高，可以逐步为 没计者提供更加逼真的设计环境，有利于将夹具概念设计转换到几何模型，由于 具有沉浸性，常被人们认为是三维计算机图形的延伸。虚拟夹具模拟系统可以使 南京航空航天大学硕士学位论文 用户在一个虚拟环境中如身临其境一般模拟夹具设计与装拆，因此可以不通过实 物测试而在夹具设计的早期阶段发现夹具的干涉及性能方面的问题，更容易发挥 设计者的创造能力。 5 ) 网络化计算机技术和通信技术相互渗透、密切结合产生了计算机网络。 计算机网络可以通过通信线路将各自独立的、分布于各处的多台计算机相互连接 起来，这些计算机彼此可以通信，从而能有效地实现夹具资源的共享和夹具设计 的协同工作，提高夹具设计质量p 。 计算机辅助夹具设计方法的发展总趋势应该是具有更多的通用性、智能化和 与c a d 、c a p p 、c a m 的集成，计算机辅助设计中的新理论、新方法的发展和应 用将进一步推动c a f d 在实用化的方向取得更大的成就。 1 2 基于特征的装配建模技术 l _ 2 1 三维造型技术的发展 三维设计是c a d 技术发展的必然趋势，研究对象的复杂程度越高，三维设 计的优越性也就越明显。 c a d 系统中三维模型的建立方法可分为三个层次，即线框造型、曲面造型和 实体造型。早期c a d 三维模型将线框、曲面和实体，分别对应于用一维的线、 二维的面和三维的体来构造形体，即分别对待以上三种造型方法。而当前c a d 则是将三者有机地结合起来，形成一个整体，在建立产品几何模型时兼用线、面、 体三种设计手段。 当前在产品几何建模时，线框造型用的很少，只是曲面造型和实体造型的一 个重要补充。曲面造型仍是c a d 系统和计算机图形学中最活跃、最关键的学科 分支之一，是复杂物体型面表达的最有力的工具。 二十世纪6 0 年代末的c a d 研究界提出了用计算机表示机械零件三维形体的 构想，以便在一个完整的几何模型上实现零件的质量计算、有限元分析、数控加 工编程和消隐立体图的生成。经过十几年的努力探索和多种技术途径的实践验证， 随着体素拼合和边界表示、半空间法、c s g 树、光纤投射法和参数曲面实体等研 究成功。这一思想已经成熟起来，形成了功能强大、使用方便的实用软件，并且 代表了当代c a d 技术的发展主题。 实体造型技术是目前使用最广泛，最有前景的造型技术，它有以下优点： 形象直观，几何和拓扑结构严密，在体的层次上进行操作可简洁地完成对形 体的修改； 计算机辅助夹具设计中快速装配建模的研究 可实时显示实体的真实感外貌，并在此基础上对产品模型进行剖切、干涉检 测、运动仿真、有限元分析等。 1 9 7 4 年，第一代实体造型软件r o m u l u s 问世，从1 9 8 6 年开始在前者的基础 上开发了第二代产品p a r a s o l i d ，增强了解析二次曲面和交互查询、局部模型等功 能。1 9 8 9 年底布雷德等推出了第三代产品a c i s ，a c i s 采用了面向对象的数据结 构，区分出数学类、几何类、实体类、拓扑类和其他几大类别，它有效的将线框、 曲面、实体三种造型方法结合起来，在建立几何模型时兼用线、面、体三种设计 手段。 1 2 2 特征造型技术 特征造型是c a d 建模方法的一个新里程碑，它是在c a d c a m 技术的发展 和应用达到一定的水平，要求进一步提高生产组织的集成化和自动化程度的历史 进程中孕育成长起来的。特征造型着眼于更好地表达产品的完整的技术的生产管 理信息，为建立产品的集成信息模型服务。其目的是用计算机可以理解和处理的 统一产品模型代替传统的产品设计和施工图纸以及技术文档，使得一个工程项目 或机电产品的设计和生产准备各个环节可以并行展开，信息流畅通。特征造型使 得设计人员的操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，像螺纹 孔、定位孔、键槽等。其直接体现了设计意图，使得建立的产品模型容易为别人 理解和组织生产，设计的图样更容易修改。 特征造型具备线框、曲面和实体混合建模的能力，在几何特征中引入参数化 技术，其数学表示融入了曲面造型和实体造型的许多特点。为开发新一代的基于 统一产品信息模型创造了前提。由此可见，特征造型技术基本代表了当今几何造 型技术的发展水平。 近些年，国际国内许多研究机构和学者致力于特征造型技术的研究和实践。 美国a r i z o n a 州立大学的j j s h a h p l 】系统地回顾了基于特征造型的概念和方法，指 出特征包含了一个零件或部分的几何形状的工程意义。英国的l a w l o r - w r i g h t 和 r o g e r c l h a n n a m 3 2 1 提出的c a d e t s 系统是服务于加工的基于特征的c a d c a m 软件包。它提供了一种将加工约束结合于产品详细设计的手段。产品设计者在使 用该系统时必须意识到他是为加工而设计的。系统提供了一系列相对于在加工中 心加工的刀具特征，用户用这些特征描述要加工的零件，设计完毕时，零件的加 工方法也相应的确定了。印度技术研究所的g f m 系统【3 3 j 是在微机上实现的一个 服务于回转体零件c a p p 的特征造型系统。该系统提供了一系列功能包括交互零 件合成，拓扑有效性检查，尺寸和公差输入，图形显示等。工程设计人员可以交 南京航空航天大学硕士学位论文 互地用系统提供的分类好的特征合成所需零件，即概念化地用特征描述零件，经 过拓扑正确性检查后，输入具体尺寸和公差，也可显示，也可传入c a p p 系统。 国内这方面的研究，在理论上有：华中科技大学的段卫根p 4 j 在博士论文“特 征造型的理论研究和实践”中提出了造型工具化的原理、理论和方法，并研制了 特征造型工具系统，采用这一套全新的体素体系和稳定的布尔运算功能，能够较 全面地表达形状特征进度特征和材料特征三大特征信息。华中科技大学的刘鹤坤 【3 5 l 的“基于特征的产品定义的研究和实践”，文中将工程图纸表达的产品信息归 纳为三个特征类：形状特征，公差特征，技术特征。通过产品定义模型把三个特 征类有机的组织起来。并利用具有面向对象技术特点的框架表达特征。通过框架 系统的处理，就能够为应用系统提供产品信息。 国内在实践上有北京理工大学的“f m o d e l 特征建模系统”1 3 ”，该系统总结 了各种常见的加工特征，使建模方式和零件的加工方法相致，建造一个模型从 其最小包容体即毛坯开始，从毛坯上用预先定义好的特征逐步切除。特征模型由 形状特征模型、精度特征模型和材料特征模型组成。该系统属于内寄生式特征建 模方式，在工作站的i d e a s 软件环境下实现，实用性较强。 1 2 _ 3 装配建模技术 机械产品从概念设计到详细设计的过程中，产品装配模型起着个核心作用。 装配建模是基于特征几何建模的一种延伸，但在描述产品过程信息尤其是在支 持面向装配特征的产品设计上，不能得到满意的结果。由于装配建模是建立在表 达产品功能要求的基础上的建模技术，因此将其用于面向产品装配特征的建模 中能获得良好的效果。 装配模型由组成产品的零件几何结构、零件之间的装配关系以及装配约束组 成，包括对象的几何、拓扑和功能数据。该模型可以由设计人员详细地提供。也 可以通过由零件形状和装配操作衍生的约束自动推算出来。作为产品设计的超结 构，装配模型不仅表达产品的功能，也表达零件的几何结构和零件之间的空间关 系。它作为后继进行的装配工艺自动规划、机构运动模拟等d f a 功能模块的信息 源，为实现设计与产品生命周期的其他过程的集成奠定了基础，因此装配模型在 d f a 的实现中占有极为重要的地位。 对于装配建模，国外学者在这方面作了大量的研究工作，e a s t m a n t 3 7 t 用位置 图实现装配体零件相对位置的等级存储，l e e 等人提出用等级树结构表达装配体。 等级树结构采用虚链数据结构，虚链的节点存储装配体中零件之闻的配合关系以 及约束信息，利用配合关系推导出零件和子装配之间空间位置的齐次变换矩阵， 计算机辅助夹具设计中快速装配建模的研究 计算齐次矩阵的同时间接地检查零件的装配性能。m a c d o n a l d 运用具有等级模型 的工程数据库对装配体进行建模。数据库的等级模型对应于装配体零件之间的等 级关系，等级模型提供记录零件之间的装配关系和存储零件信息的方法。国内在 这方面所做得研究主要有北京航空航天大学7 2 0 所的李健，唐忠民【3 8 】等建立的装 配模型，该模型采用层次的树状结构。用虚链表达装配部件之间的结构和配合关 系，它是建立在特征之上，定义装配体零件之间相互关系的装配特征的集合。华 中科技大学的王耕耘教授【3 9 1 提出了一种支持自顶向下模具设计的装配建模方法， 该方法通过9 1 入装配特征的概念，使得模具装配设计面向的是装配特征而不是实 体零件。从而实现了先装配后零件的设计顺序。 1 , 3 课题的来源 长期以来。机械设计制造过程中使用的工装，依赖工装所技术人员的个人设 计水平，仍采用二维绘图，设计的周期长，规范性差，设计人员的工作负担重， 效率低。随着有经验的工程技术人员工作岗位变化或离退休，使得工装的设计质 量有时出现不稳定，如何使年轻的工程技术人员继承和发扬他们宝贵经验知识， 已成为当务之急：许多公司急需要先进的智能化的工装c a d 技术。为保证制造 质量，缩短设计和生产周期，减少因手工设计引起的夹具的返修、报废，提高效 率，满足优化设计和协同工作的要求，挖掘已有的成功经验，使积累的知识在有 关部门能得到继承与共享。 在计算机辅助夹具设计中，联接单元( 螺钉联接、销联接) 较为常见。联接单 元的装配速度在一定程度上能影响夹具设计的效率。这一类联接结构特征具有跨 零件性，而且比零件内的特征具有更明确的工程意义。联接单元一般形式固定； 有一件或多件标准件、常用件组成；定位关系往往也具有一致性；零件间相应的 特征参数关系比较固定，一般也有标准可依。根据以上特点，在c a x a 平台上开 发了夹具设计联接单元快速装配模块。提高了夹具设计的效率。 本课题来源于国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “面向行业典型产品的三 维数字化设计专用系统及工具集”。项目编号：2 0 0 2 a a 4 1 1 0 3 0 。 1 4 论文的主要结构 本文针对计算机辅助夹具设计中联接单元的结构特点，探讨了基于特征的装 配建模技术，在c a x a 平台上应用自适应造型技术对联按单元进行造型，应用匹 配关系、参考原点和装配基准面三大装配特征，实现了联接单元的快速装配过程。 南京航空航天大学硕士学位论文 本文共分为六章，各章内容安排如下： 第一章首先介绍了c a f d 技术的应用背景、需求及有待解决的问题，c a f d 技术的研究现状和发展趋势，然后介绍了几何造型技术及装配建模，最后介绍了 本项目的来源。 第二章简述了特征的定义和分类，详细讨论了计算机辅助夹具设计中夹具的 装配特征。装配特征的分类、相应的信息描述以及夹具装配特征之间的匹配关系。 第三章介绍了基于特征的装配建模概况，重点论述了本课题所采用的联接单 元自适应造型方法的数学模型以及具体实现过程。 第四章研究了装配模型技术，提出了一种根据零件及其装配特征的参考原点 和装配基准面来确定零件移动位置和方向，完成自动装配的方法。 第五章论述了快速装配模块的开发环境和结构框架，介绍了该模块的具体实 现内容和相关的功能模块。 第六章对本文的内容和对超人夹具系统快速装配模块的开发进行了总结，并 对c a f d 的未来发展趋势进行了展望。 计算机辅助夹具设计中快速装配建模的研究 2 1 特征技术概述 第二章夹具装配特征 特征最早出现在1 9 7 8 年美国麻省理工学院机械工程系g o s s a r d 教授指导的一 篇学士论文 c a d 中基于特征的零件表示和1 9 7 9 年的另一篇论文轴类零件 的c a d 特征描述系统。1 9 8 8 年末公布的s t e p 标准草案将形状、公差和材料特 征等列为产品信息模型的构成要素，使特征技术从此获得了国际标准的法定地位。 特征技术的前景十分广阔，必将在未来生产中占据越来越重要的地位，但因 为特征依赖于应用，耒形成统一的特征定义和造型方法学，所以目前特征技术还 很不成熟，尚处于研究阶段。特征技术还有很多问题亟待解决，包括：特征的严 格的数学定义：特征设计系统的合理的体系结构；怎样提高特征设计所能胜任的 零件复杂度；装配设计能否与零件设计上下配合，逐步细化等。 自1 9 7 8 年特征概念提出以来，； 起了众多专家和学者的关注，进行了大量的 研究，但是对于特征本身一直没有一个严格的定义，目前一般认为特征具有以下 的特性【4 0 l ： 特征是一部件的物理组元； 具有一定的工程意义； 可以与一定形状存在映射关系： 具有可预言的性质。 特征的工程定义概况起来具有以下几种： 1 ) 面向几何而独立于应用 k ，c c h a n 和j n h i e o 直接把特征定义为“一个带属性的形状表示法”： p r a r t 和w i l l s o n ( 1 9 8 5 ) 广义地定义为：“特征是零件表面感兴趣地区域”；h e r b e r t 等( 1 9 9 0 ) 贝j 指出：“特征是对将要完成地特定活动具有一定含义的一组几何实体”； l d f a u x 认为“零件表面上( 设计者) 感兴趣的一个区域或一组表面”构成 特征；c a m - - i 中这样定义：“特征就是工件表面，边或角上形成的一个特定的 几何配置，意在修改外观或帮助实现给定的功能”等等。 2 ) 面向几何并联系特定应用 p r w i l s o n ( 1 9 9 0 ) 把特征定义为“对应于主要加工操作的几何形体”： a h v a n t e r v e ( 1 9 8 8 ) 认为特征是“工件上具有显著特征的部分，它定义专用于 加工过程或用来固定和测量等目的的几何形状”；c h a i 等( 1 9 8 4 ) 把特征与制造 南京航空航天大学硕士学位论文 方法联系起来，认为：“特征是由特定的金属加工模式所生成的工件的某一部分”： s ，c 。l u c y 和j x d i x o n 从设计角度出发，把特征定义为“一个几何实体， 该实体和c i m s 中的一个或多个功能相关”；而c ，h a y e s 和p w r i g h t 则针对制 造要求，认为特征是“具有一定拓扑关系的一组几何元素拼成的形状体，他对应 于零件上的一个或多个功能，能够被固定的加工方式加工成型”等。 3 ) 广义的特征定义 w i l s o n 把原特征定义拓广为“用于生成，分析或评价设计的元素”：h e n d e r s o n 等( 1 9 9 0 ) 针对特征识别方法指出：“特征是零件模式中感兴趣的几何的拓扑模式， 他们在零件分析时表示有用的高屡次实体”；j j s h a h 和m t r o g e r s 只简单 地把特征看成“一个与零件描述有关的信息集”；y g a r d a n 和c m i n c h 则作了 进一1 步解释，认为“特征就是一个与一个零件描述有关的，或与凡个零件的关系 有关的信息集合。例如，在特征定义中，定义的是一个孔而不是一个圆柱”：d i x o n 和g r o s s a r d 则对特征定义做了商度概括：“特征应该理解为一个专业术语，它兼有 形状和功能两种属性，从它的名称和同义足以联想它的特定几何形状，拓扑关系， 典型功能，绘图表示方法，制造技术和公差要求”等。 从特征的定义出发可以知道，不同应用领域、不同视角、不同对象有不同的 特征认定，甚至因为人的关系对相同领域中相同问题得出的特征定义和表达也 不相同。在机械行业中，特征源于使用在各种设计、分析和加工活动的推理过程， 并且经常紧密地联系到特定的应用领域，因而产生了不同的特征定义。通常提到 的特征，指的是形状特征。形状特征的一种定义是面向规划的，例如工件特征定义 为：在工件的表面、边或角上形成的特定的几何构型。另一种涉及工艺规划的形 状特征定义为：工件上一个有一定特性的几何形状，其对于一种机械加工过程是特 定的，或者用于装夹或测量目的。 从设计、工艺、加工、管理等不同的角度出发对特征进行分类可以得到多种 分类结果。为了满足c a d 、c a p p 、c a m 等应用的需要，在此按以下划分方式对 特征进行分类： 形状特征：具有特定形状并且对应特定功能意义的零件局部形状在整体上的 布局。形状特征可以分为主要形状特征和辅助形状特征，其中主要形状特征用于 构造零件的基本形状，辅助形状特征用于对主要形状特征的补充( 螺纹孔、倒角和 中心孔等) 。辅助形状特征附加于主要形状特征之上或附加于另一辅助特征之上。 形状特征也可以分为阳特征( 凸特征) 和阴特征( 凹特征) m 】； 精度特征：在工程设计和加工中使用的形位公差、尺寸公差、表面粗糙度以 及检测特征等菲几何信息。精度特征又可以分为尺寸公差、凡何公差和表面粗糙 度。尺寸公差可以分为定形尺寸公差和定位尺寸公差，几何公差分为形状公差和 计算机辅助夹具设计中快速装配建模的研究 位置公差： 材料特征： 加工工艺等； 技术特征： 装配特征： 关系等； 规定了材料类型、强度、延展度、热导度、热处理方法与条件及 用于描述产品、零件和特征的性能、工艺要求、功能等信息； 包括装配体中各零件的位置关系、公差配合、功能关系、动力学 分析特征：有关工程分析方面的特征，如有限元分析中的梁特征和板件