（机械制造及其自动化专业论文）面向大规模定制的计算机辅助夹具设计系统的研究.pdf

中文摘要 大规模定制是一种既能满足用户对产品多样化、个性化需求，又能实现大批 量生产的高效率和低成本的面向2 1 世纪的生产模式。作为制造规划的一部分， 夹具设计直接影响到制造的生产准备时间、产品质量和成本。传统的夹具设计方 法已经不能满足快速响应市场的要求。本文根据企业的需要研究开发了实用性很 强的面向大规模定制的计算机辅助夹具设计( c a f d ) 系统，其主要研究内容如 下： 1 综述了计算机辅助夹具设计的研究现状和发展方向，深入分析了现有的 计算机辅助夹具设计系统存在的问题。 2 在深入研究计算机辅助夹具设计理论和使能技术的基础上，构建了零件 和夹具的信息表达模型，提出了面向大规模定制生产的计算机辅助夹具设计的方 法、框架和体系结构。将成组技术和基于实例的设计结合在一起，提出了一种新 的夹具检索方法。 3 研究了c a f d 系统中数据库的建立和管理，建立了基于s o l i w o r k s 三维 平台的参数化典型夹具( 实例) 库、夹具标准件库，夹具通用件库。避免了夹具 设计过程中许多重复性的工作，提高了夹具设计的标准化水平。 4 开发了面向大规模定制的汽车同步器计算机辅助夹具设计系统，该系统 采用两种夹具设计方法：交互式设计和变异式设计，并在某同步器厂的生产实际 中获得成功的应用。 关键词：计算机辅助夹具设计；成组技术；参数化：大规模定制；基于实例设 计 a b s t r a c t m a s sc u s t o m i z a t i o n w h i c hc a r lb o t hm e e tc u s t o m e r sf o r 血e i rp e r s o n a la n d v a r i o u sd e m a n d st op r o d u c t sa n dr e a l i z eh i g he f f i c i e n c ya n dl o wc o s to fm a s s p r o d u c t i o n i sak i n do fp r o d u c t i o nm o d ef o rt h et w e n t y f i r s tc e n t u r y a sap a r to f m a n u f a c t u r i n gl a y o u t ，f i x t u r ed e s i g nd i r e c t l ya f f e c t sp r e p a r a t i v et i m eo fp r o d u c t i o n ， t h eq u a l i t i e so fp r o d u c t sa n dc o s t so fp r o d u c t s t r a d i t i o n a lm e t h o d so ff i x t u r ed e s i g n h a v en o tm e e tt h ed e m a n d so fr a p i dr e s p o n s et ot h em a r k e ty e t a c c o r d i n gt o e n t e r p r i s e s d e m a n d s ，ac 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 ，w h i c hh a sm u c h p r a c t i c a b i l i t y ，h a sb e e nd e v e l o p e df o rm a s sc u s t o m i z a t i o ni nt h i sp a p e r t h em a i n c o n t e n t ss t u d i e di nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w i n g ： 1 t h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p i n gd i r e c t i o no fc a f dh a sc l e a r l ys u m m a r i z e da n d t h ee x i s t e dp r o b l e m so fe x i s t i n gc a f ds y s t e mh a v ed e e p l ya n a l y z e di nt h i sp a p e r 2 o nt h eb a s i so f d e e ps t u d yo nc a f dt h e o r i e sa n ds u p p o r t i n gt e c h n o l o g y ，t h e d e s i g nm e t h o d s ，f r a m ea n ds y s t e m a t i cs t r u c t u r eo fc a f df o rm a s sc u s t o m i z a t i o n h a v eb e e np u tf o r w a r d ，a n dt h em o d e lo f i n f o r m a t i o ne x p r e s s i o nf o rp a r t sa n df i x t u r ei s a l s op r e s e n t e d c o m b i n i n gg tw i t hc a s e - b a s e dd e s i g n ，an e ws e a r c h i n gm e t h o do f f i x t u r eh a sb e e np u tf o r w a r d 3 t h ef o u n d a t i o na n dm a n a g e m e n to fd a t a b a s ei nc a f ds y s t e mh a sb e e n s t u d i e d b a s eo n 3 d p l a t f o r ms o l i d w o r k s ，p a r u m e t r i z a t i o n d a t a b a s eo f t y p i c a l f i x t u r e ，s t a n d a r d p a r td a t a b a s eo ff i x t u r ea n dg e n e r a l p a r td a t a b a s eo ff i x t u r eh a sa l s o b e e ns e tu p t h e s eh a v ea v o i d e dm a n yr e p e a t e dw o r k si nt h ec o u r s eo ff i x t u r ed e s i g n a n dh a v ee n h a n c e dt h es t a n d a r d i z a t i o nl e v e lo ff i x t u r ed e s i g n 4 t h ec a f ds y s t e mo fa u t o m o b i l es y n c h r o n i z e rf o rm a s sc u s t o m i z a t i o nh a s b e e nr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t w ow a y st of i x t u r ed e s i g na r ei n t r o d u c e di nt h e s y s t e m ：i n t e r a c t i v em o d ed e s i g n a n dv a r i a n tm o d ed e s i g n t h es y s t e mh a sb e e n s u c c e s s f u l l ya p p l i e dt oaf a c t o r ym a n u f a c t u r i n ga u t o m o b i l es y n c h r o n i z e r k e yw o r d s ：c a f d ；g r o u pt e c h n o l o g y ；p a r a m e t r i z a t i o n ；m a s sc u s t o m i z a t i o n c a s e b a s e dd e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘洼盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：渺 签字日期：护f 年厂k 日，。曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘堂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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名导师签名： 说和乙 签字日期：乡矿蛑f 朔? 。日签字日期：。一妒年，2 ，月列日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 在当今激烈竞争的市场中，快速响应市场，制造出满足用户需求的产品，是 企业生存和发展的关键。作为制造规划的一部分，夹具设计的效率直接影响到制 造的生产准备时间和产品成本。传统的夹具设计方法已经不能满足快速响应市场 的要求。为了解决这些问题，人们把c a d 技术引入到了夹具设计中，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 n ，简称c a f d ) 方法，研制开 发了相应的软件。但是，应该看到，到目前为止，真正智能、商用化、实用化的 夹具设计软件尚未成熟。根据企业的需要，研究面向大规模定制的计算机辅助央 具设计的理论方法，开发出智能程度较高的实用型c a f d 软件，对于提高企业 的竞争力具有重要意义。 1 1 先进制造技术与计算机辅助夹具设计 1 1 1 先进制造技术的概念 先进制造技术( a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ，a m t ) 首先由美国于 2 0 世纪8 0 年代提出。 当今世界的竞争，主要是综合国力的竞争，而制造技术是直接创造社会财富 的基础，所以对一个国家的技术经济发展起着至关重要的作用。当代制造技术的 前沿已经发展到以信息密集型的柔性自动化生产方式来满足多变的市场需求，并 向知识密集型的智能自动化方向发展。在这个发展过程中，制造技术的内涵不断 延伸与发展，不断引入和发展信息技术以及新的管理观念，逐渐形成了先进制造 技术。随着近年来世界范围内出现的研究和应用先进制造技术的浪潮，以机械制 造为代表的先进制造技术已成为当代国际间科技竞争的重点。 可以将先进制造技术定义为1 1 , 2 1 ：制造业不断吸收机械、电子、信息、材科、 能源及现代管理等方面的成果，并将其综合应用于制造的全过程，实现优质、高 效、低耗、清洁、灵活的生产，从而取得理想技术经济效果的制造技术总称。 1 1 2 先进制造技术下企业主要生产模式 先进制造技术的新型生产模式主要有c i m s 、c e 、l p 、a m 和m c 等，下面 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 分别进行简要的介绍。 1 计算机集成制造系统( c i m s ) 计算机集成制造( c i m ) 是一种制造哲理、是- - 0 0 思想。欧共体c i m q s a ( 开放体系结构) 课题委员会对c i m 所下的定义是：c i m 是信息技术与生产技 术的综合应用，旨在提高制造型企业的生产率和响应能力。企业所有功能、信息、 组织管理等方面都是集成起来的整体的各个部分。由此可见，c i m 以企业信息 的集成为基础，以企业整体优化为目标，将整个制造过程看作一个系统，强调人 在系统中的核心作用。c i m 是种理想状态，是一个无限追求的目标。雨c i m s 是一种基于c i m 理念构成的数字化、信息化、智能化、集成优化的制造系统。 它是信息时代的一种新型生产制造模式与系统p j 。 2 并行工程( c e ) 并行工程是对产品及其相关过程( 包括制造过程和支持过程) 进行并行、一 体化设计的一种系统化的工作模式。这种模式力图使开发者从一开始就考虑到产 品整个生命周期( 从概念形成到产品报废) 中所有的因素，包括质量、成本、进 度与用户要求。并行工程的核心是实现产品及其相关过程设计的集成，其基本方 法是依赖于产品开发中备学科、各职能部门人员之间的相互合作、相互信任和共 享信息，通过彼此间有效地通讯和交流，尽早考虑全生命周期中各种因素，尽早 发现和解决问题，以达到各项工作协调一致。 3 精良生产( l p ) 精良生产是由日本丰田公司首先提出并加以应用，后来逐步受到其它国家的 重视。精良生产是相对于“技艺生产”和“大量生产”而言的，它集合了“技艺 生产”灵活多变、适应性强和“大量生产”生产周期短、生产率高的优点，并同 时避免了二者的缺点。文献【4 认为精良生产基于四条原则： ( 1 ) 消除一切浪费： ( 2 ) 完美质量和零缺陷： ( 3 ) 柔性生产系统； ( 4 ) 不断改进。 4 敏捷制造( a m ) 敏捷制造是近年来美国为恢复其在国际制造业中领导地位而提出的一种生 产模式。它是将柔性生产技术、熟练掌握生产技能和知识的工作人员，与企业内 部和企业之间合作的管理集成在起，再通过所建立的共同基础结构，对迅速改 变或无法预见的消费者需求和市场时机作出快速响应。它的主要特点是提出虚拟 制造( v m ) 的概念，即根据市场需求，采用虚拟公司来承接项目，开发产品和 组织生产。从本企业和其它企业选出各种优势力量，集成为一个单一的经营实体 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 虚拟公司，当所承接的产品或项目一旦完成，虚拟公司即行解体。 5 大规模定制生产( m c ) 上述先进制造技术下的生产模式，虽然为制造业的发展作出了重要贡献，但 是随着现代化科学校术的迅猛发展，用户需求日渐多样化、个性化以及竞争的r 趋激烈等多方面因素，使得传统的大规模生产方式不再适合快速多变的市场需 要。在新的市场环境中，企业迫切需要一种新的生产模式，由此产生了大规模定 n ( m a s sc u s t o m i z a t i o n ) 生产方式，简称m c 。 1 1 3 大规模定制概念 大规模定制最早由美国著名未来学家a l v i n t o f f i e r 在1 9 7 0 年出版的 f u t u r e s i l o c k 作出预见。1 9 8 6 年美国勒海大学的亚科卡研究所发表的“敏捷制造”报 告中指出，面对市场需求多样化、个性化的潮流，企业只能以更新的方式来满足 客户的定制需求。1 9 8 7 年，s t a nd a v i s 在( ( f u t u r ep e r f e c t ) ) 中将这种生产方式称 为“m a s sc u s t o m i z a t i o n ”，即大规模定制。 大规模定制是一种生产模式或考虑问题的思路。它既能满足用户对产品多样 化、个性化需求，又能实现大批量生产的高效率和低成本，它的实现需要一系列的 使能技术和管理手段。它的技术特征是柔性的自动化、信息化、网络化、集成化、 智能化、敏捷化；它的组织特征是扁平化、分散化、网络化和小型化。它的关键 是实现生产标准化、通用化与产品多样化之间的平衡。 对大规模定制概念的界定，不同的学者有不同的看法。但是基本上可以分为 两类i lj ：一类是广义上的大规模定制；另一类是狭义上的大规模定制。前者将大 规模定制定义为一种可以通过高度灵敏、柔性和集成的过程，为每个顾客提供个 性化设计的产品和服务，来表达种在不牺牲规模经济的情况下，以单件产品的 制造方法满足顾客个性需求的生产模式。后者将大规模定制定义为一个系统，认 为其可以利用信息技术、柔性过程和组织结构，以接近大规模生产的成本提供范 围广泛的产品和服务，满足单个用户的特殊需要。 大规模定制生产模式的产生背景是”： ( 1 ) 消费者对商品的个性化要求越来越高； 2 ) 消费者的个性化要求实现的成本长期居高不下； ( 3 ) 计算机集成技术和电子商务的发展为大规模定制生产提供了可能。 1 1 4 大规模定制生产模式的实现 从生产的角度来看，实现大规模定制生产有两种基本方法：定制点的后移和 模块化生产旧。从产品设计的角度来看，实现m c 的关键环节包括：面向产品族 天津大学硕士学位论文第一章绪论 虚拟公司，当所承接的产品或项目一旦完成，虚拟公司即行解体。 5 大规模定制生产( m c ) 上述先进制造技术下的生产模式，虽然为制造业的发展作出了重要贡献，但 是随着现代化科学校术的迅猛发展，用户需求日渐多样化、个性化以及竞争的h 趋激烈等多方面因素，使得传统的大规模生产方式不再适合快速多变的市场需 要。在新的市场环境中，企业迫切需要一种新的生产模式，由此产生了大规模定 带u ( m a s sc u s t o m i z a t i o n ) 生产方式，简称m c 。 1 1 3 大规模定制概念 大规模定制最早由美国著名未来学家a i v i n t o f i l e r 在1 9 7 0 年出版的( f u t u r e s h o c k ) ) 作出预见。1 9 8 6 年美国勒海大学的亚科卡研究所发表的“敏捷制造”报 告中指出，面对市场需求多样化、个性化的潮流，企业只能以更新的方式来满足 客户的定制需求。1 9 8 7 年，s t a r td a v i s 在f u t u r ep e r f e c t ) ) 中将这种生产方式称 为“m a s sc u s t o m i z a t i o n ”，即大规模定制。 大规模定制是种生产模式或考虑问题的思路。它既能满足用户对产品多样 化、个性化需求，又能实现大批量生产的高效率和低成本，它的实现需要一系列的 使能技术和管理手段。它的技术特征是柔 生的自动化、信息化、网络化、集成化、 智能化、敏捷化；它的组织特征是扁平化、分散化、网络化和小型化。它的关键 是实现生产标准化、通用化与产品多样化之间的平衡。 对大规模定制概念的界定，不同的学者有不同的看法。但是基本上可以分为 两类“1 ：一类是广义上的大规模定制 另一类是狡义上的大规模定制。前者将大 规模定制定义为一种可以通过高度灵敏、柔性和集成的过程为每个顾客提供个 性化设计的产品和服务，来表达_ 。种在不牺牲规模经济的隋况下，以单件产品的 制造方法满足顾客个性需求的生产模式。后者将大规模定制定义为个系统，认 为其可以利用信息技术、柔性过程和组织结构，以接近大规模生产的成本提供范 围广泛的产品和服务，满足单个用户的特殊需要。 大规模定制生产模式的产生背景是”： ( 1 ) 消费者对商品的个性化要求越来越高； ( 2 ) 消费者的个性化要求实现的成本长期居高不下： ( 3 ) 计算机集成技术和电子商务的发展为大规模定制生产提供了可能。 1 1 4 大规模定制生产模式的实现 从生产的角度来看，实现大规模定制生产有两种基本方法：定制点的后移和 模块化生产嘲。从产品设计的角度来看，实现m c 的关键环节包括：面向产品族 模块化生产嘲。从产品设计的角度来看，实现m c 的关键环节包括：面向产品族 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 虚拟公司，当所承接的产品或项目一旦完成，虚拟公司即行解体。 5 大规模定制生产( m c ) 上述先进制造技术下的生产模式，虽然为制造业的发展作出了重要贡献，但 是随着现代化科学校术的迅猛发展，用户需求日渐多样化、个性化以及竞争的r 趋激烈等多方面因素，使得传统的大规模生产方式不再适合快速多变的市场需 要。在新的市场环境中，企业迫切需要一种新的生产模式，由此产生了大规模定 n ( m a s sc u s t o m i z a t i o n ) 生产方式，简称m c 。 1 1 3 大规模定制概念 大规模定制最早由美国著名未来学家a l v i n t o f f i e r 在1 9 7 0 年出版的 f u t u r e s i l o c k 作出预见。1 9 8 6 年美国勒海大学的亚科卡研究所发表的“敏捷制造”报 告中指出，面对市场需求多样化、个性化的潮流，企业只能以更新的方式来满足 客户的定制需求。1 9 8 7 年，s t a nd a v i s 在( ( f u t u r ep e r f e c t ) ) 中将这种生产方式称 为“m a s sc u s t o m i z a t i o n ”，即大规模定制。 大规模定制是一种生产模式或考虑问题的思路。它既能满足用户对产品多样 化、个性化需求，又能实现大批量生产的高效率和低成本，它的实现需要一系列的 使能技术和管理手段。它的技术特征是柔性的自动化、信息化、网络化、集成化、 智能化、敏捷化；它的组织特征是扁平化、分散化、网络化和小型化。它的关键 是实现生产标准化、通用化与产品多样化之间的平衡。 对大规模定制概念的界定，不同的学者有不同的看法。但是基本上可以分为 两类i lj ：一类是广义上的大规模定制；另一类是狭义上的大规模定制。前者将大 规模定制定义为一种可以通过高度灵敏、柔性和集成的过程，为每个顾客提供个 性化设计的产品和服务，来表达种在不牺牲规模经济的情况下，以单件产品的 制造方法满足顾客个性需求的生产模式。后者将大规模定制定义为一个系统，认 为其可以利用信息技术、柔性过程和组织结构，以接近大规模生产的成本提供范 围广泛的产品和服务，满足单个用户的特殊需要。 大规模定制生产模式的产生背景是”： ( 1 ) 消费者对商品的个性化要求越来越高； 2 ) 消费者的个性化要求实现的成本长期居高不下； ( 3 ) 计算机集成技术和电子商务的发展为大规模定制生产提供了可能。 1 1 4 大规模定制生产模式的实现 从生产的角度来看，实现大规模定制生产有两种基本方法：定制点的后移和 模块化生产旧。从产品设计的角度来看，实现m c 的关键环节包括：面向产品族 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 的设计、模块化设计、后延设计、配置设计和标准化、规范化技术、业务过程工 程等 ”。大规模定制生产模式可以这样来概括：产品设计模块化、产品制造专业 化、生产组织和管理网络化n ( 1 ) 产品设计模块化2 1 世纪的制造业必将以产品创新和技术创新搏取市 场，企业的产品是否能根据用户的当前需要和潜在需求快速抢先提供，将成为企 业成败的关键。产品结构和功能的模块化、通用化和标准化，是企业推陈出新、 快速更新产品的基础。模块化产品便于按不同要求快速重组，任何产品的更新换 代，决不是将原有的产品全部推翻重新设计和制造的。更新一个模块、在主要功 能模块中融入新技术，都能使产品登上一个新台阶，甚至成为换代产品，而多数 模块是不需要重新设计和重新制造的。因此，在敏捷制造中，模块化产品的发展 已成为制造企业所普遍重视的课题。此外，模块化产品便于分散制造和寻找合作 伙伴。 ( 2 ) 产品制造的专业化按成组技术( o t ) 原理将相似功能的部件和零件 分类和集中起来，完全有可能形成足以组织大批量生产的专业化企业的生产批 量，这些专业化制造企业承接主干( 核心) 企业开发产品中各种相似部件、零件 的制造任务，并能在成组技术的基础上采用大批量生产模式进行生产。当然，在 现代制造技术的支持下，这种大批量生产模式己克服了传统的刚性自动线的缺 点，具备一定范围内的柔性( 可调性或可重构性) 来完成较大批量的相似件制造， 协助主干企业用大批量生产方式快速提供个性化商品的目标。 ( 3 ) 生产组织和管理网络化i n t e r n e t 的普及及应用，给制造业提供了快 速组成虚拟公司进行敏捷制造新产品的条件。负责开发新产品的主干企业可以利 用i n t e r n e t 发布自己产品的结构和寻找合作伙伴的各项条件，而各专业化制造 企业可以在网上发布自己的条件和进行合作的意图。主干企业将据此寻找合伙 者，本着共担风险和达到“双赢”( w i n w i n ) 的战略目标进行企业大联合来合作 开发和生产新产品。这样的联合是动态的，组成的虚拟公司是“有限生命公司”， 它只是为某种产品而结盟。其生命周期将随产品生命周期的结束而解散，或在另 一种产品的基础上调整成新的联盟。 1 1 5 大规模定制下的计算机辅助夹具设计 夹具是用于机加工、检测、装配、焊接和其他制造工艺的种装置，它将工 件定位并牢固地夹持在一定的位置上，以便按设计要求加工工件9 翔。随着市场 竞争越来越激烈，制造业面临的挑战越来越大，企业快速响应市场，制造出用户 欢迎的产品，是企业生存和发展的关键。作为制造规划的一部分，夹具设计的效 率直接影响到制造的生产准备时间和产品成本。一般来说，夹具设计过程不仅需 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 要大量的有关零件设计、工艺和加工的数据川，同时还需要设计人员具有很丰富 的领域知识和设计经验。 在大规模定制生产模式下，为了缩短生产准备时间，降低产品的生产成本， 提高企业的竞争力，快速而准确的设计夹具尤为关键。二十世纪5 0 年代以来， 计算机技术得到了迅猛的发展，人们自然想到了将计算机技术应用于夹具的设计 中，以期缩短夹具设计的时间，提高夹具设计的准确性，减少夹具设计时对设计 人员经验的依赖，计算机辅助夹具设计应运而生。俄罗斯学者在2 0 世纪7 0 年代 开始了夹具c a d 的研究工作；2 0 世纪8 0 年代欧美学者投入c a f d 的研究；8 0 年代中期以后我国也开始进行研究【1 1 1 。计算机辅助夹具设计已越来越多的替代了 传统的夹具设计。与传统的夹具设计相比，计算机辅助夹具设计有着无可比拟的 优越性： ( 1 ) 把设计者从繁琐的劳动中解放出来，提高了设计的效率和设计质量 使设计者把更多的注意力放在创新性开发上面； ( 2 ) 可以把夹具设计人员的经验和智慧存入计算机，构成专家系统，有利 于夹具设计技术的继承和发展； ( 3 ) 由于计算机辅助夹具设计采用了统一的系统程序，可以获得相对统一 的设计与优化结果，有利于实现夹具设计的“三化”，即通用化、标准化、系列 化。 此外还有一点需要特别指出：从制造系统集成的观点来看，c a d c a p p c a t c a m ( c a t 是c o m p u t e r - - a i e d t o o l i n g 的缩写，即计算机辅助工艺设备设 计制造) 正是现代集成制造系统( c i m s ) 进一步完善和实用化的重要因素。由 于上述各种因素的推动，c a f d 系统j 下在发展成一个独立的制造软件系统。计算 机辅助工装设计和c a p p 共同构成c a d 和c a m 的桥梁，其中计算机辅助央具 设计是计算机辅助工装设计的最重要组成部分，从而c a f d 的实施可提高c i m s 的效率和质量。 1 2 计算机辅助夹具设计国内外研究现状及发展方向 1 2 1 计算机辅助夹具设计研究经历的三个阶段 在最近2 0 年来，计算机辅助夹具设计( c a f d ) 已发展成为c a d c a m 集成技 术的一个重要组成部分，并且成为c a p p 的个重要方面，它是c i m s 环境下设计 和制造之间的连接纽带“。c a f d 的发展经历了三个阶段： 1 第一代c a f d 第一代c a f d 系统产生于2 0 世纪8 0 年代初期，其研究开 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 发与当时的c a d 软件水平相配合。在这一阶段，f u h 等介绍了一种交互式的 c a f d 软件，该环境拥有夹具元件库和通过菜单选择的夹具组装顺序，这是最初 的与c a d 软件相配合，利用c a d 处理图形的能力，并与使用者的经验相联系 的第一代交互式c a f d ( i n t e r a c tc o m p u t e ra i d e df i x t u r ed e s i g n ，l c a f d ) 夹具设计 系统【1 3 1 。发展i - - c a f d 的目的是：是更多的设计者之间可以交互地进行夹具 设计，从而完成比较复杂的夹具设计任务；二是通过提提供几何操作工具来缩短 研制周期。 2 第二代c a f d 上世纪8 0 年代中期后发展而来的第2 代c a f d 系统，根据 变异式( v a r i a n t ) 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 t ) 和基 于知识( k b ) 的两类c a f d 系统。在变异式夹具设计方法中，因为属于同一部件族 的工件被认为具有相似的加工特征，相似的操作和安装顺序，所以设计者可以通 过对现有的设计稍加变化，就可获得对另一相似工件的夹具设计。通过成组技术 的编码系统，对夹具库中原有的相似的夹具元件做相应的调整，从而适应新的工 件的加工要求。当无法得到相似的夹具时，就可以使用生成式夹具设计方法，产 生新的夹具设计方案，将新产生的夹具编码添加到夹具库中，为下次设计作参考 之用1 。 3 第三代c a f d 九十年代后发展起来的c a f d 是第3 代。这个时代c a f d 的特 点是转向了以产品所需夹具结构设计为目的，实际生产应用为导向的夹具的软件 设计上“。9 0 年代后的第三代c a f d ，通过总结经验认为夹具设计最终必须要 得到夹具结构图，而过去的系统只是解决安装、定位、夹紧等问题或检索类似的 结构，不能获得合乎工件实际应用的结构图。此类系统大体参考了人工设计夹具 的过程，同时照顾到计算机处理问题的特点。系统一般分成4 个部分：( 1 ) 安装 规划；( 2 ) 夹具规划；( 3 ) 夹具结构设计；( 4 ) 性能评价。安装规划的目的是决定需 要的安装次数和每次安装中工件的方位和要求加工的表面。这部分也可以是 c a p p 的一个子集，也是c a f d 和c a p p 集成的交互接口。性能评价也是一个相 对独立的软件，其目的是对已设计完成的夹具，按要求对有关性能进行评价和估 算，如精度、剐度等。夹具规划主要用来决定工件上定位支撑的面和点，以及各 夹紧点。夹具结构设计的任务是选择或者设计夹具元件并把它们装配成最终的夹 具布局和结构。 1 2 2 国外的研究概况 1 夹具结构自动布局的理论和方法1 1 7 _ 1 9 】 a m yj c t r a p p e y 用空间投影计数法( p r o j e c t i v es p m i a lo c c u p a n c y 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 e n u m e r a t i o np s o e ) 简化了工件总体形状的表示，然后用几何推理的方法，通过 p s o e 一套立体网格搜索的策略得到夹具的布局。在此原理上建立的系统可作为 c i m s 的一部分，能直接访问c a d 数据库，取得零件几何形状的信息。 y c c h o u 对夹具中非回转体零件所受切削力、定位力矩和夹紧力矩等用 一线性规划模型表示，然后按照螺旋理论( s c r e wt h e o r y ) 来校验其平德，从而 得出合理的夹具布局。 m v g o m d h i 和b s t h o m p s o n 将夹具自动装配的设计过程分为建立数 学模型和判定装配要求两个阶段。在后一阶段除了根据已确定的定位方式、各夹 具元件和已定义的结构和坐标系外，还用符号码( s y m b o l i ct e r m i n o l o g y ) 设定元件 间的不同接触形式。夹具自动装配过程就是建立工件、元件和夹具体三者间的接 触、连接方式与空间位置关系。 2 夹具设计专家系统 2 0 ，2 1 a m a r k u s 等提出了一个用p r o l o g 语言为箱体类零件装配组合夹具的 m o d b u i l d 系统。此系统运行时需要工具工程师决定工件的定位一夹紧方案作 为系统的输入，m o d b u i l d 就能作出夹具装配图的设计。 p m f e r r e i r a 等开发了a i f i x 专家系统，适用于常规的机械加工。输入 了有关毛坯、刀具和机床的信息后，在确定定位方案前提下，产生并评价不同的 夹具设计。a i f i x 有两个子系统，一个用以产生合理的工件定位，另一个是夹具 的综合。此系统较全面魄考虑了有关影响夹具设计的各种相关因素，但是此系统 只根据工件几何特征来定位，未考虑其尺寸和公差，只适用于平面形状的简单零 件。 a r d a r v i s h i 和k f g i l l 建造了夹具设计的专家系统知识库，先用部 分现有知识构造知识库的框架，然后逐步扩大。用此知识库为基础的专家系统能 产生夹具元件图，用以显示简单零件的安装图。d t p h a m 和a d es a m h a g a r o 研究开发了a u t o f i x 知识系统，这一系统以决簏树的形式，总结了大量夹具设计 经验的规律，以交互方式协助工具工程师设计夹具。这一系统的特点是设计算法 中考虑了尺寸公差，在给定工艺j 顿序下设计出最佳夹具。 3 实用夹具c a d 系统的开发 h o ujl 和p m g r i p p o 等开发了一个c a d - - m f s 槽系组合夹具c a d 系 统【2 “。系统原理是基于g t 交互生成夹具装配图的方法。c a d m f s 系统包含3 部分，第一部分为b u i l d - - y o u r - - o w n ，在给出零件图及定位方案后，可用以绘 制零件图。第二部分m f s - - s e l e c t 是检索商品夹具元件库的接口，通过m f s - - s e l e c t 用户可从库中调出各类元件并显示在屏幕上。f i x t u r e - - l i b r a r y 为第三部分， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 是夹具和所含零件图形库，零件和夹具均以编码形式存贮或检索。 a y c n e e 等构造了一个基于目标规则的创成式夹具设计系统的框 架。用三维实体建模和一个基于目标规则的专家系统n e x p e r t 。此系统用于 b i u c o 孔系组合夹具的组装。零件几何形状和文本信息从实体模型器中提取， 定位、夹紧表面用规则和数学分析确定，最终输出夹具装配图1 2 ”。 y r o n g 等对组合夹具使用性能如精度、刚度、稳定和干涉等作了研究后， 建立了具有多项校验功能的比较全面完整的计算机辅助孔系组合夹具设计系统 c a m f d 2 4 。 1 2 3 国内研究的情况 从8 0 年代中期开始，我国先后有1 0 余所高校对夹具c a d 系统作了探索， 如北京机械工业学院、河北工学院、南京航空学院和北京理工大学、焦作工学院 等。其中以北京机械工业学院的朱耀祥教授为主的学者对计算机辅助夹具设计进 行了较多的研究。主要研究成果如下： 1 b m f c a d1 0 槽系组合夹具c a d 系统 用于加工中心上m 1 2 槽系组合夹具设计，此系统有一个带有夹具和工艺信 息的零件编码系统，编码作为输入信息用作检索和选择相似夹具。系统向设计师 提供结构思路、减少元件选择、调用及组装时间，并具有自动生成元件清单的功 能，使组装工作大为简便。系统设计成开放性结构，便于用户增添各种功能。 2 b m f c a d2 0 智能式槽系组合夹具c a d 系统 在b m f c a d l 0 版本基础上嵌入了一个组装专家系统。组装专家系统的主要 功能为组装定位、夹紧方案设计和基础件选择。前者向设计师推荐适当的组装定 位方案，并提供修改、替换和删除的方法，以便选择优用。后者向设计人员建议 可采用的基础件，以节省选件时间。 3 k x m f c a d 孔系组合夹具c a d 系统 该系统运行于3 2 位工作站和u n i x 操作系统下，而且系统仍是基于g t 的检 索变异式，可以和c a d 及c a p p 集成，具有夹紧力校验功能，如夹紧力不够可 再修改组装图增加压板，并可通过网络将设计完的夹县装配图由设计室向夹具组 装站传送，用以在组装站根据传图将元件装配成组合夹具。 系统中由图形支撑软件c i m c a d 所产生的夹具装配图是二维图形。本系统 还可用i _ 一d e a s 实体造型软件，建立三维实体元件库，用以组装三维实体夹具。 再由三维实体夹具产生l 2 张夹具轴测投影图，通过变换成i g e s 文件送入 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 k x m f c a d 系统传送到组装站作组装夹具参考。 由于夹具设计比较复杂和困难，所以目前基本没有能够完全商品化的软件。 北京机械工业学院的朱耀祥教授和美国吴士脱工学院( w p i ) 的融亦鸣教授合作 研究的夹具规划和结构生成的f i x d e s 孔系组合夹具设计系统成为为数不多的 初步商品化的软件之一，并在美国工业中使用。 1 2 4 计算机辅助夹具设计研究存在的不足 c a f d 尽管经过近2 0 年的研究，但至今世界范围内尚未出现十分成熟的商品 化夹具软件。目前，计算机辅助夹具设计的局限性主要体现在以下几个方面： 1 缺乏实用性虽然过去有不少入对计算机辅助夹具设计进行了研究，但这 些研究多是研究夹具的计算机辅助设计的一般方法，强调夹具的最优化设计。实 际上，过分强调通用性，也必然会造成缺乏实用性的弊端。因为企业最关心的是 实用性好的成果，而过分强调夹具的最优化，则会使夹具在企业内的通用性降低。 2 。不是基于三维平台的计算机辅助设计过去研究的c a f d 系统，大多数都 是基于二维c a d 平台的。由于二维软件开发目的比较明确，因此其主要精力便 放在如何能够快速制图上，所以计算机辅助设计的功能有限。虽然二维软件也在 有意识地向真正的设计软件方向发展，尤其在二次开发方面具有一定的优势，但 仍然没有摆脱“电子绘图”的身份，在产品设计方面还是显得力不从心，并没有 真正起到计算机辅助设计的作用。 3 夹具设计自动化不足由于夹具设计的复杂性及实际情况的干变万化，真 正自动夹具设计( a f d ) 的实现很难在短时间内有较大突破，要达到能在实际生 产中应用，还有很多工作要做。 1 2 5 计算机辅助夹具设计的发展方向 随着企业信息化的应用和深入，企业对c a f d 的需求也越来越迫切。“。归纳 起来，c a f d 今后将朝着以下几个方向发展： 1 集成化c a f d 是生产准备的重要部分，确定了该工序所使用的夹具， 与c a p p 道，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。在大规模定制生产模式下，夹具的设计环境还应该与产品的设计环境集 成在一起，构成面向大规模定制产品设计系统的一个子系统。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。将功能模 块标准化有利于实现c a f d 系统与c a p p 的集成。标准化还是提高夹具设计效 率的有效途径之一。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 3 并行化以往的c a f d 总是在c a p p 制定完所有工序之后才开始进行， 并行化的思想则打破了这一局限，强调c a f d 与c a p p 并行实现。c a f d 并行化 的发展将更加提高夹具设计效率，缩短生产准各时间；同时在并行设计环境下， 夹具设计的信息反馈给c a d 、c a p p 系统，可以使产晶设计和工艺设计减少返工 的环节，提高设计的合理性和科学性。 4 。智能化人工智能技术在c a f d 系统中的最初应用主要是专家系统的出 现。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。各种技术的 综合应用，如模糊数学与神经网络的结合，将进一步推进c a f d 智能化的发展。 5 实用化在目前真正的夹具自动设计还难于实现的情况下，研究开发适合 于某类产品或者某一企业的计算机辅助夹具设计系统是较为现实的做法。实用性 强的c a f d 系统能够使企业摆脱夹具设计的困扰，提高企业信息化的程度。在今 后相当长的时间内，研制开发面对某一特定对象的c a f d 系统，是面向大规模定 制生产企业的必然选择。 1 3 课题研究的背景和意义 随着市场竞争的日益加剧，制造业面临着很大的挑战。为了赢得竞争，企业 的生产、经营和管理模式必须做到能快速响应市场，生产出全面满足用户需求的 个性化产品，并最终赢得市场。基于此，大规模定制生产方式必然成为制造业的 先进制造技术下的生产模式。在我国，汽车行业( 包括汽车零部件生产企业) 、 纺织行业及家电行业是典型的实施大规模定制生产的行业。 本文以某汽车同步器厂为背景，以汽车同步器产品所有夹具为研究对象，研 究大规模定制下汽车同步器产品计算机辅助夹具设计系统。同时，本研究课题也 是该同步器厂i e 工程的一个模块。其研究的意义是： 1 促进企业夹具设计的标准化和系列化，对基于大规模生产下的夹具设计具 有理论意义和实用价值； 2 减少专用夹具的数量，用尽量少的夹具品种、规格来满足生产的需要，从 而减少夹具设计的工作量，缩短生产准备周期，降低夹具成本： 3 便于实现夹具的计算机辅助设计和制造，提高夹具的设计质量，缩短夹具 设计和制造周期： 4 便于实现对夹具的计算机管理，降低生产成本； 5 提高企业对市场的快速响应能力，加强企业的市场竞争能力。 天律大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 论文研究的主要内容 针对上文对c a f d 发展方向和存在的问题及课题研究意义的分析，本文拟就 以下主要内容进行较为详细的研究： 1 研究大规模定制生产模式下夹具设