计算机辅助夹具设计：近期研究和发展趋势.doc

计算机辅助夹具设计：近期研究和发展趋势Hui Wang, Yiming (Kevin) Rong, Hua Li, Price ShaunDepartment of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University, Beijing, 100084, China Computer Aided Manufacturing Laboratory, Worcester Polytechnic Institute, MA, 01609, USA摘要：制造中广泛使用的夹具对产品的制造质量有很大的影响。人们花费了许多生产力和成本在计算机辅助设计的研究上并在这一领域取得了很大的成果。该文提到了过去十年中的计算机辅助夹具设计和自动化的文献调查。首先，该文介绍了夹具在工业上的应用。接着介绍在计算机辅助夹具设计领域中一些重要成果，并提到了他们的方法、要求和工作原理。最后，文中描述了一些未来的发展趋势。1、 简介夹具是制造过程中用于固定工件在机床正确的位置上，并在加工过程中支撑它的机构。夹具对产品的质量、生产率和成本有很大的影响，在制造中被广泛使用。一般来说，与夹具设计和制造相关的成本占总制造系统成本的10%-20%。大约40%的不合格产品是由于劣质的夹具设计所造成的误差。夹具设计工作是繁琐及费时的。它很大程度上需要依赖夹具设计工程师的经验和知识，一般来说设计合格的夹具需要10年以上的生产实践。传统上，人们利用夹具设计的经验完成一个夹具的设计制造需要花费好几天甚至更多的实践。而且通常一个好的夹具设计需要设计者的经验，对产品的理解和一个不断尝试失败的过程。因而，随着日益激烈的市场竞争，工业制造商们尽力提高产品的质量，缩短生产周期，降低制造成本来保证产品的竞争力，并将新产品投入市场。人们对利用较低成本进行更有效率的夹具设计有着强烈的愿望。过去十年计算机辅助设计技术的发展使这一目标有了实现的可能。作为制造中的重要领域，夹具设计的研究和应用在过去十年中得到了更多的关注。人们在这一领域中发表了许多学术和应用文献。该文中，我们将集中于调查过去十年中的计算机辅助夹具设计的研究。下面的版块中，我们会给出关于这些研究技术的调查，并描述了一些研究方向的结论。2.夹具制造夹具是设计用来定位和固定一个或多个工件的，它有很多的规格。它被广泛应用于制造过程中，如：加工（包括车削、铣削、磨削、钻孔等）、焊接、装配、检测和试验。下面图1到9是一些真实的夹具设计案例。夹具可以通过不同的原理来分类。然而，与机床夹具领域发表的有关计算机辅助夹具设计的研究相比，只有小部分（6-16）集中在其他重要的制造领域，例如，装配夹具和焊接夹具。2.1焊接夹具焊接对制造业中包括国防工业等占很大比重的行业具有重要意义。根据美国焊接协会和爱迪生焊接协会2001年6月发布的“焊接重工业的生产和经济影响”的报告，1999年焊接通过这些行业对美国经济的贡献超过了78.5亿美元。这个数字代表着这些企业1999年总支出的7%。因而焊接夹具设计系统的开发和部署有着重大的技术和商业优势。图1. 机加工夹具图2. 飞机端盖轴承的机加工夹具图3.涡轮叶片的磨夹具图4. 组装夹具用于定位橱柜装配中的架子图5. 凹耳框架上的汽车焊接夹具螺机加工夹具设计和焊接夹具的设计有很大的不同，如下所列：焊接过程的工件通常是由几个部件装配而成的，而机加工过程中的工件通常只有一个部件通常焊接过程的精度要求要比机加工低焊接过程一般来说夹紧力和加工力要比机加工的小焊接过程需要充分考虑热反应再者，焊接夹具设计案例中还要考虑下面的问题：导电性对焊接稳定性是十分重要的除了导热性之外，夹具材料的选择还要考虑热膨胀性。精确的焊接波形要求具有优化的焊接电路可以保持短电弧的长度同时减少喷涂、硬物、电弧光斑和电弧中断，使运行速度最大更复杂的应用需要一个专用夹具。专用夹具的设计和安装包括安装路由线路和气动或液压线在过去的十年中，在焊接领域只报道了有限的计算机辅助夹具设计的研究和应用。在该领域，根据焊接钣金装配在汽车、航天等行业的重要性，钣金的焊接和装配将得到一些特殊的关注。焊接夹具通常开发用来减少每个工件由于加热和焊接中的残余应力所产生的变形，以此来减少装配的尺寸变化。因而，一些离线或在线的变形分析方法被开发出来加强夹具对变形控制的能力。在钣金激光焊接夹具的装配红，也要保证一个配合的表面，以保证正常的激光焊接操作和激光焊接质量。结果，一个传统的“3-2-1”定位方案扩展到混合定位方案“焊接的总定位和直接定位”。总定位用来定位整个装配，而直接定位用来定位焊接点和焊接配合面的要求。2.2 模块夹具和专用夹具的应用根据夹具的柔性，夹具也可分为专用夹具和通用夹具。重组和整合夹具可以适用于不同形状和尺寸的零件。特别的，整合pin阵列夹具技术被广泛用于各种夹具设计中，因为组件包含的内部变量可以随着工件的不同特点而掉正。而且与材料相关的变向夹具可以使用同样的精度。例如，在航空工业中，低熔点的金属被用来包裹涡轮叶片并产生磨削过程中零件位置和装夹的明确表面。最重要且使用最广泛的夹具是模块夹具。随着柔性制造系统越来越多被那些通过缩短生产周期和降低生产成本来试图在这个快速变化的市场中保持竞争力的生产商所适应，模块夹具因其所有的使用方便、通用性能强、对产品变化适应性强的特点，越来越受欢迎。图6. 机器人焊接夹具图7. Pin矩阵夹具应用图8.工程机械零件的模块夹具图9.工程机械零件的专用夹具图10.一个专用的弯管夹具通过使用标准工件夹紧装置和部件，模块夹具具有更大的灵活性。它的灵活性是从不同夹具元件的组合产生大量可能的夹具配置推导出的。模块夹具的应用对缩短生产周期和降低通用产品的小体积产品的成本贡献很大。然而，它也存在局限性：从这些组件中只能得到有限的组合，意味着对某些复杂不规则的工件来说无法得到合适的组合。模块夹具的结构特性有事难以维持。模块夹具的结构特性包括定位精度、刚度、稳定性、装卸、运转速度等等。使用模块夹具很可能无法获得最优的质量。不适合大批量生产，如汽车生产及其组件制造。为了进行比较，图8显示了一个模块夹具用于工程机械的零件，而同一个零件在图9中使用的是专用夹具。专用夹具在制造中同样很重要，由其在先进、成熟和精密零件或质量的生产中。因为专用夹具是为某一特定产品设计的，设计者不仅可以使夹具满足基本的定位精度、刚度、稳定性夹具要求，还可以优化促进装卸方便、效率、芯片的有效处理等等运行要求。图11.夹具设计过程的基本元素与模块夹具相比，专用夹具需要根据工件的设计和制造要求仔细的设计。因而在专用夹具的设计任务中有更多的不确定性。在模块设计中，有一个有着预设计的定尺寸的标准夹具元件的组件库。因此，模块夹具的结构设计其实是将夹具元件装配起来。由于目前它广泛应用于生产制造和标准产品中，在很多发表的计算机辅助夹具设计研究和应用中，采用模块夹具原理来进行夹具设计。早期在模块设计中计算机辅助夹具设计仅仅使用的是CAD系统装配图的绘制能力。模块夹具元素如底板、定位、支撑和爪被储存在数据库中。基于夹具理念，首先，设计师指定主要定位表面及其定位器的位置，合适的装夹表面及位置，接着在要求的位置上选择放置合适的夹具组件。虽然在产生夹具配置的总时间上得以减少，但最后的设计很大程度上依赖于设计师德经验。因而他们只给设计工程师提供很简单的工具，而设计师们基于一些商业CAD软件扩展功能的基础上进行手动夹具设计。结果，即使有着许多的研究成果，但目前计算机辅助夹具设计在工业上的应用仍旧十分局限。在过去的十年中，为了寻求将更多的设计知识转化为半自动或自动计算机辅助夹具设计系统的技术突破，人们将更多的注意力集中到计算机辅助夹具设计的智能方法上。在下面的版块中会做具体的描述。（表1）3.现有技术水平3.1 智能和自动夹具设计方法典型的，夹具设计包括了爪、定位器、支撑点的确认和有着对应功能的相应夹具元件的选择。夹具的设计过程主要由四个阶段机构设计（D1），夹具设计（D2），夹具装置设计（D3）和检验（D4），如图11所示。机构设计过程决定了完成整个制造过程需要的机构数目以及每个机构的任务，如工件和正在进行的生产工艺，每个机构中工件的位置和方向。一个机构代表着不需要手动进行工件的位置和方向的调整就可以通过一个小的机械工具节能型工件上工艺的结合。在夹具设计过程中，需要确定定位和夹紧操作的表面以及工件上准确的定位位置和夹紧点。在制造过程中定位点的位置和数量必须保证工件的完全约束。在第三个夹具设计阶段，生成了合适的装置。在检验阶段，要保证工件的所有制造要求都能满足。设计也必须核实以保证它能满足其他设计的要求包括夹具成本、夹具重量、装配时间和工件与夹具装置的装卸时间。目前，尽管已经提出了许多的夹具设计的技术并缺的了一些成就，成熟的与商业的计算机辅助夹具设计应用仍然很有局限性。现有生产制造的推广中，夹具设计仍旧是一个主要的瓶颈。目前这项工作仍旧是传统的设计者集中模式，所有的夹具设计的相关工作很大程度上依赖于设计者的经验和知识。这种情况制约了生产率的提高，培养一个夹具设计者需要很长的实践使夹具设计工作成为一个主要的瓶颈。因而，综合传动几何设计工具、设计知识和过去设计案例额的新型智能和自动化技术在学术和工业上都获得了过多的关注。该领域中过去十年的成果以使用不同智能方法的多样的计算机辅助夹具设计应用表现，如专家系统、基于计算机扶着软件工程的推理以及遗传算法等。在本质上说，开发夹具设计方法需要解决2个主要的问题：如何在计算机中体现家具设计知识以及如何实行问题的解决程序。20年前在计算机辅助夹具设计的初始期，专家系统常被当做启发工具使用，可以引导夹具设计者获得完全的夹具设计的解决方案，尤其是在一个交互环境中的夹具结构设计。在大多数的这些方法中，设计知识是根据一套假设规则模仿的。因而，在交互夹具设计阶段，设计解决方法会通过一系列基于这些规则的问答板块得出。然而，建立一个对设计效率和结果质量有明显影响的推论程式的足够完全的规则集和逻辑树是很难的。此外，交互模块同样使推论程式显得很无聊。表1. 目前的计算机辅助夹具设计文献与专家系统相比，CBR不需要如此多复杂的领域知识系统。它主要集中于通过模仿过去的案例，基于假定有一个相似夹具设计结局方法的相似工件来创建一个新的结局方法。因此，首先，他侧重于构造夹具设计案例并强调集中于测量相似性的一些重要数据。接着，将会通过比较案例并修改最佳的方案来生成最终的结局方案。CBR技术可以避免耗时及昂贵的实验，并且不需要太多的复杂结论就可以为具体的设计提供一个好的起点。表2给出了过去十年中一些CBR方法的比较。在CBR中2个技术仍旧是重要及必须的。一个是一种有效提炼、建模和利用夹具设计知识的方法，另一种是一个有效的技术系统可以帮助夹具设计者简化设计过程并生成设计方案。现在流行的案例建模方法是基于属性集得。Chen使用了一个案例模板来综合所有的夹具设计案例，Fan将夹具设计分成3个属性组，零件描述、设置描述及夹具描述。然而，很少有定义和选择合适的属性的指导方法。所以这很大程度上依赖于设计者的经验：设计者选择一些他认为对目前的设计案例很重要的属性并将它作为一个计算和搭配储存案例的矢量。因而，它以系统化夹具设计领域相关知识的要求表现来定义计算机辅助设计的设计要求。因此，Boyle开发了一个方法来定义夹具设计信息在2个信息库中：概念设计信息以及夹具单元信息。此外，Hui将夹具设计信息重组成三个块：工件、夹具计划和夹具单元。表2.一些计算机辅助夹具设计中的CBR方法夹具设计领域知识体现对CBR程序有个很重要的影响。事实上，一个单独使用形似属性的CBR系统通常无法获得精确的结果。有时，这次设计者设置的属性不能满足下个案例索引，或者案例间高度的相似性不一定能简单的适应一个案例。大多数文章中的CBR程序是相似的，如Aamodt的经典模型的一个周期。但作为一个传动的基于经验的设计过程，在CBR的一个周期后，现在的夹具设计并不能获得一个好的解决方案。这就是我们为什么提出一个交互多层CBR夹具设计系统。多层次CBR通过粗索引、解决方法配置来确定物理形式，每个周期的结束可以获得一个更新的机会并接近结果。每一次，在一个CBR程序完成案例索引和检索后，系统将会提供给设计者一个具体结果的案例选择，而不是仅仅提供最优的。接着设计者要选择较好的案例并提出哪些地方需要改进并如何改进来解决新案例。因此，这是一个可选择的设计过程，需要多轮的CBR检索和人为操作来获得最终的解决方案。3.2 最优夹具配置布局的生成在CAFD区域中最优夹具配置布局生成的研究获得了很大的关注。这些布局指定了夹具接触加工中零件的最佳位置。主要内容与这些传动夹具配置布局文章相似（如图12所示）。第一步是通过加工过程分析方法的应用来求出工件上的加工受力。该分析通常是进行大量加工周期中刀具位置和方向的试验。第二步是利用预先确定的工况来进行夹具工件的变形分析。传统的变形分析是基于有限元法的。算出负载和加工表面的形状，接着在给定的固定和装夹方案下，就可分析出工件变形是否在允许的范围内。一般来说，如果考虑整个加工过程中的夹紧力和加工力，对动态加工过程进行数字模拟，长时间计算后工件变形的分析会更为精确。最后，它使用一种最优化方法来寻找一种潜在解空间，并确定允许范围内具有最小变形的工件位置。大多数相关的工作都需要一些假设条件：将夹具工件的接触看成点接触。工件是可变性的而刀具和夹具是刚性的。因此这些方法的一个局限性在于它们通常给出一个夹具定位的指定坐标的列表而没有提供实际性质的夹具单元。即使考虑更多的相关因素，如：使用工件和过程信息，一些性能指标。在设计过程中，夹具单元信息同样是可以明确其基本类型和组件性质的重要概念。目前，夹具物理形态的设计是以几何为基础的，夹具物理设计的自动化及智能化的系统研究仍有很长的路要走。一种有趣的方法是使用需要的高度作为夹具单元系列的标准尺寸，然后完成具体的夹具形状。特别的，这种方法常用于夹具单元与几个存在的模块夹具元件相配合的模块夹具单元设计。因此夹具的高度在寻找潜在装配元素的时候起到了重要的作用。图12.传统的基于FEM的夹具设计方案分析框架3.3 夹具设计验证夹具设计验证是一项通过分析它的几何驱动能力、完成公差、变形、夹具工件系统的稳定性以及装夹目标完成性等来验证完成的夹具的设计的技术，同时它提供了设计相关的改进意见。夹具验证是夹具设计过程的一个整合部分，需要能检测出夹具建造过程中发生的任何冲突。出于以下几点，夹具设计的方案需要经过验证：（1）设计过程中有太多的因素；在过程中很难建立确切的分析模块。（2）设计的约束条件需要单独考虑；当一起考虑时可能产生一些矛盾的约束条件。（3）在一个制造系统中夹具设计与其它过程有密切的联系（如计算机辅助过程设计和计算机辅助制造）；设计方案需要验证能用于整个制造系统。在夹具系统的使用中为了判断系统是否处于良好状态，同样需要进行验证或监视。如图13所示，Kang和Rong开发了一个计算机辅助夹具设计验证的方法论将各种各样的验证方面统一在一个方框中。图13.夹具验证系统的图框在该领域中，工件夹具系统的稳定性尤其是系统的变形和精度需要更多的关注。夹具工件系统稳定性的研究可以给工件夹具系统的变形和错误链提供一个机构，而工件夹具系统将会引导使用者选择完美的夹具，调整为合适的夹紧力和装夹位置来使加工中的工件保持一般合适的接触力并处于正确的位置上。通过比较，根据大多数研究集中在只有一个工件且很少关注整个系统的自由度和约束条件的机械夹具，即使在装配相关夹具时该问题也很重要。根据Amaral等人的工作，在工件变形分析之前，传动的工件夹具系统的稳定性研究需要模块化工件边界条件并提供加工过程中的负载。然而，他们只考虑了定位和爪的位置，并没有考虑到这个过程中夹具的变形。公差是基于表面样本点定义的，而该工件夹具系统是刚性的。这种刚性夹具和无摩擦接触点的工件夹具系统在文献中被大量描述和研究。然而，在加工制造尤其是精密和超精密加工制造中，工件夹具系统的灵敏性的理解将很有利于加工复杂的零件或形状复杂的精密零件。所以在分析和数值仿真过程中，需要考虑装置的刚度，且工件夹具系统的接触模型同样需要更为精确。在工件夹具的建模上人们花费了很大的努力。Ratchev等人使用弹簧座代表夹具和工件之间的点接触。Asante提出了一种面与面接触的工件夹具模型，并考虑了这些面之间的摩擦。假设工件和定位板/爪之间的接触接口满足弹簧线性特征，所以弹性变形是作用于接触界面正向和切向的所有力的线性影响。假设一个单一情况的工件夹具接触，Satyanarayana提出了一个不同边界条件的比较分析接触单元、节点边界条件可用于球面-平面和平面-平面的接触模型。然而，他们仍然认为夹具是刚性体。理解夹具单元的刚度模型，尤其当预测工件夹具系统中接触须臾的接触负载和压力分部时是很有用的。因而，在夹具的具体设计时这可以帮到设计者很多，尽管目前来说，夹具设计的物理模型通常依靠设计者经验的几何分析。3.4 工件夹具系统的变形和错误分析夹具的位置错误对工件的加工错误有直接影响。在该领域，2个问题常被拿来讨论：一个是从一个已知定位误差来预测误差产生的误差特性，另一个相反则是通过建立定位误差界限来保证利用几何公差的限度标准在一个不能违反的特征内。所以实质问题是如何表现加工误差，装夹误差和工件夹具系统的变形之间的关系。定位器位置误差，定位器表面几何误差和工件的基准几何误差可以通过工件的定位误差来体现，从而转化成一个机加工特性中的产量形状误差。夹具定位误差主要从3个方面获得。（1）定位器的位置变化是定位器装夹误差的直接原因。在夹具设计时，该变化通常被指定在一定的位置公差内。（2）另一个原因是定位器几何形状的变化，如一个指定球形定位器的轮廓公差。在加工过程中，定位器的机械磨损同样会引起装夹误差。（3）第三个原因是工件物理数据特性中可能存在的几何变化。基准几何变化和装夹误差对工件本体的参考框架嵌入式有同样的影响。装夹方案的主要目标是降低制造误差包括本质上由定位器的位置和几何变化以及工件本身的几何变化所引起的三种装夹误差。夹具定位方案的不精确会引起工件的几何偏差。对一个工件来说，这个偏差必须在规定的几何公差所允许的范围内。许多控制制造误差的方法已经被提出了，例如，（1）使用刚度优化加工夹具来保证加工零件表面规定的公差界限；（2）在制造过程中，现有夹具的夹紧力可以通过FEA分析来调整继而补偿加工误差，或者（3）调整合适的夹紧力来产生一般的接触力和接触区域的压力分布来保持加工过程中的工件位置。然而，使用复杂FEM的工件夹具模型和制造过程通常会被基本的误差来源所影响，引起不良结果：（1）由于过程信息的缺失引起的数据输入错误，（2）制造过程不合理的简化、理想化和假设，（3）边界条件的不当建模，（4）数值四舍五入，（5）离散化误差，（6）重组误差。除了这些原因外，在加工误差和夹具位置误差之间关系的研究中，一些工件夹具系统模型的假设同样可以引起结果的变化。例如，假设工件夹具系统是刚性的物体，并且工件夹具接触是一个理想的无摩擦点接触。4、结论与未来研究计算机辅助夹具设计方法、系统和应用的发展的近期成果在该文中已做了介绍。至2010年为止，最近几年，人们发表了各种计算机辅助夹具设计的文献。然而，目前的设计和自动化理论与技术仍不成熟。目前大多数制造过程中的商业化的夹具设计工具是传统的基于几何学的，例如，一些CAD系统中的模具和工装的设计功能等，UG和PRO/E，一些夹具制造商的软件等，Bluco 公司、Jergens公司。他们只给工程师提供了一个夹具组件库或者简单的模型来进行基于一些商业CAD软件的扩展功能手动的夹具设计。在现代制造的发展中夹具设计仍然是一个主要的瓶颈，尽管许多先进的CAFD技术已经被提出。那些技术同样需要时间的检验和实际制造环境中的评估并需要与其它产品和工艺设计活动相结合。因而，这几个研究方面是有前途且富有挑战性的。4.1 开发智能计算机辅助夹具设计技术人们已经意识到计算机夹具设计的开发可以获得高效率，稳定精度，短生产时间以及低成本。但真正的计算机夹具设计系统的性能是基于强力的系统能否“替换”或超过一个设计师收工完成的。例如，人们热衷于研究使用不同的变化启发的方法来获得优化夹具布局方案，通常需要几何和力学计算的足够多的精度。事实上，计算机支持的智能算法在这项工作上有更好的表现。与此同时，在工件夹具系统中分布多传感网络并使用网上智能控制技术可以适当的调整加工过程中的装夹接触和力来保持一个优化的夹具工件情况。那是过去几年中夹具设计应用的智能技术快速发展的重要原因。此外，近期在一些新知识相关的技术中的成就中，如知识模型化，数据挖掘技术，机器学习等等显示了先进计算机辅助夹具设计的一个更加光明和成功的未来发展。在许多制造公司中，有经验的夹具设计师的技术知识，大量的技术文件和许多好的设计案例是夹具设计非常重要的资源