现代计算机辅助夹具设计

第1章引言制造业是国民经济发展的基础行业，是国家竞争力的主要体现及国家安全的重要保障，对国家的安全、防卫、高科技甚至生活水平和财富的创造起着至关重要的作用。随着全球经济一体化进程的加快，制造业需要具有能够在全球的市场中进行竞争，并最大限度地根据区域和个人的需求来定制产品的能力，来更好地满足多样化的客户需求。而这一问题的关键是开发能够采用大规模生产的效率来生产中小批量的客户化定制产品的技术。最近出现的柔性自动化技术，例如数控机床（CNC），高速网络和电子商务，使得这一生产力的大幅提升变得可能。下一页返回第1章引言计算机辅助设计和制造（CAD/CAM）技术是提高产品设计质量、缩短产品研发周期、降低产品生产成本的强有力工具，在产品和工艺设计领域的使用己有儿十年的历史。随着计算能力的不断提升，CAD/CAM技术已逐渐从一门新兴技术发展成为一门高技术产业。其应用也变得越来越普遍，己经延伸到小规模的生产车间，甚至位置偏僻的制造工厂。最近，主流的CAD/CAM公司都在试图使用全生命周期管理技术（PLM）把所有与生命周期有关的功能，包括工程、营销和制造等都集成到基于CAD的系统中去。这些PLM产品的使用极大地提高了工程师的工作效率。然而PLM的真正使用潜力还远没有发挥出来。上一页下一页返回第1章引言部分问题在于产品寿命周期功能的复杂性，例如，在德尔福公司内部调查中发现，一个典型的产品图有将近300个相应的制造文档。单一零部件的制造要求有详细的工艺、工装、机床和工艺参数以及要考虑相互之间的复杂关系。而当前的PLM产品大多是通用化工具，经常涉及到要把独立功能软件或模块集成起来，这就要求对相关人员进行大强度的培训以及大量的乎工输入工作。并且由于工装、工件装夹和机床组合的多样性使得通用化的工具难以实用化。上一页下一页返回第1章引言为了全面提升生产效率，汽车工业在高成本及全球竞争的压力下，设计了精益制造过程，使得能够把更新的产品以最低的成本价格推向市场。这些制造过程通常以定义产品的顾客需求为出发点，以满足这些需求为目标，从工程学和技术创新的角度进行产品设计。而设计则规定了产品及每一部件的尺寸、表面质量和公差要求。这些规定决定了生产产品所需的工艺、制造系统以及相应制造装备的设计、制造和使用，甚至产品的生产及生产方式的持续改进。制造系统设计（MSD）一般是在生产工艺定型后，制造系统硬件设备设计和制作之前进行。因此MSD是最有可能进行制造过程优化的阶段。它能够辅助解决面向制造的设计问题，从而提高产品的可制造性。而此时也正是论证优选制造方案以避免不必要的高成本制造装备的投资。上一页下一页返回第1章引言制造系统设计过程中CAD技术的使用使得工程师能够二维可视化地进行工件、工装、设备部件和刀具轨迹的十涉检验，并发现设计中所存在的设计错误或十涉等问题。首先从产品族模型，进行制造特征的自动识别，并选择合适的工艺参数。然后装夹规划和机床工装的选择和设计可根据以工艺表单（BOP）形式表示的实际生产经验来完成。并目通过一系列的验证方法来检验制造计划。如果所有的验证工作能在儿分钟甚至数小时内完成，那么MSD系统就是一个非常有效的评价工具，可在MSD环境下进行工艺和制造系统的评价。上一页下一页返回第1章引言这其中的关键问题之一是建模的复杂性，可采用零件族中的相似性来减小系统的复杂性。同样也可利用机床、工装夹具和加工特征的相似性来对该问题进行简化。对于一个明确的问题或其了问题，验证可以提供反馈或发现一个较优的解决方案。现代的一些优化技术，如遗传算法、模糊逻辑方法和神经网络等都可用来进行夹具布局、定位夹紧布局、工艺排序、制造系统设计、刀具轨迹、加工周期以及成本等的优化。这些优化方法特别适用于一些新产品族的设计，因为这里不能使用启发式规则来进行优化设计。上一页下一页返回第1章引言制造设备按一定顺序布局成生产线就组成了制造系统。制造装备主要包括可能由不同公司提供的机床和工装。由于制造装备的主运动、进给运动以及刀具的形状不同而具有的儿何成形能力不同，通过机床工作台、主轴和夹具在一次装夹中完成特征加工，并目确保加工精度。其中生产时间、费用和产品质量要求以及设备的工艺能力都对工艺规划及其优化起主要的约束作用。在快速制造系统设计过程中，制造设备的能力模型起到非常重要的作用。如果设备单元（机床、刀具、夹具）能力模型一经确立，所有的系统能力就可确定。对于给定的工艺信息条件，可从质量、加工周期和柔性程度来估计系统的制造能力。另外还可通过把加工知识和机床、刀具、夹具的精度以及运动学、刚度等基础理论相集成，实现在零件设计阶段即可进行加工设备能力信息和加工要求之间的映射。上一页下一页返回第1章引言快速MSD及其优化还需要考虑通用加工设备的使用策略。通用制造装备是用来在零件族的特定工序应用最优生产经验进行生产的设备。这些装备可以是机床、组合机床、夹具及其组合。这些设备在处理相似零件的通用能力减少了对新设备的需求，增强了优化能力。通过通用设备的柔性组合，基于零件和工艺的相似性即可完成一系列零件的加工。实践证明对新的生产要求通过采用通用设备能够实现快速优化的解决方案。上一页下一页返回第1章引言夹具设计也是MSD的一部分。夹具设计的目标是产生夹具配置来稳定而精确地装夹工件以完成加工。夹具可以看作机床能力的延伸，因此，在快速MSD过程中，夹具设计应该在早期阶段进行，特别是夹具的概念设计对MSD的可行性验证有很大的影响。同时也应该进行夹具的设计验证，以避免后期出现生产系统费用高和不必要的工艺调整。换句话说，MSD需要智能夹具设计。智能夹具设计对适应产品和工艺设计同时保持功能和结构性能的优化十分必要。智能夹具设计包括：（1）夹具设计的自动生成；（2）设计过程中最优生产经验的使用；上一页下一页返回第1章引言（3）特定功能结构设计的再使用；（4）基于要求性能相关性的参数设计；（5）确保设计质量的自我验证能力。虽然夹具设计可用CAD功能来完成，但由于缺乏科学工具以及系统方法来评价设计性能使得设计变成了反复实验的过程，由此导致以下几个方面的问题：例如经常出现的并可能导致性能下降的过度设计；生产前设计质量的折中；以及夹具设计、制造和测试等准备时间的数周甚至数月的延长。因此，急需夹具的设计验证（CAFD）。

上一页下一页返回第1章引言CAFD整合了采用标准夹具模块构造所需夹具配置的自动组合夹具设计（Rong，1999；Kow，1998）；预先规定夹具元件类型的专用夹具设计（An，1999；Chou，1993）；基于规则和实例推理（CBR）的夹具设计（Kumar，1995；Pham，1990；Boyle，2003）；面向零件族的夹具变异设计（Rong，2003）；以及夹具设计验证（Fuh，1994；Kang，2003）；CAFD的研究提供了一个概念验证原型的方法。夹具设计中如何在多种条件下使用最优的生产经验以及进行夹具设计校验仍然是一个值得研究的领域。目前因有许多制束条件，CAFD的实际应用仍有一定局限性。上一页下一页返回第1章引言随着研究的深入越来越清楚地意识到夹具设计应该是制造系统规划的一部分，因为夹具就是制造系统的组成部分。夹具设计也是制造工艺验证的部分工作，夹具对制造工艺的质量保证、过程稳定性以及工艺操作的便利性都有很大的作用，从而对加工周期效率和工效学都产生了重要影响。因此，本书把CAFD研究和计算机辅助生产规划以及夹具设计和制造过程效验集成起来。在目前基于供应链的制造环境下，夹具设计因设计人员和使用场合的不同而变得灵活多样。虽然多数制造商（也称作OEM，原始设备制造商）直接从事夹具设计的数量并不多，但没人怀疑夹具设计的质量和效率对构建敏捷生产环境的重要作用。CAFD不光对夹具设计过程特别有用，而目对主要的制造企业也非常有用，虽然目前CAFD在实际生产中的应用还不太普及。上一页下一页返回第1章引言夹具设计涉及到大量的科学分析及经验知识的运用。多数情况下，夹具设计是跟领域相关，不同的应用实践所要求的设计也不同。虽然与CAFD相关的技术和系统己经从多个不同侧面进行了研究，但也很难得出一整套综合的系统方法来处理所有问题。因此，本书每一章从围绕该问题的一个个相对独立的主题进行详细研究，并目对所述问题给出解决方案，而目列出了和该问题相关的综述材料和用到的参考文献。读者可以有选择地进行阅读。本书首先系统地阐述了包括夹具设计集成在内的制造系统规划，接着论述了CAFD研究和设计验证的现状，最后在第5，6章更深一步地阐述了夹具分析。本书作为专业人士的参考用书或作为学术研究之用。作者相信CAFD的进一步研究将会使得其在将来有更多的成果应用。上一页下一页返回第2章计算机辅助装夹工艺规程2.1大规模定制生产的体系结构2.2自动装夹工艺设计2.3信息建模2.1大规模定制生产的体系结构2.1.1引言作为连接计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助制造（CAM）的桥梁，计算机辅助装夹工艺规程能够协助工程师把产品设计规范转化为工艺规划。工艺规划的总目标是保证产品质量，生产成本最示化，加工效率或加工能力最大化。对于这些目标不同的生产系统可能会侧重于不同的方面。例如，大规模定制生产更多地强调加工能力，而生产车间和批量生产则注重于生产成本。下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构为了提高企业快速响应全球市场动态变化的能力，目前工业界提出了大规模定制的概念（Jiao，2001）大规模定制能够使企业在生产定制化产品来满足特定客户需求的同时，保持大规模生产的效率。和传统的大规模生产相比，大规模定制通过把产品分组为不同的产品系列而允许生产的产品具有较大的差别。通过一定的模块化规则，将产品分解为许多模块，在新产品中复用一部分模块能够简化产品的设计。另一方面，通过生产工艺能力的最大限度利用，来实现大规模定制的低成本。因此在大规模定制生产中，企业通过柔性生产资源的广泛使用来提高其工艺生产能力。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构大规模定制生产工艺规划的实现需要一个CAD/CAM集成平台，同时应解决以下主要问题：（1）大规模定制生产计算机辅助工艺规划的主要目标是快速地设计出切实可行的工艺计划。因此就需要用一个集成信息模型来准确地描述产品设计和制造之间的关系，从而使得产品设计的更改能够自动地促使工艺计划做出相应的更改。（2）大规模定制生产的决策策略需要扩展。除了一般的生产系统都需要遵守的规则之外，还应该对一些和零件族生产有关的特殊策略和优良实践进行分析和综合。（3）由于大量柔性生产资源，例如多件夹紧夹具、多轴机床和组合刀具等在大规模定制生产中的应用，工艺规划系统的设计必须考虑对这些柔性生产资源的处理。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构这一节将介绍计算机辅助工艺规划（CAMP）系统的体系结构，同时阐述上面所提及的主要问题。本章的随后两节将介绍支持这个CAMP系统的自动装夹规划方法和信息建模技术。夹具设计也是该系统的重要组成部分，但因其在技术上相对独立，因此在后续的章节中介绍。本文主要以非回转体零件为对象进行装夹工艺分析。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构2.1.2目前发展的技术水平计算机辅助工艺规划可以分成5个步骤：零件信息建模，特征工艺设定，生产资源能力分析，装夹工艺规程和夹具设计。在过去的30年中，人们在这些领域的研究取得了许多重要的进展。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构1.零件信息建模零件信息包括几何尺寸信息和设计规格（公差、表面质量等），这些信息在CAD模型或者一些中间文件（STEP，

ICES，等等）中定义。特征技术是表示零件信息的有利工具。根据图论，零件信息可以用特征公差关系图CFTG）来表示，零件分解为许多特征，设计要求则通过这些特征之间的关系来描述（Zhang，

2001）。目前仍然存在的挑战是如何设计一个综合的零件信息建模系统，使得不经过编程就能添加新的特征。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构2.特征工艺设定通过对特征工艺方法设定来把待选工艺过程和特征联系起来。特征工艺方法可用两种模型来表示。一种是把待选工艺过程列表和特征类型关联起来。另外一种是把工艺处理类型和其所能生产的所有零件特征相关联（Naish，1996）。一般来说，需要同时使用这两种表示来定义特征和工艺过程之间的关系，同时这些工艺过程应该包括所使用的刀具和机床。如果要添加一个新的特征类型或者工艺过程，则所有预定义的特征工艺方法都必须更新。更新过程所涉及的维护工作干分巨大和烦琐。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构3.生产资源能力分析生产资源包括机床、刀具和夹具。在大规模定制生产环境下，如何评估待选资源的能力以及根据这些资源来获得最优的生产工艺流程，是目前所面临挑战。目前还没有一个切实可行的解决方案能够适合当前市场上各种如此之多的生产资源。4.装夹工艺规程装夹工艺规划的目标是确定合理的装夹次数，每次装夹中工件的定向和加工顺序。目前进行的研究主要集中在以下几个方面：上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构（1）装夹约束建模。Huang（2002）在装夹工艺规划的研究中考虑了几何、加工和运动学约束。目前研究的几何约束包括回转体和非回转体零件的特征方向（Huang，1998；Rong，1999）和公差分析（Huang，1998；Zhang，2001）。加工约束通过如下一些加工知识来建模，如：操作优先约束（Rong，1999；Huang，1998）和良好工程实际经验（Kiristsis，1995）。（2）决策策略。各种技术例如基于知识的专家系统（Zhang.H，1999，神经网络（Chen，1998和基于图论的分析（Zhang，

2001）已应用在辅助装夹工艺规划的研究之中。然而目前的研究仅考虑有限生产资源能力（Huang，

1998）。但是对有多轴CNC机床，柔性夹具和复杂切削刀具大规模定制生产，目前没有系统能够生产装夹工艺计划。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构（3）不同装夹之间的公差建模。目前，基于图的表示法被认为是描述基准和加工表面之间关系的有效工具（Zhang，2001；Britton，2002）。通过使用图，很容易追踪到在加工过程中误差的积累关系。（4）和生产规划系统其他模块的信息集成。设备规划和以下几个过程具有密切联系：误差分析，夹具设计和生产规划。我们要确立一个信息互换标准使集成更加可靠和具有柔性。5.夹具设计夹具设计的目标是产生夹具的设计规划，使得工件能够在加工过程中被牢固、正确地夹持。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构以前的研究工作集中在以下几个方面：组合夹具的自动设计，使用标准的夹具部件来构造不同的夹具（Rong，1999；使用预定义的夹具组件来设计专用夹具（An，1999）；面向零件族的变异夹具设计（Rong，2002；夹具设计校验（Kang，2002。在大规模生产或者大规模定制生产环境下，通常使用多件夹紧夹具来实现生产周期的优化。但是，目前还没有开发出一种适合多件夹紧夹具设计的优化方法，来满足大规模定制生产的要求。在以下几个方面还需要更多的研究：夹具体的选择/设计；工件的布局和定向；多件夹紧夹具的布局。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构此外，生产规划需要考虑所有加工特征来确定一个最优的工艺流程，同时也需要根据工艺流程所确定的夹具和这些特征在夹具中的放置，决定加工这些特征的一个最优刀具路径。总之，当前的技术主要存在以下三个层次的不足：（1）特征层，特征和工艺方法被预先定义的格式所约束。新特征和新工艺的增加需要重新编程。（2）零件层，装夹工艺规划缺乏一种机制来同时兼顾产品特征公差关系和柔性生产资源能力。这就使得大规模定制生产下很难实现实际可行的装夹工艺规划。（3）设备层，目前还没有研究能够处理多件夹紧夹具设计和相应的整体加工刀具路径生成。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构下面将对计算机辅助生产规划系统进行综合介绍，该系统适用于大规模定制生产。其主要特点是：（1）建立了一个综合加工特征、装夹工艺和生产信息模型，使得不需要额外的编程工作而实现新特征、工艺过程和生产资源的添加和使用。（2）从上面讨论的二个层次来组织零件族的最优制造经验。因此，该生产规划系统是模块化的和可扩展的，从而容易实现基于己有零件族的生产计划生成新零件的生产计划。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构2.1.3生产规划系统图2.1所示为大规模定制生产的计算机辅助生产规划系统结构。首先，零件信息通过特征公差关系图（FTG）来表示。在FTG中，产品特征是基本组成单元，能够从CAD模型中提取。特征加工方法可从可以利用的生产资源能力来产生。装夹工艺规程可分为两步进行。第一步，加工特征按功能组合进行分解，同时产生基准加工特征关系图（DMG）（Zhang，2001）。

上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构DMG是由公差分析和生产资源能力分析得到。第一步，考虑夹具规划生成装夹工艺规程。夹具概念设计用来确定零件在夹具体上的最优加工布局，用生产计划生成模块来产生可选的解决方案。可以使用一些准则来评估这些解决方案，以获得最优的装夹工艺规划。生产资源能力建模是计算机辅助生产规划评价的标准功能之一。1.基于特征的零件信息建模在大规模定制生产的计算机辅助生产规划系统中，根据实践经验，具有几何相似性并且能够提供相同功能的零件被归为零件族。零件的信息由特征和特征之间的关系构成。为了表示零件族信息，把特征的定义扩展到组合特征，组合特征由基本面（包括平面）、柱面和锥面构成。图2.2所示为一个简化零件模型中的组合特征。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构组合特征由连接在一起的几何实体所定义，因此，它们能够在一个或多个加工工序中完成加工。根据实践经验和生产资源，每个组合特征和一组预定义的加工工艺过程相对应，并目在该加工工艺过程中可通过使用组合刀具来减少加工时间。这些加工工艺过程可作为成功的生产经验。图2.3所示为所使用的组合加工特征的信息结构。加工表面是不能再分解的基本面，可用数学上的数据集来表示，这样就可以使用面向对象编程的技术来处理。主加工面（MS）是指那些能够决定特征类型、主要参数、位置和方向的加工面。辅助加工面（AS）是指那些和主加工面相连的加工面。特征信息能够更进一步和局部加工刀具路径相联系。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构图2.4所示为一个示例零件孔特征的定义。加工表面的参数直接从零件的CAD模型中提取。而特征参数可通过加工表面的参数来计算。2.特征加工方法该模块用来为加工特征及其被选中的加工过程产生几何形状、尺寸和公差信息。在大规模定制生产环境下，利用制造资源可构成不同的方法来加工组合特征。众所周知，制造资源能力能够影响特征加工方法的选择。因此，有必要标识出生产资源和加工特征之间的关系，如图2.5所示。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构图2.5从二个层次描述了制造资源能力：加工单元（机床）、零件和特征层。使用工艺模型来描述加工特征和制造资源能力之间的关系（图2.6）在加工特征层，刀具能力是关键因素，工艺模型包括刀具、刀具运动轨迹和加工特征生成精度。每一个加工特征可以有多个可选的加工工艺，而每一个加工过程都会对刀具设计和运动轨迹有特定要求。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构在这个工艺模型中，刀具类型决定了基本的运动轨迹类型，这些运动轨迹类型可以分解为主运动和进给运动。这两种运动轨迹都可用数学方法来表示。刀具参数和加工特征参数决定了加工轨迹参数。图2.7和表2.1为几个加工轨迹的例子。图2.8显示了孔特征和刀具以及加工这个特征的刀具路径之间的参数驱动关系。刀具模板和刀具路径模板都是基于工业生产中的实践经验得到的。

上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构通过使用这个工艺模型，当添加一个新的特征类型时，可以生成相应的工艺，包括刀具需求和加工轨迹。这些是基于新特征的形状，尺寸和公差生成的。当添加一种新的制造资源时，通过对制造资源能力模型的更新，从而提供更多的解决方案来满足工艺模型的需求。

上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构3.机床能力建模如图2.5所示，从制造资源到特征的映射产生了形状、尺寸和精度、位置和方位等的能力。形状能力是由刀具和机床运动共同决定的，因此，工艺模型中的运动需要转换成机床的准运动。

在大规模定制生产中，'常常有多种相似功能的机床。所以，需要建立一个信息模型来描述所有机床加工能力的相似和不同之处以供工程师加以比较。机床信息模型如图2.9所示。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构4.装夹规程编制一个新零件装夹工艺规程的制定，既可以通过创成式装夹工艺规程系统来获得，也可以从相似零件的己有工艺规程来得到，这些己有工艺规程的加工顺序和参数都是从实践中经过优化后得到的。同时也要考虑加工技术和可利用的制造资源能力。图2.10所示为制定装夹工艺规程的通用流程。

自动生成装夹工艺规程的主要任务包括特征分组和装夹生成2个步骤（Yao，

2004）。零件信息通过特征公差关系图（FTG）来描述，而特征公差图（FTG）中的加工特征根据公差分析可划分为功能组。根据加工资源能力分析来生成装夹工艺。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构

特征分组。为了使多次装夹的公差累积最示，建议那些有严格尺寸、位置、方向或形状公差要求的特征共用同一个基准。根据对特征公差图的分析，为了对特征进行分组，必须建立由二正交方向的基准面构成基准框架。同组内的特征紧密相关，最好在同一装夹中被加工。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构

尽管建议有严格公差要求的特征在一次装夹中完成加工，但机床能力有时不能保证在一次装夹中完成所有特征加工。所有遴选的加工工艺过程被加到FTG中的特征以后，还要结合刀具接近方向对工序进行重新编组。特征公差图会随着工序信息而扩展。有相同加工基准和相同刀具接近方向的特征可重组到一起，从而构成一个基准加工特征关系图（DMGI）。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构装夹生成。制造资源能力制约装夹生成。每一特征组可以用通用的制造资源例如通用机床和夹具在一次装夹中加工。大规模定制时，为了得到更高的生产率，广泛使用多件夹紧夹具和多轴数控机床，从而使得装夹的次数大大减少。根据可利用的加工资源能力的不同，而生成基准加工特征关系图（DMG2）。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构在装夹方式生成时需要解决以下几个问题：（1）根据可利用的加工资源对特征组重新组合。通常将相同基准面的那些特征组一次装夹完成加工。图2.11为装夹方式生成的算法。（2）确定每一次装夹的定位基准并传递给夹具规划模块。夹具规划模块输出定位点和夹紧面。（3）确定每一次装夹的加工顺序。加工顺序的问题可以转化为数学问题：在特定约束条件下遍历DMG2图中每一个顶点的最优化途径。经过每一个顶点的次数由和每一个特征相联系的工艺的数目所决定。

上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构约束可分为强约束和弱约束。强约束要求优先考虑并目必须保证，而弱约束来自于实际加工经验并可能提供较优的解决方法。强约束包括：（1）特征的加工顺序；（2）图中的加工顺序依赖关系。例如，先面后孔和先孔后槽；上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构（3）先粗加工、半精加工后精加工；（4）最示化换刀和调整机床时间（例如，工作台分度时间）。下面是一个弱约束的例了：为了缩短换刀时间，铣外法兰面可以和加工安装孔的钻孔、倒角、背倒角结合完成。图2.12所示为一个示例零件加工顺序的解决方案。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构5.计算机辅助制造规程中的夹具设计夹具设计包括方案设计、详细设计和设计性能校验。方案设计包括夹具体选择和零件在夹具体中的布局。夹具详细设计主要是考虑相似零件族的实践设计经验，生成夹具元件及其布局。设计性能校验主要是对夹具设计的改进进行验证，主要对下面几点进行效验：（1）干涉检验；（2）为避免切屑堆积而形成断屑；（3）定位精度；（4）稳定性问题；（5）夹紧的顺序；上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构（6）误差校验，预定位和预夹紧；（7）人因因素（装、卸载的便利性）。图2.13所示为通过计算机辅助制造规划系统产生的夹具设计改进的例了。夹具体的结构根据用于该零件族的通用夹具产生（Rong，2003）。零件的尺寸决定了夹具体元件的尺寸。

6.加工规划的产生加工规划对大批量和大规模定制生产干分必要。这可通过对几个可行的夹具概念设计进行比较，生成一个可行的加工规划用来完成，加工规划要完成以下几个任务：（1）确定夹具上所有零件加工特征的较优加工顺序。（2）根据加工顺序确定夹具上加工所有零件特征的合适刀具轨迹。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构（3）缩短生产周期并优化加工工艺。生产周期是选择加工工艺的最基本准则。生产周期包括：切削时间、快速行程时间、换刀具时间和机床工作台分度时间。切削时间由切削参数决定而其他时间与机床性能有关。因此通过调整切削参数、机床参数、甚至改换机床等措施能有效地缩生产周期得到好的加工方案。（4）生成加工工艺规程文档。工艺规程应按照公司特定格式生成，包括装夹、加工顺序、机床、工装、加工参数等。工艺规程有助于用户理解系统做什么和在加工决策过程中应考虑哪些信息。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构表2.2列出了对于装夹1的夹具概念设计的二种方案，同时表2.2显示了简化的零件和夹具体的基本信息。使用相同的刀具和切削参数可以有不同的加工周期。可以看出，对于装夹1，桥式是最好的解决方案，因它有最短的加工周期。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构2.1.4小结本节提出并介绍了一个用于大规模定制生产的计算机辅助加工工艺系统的整体体系结构。本研究的目标是为快速设计和制造系统的模拟提供一个计算机化的工具，它强调的是实践知识的运用和对生产规划的分析。在该系统中，使用基于零件信息模型的特征来表示零件信息；组合特征用参数化的方法表示，并随后用来确定基于可利用的工艺资源和能力的加工方法和过程；对基于图论的自动装夹工艺规程进行扩展，使得其能够处理柔性加工资源、多工件夹紧夹具规划和加工顺序优化。系统最终能根据公司规定的格式自动产生标准的加工规程文档。上一页下一页返回2.1大规模定制生产的体系结构

该研究主要是针对装夹工艺规程和加工单元级的规划，而工艺水平级的优化例如刀具轨迹或加工参数的优化则不是研究的重点，但优化得来的结果可以集成到该系统中。夹具设计和误差分析是加工工艺规程中两个重要的任务将在一个独立的章节中讨论。上一页返回2.2自动装夹工艺设计在LAPP中，装夹工艺在保证产品质量降低加工成本中扮演着重要的角色。装夹工艺设计的主要任务包括：（1）识别加工特征和相应的加工工艺；（2）确定装夹次数、零件方向、定位基准面和每一次装夹的加工顺序；（3）确定机床和夹具。装夹的目的是为确保加工的顺利进行而将零件在机床上定位并夹紧。常用的保证两个特征之间的公差的定位方法有二种：①在同一装夹中完成两个特征的加工；②用其中一个特征作为基准加工另一特征；③在不同的装夹中使用中介定位基准完成两个特征的加工。下一页返回2.2自动装夹工艺设计可以推出方法①因为没有引入定位误差（Rong，1999），有最示的加工错误。方法②因两个特征不能在同一此装夹中加工而包含了定位误差。使用方法③时每一装夹的两个特征都包含了装夹误差，形成了误差累积。因此，为了减少定位误差的影响，在制定装夹工艺设计时应优先考虑装夹次数最示化和在每一次装夹中尽量使得同时加工的特征数量最大。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计在装夹工艺设计研究中，总是从零件信息的分析开始。目前，基于图的表示法被认为在零件信息和装夹工艺设计中表示多对多关系的行之有效的工具。扩展有向图包括特征公差关系图（FTG）、基准加工特征关系图（DMG）用来表示真实位置参考基准框架下的零件设计公差规范和加工公差关系（Zhang，2001）。使用这些图，可以很容易的跟踪加工过程中的误差产生路径。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计除了公差分析，在装夹工艺设计中还要考虑特征方向、约束优先、运动学分析和力学分析等方面。在装夹工艺设计中可使用这几种方法学和计算准则，包括回转体零件公差分析的矩阵图法（Bai，1993；Huang，1997），用于二轴立铣中心的混合图理论（Zhang，1999），一种在用于带有将特征顺序问题转化成基于旅商约束问题（TSP）的Hopfleld神经网络的棱柱形零件的装夹设计方法（Chen，

1998）。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计在所有这些准则中，均只考虑了有限的加工资源能力。但当使用多轴数控机床和多工件夹紧夹具时，尤其在大规模定制生产中要生成切实可行的装夹规程是相当困难的。此外，装夹工艺规程设计和夹具设计是两个紧密相关的工作。因此，装夹工艺规程受到所用夹具的限制，但是更多的研究者通过侧重装夹工艺规程设计或夹具设计一者之一来克服这个问题（Huang，2002）。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计本节提出了一个系统化的策略，来完成利用柔性加工资源加工非回转体零件的自动装夹设计。包括二个技术特点：（1）应用图论来描述特征公差关系图（FTG）和基准加工特征关系图（DMG），从而给出了装夹工艺规程中零件设计公差要求和加工误差关系间的表示方法；（2）单个零件的装夹工艺规程定义为基于公差和加工能力分析以及实践经验的从DMG到FTG的转换；（3）为了能有效地利用加工资源能力，装夹工艺设计通过使用多工件夹紧夹具和多轴机床而扩展到加工单元级。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计首先在2.2.1中讨论图论及其在装夹工艺设计中的应用，在2.2.2中，装夹工艺设计转化为从FTG到DMG的转换的数学问题，其中考虑了误差分析、生产资源能力建模和使用以及实践经验。在2.2.3中，用一个实例来验证自动装夹设计策略的有效性。最后将对于所提出的装夹工艺设计策略的先进性和局限性进行总结和讨论。1.图论图是一个有序的三元素组

G={v，e，i}，v

是一组非空的元素，e是从v中抽出的一组元素，而i是和e中每一元素相关联的映射图。v的元素称作

G

的顶点，而e的元素称作G

的边，图2.15就是一个常规的图。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计如果

e的所有元素每一对顶点都有序的连接，那么G

就称作一个有向图，如图2.15(b)所示。对于两顶点v1、v2，如果边e1是连接一者的唯一边，记为i(e1)=v1v2，一组两个或以上的边叫做多边或平行边，如图2.15(a)中的边e1和e7两个端点相同的一条边叫做共端点的一个环，例如图2.15(a)中的边e6。没有环和多边的图是简单图。那么对一个简单图G，映射功能i是一对一的。因此一个简单图G可以看作一个有序对{v，e}。一个图还可以包含了图。如果

，，并且ih是

ig

到e（h）的约束。2.15(c)就是2.15(b)的一个子图。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计令

G

为图并且v∈V，G中和v有关的边的数目叫做顶点v

在G中的度，记作d（v）。v的输入度d+（v）指的是指向v

的边的数目。v的输出度d-（v）指的是从v

指出的边的数目，而中性度d0（v）则指和v有关的但没有指向的边的数目。在：的一个环计算时v的中性度被计算两次，因此

d(v)=d-(v)+d+(v)+d0(v)（2.1）例如图2.15（b）对于顶点v2，它的输入度是2，输出度是1，中性度是0。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计在图G

中的一条路线是一组由边和顶点组成的可选次序

W:

v0e1v1e2v2e3…vnen

以顶点开始和结束，其中vi-1v和vi

是ei

的两个端点。如果v0=vn，那么该环封闭，否则为开环。如果出现在该路线中的所有边都不相同，则称该路线为轨迹。如果所有的顶点都不同，称为路径。因此G

中的一个路径自然就是G

中的一个轨迹。图论中的路径和回路对装夹排序和加工排序非常有用。通过添加顶点、移去顶点、合并两顶点、两图相加以及从图2中减去图1等图操作，可以产生新图。图2.16是这些操作示例。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计2.特征公差关系图（FTG）零件信息包括特征信息和特征之间的关系信息。可用FTG来表示。特征关系就是特征之间的尺寸和公差要求关系。在FTG中，顶点表示特征，边表示特征之间的尺寸和公差关系，有向图表示关系类型和数值。在它们中间，一对无向顶点表示尺寸公差，一对有向节点表示形位公差。在很多情况下，在两个特征之间可能存在多个公差。因此，一个零件的FTG图是由无向边、有向边和复合边组成。而不仅仅是个简单的图。下面是FTG的数学表达式：

GFTG={F,T}（2.2）上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计其中，F={f1，f2，…，fn}是FTG的一组非空顶点。每个顶点表示一个特征

T={t1，t2…..tm

}是特征关系图的一组带关系的边，通过tj={fi，fk，ftype，fvalue}来定义。与特征相关的边就是特征间关系的类型和数值。如果关系类型是带公差的尺寸或者不带公差的尺寸，那么这个边就是无向边。如果是形位公差，这个边就是有向边，而目第一个特征就是公差的基准特征。图2.17（a）所示为一个简化的汽车制动钳零件及相关术语。X、Y、Z

是预先定义的相互垂直的基准参考面。特征

A和A'是制动钳的两个安装孔。它们之间有一个尺寸公差和平行度要求。B和B'也有同样的要求。尺寸公差通过无向边表示，平行度通过有向边表示，如图2.17（b）所示。因此，在A和A'以及B和B'就有多条边。

上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计因为特征与具体加工方法有关，每种加工方法都有可能的几种加工工艺，每种加工工艺还可能还有自己的刀具接近方向。因此，FTG必须扩展为和特征加工工艺相关联。对于具体的零件，它的FTG图是唯一的，但是，一旦一个特征改变了加工方法，它就可能有好几个扩展的特征公差图。因此，装夹工艺规程的任务就是设计连接FTG图上所有特征之间的制造过程的装夹工艺。图2.18表示了以上制动钳例子的一个扩展特征公差图。这个扩展的特征公差图用数学表示方式表示如下：（2.3）其中，F={f1，f2，…，fn}是零件的特征族。每个特征有它自己制造加工工艺f={pi1

，…，pi0}。T的定义和特征公差图中一样。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计3.基准-加工特征关系图装夹工艺规程确定需要多少次装夹来完成一个零件的加工，每一次装夹的基准特征，每一次装夹中完成的加工过程。因此，装夹工艺信息包括基准特征、加工特征和它们的加工工艺。为了满足特征之间的公差要求，应记录制造加工过程所引起的误差。装夹工艺规程信息通过基准特征和加工特征之间的关系来体现，即基准-加工特征关系（DMG）图。一个基准-加工特征关系图包括一个或者多个子图，并目每个子图表示一次装夹。在基准-加工特征关系图中，顶点分成两组，基准特征（灰色实心节点）和加工特征（透明节点）。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计与加工误差有关的边，标示了基准特征和目标特征之间的关系。一段破折线连接在不同装夹中的同一特征。图2.19表示了示例制动钳的基准-加工特征关系图。通过使用基准-加工特征关系图，很容易地表示了加工误差积累信息。基准-特征关系图的数学表达式如下：（2.4）（2.5）其中D={D1,D2,D3}是基准特征；F={f1，f2，…，fn}是特征族和加工过程相关，f={pi1

，…，pi0}和Er={fi，fk，ertype，ervalue}是设计公差。因此就有

。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计基准-加工特征关系图是由表示每一次装夹的加工子图组成的。每次装夹加工包括基准特征、加工特征和在装夹加工中产生的加工误差。ertype和方程2.2中的ttype定义一样。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计2.2.2自动装夹工艺规程在本书中，自动装夹工艺规程设计分为两部分任务：工件层的装夹工艺规程和加工单元级的装夹工艺规程，加工单元级的装夹工艺规程要选择夹具和机床依次加工几个零件。而且，装夹工艺规程和夹具设计是两个关联紧密的模块。夹具设计规划可提供基准定位信息来帮助生成DMG图。同时，加工单元级的装夹工艺规程能提供零件方向，工件在夹具体上的布局等便于夹具的结构设计。当没有可用的夹具设计信息时，可用相似零件的实践经验来帮助生成装夹工艺规程。图2.20为自动装夹工艺规程的体系结构。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计既然工件装夹工艺规程的输入和输出信息能通过特征公差关系图和基准-加工特征关系图分别表达，所以装夹工艺规程的问题就转化为依据公差和加工能力分析将扩展特征公差关系图转化为基准一加工特征关系图。工件层的装夹工艺规程通过二步来实现：特征分组、装夹工艺生成、装夹工艺和工艺过程排序。在特征分组中，公差分析就是在特征公差关系图中确定有公差关系的特征，并建议在一次装夹中完成加工。特征分组时也要确定每个特征组内特征的定位基准都相同。这一步所得信息通过图DMG1来表示，DMG1就是一个简略的装夹工艺规程。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计第一步，加工资源能力的确定，它最终决定了所需要的装夹次数、装夹次序、工件定位、特征和特征在每一装夹过程中的加工工艺。图DMG2中表示的是最后装夹工艺规程结果。每次装夹的公差关系在DMG2可清晰表示。不同的加工资源能力所获得的装夹工艺规程不同。最后，应用优先约束来遍历DMG2中所有的顶点，从而确定每一装夹中的加工顺序。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计基本思想就是通过计算特征公差关系图中顶点的度来找出基准特征和加工特征。第一个基准特征的入度为0。通过应用表2.3所示的算法，特征公差关系图可转化为DMG1，生成初始装夹工艺，并对基准特征以及那些建议在一次装夹中加工的特征分组，联成一串。2.2.2.1工件层的装夹工艺规程1.基于公差分析的特征分组为了最示化装夹之间的误差积累，建议把那些有紧密位置、方向或轮廓公差关系的特征分为一组，并在同一个基准框架下加工。本研究设计了一种算法来从特征公差关系图中提取特征组，如表2.3所示。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计2.基于制造能力的装夹工艺装夹工艺规程的下一步就是考虑制造资源能力。首先，把DMG1中的特征与加工过程相联系。每一加工过程都有其自己特定的刀具接近轨迹（TAD）。那些拥有相同基准和刀具接近轨迹的特征加工过程可重新组合到一个组。刀具接近轨迹是根据工件坐标系来给定。由于有不止一个刀具接近轨迹（TAD）的组，每一个刀具接近轨迹（TAD）都应当不会对特征加工次序造成妨碍。其次，也要考虑机床能力。比如，3-1/2轴机床能提供比3轴刀具更多的刀具接近轨迹（TAD），因此，装夹次数就可以减少。表2.4描述了依据机床性能的特征加工过程重新分组的方法。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计除了刀具接近轨迹（TAD）之外，其他机床性能也应该考虑，比如机器精度、工作台尺寸、运动范围、夹具的复合和刀具几何。详细说明将会在加工单元级的装夹工艺规划中给出。鉴于此，DMG1改进为DMG2。装夹工艺顺序也在DMG2中确定。装夹工艺顺序的基本原则就是确保特征在其用作定位或者其他特征的公差基准之前加工。在这次研究中，该基本原则通过两个定理来体现：定理1：装夹顺序必须根据基准特征顺序来组织。定理2：装夹顺序必须根据特征的加工工艺过程顺序来安排。每一次装夹内加工排序问题通过数学方法转换为在规定约束下寻求一条通过DMG2中每个节点的最优路径。和每个特征相连的加工工艺数目决定了通过每个节点的次数。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计约束可分为强约束和弱约束。前者是第一优先必须保证不能违反，但后者出自于加工经验，可能提供最佳的解决方案。强约束包括：（1）每个特征的加工工艺顺序；（2）保持图中的加工依赖关系。比如，平面优先孔，孔优先于槽。（3）先粗加工，再半精加工和精加工。（4）最下化换刀时间和机床调整时间（例如，工作台分度时间）。对于弱约束举个例了，比如铣平面刀具可以和钻孔以及孔的前后倒角刀具组合以缩短换刀时间。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计2.2.2.2加工单元级的装夹工艺规程众所周知，在所有的制造时间中，切削时间只占其中一示部分。而非切削时间包括换刀时间、刀具快回时间和机床工作台分度时间占了制造周期中的很大一部分。因此在大批量生产中，多工件夹紧夹具的使用可提高生产效率减少加工时间。如图2.21，加工单元级的装夹工艺规程包括如下步骤：1.选择机床可供选择的机床就是那些满足装夹工艺规程中所有性能要求的设备，包括设备轴数等。2.夹具概念设计和工件布局设计夹具设计问题可分为两步：夹具概念设计和包括夹具结构设计和元件设计在内的夹具详细设计。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计夹具概念设计解决所用夹具体的类型、固定多少工件以及这些工件在夹具上的方向问题。在批量生产中，夹具厂商负责设计和制造真实的夹具。因此，在装夹工艺规程层，强调的是夹具的概念设计。夹具概念设计的初始方案出自于实际的设计经验，它包括夹具体的类型和固定在每个夹具上的工件数目，确定工件在夹具体上的方位，从而计算夹具体的可用空间。夹具概念设计被视为机床能力的延仲。也有可能工件级的装夹工艺规程和加工单元级的装夹工艺规程混合设计。因此，夹具概念设计的初始方案一旦产生，就需要对机床能力进行再评估：上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计（1）是否有足够的空间容纳夹具和工件；（2）是否能够加工所有的特征，完成所有的加工过程。假如条件不满足，就可能对夹具体和工件规划进行重新选择和调整，比如调整工件方位，或减少装夹在夹具上的工件数，甚至重新选择机床。3.总的加工过程次序和刀具轨迹的生成为减少每个工件的非切削加工时间，建议使用相同刀具的工艺过程按顺序一起加工。对多工件夹紧夹具应该对所有的加工过程进行排序。从而确保生成相应的刀具轨迹不和夹具部件、机床等发生干涉。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计4.加工周期的计算在批量生产中，加工周期是选择较好装夹工艺规程的一个关键性因素。因此，预估加工周期在工作级的装夹工艺规程是不可或缺的。2.2.2.3制造资源能力建模在本研究中，制造资源分成两步考虑：正确识别和利用机床；夹具和刀具的影响和作用。这对有效控制制造成本非常有用。表2.5所示为这两步的一个概要。

第一步：基于预定义的特征加工工艺关系，确定单独特征加工的刀具和刀具轨迹。由TAD信息确定机床类型。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计第二步：考虑柔性机床能力，设计装夹工艺规程。因为特征方位要求在加工单元级的装夹工艺规程中己经确定，因此需要刘一所选择的机床和设计的夹具从几何学、运动学、精度性能角度进行评估，确保在夹具上的工件的所有特征都能得到正确加工。通过上述两步的制造资源能力分析，影响制造成本的制造资源的主要因素和装夹工艺规程的时间就可很方便的确定，同时可为制造计划快速选择机床和设计夹具。图2.22所示为机床信息的结构。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计2.2.3实例分析图2.17为一个简单零件，它的特征公差关系图FTG和特征加工方法如图2.18所示。以下就是通过自动装夹工艺规划算法所得到的结果。1.DMG1生成结果使用表2.3的算法，可以在第2步中确定特征X、Y、Z为初始基准特征。在第3步中，特征A、B分别有二条边与节点X、Y、Z相连，确定出特征组（A,A'）,（B,D）,（B,C），（B,B',C'）为初始特征组。在第4步中，因为特征E、F、G和H并未包括在己经确定的特征组中，所以需要确定中间基准系。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计根据DMG规则（二个基准必须正交）以及夹具规划中的实际经验，特征B、B'和Z

确定为中间基准，并又组成了特征组（E，F）和（G，H）。表2.6中列出了所有特征组以及每个组对应的基准系。DMG1如图2.23所示。2.DMG2生成结果接下来，需要考虑制造资源能力。首先，DMG1中的每一个加工工艺都具有特定的刀具接近方向（TAD）。所有具有相同基准系和刀具接近方向的工艺特征都可以被重新分为一组，表2.7为重新分组之后的结果。刀具接近方向可以从己经定义的实例零件坐标系中获得。

上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计选取制造资源完成每个特征组中的所有加工工艺过程，二轴机床是基本要求的设备。基于刀具接近方向进行分析，一共需要四次装夹—根据保持特征加工次序中的高优先级约束，第二组特征与第一组特征由一次装夹加工完成。图2.24为相应的DMG2结果。同零件的FTG图相比，可以看出，在特征B和

D

之间存在着一个垂直度公差要求。在这一解决方案中，B

和D

在不同装夹中加工，所以就产生了

B

和D之间的误差累积。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计但是，如果提供了具备分度台功能的二轴半加工中心，就能够得到另外一种解决方案（图2.25）。假设机床坐标系和零件坐标系重合，将分度台调整180°，第1、2和3组特征可以在一次装夹中完成加工，再将工作台刻度调整为106°，第3和第4组特征就可在另一次装夹中完成加工。应用这一方案，不但总装夹次数降为两次，而且

B和

D特征在一次装夹中完成，这样就避免了因为不同装夹而产生的误差累积。因此，在这一实例零件的装夹工艺规划中，一共有两组基准特征集，分别为（X，Y，Z）和（B，B‘，Z）。通过计算它们的度，可以知道X、Y、Z的入度

d-(v)均为0，而d-(B)＞0，d-(B')＞0，d-(Z)＞0，因此，加工顺序是由（X，Y，Z）到（B，B'，Z）。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计3.工序顺序表2.8中列出了使用二轴半加工中心生产实例零件的加工方案的工序顺序。4.加工单元级装夹工艺规程在加工单元级的装夹工艺规程中，需要使用预定义的夹具体，并目生成和评估对机床的相应需求。表2.9为两种装夹中使用的不同的夹具体。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计2.2.4总结如今，客户对于产品的要求是优质、廉价和投放迅速。为了满足客户的需求，生产厂商都在致力于缩短包括产品规划时间在内的产品开发周期。对非回转体类零件加工中自动化装夹工艺规程的各种策略进行研究，己经成为LAPP中至关重要的一步，这也是本书的目的所在。上一页下一页返回2.2自动装夹工艺设计以图论为基础，利用FTG图表示零件信息，利用DMG图表示装夹信息。这样，自动化装夹工艺规程的问题就成为了如何运用公差分析和制造资源能力分析，将FTG图转换成DMG图。另外，在装夹工艺规程中，除了应用上述的各种分析方法之外，实际经验在约束条件的优先级判定和夹具规划中也都得到应用。最后，分析了一个实例，揭示了运用不同柔性制造资源而获得的不同效果。如果使用了合适的机床和夹具体，就有可能获得更优的装夹工艺规程。上一页返回2.3信息建模2.3.1引言当今先进制造业中，企业对于自动化生产设备及系统的投入正稳步增加，这些设备和系统对制造规划提出了更高的要求。制造规划在产品设计和制造之间起到了桥梁作用，从而实现将产品设计规范转化成为生产指导的目的。目前，CAD/CAM系统己经成为了工业中的标准工程工具，然而，计算机辅助制造规划（CAMP）的作用并没有完全发挥。原因有两个方面：原因之一在于缺少正确的信息模型，包括零件、规划编制方法、制造工艺和资源等的信息模型（ElMaraghy，1993），这些信息模型主要有两个方面，它们分别是概念模型和实现模型（或计算机模型）。下一页返回2.3信息建模需要指出的是，对一个制造业企业来说，建立制造规划的概念模型是一件非常复杂的工作，因为制造规划和其他的一些企业活动之间存在着复杂的交互作用。另外，由于产品实际开发过程中不断提出新的要求，制造规划所涵盖的范围也在不断地改变，这也成为了妨碍制造规划概念模型建立的困难之一。近年来，作为一种新的生产模式，提出了大规模定制的概念，并目在工业中广泛应用。在这一生产模式中，既可以生产出满足不同客户特殊需求的产品，又能够保持接近于大批量生产的生产效率。与传统的大批量生产相比，大规模定制支持更多类别的产品，这些产品被分为不同的产品族。上一页下一页返回2.3信息建模在产品设计阶段，通过运用模块化原则对产品结构进行研究，可以将其分解为不同的模块（Magrab，1997），某些模块的再利用就能够简化新产品的设计。在大规模定制中，广泛应用多轴加工中心和多件夹紧夹具，产品成本的降低主要通过提高这些制造工艺能力的利用率来实现的。由于制造资源能力难于分析以及利用率难于提高，所以大规模定制中制造规划的困难大大增加。上一页下一页返回2.3信息建模为了缩短生产准备时间，提高对客户需求的响应速度，模块分析的应用范围将会扩大——从产品设计阶段提前到制造规划阶段。相关的模块共同实现各项任务：包括规划编制方法和信息建模在内的部分模块将会在CAMP研究中得以实现；其他一些模块是为那些己经积累了丰富的最优实际生产经验（best-of-practice，BOP）的企业而设计的。规划编制方法和生产经验的再利用，将大大减轻工程师的工作负荷，并提高他们的工作效率。因此，在对大规模定制中的CAMP研究之前，需要具备一系列条件，包括清楚的规划任务、规划编制方法的重新定义、正确信息模型的建立以及BOP的描述和使用。上一页下一页返回2.3信息建模2.3.2系统化信息建模方法在CAMP中，主要的难题包括对信息的分析，这些信息涉及到制造规划中的各项活动；还包括构建概念化的信息模型，该模型应该能够根据产品设计的改变快速生成包括制造资源利用率在内的制造规划。信息模型是表示产品设计、制造信息内容的数据结构。信息建模的主要任务是采集、描述和维护CAMP中的信息结构和信息关系。在本节中，我们将采用一种面向对象的系统分析方法来分析和表示信息模型，并采用一种系统化信息模型结构从系统的角度表示静态和动态的信息特征。上一页下一页返回2.3信息建模2.3.2.1面向对象的系统分析（OSA）方法面向对象的建模方法是对现实世界进行建模的一种有效的工具。对象是数据和作用于数据的过程（或方法）的封装体。关系构成对象之间的逻辑联系。对象可以是现实世界中存在的实体，例如零件和机床。对象的定义表明了数据和与数据相关的过程之间的关系。现实世界可以看作是由一组相互作用的对象构成，这些相互作用包括静态和动态关系，它们根据人们的思维进行描述。因此，面向对象（O-O）的系统建模的主要任务就是识别出系统内的对象并分析它们之间的相互作用。上一页下一页返回2.3信息建模在本节中，我们将利用OSA方法来分析CAMP中的信息：对象关系模型（ORM）用来表示对象之间的静态关系；对象行为模型（OBM）用来表示独立对象的行为以及它对于动态发生的事件和条件的反应；对象交互模型（OIM）用来表示对象之间的交互作用。上一页下一页返回2.3信息建模1.对象关系模型（ORM）对象关系模型通过对象关系图表示对象之间的静态关系。在对象关系图中，矩形代表对象，矩形下部显示了对象的变量值。对象间主要有两种基本关系：一般-特殊关系，表示某个对象是另一对象的一个种类，在ORM图中，这种关系用透明二角形符号表示；整体-局部关系，表示某个对象是另一个对象的一部分，这种关系用实心二件形符号表示。在使用ORM图时，还可以将详细的关系名称写在对应关系图上。

上一页下一页返回2.3信息建模2.对象行为模型（OBM）行为模型建立的目的是描述系统中每个对象的功能、反应、表现以及相互影响的方式，它同对象的职能描述比较类似。在本书中，我们用状态网描绘对象行为模型，它是由状态、触发器和行为组成。状态描述了对象的状态、所处阶段、境况以及活动；触发器是指能够刺激对象状态改变的事件和条件；行为是指对象的动作。每个矩形分为两部分，上半部分包括了对触发器的描述，下半部分记录了对象的所有行为。图2.27为一个状态网的主要结构。

上一页下一页返回2.3信息建模3.对象交互模型（OIM）对象关系模型用于描述对象之间的静态关系，对象行为模型用于描述孤立对象的行为，对象交互模型用于描述对象之间的相互作用。对象以多种方式与其他对象发生交互作用。例如，一个对象可以向另一个对象发送或请求信息；一个对象可能改变其他对象，或者触发其他对象的某些行为。要想理解对象间的交互作用，我们必须明确二点：第一，交互作用都涉及到了哪些对象；第一，在交互作用中，一对象是如何作用于其他对象，或者被其他对象反作用的；第二，交互作用的机理。上一页下一页返回2.3信息建模应用对象关系模型，我们识别出了各个对象；应用对象行为模型，我们描述出了每个对象的行为；最后，我们使用对象关系模型与状态网的组合构成了对象交互模型，并目用Z型箭头描述对象之间的交互作用。图2.28为一个对象交互模型的例子。通常，交互作用用Z形箭头代表，表示特殊系统中相应的由用户定义的关系。上一页下一页返回2.3信息建模2.3.2.2信息建模的层次体系当使用OSA方法建立一个复杂的系统模型时，击要运用于高级别的对象来进行抽象化，以便减少信息模型的复杂性，同时使得该模型更容易建立、维护和显示。高级别的对象集合将一些相关的低级别对象及其相互之间的关系组合起来，形成一个单独的对象。使用自上而下的方法来将高级别的对象扩充成为一些低级别的对象和关系。图2.29给出了系统信息模型的层次结构。信息模型分成了三个不同的级别。系统模型，包括了若干个范围，每个范围又被细分为若干的子系统。系统模型可以通过分析系统高级别对象的对象交互关系模型OIM之后推衍出来。信息模型，包括了若干对象，每个对象又被细分解为若干状态。状态模型，描述了对象的行为。上一页下一页返回2.3信息建模2.3.3大规模定制中的CAMP信息模型CAMP的任务由四个功能模块（在图2.30中用灰色圆角矩形表示）来实施。

零件信息是由特征和特征之间的公差关系组成。零件信息建模模块对零件CAD模型中的特征和与这些特征相关联的制造策略特征进行抽象。装夹工艺规划需要以公差分析和制造资源能力分析为基础，同时还要大规模定制的知识作为补充。多工件夹紧夹具设计就是要在大规模定制的生产模式下进行。因此，夹具的概念设计决定了零件在夹具上的具体放置方式，而制造工艺规划生成是用来决定最优化的工序排序和夹具上的走刀路线。CAMP中涉及的信息从三个范畴来组织。上一页下一页返回2.3信息建模1.制造数据库和知识库CAMP中需要考虑以下信息并存储于制造数据和知识库中。组合特征。组合特征是基于一些特殊的零件族而定义的。相同零件族中的零件可能会拥有相似类型的组合特征及特征关系，所以零件族的BOP就可以用来作为制定新规程的参考。组合特征制造策略。组合特征与之前定义的制造策略相关联，这些策略中对于特定的零件组所需要的组合刀具、走刀路线，以及机床的运动要求有着不同的设定。刀具和走刀路线的设计依据的是过去的经验，设计好的刀具和走刀路线储存在模板中。因此，当相同的组合特征出现时，就可以重复利用己有的经验。上一页下一页返回2.3信息建模制造资源能力。制造资源包括刀具、机床和夹具，其中的一些是标准件，可以从市场上购得，另外的就需要针对制造工艺规划中特定的工序而专门设计。可获得的制造资源的能力需要用一种CAMP可编译和执行的格式进行描述和存储。制造知识。从BOP中提炼出的制造规则和知识，可以应用于自动推理机制中，比如自动生成特种制造策略，自动装夹工艺规程，自动化制造工艺规程生成。本文中，确定了制造知识的三个层次：①通用级。与特定车间无关的通用知识。②车间级。基于车间中特定制造系统生产过程的附加的工艺细节。上一页下一页返回2.3信息建模③零件级。基于一个特定的车间中确定零件族生产的全部信息。2.最优实际生产经验（BOP）零件族的BOP对工程师设计新的制造规划有着最重要的参考作用。零件族的特定决策策略就包含在BOP中，包括了如何处理在零件设计、零件制造和制造资源能力的运用等方面的相互联系的策略。因此，BOP的决策策略必须首先确定，然后对BOP进行描述，必须做到准确、详尽、而目不能模棱两可。只有这样，BOP才能够在CAMP系统中使用。本文中将BOP信息分成三个层次：特征层、装夹工艺规程层和设备层。上一页下一页返回2.3信息建模3.黑板黑板用来储存由CAMP模块产生的共享信息。计算机就是在黑板中处理由信息模型所表达的制造信息。CAMP中有四个黑板，分别储存特征信息、特征制造策略信息、装夹工艺规划信息和制造规划信息。信息模型的设计要考虑以下几点问题：信息的关系。信息模型的设计要充分考虑其相关联系，努力避免出现信息冗余的情况。信息的集成。信息模型的设计要充分考虑CAMP系统的所有信息需求。不同的功能模块对于相同的信息模型可能有着不同的需求。上一页下一页返回2.3信息建模信息的扩展。考虑到产品开发实际中出现的新的需求，CAMP的范围应该可以相应的变化。因此，信息模型应当能够扩展，从而在不破坏原始信息内容及其关系的条件下，包容更多的信息内容。本文中使用了系统化的信息模型建模方法来分析和表示CAMP中黑板中的信息。如图2.31所示，为了描述所涉及到的主要信息，我们建立了四个对象集，同时这些集合间的交互关系也得以描述。零件信息是输入，它由特征和特征间的公差关系组成。同时，特征的制造策略也同各个特征相联系。制造规划集包括特征级、零件级和设备级决策策略。制造知识集提供了控制制造计划行为的知识约束。制造资源能力集提供了可用的制造资源的描