《计算机辅助设计和制造》-第三章

3.1计算机辅助夹具设计概述夹具是用来在加工过程中定位并夹紧工件的装置，它在缩短制造周期、保证加工质量等方面都具有相当重要的作用，并由此而降低了生产成本。夹具的设计、制造和测试占用了相当一部分生产研发时间。在制造系统中，人们非常希望夹具能够具有柔性，这样可以减少周转时间(辅助时间)。柔性装夹允许对现有夹具进行快速转换，在不用经过大的硬件改动和广泛测试的情况下就能满足新的生产要求。所以，柔性装夹应包含柔性夹具硬件、夹具设计与分析软件。硬件应该包括面向大规模定制零件族的模块化夹具系统和面向小批量制造的组合(和其他柔性化)夹具系统。软件应该包含夹具规划、设计和验证功能以适应快速高效的夹具设计及验证需要，并应用于并行工程环境。下一页返回3.1计算机辅助夹具设计概述3.1.1装夹技术3.1.1.1发展历史回顾装夹技术的历史和制造技术的历史一样长久。从首条生产线诞生以来，专用夹具就被开发出来并发挥着多方面功能，比如定位、支撑、导向、分度等等，因此大规模生产能够得以在工件快速装夹的基础上保证可重复生产质量和高生产率。在装夹技术发展的漫长实践中，夹具部件己经高度标准化以减少其夹具制造成本。同时，也开发了标准通用夹具，比如台钳、卡盘、夹板等等。但是，夹具结构设计离标准化的目标还很远，因为对于同样的装夹需求，往往会有多种解决方案。上一页下一页返回3.1计算机辅助夹具设计概述专用夹具用于专门工件的生产，其设计、制造和测试在产品制造开发周期中占用大量的时间和成本。为了减少夹具开发的时间和成本，在一战期间发展了组合夹具。组合夹具系统是一套标准可重用夹具元件，它可以根据不同的装夹需求组成不同的夹具结构。组合夹具的使用增强了夹具的柔性并减少了夹具开发的时间和成本，使其特别适用于小批量制造和新产品原型机制造。但是，组合夹具在日常生产中并不常用，因为它难以满足大规模生产对其要求的专用装夹的性能，如装夹刚度、接触面积、装夹部件的长寿命和装夹动作的简易性；另外，还因为在大规模生产中夹具的重用性的优点并不很重要。随着成组技术(GT)的引入，基于相似性的概念开发了针对零件族的可调节夹具。上一页下一页返回3.1计算机辅助夹具设计概述可调节夹具是单个夹具，它的某些功能部件可以调节位置或快速变换以满足对不同形状和尺寸的要求。这项技术同时具有专用夹具和组合夹具的优点，尤其适合于批量生产和大规模定制。可调节夹具向模块化和标准化设计的进一步发展，可能更增加其柔性以及特定的装夹性能的优势，尽管这可能增加夹具计算机化的规划、设计和制造的复杂程度。随着CNC技术和设备在生产中的发展和广泛应用，装夹需求也发生了改变。随着机床和切削刀具在性能(运动精度、刚度和可控性)上的进步，现在将粗、精加工或从不同方向对多个特征的加工集中在一次装夹中完成都是很普通的事。上一页下一页返回3.1计算机辅助夹具设计概述这要求夹具有较高的刚性和精度，同时空间效率更高。另一方面，由于机床的高性能，对其他功能的一些要求(如定位和分度)在夹具设计中己经不是必要的了。需要指出的是，尽管为一些特殊应用场合开发了专用和高度创新性的柔性夹具，机械式夹具，特别是组合和模块化可调夹具，仍然是当前实际生产中所使用柔性夹具的主要形式，而且这种情况还将在未来持续一段时间。下面的讨论不仅仅只是有关加工过程中的夹具，还包括其他制造过程中夹具的运用，如装配、焊接、检修、校直等过程。上一页下一页返回3.1计算机辅助夹具设计概述3.1.1.2夹具设计夹具设计是一项经验高度依赖的过程，对高质量夹具的设计需要有干年或更长时间的实践经验，同时它也是一项枯燥、耗时的工作。但对生产质量、周期时间和成本又非常重要。具有验证功能的计算机辅助夹具设计(Computer-aidedfixturedesign，CAFD)己经成为提供夹具设计解决方案的一种方法。尽管夹具能够使用CAD功能设计出来，但缺乏对设计性能进行评估的科学工具和系统方法，导致了只能使用试错策略来验证夹具性能，而这又引发了一些问题：(1)功能上的保守设计，经常破坏夹具的性能(例如：不必要的设计增加了重量)；(2)在生产之前无法确保其设计质量；上一页下一页返回3.1计算机辅助夹具设计概述(3)夹具设计、制造和测试需要时间周期较长，往往耗费数周甚至数月；(4)商用夹具设计缺乏技术评估。在产品和生产设计阶段对快速生成夹具方案设计和详细设计的急迫需求，推动了CAFD的发展，从而又为夹具设计、工艺验证以及CAD/CAM的系统集成提供了条件。在过去的15年中，人们己经认识到CAFD和分析是一个重要的研究领域，它包括夹具规划、夹具设计和装夹验证。夹具规划用来确定工件表面上的定位基准面和定位/夹紧位置，以保证完全约束定位和可靠夹紧。上一页下一页返回3.1计算机辅助夹具设计概述夹具设计用来根据不同的生产要求，如生产批量和加工条件，来生成夹具装配图纸。夹具设计验证用来分析夹具设计性能以判断是否满足生产要求，例如定位完整性、误差累积、可接近性、装夹稳定性和操作的简便性(Rong，1999)。上一页下一页返回3.1计算机辅助夹具设计概述3.1.2计算机辅助夹具设计CAFD包括装夹工艺规划、夹具规划、夹具设计和计算机辅助夹具验证，如图3.1所示。多年以来，夹具规划一直是学术界研究的重点，并在理论(Chou，1989；Wu，1998；Brost，1996；Asada，1985；Martin，2002)和实践(Ma，1999；Fuh，1994)研究上取得了重大进展。但这些分析绝大部分都是基于过多的假设(如：无摩擦的光滑接触面、刚性夹具体和最优化的单一目标函数)。上一页下一页返回3.1计算机辅助夹具设计概述夹具设计是一个复杂的问题，涉及到大量对加工需求的考虑。CAFD技术和系统己经发展到了第四代，即：夹具设计使用基于图形技术的工件分类和屏幕编辑。基于几何推理，研究人员开发了一种自动化组合夹具设计技术和系统(Rong，1997；Kow，1998)。一旦定位和夹紧位置在夹具规划阶段确定下来，组合夹具设计就变成了一个从数据库中选择适当夹具元件并将它们按照期望的配置装配的过程，其中夹具元件之间的装配关系就保存在那些配置当中。图3.2为一个自动组合夹具设计系统的框图。图3.3为一个使用CAFD设计的组合夹具。

上一页下一页返回3.1计算机辅助夹具设计概述在许多情况下，拥有简单外形的专用夹具常用于大规模生产，但是，对于标准夹具元件需求却不是很多。对于某些辅助性元件尤其如此，因为这些元件可以自行制造以满足特定性能要求。于是人们又开发出应用于工业生产中的基于几何约束的CAFD技术和系统。在这些系统中，使用CAD功能可以自动生成夹具设计方案。

对于较为复杂的夹具设计，通常通过对现有的设计修改来满足新的设计要求，尤其是对于大规模定制中的零件族。首先，建立具有装夹信息的工件模型和含有内部约束的现有夹具模型。一旦确定了工件的设计变动，就可以针对新工件自动实现现有夹具的重新设计。上一页下一页返回3.1计算机辅助夹具设计概述夹具设计当中，运用良好的实践知识是进行高质量设计的一个重要因素。CAFD允许继承己有的夹具设计知识进行重新设计，连同夹具验证一起，这就使得夹具结构设计的标准化成为可能。本章主要研究：计算机辅助专用夹具设计(使用预先定义的夹具部件)，面向零件族的适应性夹具设计，基于实例推理(CBR)和基于传感感的夹具设计。通过提供更加系统化和有分析功能的夹具设计方法，CAFD的发展同时提高了工件装夹系统的柔性和夹持性能。CAFD己经逐渐成为并行设计、柔性制造、计算机集成制造、CAD/CAM集成和制造系统重构中所不可缺少的一个系统部分。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计先前的研究己经开发出一套自动化组合夹具设计系统(Rong，1997)。因为专用夹具广泛应用于大规模生产中，本节主要讨论使用预定义夹具元件的自动化专用夹具设计。设计过程可以分为两个阶段：基本设计和详细设计。基本设计活动包括：(1)从标准夹具元件库中选择功能夹具元件，如定位元件和夹紧元件；(2)针对不同夹具设计要求用参数驱动生成夹具底座；(3)在夹具体上把夹具元件装配成为最终产品。下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计为了完成夹具设计，研究人员开发了若干模型来描述标准夹具元件和夹具底座。基于协调性分析建立了夹具元件间的装配关系。详细设计包括夹具单元组合、连接设计、干涉避免修改和基于工艺规则的调整。这里首先介绍基本设计的原理和实现，然后再介绍详细设计。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计3.2.1简介夹具用来在加工时对工件进行定位和夹紧，以保证产品质量、提高生产率和降低成本。夹具大致可分为两种：组合夹具和专用夹具。组合夹具是由标准夹具元件如标准定位元件、夹紧元件、底座和支撑块等等组成，这些元件可以根据不同工件要求装配成多种形式，其常用于小批量生产(Rong，1999)。专用夹具是为特定工件专门设计和制造的，因为其具有专门设计的性能优势，如操作简便、刚性好和高效的结构空间利用等等，一般用于大批量生产中。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计在夹具设计制造严重影响制造质量和生产准备时间的时代，人们非常希望能够在产品设计和制造规划阶段进行专用夹具自动设计和验证，这样就可以通过比较不同的设计得到最佳的解决方案。另外，自动的夹具设计过程也是为了适应柔性制造系统(FMSs)和计算机集成制造系统(CIMSs)的要求。夹具设计可分为三个阶段：装夹工艺规划、夹具规划和夹具结构设计(Rong，1999)。装夹工艺规划的目的是确定装夹的次数，每次装夹中工件的方位，以及在每次装夹中的加工表面。夹具规划负责确定工件表面上的定位、支撑和夹紧点。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计夹具结构设计的任务是选择或生成夹具元件并将它们组合起来以实现工件的定位和夹紧。本节所介绍的研究主要关注的是夹具结构设计。自动化专用夹具结构设计系统的输入包括针对一次特定装夹的夹具规划、工件的CAD模型和夹具元件的CAD模型。系统的输出是一套专用夹具结构设计。以前关于自动夹具设计的研究主要集中于组合夹具。这些研究包括：(1)在夹具元件装配关系协助下的自动组合夹具结构设计(Rong，1997，1998)。(2)基于成组技术(Grippo，1987；Rong，1992)和实例推理(Kumar，1995；Sun，1995)技术的夹具设计检索。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计(3)可装夹性(Ong，1995)和装夹表面可达性(Li，1998)分析。(4)基于运动学分析(Chou，1989；Asada，1985)、专家系统(Nee，1991；Markus，1984)和几何分析(Brost，1996；Wu，1998)的夹具设计。(5)关于专用夹具设计自动生成的初步研究(Wu，1997；An，1999)。专用和组合夹具之间是有本质区别的。组合夹具设计包括一个元件库来存储预先设计好的可参数驱动的标准夹具元件。因此组合夹具结构设计是围绕着夹具元件的装配展开的。而设计专用夹具时，夹具元件可以根据那些拥有不同参数和连接的几何造型来设计。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计这使得专用夹具设计任务中包含着太多的不确定性。所以，为了提高设计流程效率，自动专用夹具结构设计分为两个阶段：基本设计和详细设计，如图3.4所示。基本设计主要包括专用夹具初步结构的生成，其中又包含标准夹具元件选择、支撑类型选择和计算，以及夹具元件位置和朝向的确定。详细设计包括夹具单元组合、干涉避免修正，连接设计和基于工艺规则的调整。夹具单元组合负责在功能和空间条件允许的情况下通过将两个或更多功能单元组合成为多目标单元来优化夹具结构。干涉避免完成发现可能存在于设计结果中的任何干涉，并做出适当的修改。连接设计负责最终确定夹具支撑与夹具体之间以及标准定位元件/夹紧元件与支撑之间的连接特征。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计3.2.2专用夹具的结构分析基于对专用夹具结构的研究，夹具可以被分解为三类元件：(1)定位元件和夹紧元件，直接与工件相交作用以发挥特定装夹功能。(2)夹具底座(夹具体)，支撑所有功能元件并将它们组合成一个整体结构。它还与机床相连接。(3)支撑块，用于定位元件、夹紧元件与夹具底座相连接。另一个表示专用夹具的方法是将其分解为若干单元，他们在夹具体上完成诸如定位和夹紧等装夹功能。典型的装夹功能如图3.5所示。一个功能单元通常包括若干定位/夹紧机构和一个支撑。理论上，所有专用夹具的夹具元件都可以定制。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计但是定位元件和夹紧机构都是典型的标准元件，因为它们直接与工件接触，很容易磨损。而标准件允许交换，能保证较强的抗磨损性，并可以减少生产准备时间。另一方面，支撑块用来在夹具体上支撑定位/夹紧机构。它们通常是根据形状和尺寸定制的，以便于适应不同的工件和夹具结构要求。因此，需要设计不同的支撑块以适应不同的应用场合。在很多情况下，支座(支撑块)的类型可根据现有的实践经验预先设计。为了能快速设计和制造夹具支座，支座的基本形状模板可预先设计并存储在计算机数据库中，同时可通过改变其详细的形状尺寸和装配位置来适应不同的夹具设计。因此，自动化专用夹具设计的主要任务就是选择合适的夹具元件类型，确定尺寸并将这些类型和尺寸集成在一个夹具体结构中。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计3.2.3专用夹具的基本设计基于对专用夹具的结构分析，需要为自动化专用夹具设计建立以下五个表示和模型：(1)一个装夹需求表示，用于识别夹具设计输入信息。(2)一套标准夹具元件模型，用于定位/夹紧元件的类型和参数选择。(3)一套定制支座模板模型，用于生成支座。(4)一个夹具元件关系数据库，用于确定定位/夹紧机构与基本底座模板的一致性。(5)一套基于约束的夹具元件装配模型，用于将夹具元件放置在夹具体上。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计3.2.3.1装夹需求表示装夹需求表示在夹具规划阶段定义，此时装夹精度、可达性和稳定性都需要在确定装夹表面和装夹点时考虑。装夹需求表示的结果包括装夹位置、需要夹具单元的数量和类型，以及装夹面和装夹点的属性。一个功能性夹具单元对应于工件上指定的装夹面/点。因此，装夹面/点的表示应该能够为生成夹具单元提供信息。装夹需求表示可以通过如下的一系列几何和加工数据来定义：MFS_WP={Fid，Fgeo_type，Ffunc_type，Ffinish，FDOF，

，p1，p2，SE，Paccs，Stiff}(3.1)上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计这里Fid为表示装夹平面ID号的一个整数；Fgeo_type是装夹表面的几何类型，可以是平面、内或外圆柱面；Ffunc_type是装夹表面上的装夹作用类型，可以是侧面定位、侧面夹紧、底面定位或顶面夹紧；Ffinish是装夹表面的表面粗糙度；FDOF是需要限制的自由度；如果Fgeo_type是一个平面，

是一个装夹表面的法向失量，如果Fgeo_type是一个圆柱面，

是轴向矢量；p1是主装夹点，p2是任意支撑点，在确定定位

夹紧元件的朝向时用；Saces是表面可达性值；Paces是本身装夹点可达性值；Stiff是对夹具单元的刚度要求。在式3.1的变量中，Ffunc_type、Ffinish、FDOF和Stiff是用户定义的，Saces和Paces可以通过离散算法(Li，1998)得到，而其他变量可以在定义装夹面

点时直接从工件CAD模型中提取出来。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计3.2.3.2标准夹具元件模型在专用夹具设计中，相当重要的一点是要尽可能多地使用标准夹具元件以减少夹具制造时间和成本。因为夹具功能元件(定位

夹紧元件)直接与工件接触，易磨损，所以这样的原件需要用硬的材料来制作且可更换。因此，定位/夹紧元件通常是标准件，并且一定尺寸系列的产品可通过商业途径获得。目前己经建立了一套标准的夹具元件模型用来在专用夹具设计中进行选择和参数驱动标准夹具元件，因此必须建立标准夹具元件数据库。一个标准夹具元件可以用其元件类型、功能表面和尺寸来表示。这些信息在选择标准夹具元件时作为检索信息使用。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计图3.6为一些标准的定位和夹紧元件的例子。夹具元件类型信息用来确定在夹具设计中如何使用这些元件。

夹具元件上用来定位或夹紧工件的功能表面定义为接触面，而相关作用点定义为接触点；与装夹支撑块接触的表面为支撑面，相关点定义为支撑点。例如，在图3.7(a)中，顶面是接触面而其中心点PNT1是接触点；同样图3.7(b)中的上表面是支撑面而其中点是支撑点。一个功能面可以按下式定义：Func_Surf={Surface_Id,Surface_Type,,Point_Id,Point_Type,If_ct_above_spted,Surface_Prop}(3.2)这里Surface_Id是一个表示功能面ID号的整数；Surface_Type是功能面的作用类型，其功能是接触或支撑；上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计是功能面的法线方向；Point_Id是一个表示功能点ID号的整数；Point_Type是作用点的类型，可能作用于平面、圆柱面、球面、圆柱轴、孔轴线或槽；If_ct_above_spted表示接触面与支撑面之间的相对位置关系，其可以是+1或-1；Surface_Prop表示定位面的表面粗糙度。尺寸信息是标准夹具元件模型的重要组成部分。对于一特定元件，主要设计尺寸在确定元件是否适合工件时起到重要作用。主要设计尺寸决定了主尺寸、作用高度和一个标准夹具元件的主要连接尺寸。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计例如，图3.8中支撑销的直径(dia_a)和图3.9中支撑板的直线尺寸(oal_b)就是主设计尺寸。图3.8中的thk_b和图3.9中的pad_thk的尺寸是作用高度尺寸。图3.8中的

dia_d和图3.9中的

dia_c是主要连接尺寸。定位和夹紧机构都是根据它们的主要尺寸选择的。其他尺寸可以通过与主要设计尺寸的某些关系来定义。特别地，标准元件库中的定位和夹紧机构都是由元件族组成的(也被称为表驱动元件或实例)。元件族是一组具有不同尺寸或细节特征有细微不同的相似元件。每个族都有一个大概的基本模型，该族所有实例都与之相似。类、继承和成组技术等概念都可以用在这里以便能够高效检索大量标准元件。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计图3.8是一个标有尺寸名称的基本模型。模型的实例己经以族表的形式列出，如表3.1所示。因此各个尺寸可如下所示：DIMENSION={dim_name,dim_type,func_type,famtab_attribute,default_value,min_value,max_value}(3.3)dim_type是尺寸类型，其可以是直径、半径、长度或角度；func_type可能是主要设计尺寸、作用高度、支撑连接尺寸或接触高度；famtab_attribute表示尺寸是否是从族列表中获得的，其值可能是1或0。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计3.2.3.3定制支座模板模型在夹具设计中，支座的作用是将定位/夹紧机构连接到夹具体上并保证夹具单元的高度。尽管支座可根据不同的工件和装夹要求在形状和尺寸上有很大的改变，但在大多情况下支座的基本形状己经在车间中预先定义好并存在计算机数据库中。图3.10为一些典型支座的形状，他们之间的尺寸关系可以随着支撑类型的不同而异。为了获得不同的夹具设计方案，支座的具体形状、尺寸和装配位置可能都会改变。因此，通过采用若干基本支座模板，改变其形状和尺寸来获得合适的支座元件。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计与标准夹具元件相似，每个夹具模板都能用其形状、作用面和尺寸来建模。支座上用来支撑定位/夹紧机构的作用面定义为支撑面，相关的作用点定义为支点，用来连接支座和夹具体的表面定义为被支撑面，相关作用点定义为被支撑点。一个底面定位支座如图3.11所示，其顶面是支面，PLATO是支点；而其底面是被支撑面，中点PNT1是被支撑点。则可以对一个支座作用面模板进行如下的建模：Func_Surf={Surface_Id,Surface_Type,,Point_Id,point_Type}(3.4)尺寸信息在支座模板模型中也是非常重要的。支座模板不像标准夹具元件那样大部分尺寸都是由关系驱动，它的主要尺寸是那些表示作用高度的尺寸。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计在设计规则中要最优先保证的就是满足作用高度。当作用面高度尺寸的数值需要更改以适应定位/夹紧机构与夹具体之间的距离时，支座的其他尺寸也需要进行相应的修改。而支座其他尺寸的变化可以通过两种方法实现：既可以靠所推荐的其与主要设计尺寸的关系，也可以根据用户的技术要求。当主要尺寸在一定范围内时，一些尺寸是恒定不变的。例如，在图3.12所示的支座模板的所有尺寸当中，成表示作用高度，因此是主要设计尺寸。其他尺寸可能会根据推荐关系而变化。对支座模板的每个尺寸的建模可以如下所示：DIMESION={dim_name,dim_type,func_type,attribute,default_value,min_value,max_value}(3.5)func_type表小尺寸的作用，可能是作用高度、支撑连接尺寸或被支撑连接尺寸；attribute表示尺寸是否是由关系生成。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计3.2.3.4夹具元件关系数据库在判定某一特殊支座是否能与选中的定位

夹紧机构一起使用时，可以利用夹具元件关系所提供的参考信息。夹具元件关系数据库可以通过一个表来描述，该表如表3.2所示。表的行代表标准定位

夹紧机构的具体类型，而表的列代表定制支座模板的具体类型。表中位置(i，j)的元素表示第i个支座是否可以支撑第了个定位j夹紧机构。夹具元件关系数据库可以交交或自动建立。在交互模式下，使用者可以决定了什么样的定位

夹紧机构可用于何种支座模板，以及表中对应值的大小。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计使用自动方法，击要用到特征识别和关系推理技术来确定数据库，如同图3.13所示。为了使用特征识别和关系推理建立夹具元件关系数据库，需要考虑到作用类型(例如底面定位或侧面夹紧)和定位/夹紧机构与基座之间的几何匹配条件(例如元件尺寸和接触面积)。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计3.2.3.5基于约束的夹具元件装配模型基于约束的夹具元件装配模型己经在组合夹具设计当中应用(Kang，1998)。它当然也可以用于专用夹具设计中。为了能够正确地装配夹具元件，需要遵守三条规则：(1)约束必须完整；(2)元件不能过约束；(3)对其他元件的依赖必须减小到最低程度。为了确定定位/夹紧机构与工件之间的空间约束关系，定义了一个夹具工作空间，它可以为夹具装配提供一个全局基准。以夹具工作空间为基础，为基于约束的夹具元件装配定义了四种关系：(1)工件与夹具工作空间之间的关系；上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计(2)定位/夹紧机构与夹具工作空间之间的关系；(3)支座与夹具工作空间之间的关系；(4)夹具体与夹具工作空间之间的关系。首先，为了将工件放入夹具工作空间中，在工件模型中定义了一个坐标系统，用来将工件放置到和机床坐标系中的z轴相对应的位置。为了将定位

夹紧机构放入到夹具工作空间中，必须确定定位

夹紧机构与夹具工作空间之间的约束关系。图3.14中，NEW_DATUM_P表示在夹具工作空间中创建的基准特征点，对应工件上的装夹点。DATUM_PLA表示夹具工作空间中的基准平面特征，其法线方向与工件装夹表面的法线

轴向方向平行。因此，定位

夹紧机构可以引入夹具工作空间，该空间与工件保持着约束关系，如图3.15所示。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计一个处于夹具工作空间中的完整功能夹具单元由定位/夹紧机构和一个支座组成。在定位

夹紧机构按照其与夹具工作空间之间的约束关系被放置好后，相应的支座也需要按照其与夹具工作空间之间的约束关系放置好，如图3.16和3.17所示。最终，夹具体按照与工件装配同样的原理被放进夹具工作空间。也就是说，基准坐标系统的校准约束就是保证夹具体与夹具工作空间之间的完全相似。夹具体的尺寸是由工件和夹具单元组合后的整体尺寸决定。需要指出的是，所有装配功能都是由夹具设计程序自动完成。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计3.2.4专用夹具基本设计的实现基于前面所定义的夹具工作空间关系，就可以自动生成专用夹具结构设计。生成夹具单元的步骤如下：(1)生成一个夹具工作空间；(2)根据基于约束的装配关系，将工件置于夹具工作空间中(3)选择定位/夹紧机构的类型和尺寸，根据基于约束的装配关系，将其装配到夹具工作空间中；(4)根据夹具元件关系选择支座模板，确定支座的尺寸符合主要设计尺寸，保证诸如支撑高度等作用要求，并根据基于约束的装配关系将支座装入夹具工作空间；上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计(5)根据基于约束的装配关系，选择或生成一个夹具体并将其装入夹具工作空间。在选择定位

夹紧机构类型时，需要预先建立一个规则库。图3.18描述了选择定位元件具体类型时的典型规则。然后，根据工件尺寸信息，确定一个具有适当尺寸的实例。支座模板的类型是由预先存储在数据库中的夹具元件关系确定的。为了给支座定义尺寸，需要先确定主要关系尺寸，从而获得在考虑夹具体后所选的定位

夹紧机构的作用高度。支座模板的其他尺寸可以根据有关推荐的关系进行调整。尺寸调整后，可以通过参数化CAD建模技术重新生成相关支座模板，获得所需支座模型。上一页下一页返回3.2自动化专用夹具设计：基本设计基于商业化CAD平台，用C++的API函数开发了一套自动化专用夹具结构设计的基础设计模块原型系统。该系统包括四个基本模块：(1)元件信息输入；(2)自动设计；(3)设计变更；(4)设计输出。图3.19为每个模块中的系统功能，而图3.20显示了一个使用该原型系统设计夹具的例子。上一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计使用预定义夹具元件的专用夹具，凭借其特殊设计所具有的诸如操作简便、所需方向上的高支撑刚性以及结构空间的高效利用等性能优势，广泛应用于大规模生产当中。由于夹具设计和制造能够显著影响生产质量、成本和交货时间，因此希望能在产品设计阶段进行夹具的自动设计和验证。另外，自动夹具设计过程也是适应柔性制造系统(CFMSs)和计算机集成制造系统(Thompson，1986)的要求。为达到这个目标，有关研究人员开始研究使用预定义的夹具元件来自动设计专用夹具的技术。以该研究为基础，用API技术在某商业CAD系统上开发出了一套原型系统，实现了专用夹具结构设计过程的自动化。下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计该设计过程分为两个阶段：基本设计和详细设计。基本设计的目的是获得一个初步结构设计结果。基本设计包括：(1)诸如定位/夹紧机构等标准夹具元件的选择；(2)定制支座的生成；(3)夹具元件的装配。详细设计包括夹具单元合并、连接设计、干涉避免修整和基于工艺规则的调整。干涉避免修整用于检索任何在本设计结果中可能出现的干涉并作出适当的修改。夹具单元合并通过在功能和空间条件允许的情况下，将两个或更多功能单元合并成为一个多功能单元来优化夹具结构。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计连接设计最终确定夹具支撑块与夹具体之间以及标准定位元件

夹紧元件与夹具体之间的连接特征。基于工艺规则的调整以能提高夹具性能的工艺知识为基础(例如考虑刚度、稳定性和方便工件的装卸)，对基本设计结果尤其是定制支座进行调整。一旦基本设计完成，就可以创建一个专用夹具的初步结构。但是在很大程度上说，该设计并不是最好的，甚至还不能投入实际应用。另外，还有一些具体特征需要完成。详细设计的目的就是对初步设计结果进行再设计，直到获得一个完整和最优的专用夹具结构设计。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计详细设计的任务包括：(1)干涉避免修整；(2)夹具单元组合；(3)连接设计；(4)基于工艺规则的调整。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计3.3.1干涉避免修整在夹具装配设计中经常会发生几何干涉。当出现该问题时，只能对装配中的元件进行修改或重新设计，这就增加了生产成本。干涉避免修整通过检索任何可能出现在基本设计结果中的干涉并作出适当的修改，使得干涉在设计阶段就得以消除。因此，干涉避免修整可以分为以下两个步骤：(1)干涉检查以发现存在的干涉；(2)如果有干涉则进行修改以消除干涉。为了进行干涉检查，需要有几何和拓扑信息。任何两个对象之间的干涉都通过计算机分析检查出来，该分析针对的是用于描述对象的实体模型。因此模型的数据结构会对干涉检查的效率产生很大的影响(Yang，1994)。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计许多商业CAD系统都提供了实体干涉检查功能但同时封装并隐藏了实体模型的内部表示。因此，为了软件开发的方便，使用这些由CAD软件提供的实体干涉检查功能来检查一个实体是否与其他的实体相干涉，而不必考虑实体模型的内部数据结构。在自动夹具设计中，夹具元件需要正确地放置在工件表面或围绕工件周围，并且与其他元件和刀具轨迹不产生干涉。总的来说，夹具设计中有三种该干涉类型：(1)夹具元件之间的干涉，包括定位元件、夹紧机构及支座(2)夹具元件和工件之间的干涉；(3)夹具元件与加工路径之间的干涉(HU，2000)。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计当干涉检查功能发现干涉时，需要对基础设计进行适当的修改以避免或消除干涉。可能的解决方法包括改变夹具元件的尺寸、形状、朝向，改变装配中交相干涉部件之间的距离以及合并夹具元件。图3.21描述了为消除干涉进行的三种修整方法。图3.22描述了其他一些可能的修改：当干涉发生在支座与工件突起的台阶面时，解决方法可能是减少支座侧面的尺寸[图3.22(a)]。当干涉发生在支座的底面时，有若干解决方法。若干涉面积不大，支座较低的交义部分可以切掉以消除干涉[图3.22(b)]。如果干涉相对较大，支座可以向后移动并分为两片，如图3.22(c)所示。同样的分析可以用于连接两个定位元件和夹具体的支座上，如图3.22(d)、(e)、(f)所示。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计3.3.2夹具单元体合并在初期设计阶段，一个夹具单元的设计是为了满足每个装夹功能。夹具单元可能需要组合在一起，以减少干涉发生的几率、消除干涉、提高工作性能、提高装夹性能和降低成本。夹具单元合并的目的是使夹具结构最优同时保证装夹功能不改变，它是通过基于功能的、空间的以及其他实际应用方面的考虑，将两个或更多的夹具单元体组合成一个多用途夹具单元体。在我们的系统中，由于夹具定位元件

夹紧元件是标准化夹具组件，支持体是定制化组件，因此夹具单元体的合并限定在支座的合并。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计为了支持夹具单元体的合并过程，需要一个夹具单元体合并规则基础。这里有两个用于单元体组合的基本规则：范围规则和功能规则。范围规则描述了在一定距离范围内的多个夹具单元体可以组合成一个。功能规则规定了组合的类型，这些类型依靠装夹功能的特性，特别是功能组件的方向(侧面、底部或者顶部)。然而，这两个规则也可能有不确定性或者不能实行。实际上，在建立一个夹具单元体组合规则时，两个因素需要考虑：干涉与可加工性。可加工性是一个函数，包括所需要的公差，一定生产企业的设备、原料、零件的数量，产品的形状，产品的体积以及其他的变量。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计在这两个因素中，干涉被列为更主要的优先项目。因此，建立了三个可操作的规则并应用在该系统中：(1)如果夹具单元体组合是唯一的消除或者避免干涉的方法，那么就无条件地组合。

(2)如果夹具单元体组合不是唯一的消除或者避免干涉的方法，但同时如果夹具单元体组合能提高可加工性，那么就进行组合。(3)如果夹具单元体组合不是唯一的消除或者避免干涉的方法，同时夹具单元体组合不能提高可加工性，那么就不进行组合。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计在执行后两条原则时，可加工性评估是关键。可加工性评估是一个复杂的问题，包括两个方面：(1)可加工性是一个有多个变量的函数；(2)这些变量的重要性在不同的计划中也不相同。因此，很难建立一个统一的模型对不同生产计划进行工作性能评估。然而，对于一个特定的生产计划，可以通过对所有那些变量赋值来建立可加工性评估的模型。图3.21(b)展示了一个夹具单元体组合的示例。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计3.3.3连接设计一个产品的牢固程度由最薄弱的连接来决定。对于很多产品，最薄弱的部位就在接合部，这些部位就是组件装配或者连接的位置。良好的连接装配产生于优良的设计、优质的零件、适当的工程技术与连接技术。在基本设计阶段，要依据夹具元件关系数据库选择初步的支持模板，以这些支持模板为依据再产生详细的支持件(包括用于实际应用的连接特征)。连接设计的目的是确定连接特征，包括定位元件/夹紧元件与夹具支撑体之间、夹具支撑体与夹具底座之间的连接特征。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计3.3.3.1定位元件

夹紧元件与夹具支撑体的连接设计因为定位元件

夹紧元件是标准夹具组件，当它们被选中并载入系统中时，它们的连接特征类型和连接尺寸都己经确定。定位元件

夹紧元件的连接特征信息包括在标准夹具元件模型中，因此可以从标准夹具元件数据库中找到定位元件

夹紧元件的连接特征信息。给出定位元件

夹紧元件的己知连接特征，相匹配的夹具支撑体的连接特征就能相应产生。3.3.3.2夹具支撑体与夹具底座间的连接设计夹具支撑体与夹具底座间有很多种连接方法。然而，在实际生产中，专用夹具设计大量采用螺纹连接或者焊接。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计因此在我们的研究和所开发的系统中，对于夹具支持体与夹具底座的连接设计，只考虑这两种连接方法。螺纹连接与焊接各有优点。螺纹连接的优点如下：(1)在类型、原料和尺寸方面，有广泛的商用元件选择范围(2)能够用统一的或不常用的连接方式来连接相同或者不同材料的元件；(3)可以容易地使用标准乎动或动力安装工具在工厂中或者野外安装，并具有最高的安全性；(4)容易去掉和替换。焊接连接的优点如下：(1)生产效率高；上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计(2)生产周期短；

(3)连接质量高；(4)成本低；(5)容易自动化。

连接设计的第一个阶段是选择连接方式(比如，螺纹连接或者焊接)。这里必须要考虑可重用性。如果我们的专用夹具系统从不需要拆卸或者很少拆卸，一个永久的连接方式如焊接将是最好的选择，它强度高、表面质量好。如果有拆卸的要求，螺纹连接将是一个更好的选择。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计由于螺纹连接(布局设计与尺寸设计)和焊接都己经标准化，因此可建立两个标准数据库(一个螺纹连接标准数据库和一个焊接标准数据库)以支持连接设计过程。查询索引包括了基础支撑模板的尺寸信息，切削力信息等等。图3.23描述了支撑体连接设计的实例。图3.24描述了焊接设计的示例以供使用者选择。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计3.3.4基于工艺规则的修正所有生成的夹具支撑体应该通过加工工艺知识验证进行检查。基于工艺规则修正的目的是基于工艺规则对基础设计进行修正，尤其是对生成的定制夹具支撑体。专用夹具性能由此在各方面都得以提高，包括强度、稳定性、减轻重量、易于工件装卸等等。例如，如果一个夹具单元体要求强度很高，就需要在夹具支撑体上增加一个或更多筋板。为了提高稳定性，夹具支撑体的底座就需要扩大。图3.25比较了两个支撑体：一个支撑体由于刚度要求不高而没有设计筋板，一个支撑体由于刚度要求较高而设计了一个筋板。图3.26为其他几个基于预先确定规则的夹具设计修正的示例。为了支持这些修正，需要建立一个工艺知识库。上一页下一页返回3.3专用夹具自动设计：详细设计3.3.5系统实现和范例基于CAD平台开发了一套专用夹具自动结构设计原型系统。该系统实现了详细设计模块和基本设计模块集成，组成一个完整的专用夹具自动设计原型系统。详细设计由四个基本组件模块组成：(1)干涉避免修正；(2)夹具单元组合；(3)连接设计；(4)基于工艺规则的修正。图3.27为系统中各个模块的功能。图3.28描述了经详细设计后最终的专用夹具，相应的基本夹具设计见上一节的图3.20。图3.29描述了专用夹具设计一些其他的示例。上一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计3.4.1引言在计算机辅助夹具设计领域(CAFD)，现有文献较多讨论了组合夹具的“自动设计”。组合夹具中所有的夹具组件都是标准化的，包括夹具底座、定位元件和夹具支撑体。在这种方式下，通过指定组件数量和确定装配关系，夹具就能比较容易地生成。无论如何，在大规模生产中专用夹具都扮演着独特的角色，因此其地位不能被组合夹具取代。关于专用夹具设计，先前的研究成果大多基于预先定义的支持模板，模板中所有的组件和夹具底座都是相对简单的几何形体。因此那些模板不能处理复杂的夹具组件。这一节中介绍了一个适应性夹具设计系统来适应复杂的夹具结构，包括夹具底座。下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计需要注意以下基本问题。对于一类零件(零件族)来说，它们的典型夹具结构与夹具装配方式都己经在现行最优的实际应用中得到定型和使用。典型夹具就是所谓的通用夹具。一个给定零件(零件族成员)的夹具结构和夹具装配是由一个预先给定的夹具结构和装配所决定。更特别的是，零件的分析是以一定的假设为基础的。第一，通用夹具是现有的。第二，不论何种原因使新零件的形状和尺寸发生变化，新零件仍然属于同一个现存零件的零件族。同一族的零件通常有一定的尺寸变化范围和相似的结构，以及有相似的加工过程。因此可以根据比较现有夹具不同点来生产一个新的夹具。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计适应性夹具设计的目的是夹具的快速设计以减少新产品的开发周期，以及尽可能多地使用现有夹具数据，以利于生产系统的重新配置。适应性夹具设计是以零件族为基础得以实现的。夹具设计需要有很强的实际经验，设计方案也常常不是唯一的。一个具有高性能的优良设计通常是通过对一个经过性能检验的设计的修改而产生的。在这种方式中，专家知识就体现在现有设计之中。当需要设计一个夹具的时候，通常最好的方式就是确定一个应用于相同的零件族的现有夹具，然后最低限度地修改这个现存夹具以适应新零件的生产要求。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计如果不需要改变夹具底座，那么新夹具设计成本和设计时间会明显缩短，因为通过对生产线和现存夹具进行较小的修改，就可以使其仍然能够用于新零件的生产。总而言之，一个适应性夹具设计能够通过以下步骤得以完成：对于一个给定的新零件，在现有夹具库中搜寻一个适合的夹具，提供多级修改建议和相应的成本预算，最终确定具有最小修改成本的设计方案。根据并行工程原理，夹具设计是生产系统设计的一部分。因此，夹具设计所需的信息来自于提供了设计约束的装夹工艺规程。夹具方案设计通常是设计的第一步，而组件布局设计是夹具方案设计中的第一步骤。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计3.4.2夹具方案设计在生产系统设计中，工件在夹具底座上的放置方式影响着产品生产周期，需要在夹具设计之前确定下来。夹具方案设计常‘常是通过对几个可选择的解决方案进行比较，以确定最优的方案。一旦在装夹工艺规程中确定了零件的加工顺序就可以进行夹具方案设计，而定位和夹紧方式在夹具规划阶段确定。图3.30为一个夹具方案设计的流程图。一旦装夹方案确定，包括零件定位，加工顺序和每次装夹所需要的加工设备，夹具底座就可以根据加工需求和生产知识而选定。零件可能在夹具底座上有很多不同种的放置方式。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计图3.31为在夹具底座放置零件和调整放置位置与方向的CAD系统界面。图3.32为其他几个在不同夹具底座上放置零件的示例。

夹具规划包括在每次装夹中工件表面一系列定位和夹紧点的确定。因此，夹具方案的设计可依据第3.2节中所讨论的夹具单元体设计原则来进行，图3.33为图3.31中所示零件的夹具方案设计。所有的夹具方案设计都能在CAD环境中进行。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计3.4.3针对适应性夹具设计的夹具建模适应性夹具设计的基本构思是，首先对零件族中的一个典型零件建模，包括装夹信息和该零件族的一个通用夹具。然后，确定新零件与零件族中典型零件的不同之处。最后，通过修改通用夹具设计来完成一个新的夹具设计。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计3.4.3.1零件族建模可以通过零件的三维数据、加工特征和装夹特征对零件进行建模，如图3.34所示。每个零件的特征都是通过其位置和方向以及特征的形状参数来确定。一个工件模型可表示如下：WP={CAD3–Ddata,MF_SET,FIX_SET}(3.6)式中，MF_SET是工件的一系列加工特征，FIX_SET表示工件的一系列装夹特征。几何信息可以从CAD模型中提取，刀具信息可以从装夹工艺规程中获得。装夹特征被认为是一系列定位特征和夹紧特征，如下所示：

FIX_SET={L，C}(3.7)上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计其中，{L}表示定位特征系列，{C}表示夹紧特征系列。这些集合分别由位置和方向向量所表示，L={ri，ni

}和C={rj，nj

}。这里i

和

j

是定位元件与夹紧元件号。图3.35为三个坐标轴系下的工件与定位元件全局坐标表系OXYZ、工件局部坐标表系O’X’Y’Z’

与夹具局部坐标系QUYW。变换矩阵T

用来描述rk

和r’k之间的关系：

rk=T

·r’knk=T

·n’k(3.8)上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计3.4.3.2零件变动模型工件的变动主要是指特征尺寸和方向的差别。当特征确定下来后，变化就可确定如下：(3.8)和其中，

r’=(

x’,

y’,

z’,1)T和

n’=(

x’,

y’,

z’,1)T是在零件坐标系中，而和是在全局坐标系中。这里，r’和n’可以从零件CAD模型数据中直接获得，当零件在夹具底座的放置确定后，

r和

n

就随之确定。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计3.4.3.3夹具建模一个典型夹具由一些组件或单元体组成。每个夹具单元体都执行一个或多个装夹功能，一个夹具单元体的组件是彼此相交直接连接在一起，通常，只有一个元件直接连接在夹具底座上。一个或者多个元件作为定位元件、夹紧元件或辅助支持元件，而与工件直接接触。假设F表示夹具，则我们可以得到：

(3.10)上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计其中，Ui表示夹具中的一个夹具单元体，nij表示夹具F中单元体的个数，eij表示单元体

i

中的第

j

个组件，nei表示单元体Ui中组件的个数。图3.36为一个夹具单元体，其中的支撑体0直接安装在夹具底座上。支撑体

n连接在压板上，压板与工件接触。夹紧点是在工件表面和压板表面的相同位置，夹紧点被转换到整体坐标系中。如果一个新零件与典型零件有不同的夹紧点，那么夹紧点的任何变化都会被传送到夹具模型中，这些不同点用于新零件夹具设计的修正。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计3.4.4相似性判断当一个新零件属于一个现存零件族时，可以从夹具库中挑选出一个通用夹具来。夹具的数据可能包括夹具底座，零件布置，功能点位置与方向，和夹具单元体(具有指定的变化范围)，如图3.37所示。根据通用夹具与新零件的适应程度，需要分析新零件的装夹要求以确定如何修改设计和需要执行多少修正。在这个过程中，升级现有夹具以扩充夹具使用数据库，是为了能够以最小的改动适应多个零件和研发快换单元体结构。

上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计在这种方式中，相似性分析是寻找比较零件族零件表面和新零件表面的两组定位

夹紧点，如图3.38所示。这些点在夹具设计阶段确定，并且以成对的形式出现，以符合装夹功能。传统的相似性分析(基于连续距离函数)在这里可能是无效的，因为在这种方式中，夹具修正时间与成本是由夹具单元和夹具底座的变化

更换所决定，而问题是那些变化不是可变距离的连续函数。相似性分析是在两个夹具设计的夹具单元体之间进行的。然后综合考虑这些夹具单元体的相似性作为夹具的相似性。夹具单元体相似性可以分为四个级别。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计在第一个级别，如果修正被认为是最小的，例如，一对定位

装夹点的相似差别很接近以至于不需要改变夹具单元体或夹具底座(定位元件

夹紧元件可用不同的元件替换)。在第二个级别，定位装夹点的不同需要夹具支撑体的形状和尺寸的改变，但是单元体的位置装夹具体的连接不需要改变，修改成本可能不明显。在第三个级别，定位装夹点的不同需要夹具支撑体位置的改变。虽然可以使用同一个夹具底座，但是支撑体的连接位置需要改变。这个阶段修改量要比前两个阶段多。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计最后，如果在新夹具设计中，夹具单元体所要求的差异太大，以至整个夹具底座需要重建，那么修改量就很明显了，这就是相似性的第四个级别，最不相似的情况。当针对零件族的夹具模型建立后，这四个级别的修正代表了四个变量范围(通过如图3.39的盒子来衡量)，有各自关联的修改成本。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计3.4.4.1夹具设计匹配算法对于{Pi}和{Qj}两组点，公式3.11表示了一个转换矩阵{mij

}，它是从P组点到Q

组点的最好映射。(3.11)

≤1，≤1，t是转换向量，R

是旋转矩阵；为一极限距离，表示当两个点位于特定区域之外，而仍作为内部点时这两个点间的距离大小(也就是，在夹具单元体必须被重新设计之前)。例如，如果在外部点的数量超过两个，就可以判定这个夹具不能与新的零件相匹配。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计这是离散问题，可以用模拟退火算法将离散问题转化成连续问题，以减少陷入局部最优(Bridle，1991)，其中

mj可以定义为：(3.12)那么这个问题就相当于通过

来寻找M

到最大值S

的问题。其中，

。下面的标准程序可用于解决这个问题。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计(1)假设

R=E，t=0和

=

0

。(2)通过

来计算D

的所有元素。(3)通过

计算M

的所有元素(4)通过正交化行与列，使得M

满足

，。(5)根据M

获得新的R

和t。(6)增加

。(7)如果

＜

max

，重复步骤(1)到(6)。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计必须指出步骤(5)是在算法中唯一没有解决问题的。为了使P1与P2匹配，使t

在两个不同点组的中间，R等于UVT。然后，UV是矩阵P1TP2(Kong，2003)的唯一分解。如果修改成本被认为是修改成本与距离Cj

之间的联系，公式3.11可以写成：(3.14)因此可以看到，通过应用这个运算法则，可使修正成本最优。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计3.4.5系统实例图3.40为一个零件族中的两个零件，图3.41为该零件族中的一个指定了装夹和加工特征的零件。图3.42为该零件族的一个通用夹具。

当零件族中新零件对装夹信息的需求通过验证后，就可以通过对表3.3和3.4中的数据进行分析，来确定新零件与现存零件之间的差异。

根据在所有夹具结构和每个单元体中所确定的差异级别，相同的夹具底座可以用于新的零件(Calp-2)，并且不需要对夹具底座进行修改。然而，夹具单元体可能需要重新设计，以适应定位点的变化。上一页下一页返回3.4面向零件族的适应性夹具设计图3.43为夹具中一个单元体的修改。单元体连接在夹具底座的方式不变，因此，修改成本是最小的。总之，适应性夹具设计以比较分析零件族中的新零件和零件族的通用夹具开始。针对所有夹具结构和每个单元体，确定装夹需求的差异。然后，以最小化修改工作量为目标，设计一个算法将夹具设计要求匹配到通用夹具设计上。新夹具的设计和夹具设计修改在三个层次上进行。如果差异不明显并且夹具底座可以重新使用，那么就可以明显减少修改成本，自动修改也成为可能。图3.44描述了适应性夹具设计的流程。夹具在加工过程中用来精确地定位和保护零件，使得零件能够按照设计要求进行加工。为了减少装夹设计成本，几年来，己经开发了多种CAFD方法来协助夹具设计人员。上一页返回3.5基于实例推理的夹具设计一种方法就是使用基于实例推理的夹具设计(CBR)，这种方法是通过从设计库中提取相关设计经验，并加以修改来提出一个新夹具的设计方法。在任何一个CBR方法中，设计实例检索是个关键问题，如果检索不充分，那么CBR系统就会因不能区分实例间的不同而功能大大减弱。这一节介绍一个CAFD方法，即：CAFixD，它是采用一个严格的方法来定义检索属性，其中采用了自动设计功能需求分解方法。因此，可根据功能需求将设计需求分解，检索到合理解决方案并根据每个单独的需求进行修改，然后对设计重构以完成一个完整的夹具设计。此外，适应性被当作设计检索的基础以代替常规的属性相似处理方法，这就避免了常规的方法有时返回一个非常困难或不可能修改的实例的缺陷。本节介绍了CAFixD框架和实现，详细讨论了在CAFixD中使用的检索机制。下一页返回3.5基于实例推理的夹具设计3.5.1引言任何一个制造企业所关注的重点都是，它在尽可能短的时间内生产高质量产品的能力。为了保持高的市场占有率，领先竞争者将产品快速投入市场是至关重要的。夹具在许多生产过程中都扮演着一个重要的角色，它在加工过程中精确地定位和保护零件，才能使工件按照设计要求生产出。所以夹具直接影响着加工质量、生产率和产品成本。工件依靠定位元件获得精确的定位，夹紧元件在加工过程中用于安全地夹持工件在加工位置。传统的夹具结构由一个底座和固定在底座上的定位和夹紧元件组成。定位夹紧单元体由支撑体和其他定位夹紧元件构成。夹具可能由不同数量与不同种类的定位夹紧单元体构成，但单元体通常有相同的基本结构形式。上一页下一页返回3.5基于实例推理的夹具设计与夹具设计与制造相关的成本很重要，大概占据了制造系统总成本的10%到20%(Bi，2001)。因此，人们尝试了多种方法来减少夹具成本。例如用来开发可以应用于多种情况下的柔性组合夹具系统的设计方法。另一个方法是通过筛选可以简化和缩短夹具设计过程的实例来进行。几年来，各种CAFD方法都己经在设计方法中采用人工智能技术来协助夹具设计人员。这一节提出了CAFixD方法，这是一种基于CBR的新的夹具设计方法。首先，对各种CAFD方法综述，以阐明CAFixD方法发展的必要，随后，讨论了CAFixD方法。给出了全面的CAFixD框架，着重描述了它所使用的检索机制。最后给出了它所应用的工业实例。上一页下一页返回3.5基于实例推理的夹具设计在CAFD方面，许多研究都是专注于开发一个产生最优化夹具结构方案的系统。这些方案给出了在加工时夹具应该接触工件的最佳部位。基于规则的方法(Nee，1991；Roy，1997)和遗传算法(Krishnakumar，2000；Wu，1996)都是应用于开发CAFD系统的典型方法。然而，那些系统并没有指定单独夹具单元体的实际外形。他们输出的是一个列表，表中给出了夹具和接触工件点的坐标。方案性工作则集中在组合使用遗传算法和神经网络的方式(Kumar，1999)来设计单独的夹具单元体。然而，这种方法的输出结果从本质上来说是一种高级的夹具单元体概念设计，指定了夹具单元体的基本类型和组件种类。上一页下一页返回3.5基于实例推理的夹具设计设计完整的夹具单元体的努力大多都是以几何方法(Wu，1998；An，1999)为基础的，这些几何方法中，基础概念是确定特别夹具单元体的临界尺寸(通常是它的高度)，然后通过现存的数学关系来把其他所有尺寸和该相临界尺寸联系。目前，CAFD方法还没有考虑有关夹具操作的全部要求，而是集中在夹具的一些特定方面(大部分是夹具结构布局)。因此，需要研究CAFD技术来把所有和夹具设计相关的各方面统一起来，如同在(Bi，2001)中所提及。夹具设计可能有其他需求包括装载

卸载时间、夹具重量、成本、组装时间等等。因此，在CAFD领域中仍然缺乏一个能可靠地设计完整夹具的系统，该系统应用所有的操作需求来指导整个设计过程。上一页下一页返回3.5基于实例推理的夹具设计CBR也己经被应用于开发CAFD系统(Bi，2001；Kumar，1995)。CBR是一个类比推理的例子，它是一种从相似设计获得经验知识，加以改编，为新的设计问题提供一个解决方案。CBR看起来很符合夹具设计，因为一个优良的夹具设计主要是依靠设计人员的经验(Kumar，1995

)。实质上，在CBR方法中有两个主要阶段：实例提取和实例改编(Maher，1997)。设计实例提取就是在实例库中搜寻相似实例，分为如下主要任务：(1)检索：当前问题所需特征的识别。(2)提取：具有全部或部分所需的特征的实例的识别。(3)挑选：评估提取的实例，根据相似性等级进行划分。上一页下一页返回3.5基于实例推理的夹具设计为了给新问题找到设计方案，用适应过程来识别所选择设计与新问题的差异。一旦确定所需要修改之处，就进行修改。关于检索实例，不可分离性是个关键的问题(McSherry，2002)。当CBR系统不能分辨两个实例的不同之处，不可分离性就发生了(也就是说，两个实例的所有属性都有相同的值)。而不可能两个实例都完全等同地适合当前设计要求。不可分离性要么是由具有太少的检索属性引起，要么是选择了一个错误的属性选项(也就是，属性或属性值对所有或大多设计太普通，而在各种设计中不能区分它们)。多数采用的检索方法己经与设计问题相结合来定义属性。例如，夹具设计实例应用描述该夹具所要使用的工件的属性来检索。上一页下一页返回3.5基于实例推理的夹具设计这些属性包括加工特征、内部特征关系、表面信息、加工方向等等(Kumar，1995)。然而，关于如何选择适当检索的指导却很少，设计人员依靠经验来确定合适的索引。因此，就需要为确定实例索引设计一个规范的方法，而这些索引可以阐明设计需求。很多CBR系统的基础实例靠属性相似性提取，就是应用了标准权重技术(Chang，2000；Varma，1999)的“最近临域”法。而实例间的高度相似并不是产生一个容易修改的实例。事实上，一个较小相似度的设计实例在一定设计情况下可能更容易修改(Leake，