基于特征集成的夾具設(shè)計(jì)模型及其應(yīng)用研究*

唐耀紅，何翠群

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)化工程系，福建漳州 363000；2.南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南昌 330029）

基于特征集成的夾具設(shè)計(jì)模型及其應(yīng)用研究*

唐耀紅1，何翠群2

（1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械與自動(dòng)化工程系，福建漳州 363000；2.南昌工程學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，南昌 330029）

針對(duì)CAD/CAM/CAPP/CAFD的集成技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要總結(jié)，分析了采用基于特征進(jìn)行系統(tǒng)集成的優(yōu)勢(shì)。對(duì)零件設(shè)計(jì)特征—制造特征—夾具特征的特征描述及其映射過(guò)程進(jìn)行了研究，指出了根據(jù)特征映射獲得夾具設(shè)計(jì)信息的特點(diǎn)及關(guān)鍵；建立了基于特征集成的夾具設(shè)計(jì)信息模型，提出了集成環(huán)境下夾具設(shè)計(jì)的功能模型與體系結(jié)構(gòu)。根據(jù)夾具設(shè)計(jì)的功能模型與體系結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)了用于汽車同步器零件制造的計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)，并用一個(gè)具體設(shè)計(jì)實(shí)例驗(yàn)證了夾具設(shè)計(jì)模型的實(shí)用性與有效性。

特征集成；特征映射；夾具設(shè)計(jì)模型；CAFD系統(tǒng)

0 引言

在當(dāng)今激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)中，快速響應(yīng)市場(chǎng)，制造出滿足用戶需求的產(chǎn)品，是企業(yè)生存和發(fā)展的關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計(jì)，產(chǎn)品生產(chǎn)準(zhǔn)備周期一般占產(chǎn)品研制周期的50%以上，工裝準(zhǔn)備周期占生產(chǎn)準(zhǔn)備周期的50%以上，而夾具設(shè)計(jì)與制造周期占工裝準(zhǔn)備周期的70%以上，因而，作為制造規(guī)劃的一部分，夾具設(shè)計(jì)的效率直接影響到生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和產(chǎn)品成本［1-2］。隨著制造業(yè)信息化的應(yīng)用和深入，以CAD/CAM/CAPP/CAFD集成為核心的企業(yè)制造系統(tǒng)集成是企業(yè)在戰(zhàn)略上和技術(shù)上的最終選擇。過(guò)去對(duì)夾具設(shè)計(jì)的研究多集中在把其作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，缺乏與其他設(shè)計(jì)、制造支持系統(tǒng)的聯(lián)系。本文提出基于CAD/CAM/CAPP/CAFD特征集成技術(shù)，通過(guò)特征映射得到夾具設(shè)計(jì)信息，建立基于特征集成的夾具設(shè)計(jì)信息模型，規(guī)劃集成環(huán)境下夾具設(shè)計(jì)的功能要求與體系結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)具體的計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)，為能夠進(jìn)一步開(kāi)發(fā)通用型夾具CAD系統(tǒng)提供參考。

1 CAD/CAM/CAPP/CAFD系統(tǒng)集成技術(shù)

以CAD/CAM為典型的CAX集成系統(tǒng)早已比較成熟，其商用應(yīng)用軟件得到了普遍應(yīng)用。但是，將更多的單個(gè)CAX系統(tǒng)集成在一起，形成以CAD/CAM/CAPP/CAFD集成系統(tǒng)為核心的CAD/CAM/CAPP/CAFD/CAX企業(yè)制造集成系統(tǒng)，還有很長(zhǎng)的路要走。目前，用于實(shí)現(xiàn)CAD/CAM/CAPP/CAFD集成的主要技術(shù)有基于STEP標(biāo)準(zhǔn)的集成技術(shù)、基于PDM的集成技術(shù)和基于特征的集成技術(shù)［3］。

1.1 基于STEP標(biāo)準(zhǔn)的集成技術(shù)

這種集成技術(shù)采用統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，并對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理。各CAX系統(tǒng)之間可直接進(jìn)行信息交換，而不是將產(chǎn)品信息轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，再通過(guò)文件來(lái)交換，這有利于提高系統(tǒng)的集成性。但是STEP標(biāo)準(zhǔn)只是提供一種不依賴于具體CAX系統(tǒng)的中性機(jī)制，其實(shí)質(zhì)還是通過(guò)文件的方式來(lái)交換信息，具有丟失CAD設(shè)計(jì)意圖的局限性，并不能滿足真正意義上的集成需求。

1.2 基于PDM的集成技術(shù)

PDM以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理為核心，以數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)路技術(shù)為支持，將與產(chǎn)品相關(guān)的信息與過(guò)程如研發(fā)計(jì)劃、產(chǎn)品模型、工程圖樣、技術(shù)文檔、工藝文件、數(shù)控代碼、設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程、企業(yè)資源等等進(jìn)行集成管理，并將多種功能軟件集中在一個(gè)統(tǒng)一平臺(tái)上?；赑DM的CAD/CAM/CAPP/CAFD集成方式可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)跨平臺(tái)傳輸分布處理。然而，這種集成技術(shù)的實(shí)質(zhì)是對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行集中管理，CAX單系統(tǒng)之間在交換信息時(shí)，會(huì)丟失各CAX單系統(tǒng)表達(dá)的本質(zhì)意圖，也不能滿足真正意義上的集成需求。

1.3 基于特征的集成技術(shù)

特征是用于完整表達(dá)產(chǎn)品信息的集合單元，是一定形狀、語(yǔ)義和工程屬性的集合。在定義特征時(shí)，不針對(duì)具體的系統(tǒng)是CAD、CAPP還是CAFD，只依照特征本身的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，這就使得特征成為獨(dú)立于具體應(yīng)用系統(tǒng)的單元。當(dāng)將特征應(yīng)用于CAD、CAM、CAPP、CAFD建模時(shí)，他們就具有了統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，系統(tǒng)彼此之間完全兼容。特征模型不僅支持設(shè)計(jì)與制造各階段所需的產(chǎn)品定義信息（設(shè)計(jì)信息、制造信息），而且還提供符合人們思維方式的高層次工程描述單元體——特征，并能表達(dá)工程師的設(shè)計(jì)與制造意圖。因而，特征技術(shù)就成為了CAD/CAM/CAPP/CAFD集成的最關(guān)鍵技術(shù)，即基于特征的集成技術(shù)是最有前途、最有效的CAD/CAM/CAPP/CAFD集成技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)CAD/CAM/CAPP/CAFD的真正集成。

2 夾具設(shè)計(jì)中的特征描述

特征具有多視域（設(shè)計(jì)域、制造域等等）特性，不同視域間的特征既有區(qū)別又有聯(lián)系，特征在不同視域間的轉(zhuǎn)換過(guò)程就是特征映射。在不同視域中，對(duì)特征的具體描述與表達(dá)是不完全相同的。為了求得不同視域內(nèi)的求解問(wèn)題描述域和對(duì)應(yīng)的問(wèn)題解答域，我們將涉及到夾具設(shè)計(jì)域的特征進(jìn)行分類與描述，以方便夾具設(shè)計(jì)中的特征映射的實(shí)現(xiàn)。

2.1 特征的類型及描述

夾具設(shè)計(jì)域與零件設(shè)計(jì)域和零件制造域高度關(guān)聯(lián)。本文將涉及到夾具設(shè)計(jì)域的特征分為設(shè)計(jì)特征、制造特征和夾具特征。

（1）設(shè)計(jì)特征

設(shè)計(jì)特征是構(gòu)成零件的設(shè)計(jì)單元，封裝了零件該單元的管理信息（如特征名、特征編號(hào)、設(shè)計(jì)意圖等）、技術(shù)信息（如特征的技術(shù)要求等）、材料熱處理信息（如材料性能、熱處理方式、硬度值等）、精度信息（如形位公差、表面粗糙度等）和形狀信息。設(shè)計(jì)特征用數(shù)學(xué)方法可描述為：

式中：D表示零件設(shè)計(jì)特征；DF1表示零件形狀特征，是零件設(shè)計(jì)特征的核心；DF2表示對(duì)形狀特征的約束特征。

在式（2）中，di表示單個(gè)形狀特征，如槽、凸臺(tái)、倒角等；在式（3）中fi表示管理特征、技術(shù)特征、材料特征、精度特征等，這些特征被形狀特征所引用。

（2）制造特征

將某一工藝過(guò)程或其組成部分直接操作的對(duì)象稱為制造特征［4］，是一組反映工藝約束條件，具有確切加工形狀的特征信息集合。制造特征從設(shè)計(jì)特征而來(lái)，它除了繼承設(shè)計(jì)特征的所有屬性外，還封裝了零件該部分直接操作對(duì)象的工藝方法，如車削、銑削、鏜削、調(diào)質(zhì)處理等等。制造特征用數(shù)學(xué)方法可描述為：

在式（5）中，mi表示單個(gè)零件加工形狀特征，它從設(shè)計(jì)特征映射而來(lái)；在式（6）中g(shù)i表示該制造特征的某工藝方法。

（3）夾具特征

在夾具設(shè)計(jì)中工件上那些用于定位、夾緊和支撐的形狀特征稱為夾具特征。夾具特征更關(guān)注該特征的幾何形狀、表面質(zhì)量和設(shè)計(jì)意圖，來(lái)源于設(shè)計(jì)特征和制造特征。夾具特征用數(shù)學(xué)方法可描述為：

2.2 夾具特征映射

在夾具設(shè)計(jì)域中，如何將零件的設(shè)計(jì)特征和制造特征轉(zhuǎn)換成夾具特征是關(guān)鍵。夾具特征映射過(guò)程比較復(fù)雜，對(duì)于較為簡(jiǎn)單的制造特征如平面、孔特征可直接映射為夾具特征。而對(duì)于大多數(shù)制造特征因與夾具特征無(wú)共同之處，為可靠地實(shí)現(xiàn)夾具特征映射，必須采用基于中性特征的映射方法［5］。

定義：包含制造域和夾具設(shè)計(jì)域所有信息的、從制造特征分解而來(lái)的與視域無(wú)關(guān)的面特征集合，稱為中性特征。

基于中性特征的夾具特征映射過(guò)程是，首先根據(jù)工件設(shè)計(jì)特征和制造特征，找出可用于裝夾規(guī)劃的所有制造特征，并將他們分解成構(gòu)成中性特征的面特征，最后將中性特征按照映射規(guī)則轉(zhuǎn)換成夾具特征。

3 夾具設(shè)計(jì)模型

夾具設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是根據(jù)零件的設(shè)計(jì)特征和制造特征獲得夾具設(shè)計(jì)所需要的信息。夾具設(shè)計(jì)過(guò)程可概況為：根據(jù)獲得的夾具設(shè)計(jì)信息建立夾具設(shè)計(jì)信息模型、進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)功能需求分析、規(guī)劃裝夾方案，最后完成夾具的技術(shù)與構(gòu)形設(shè)計(jì)。

3.1 夾具設(shè)計(jì)信息模型

對(duì)于夾具設(shè)計(jì)人員，最為關(guān)心的問(wèn)題是設(shè)計(jì)夾具究竟需要什么樣的信息，這些信息對(duì)設(shè)計(jì)夾具有些什么影響？為此，本文建立了如圖1所示的基于特征的夾具設(shè)計(jì)信息模型，幫助夾具設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)或利用夾具CAD系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)或半自動(dòng)夾具設(shè)計(jì)時(shí)，有針對(duì)性地獲得夾具設(shè)計(jì)所需要的知識(shí)、資源、規(guī)則等信息，編制自動(dòng)夾具設(shè)計(jì)應(yīng)用程序集，以提高夾具設(shè)計(jì)效率。

圖1 基于特征的夾具設(shè)計(jì)信息模型

圖1中，夾具特征涵蓋了零件設(shè)計(jì)域和制造域的全部信息，如零件的材料、結(jié)構(gòu)、工藝方法等，是夾具設(shè)計(jì)的依據(jù)；夾具事例包括已有夾具組成的夾具實(shí)例庫(kù)、夾具元件或裝置庫(kù)、夾具知識(shí)規(guī)則庫(kù)、夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)等，它們是夾具設(shè)計(jì)的支持和基礎(chǔ)；夾具設(shè)計(jì)技術(shù)是指用于夾具設(shè)計(jì)的特征設(shè)計(jì)技術(shù)、參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)、成組技術(shù)、基于實(shí)例推理的技術(shù)等使能技術(shù)；夾具設(shè)計(jì)工具是計(jì)算機(jī)工具的集合。

3.2 夾具設(shè)計(jì)功能模型

夾具應(yīng)滿足定位穩(wěn)定性、定位惟一性、夾緊穩(wěn)定性和總體約束4個(gè)功能需求［6］。夾具設(shè)計(jì)時(shí)一個(gè)重要任務(wù)就是將夾具的功能要求向夾具構(gòu)形轉(zhuǎn)化，所以對(duì)夾具進(jìn)行功能需求分析的重點(diǎn)集中在滿足上述功能方面。夾具在功能和結(jié)構(gòu)上都具有分級(jí)特性，可用層次分解的方法對(duì)夾具功能進(jìn)行層層分解，形成夾具功能結(jié)構(gòu)模型，如圖2所示。

圖2 夾具功能結(jié)構(gòu)模型

圖3 夾具設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)

3.3 夾具設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)

在基于特征集成的環(huán)境下，產(chǎn)品（零件）設(shè)計(jì)（CAD）、工藝設(shè)計(jì)（CAPP）和夾具設(shè)計(jì)（CAFD）并行進(jìn)行。CAD和CAPP從CAFD系統(tǒng)中獲得支持與評(píng)價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)的約束信息，如對(duì)零件可裝夾性、定位精度等進(jìn)行評(píng)價(jià)反饋，這些約束信息是避免零件設(shè)計(jì)及其工藝規(guī)劃出現(xiàn)大的失誤和返工的必要條件。而CAFD又從CAD和CAPP系統(tǒng)中獲得夾具設(shè)計(jì)所需的已知信息，實(shí)現(xiàn)從夾具的概念設(shè)計(jì)到構(gòu)形設(shè)計(jì)，最后得到夾具裝配模型和工程圖紙。夾具設(shè)計(jì)的結(jié)果，如夾具的材料、結(jié)構(gòu)、精度、數(shù)量、技術(shù)要求等決定著夾具的制造方法和夾具維護(hù)的組織方式方法。為此，本文提出如圖3所示的基于特征集成環(huán)境的夾具設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)。其中信息域自動(dòng)獲取夾具設(shè)計(jì)信息，構(gòu)成夾具信息模型和功能模型，在此基礎(chǔ)上，生成夾具裝夾方案，是夾具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)域；結(jié)構(gòu)域?qū)A具進(jìn)行構(gòu)形設(shè)計(jì)，形成夾具裝配模型，并最終生成工程圖，是夾具設(shè)計(jì)的核心域；支持域生成夾具的虛擬模型并進(jìn)行各種仿真與計(jì)算，從而對(duì)夾具性能進(jìn)行測(cè)試、對(duì)制造過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，是夾具設(shè)計(jì)的檢驗(yàn)域，向CAD、CAPP進(jìn)行反饋約束的關(guān)鍵；現(xiàn)實(shí)域用來(lái)完成夾具物理模型的試制、制造和生產(chǎn)過(guò)程管理，是把夾具設(shè)計(jì)結(jié)果從虛擬三維模型變?yōu)閷?shí)物夾具的部分，并對(duì)夾具進(jìn)行管理。

4 應(yīng)用實(shí)例

本文在上述夾具設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，以現(xiàn)有的三維CAD系統(tǒng)Solidworks為平臺(tái)，以Visual Basic6.0和SQL Server為開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)對(duì)Solidwork進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，研究開(kāi)發(fā)了基于特征集成的用于汽車同步器制造的CAFD系統(tǒng)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖4所示，它由夾具設(shè)計(jì)子系統(tǒng)和夾具管理子系統(tǒng)組成。利用Solidworks里面提供的自定義宏功能來(lái)添加菜單或工具按鈕，將系統(tǒng)無(wú)縫集成于Solidworks平臺(tái)上，參考程序如下：

利用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的汽車同步器齒套倒角工序所用夾具（倒角夾具）如圖5所示。

圖4 CAFD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

圖5 倒角夾具設(shè)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

夾具設(shè)計(jì)是一項(xiàng)針對(duì)性極強(qiáng)的創(chuàng)造性設(shè)計(jì)活動(dòng)，CAFD系統(tǒng)將繼續(xù)朝著集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、并行化、智能化和實(shí)用化方向發(fā)展，同時(shí)各方向間相互交叉、相互促進(jìn)是CAFD系統(tǒng)發(fā)展的必然方向。本文針對(duì)夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)與CAD、CAPP集成度不足的情況，提出的基于特征集成的思想對(duì)今后的CAFD系統(tǒng)進(jìn)一步研究具有一定的理論指導(dǎo)作用；提出并建立的夾具設(shè)計(jì)模型對(duì)夾具設(shè)計(jì)的自動(dòng)化和智能化發(fā)展研究也具有一定的參考價(jià)值。但是，從夾具設(shè)計(jì)模型到夾具構(gòu)形設(shè)計(jì)及裝配模型的自動(dòng)化過(guò)程仍然有很長(zhǎng)的路要走，有待于今后做進(jìn)一步地深入研究。

［1］Tien Chien Chang，Richard A Wysk，Hsu Pin Wang.計(jì)算機(jī)輔助制造［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

［2］吳衛(wèi)東，廖文和.基于特征的夾具設(shè)計(jì)信息模型及其應(yīng)用研究［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013（5）：94-97.

［3］郜勇.面向CAPP/CAFD集成的智能化夾具設(shè)計(jì)方法研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2005.

［4］馮培恩，劉偉平，馬友才，等.機(jī)械制造工藝對(duì)稱性的概念體系及其應(yīng)用思路［J］.工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)，2010，17（3）：161-167.

［5］沈蹺紅，李廣云.從制造特征到夾具特征間接映射的中性特征模型研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2004，23（2）：130-133.

［6］劉長(zhǎng)安，楊志宏，郜勇，等.基于功能特征結(jié)構(gòu)映射的夾具設(shè)計(jì)模型與方法［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，12（8）：1192-1197.

（編輯 趙蓉）（編輯 趙蓉）

Research on Fixture Design Model and its Application Based on Feature Integration

TANG Yao-hong1，HE Cui-qun2
（1.Department of Mechanical and Automation Engineering，Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou Fujian 363000，China；2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nachang 330029，China）

In the light of brief summary of integration technology of CAD/CAM/CAPP/CAFD，the advantages of system integration based on feature is analyzed.with research on feature description and its mapping process of part design feature-manufacturing feature-fixture feature，the characteristic and key of acquisition for fixture design information in feature mapping is pointed out，the fixture design information model based on feature is setup，and function model and system structure of fixture design on integration surroundings is put up.According to the function model and system structure of fixture design，a CAFD system applied to manufacturing of the automobile synchronizer has been developed.In the end of the paper，a design example of fixture illustrates practicability and availability of the fixture design model.

feature integration；feature mapping；fixture design model；CAFD system

TH122；TG65

A

1001-2265（2015）04-0142-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.038

2014-07-30

江西省科技廳自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20122BAB206036）

唐耀紅（1967—），男，湖北咸豐人，漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，碩士，研究方向?yàn)镃AD/CAM/CAPP/CAFD、數(shù)控技術(shù)，（E-mail）tyh_1967 @163.com。