（机械制造及其自动化专业论文）基于ug的专用夹具设计系统的研究与开发.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 夹具是机械制造系统的重要组成部分，它直接影响零件的加工质量，生产效率 和制造成本。计算机辅助设计技术在夹具设计领域的应用使得夹具的设计质量和效 率大大提高，计算机辅助夹具设计( c a f d ) 技术也因此而日益受到人们的重视， 并且成为国内外学者研究的热点。本文在认真分析国内外部分计算机辅助夹具设计 系统的基础上，对专用夹具的计算机辅助设计技术进行了研究，提出了基于装配的 专用夹具设计思想，并由此着手进行基于u n i g r a p h i c s 系统平台的计算机辅助专用夹 具设计系统c a d f d s ( c o m p u t e ra i d e dd e d i c a t e df i x t u r ed e s i g ns y s t e m ) 的研究与 开发。系统开发的目标是实现夹具设计在一定程度上的自动化与智能化，提高夹具 的设计水平和效率。本文主要对以下几个方面内容进行了研究： 1 对专用夹具设计的一般步骤和计算机辅助夹具设计的理论和方法进行了研 究。并利用模块化设计技术从夹具的功能模型入手对夹具进行了模块划分，为实现 基于装配的夹具设计奠定了基础。 2 系统的功能模型与总体结构的研究。从软件工程学的角度，采用i d e f 0 方 法对系统进行了功能模型的建立、总体框架设计及系统功能模块的划分。同时，对 系统与开发平台间的数据管理、数据传递机制进行了研究。 3 系统的界面设计。在深入研究u g 平台的二次开发关键技术的基础上，结 合系统每个模块的功能及专用夹具设计的基本思路，对系统的总体界面和各功能模 块界面进行设计，并建立了系统的编程框架。在系统界面设计上，提出一种基于过 程向导的思想，在c a d f d s 系统用户界面上提供给用户一个逻辑过程，指导用户 一步步地完成夹具的设计。 4 系统主要功能模块关键技术研究。研究了系统主要功能模块实现的基本思 路及关键技术。从系统工程的角度，总体把握夹具设计的整个过程，建立了夹具设 计的装配模型，并对系统标准件库的结构组成及其实现方法进行分析和研究。 。5 系统的应用。以一个简单的典型零件为例，介绍c a d f d s 系统的应用和操 作。 c a d f d s 系统是面向功能、面向装配的专用夹具设计系统，主要从夹具结构和 装配建模方面考虑夹具的设计过程。目前，系统虽然还处在开发和调试阶段，但已 建立了基本的原型系统，并实现了一些基本功能。 关键词：专用夹具，u n i g r a p h i c s ，c a d f d s ，i d e f 0 ，功能模型，装配 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f i x t u r ei sa l li m p o r t a n tp a r to fm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，i tc a l ld i r e c t l yi m p a c tq u a l i t y o fp r o c e s s i n g ，p r o d u c t i v i t ya n dc o s t ma p p l i c a t i o no fc a dt e c h n o l o g yi n f i x t u r e i m p r o v e dt h ed e s i g nq u a l i t ya n de f f i c i e n c yg r e a t l y , s ot h ec a f d ( c o m p u t e ra i d e d f i x t u r ed e s i g n ) t e c h n o l o g yw a sa t t a c h e di m p o r t a n c ei n c r e a s i n g l ya n dh a sb e c o m et h e 。r e s e a r c hh o t s p o tb o t hh e r ea n da b r o a d t h i st h e s i sr e s e a r c h e dt h ec a f dt e c h n o l o g yo n t h ee a r n e s ti n v e s t i g a t i o no fo t h e rc a f ds y s t e ma n dp r e s e n t e dt h ea s s e m b l y - b a s e df i x t u r e d e s i g np h i l o s o p h y m e a n w h i l eac o m p u t e ra i d e d d e d i c a t e df i x t u r ed e s i g ns y s t e m ( c a d f d s ) i sp r e s e n t e du n d e rt h ee n v i r o n m e n to fu n i g r a p h i c si no r d e rt os o l v es o m e p r o b l e m so c c u r r i n gi nt h ec o r r s eo ff i x t u r ed e s i g n t h ef o l l o wi s s u e sa r em a i n l ys t u d i e d a n da d d r e s s e di nt h i st h e s i s ： 1 t h eg e n e r a lp r o c e s so ff i x t u r ed e s i g na n dt h e o r yo fc a f dw a sd i s c u s s e d t h e m a i nm o d u l e so ff i x t u r ew e r eb u i l tb ym e a n so fm o d u l a r i z a t i o nt e c h n o l o g yi n c o n s i d e r a t i o no ft h ef u n c t i o nm o d e l ，w h i c hs e t t l e dt h ea s s e m b l y - b a s e df i x t u r ed e s i g n 2 t h eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo ft h ec a d f d sw a ss e tu p ，a n dt h ef u n c t i o n a l s u b - m o d u l e so fs y s t e mw e r ef i n i s h e db a s e do nt h es o f t w a r ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g ya n d i d e f 0m e t h o d s m e a n w h i l e ，t h ed a t am a n a g e m e n ta n dd a t at r a n s f e rb e t w e e nt h e c a d f d sa n du n i g r a p h i c sp l a t f o r mw a si n v e s t i g a t e d 3 b a s e do nt h ep r o f o u n di n v e s t i g a t i o no nt h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y o fu qt h ei n t e r f a c eo fc a d f d sw a sd e s i g n e d an e wu s e ri n t e r f a c ed e s i g nm e t h o d ， w h i c hi sr e f e r r e da sp r o c e s sw i z a r d ，w a sp u tf o r w a r dt ol e a dt h eu s e r st of u l f i l lt h ef i x t u r e d e s i g ns t e pb ys t e p n l eo v e r a l lp r o g r a ms t r u c t u r eo fc a d f d s w a ss e tu po nt h eb a s i so f t h ep r o c e s sw i z a r d 4 t h ek e yt e c h n o l o g yo fm a i nm o d u l e so ft h ec a d f d s ，s u c ha sp r o j e c t i n i t i a l i z a t i o nm o d u l e ，s t a n d a r dp a r tm o d u l ee t c ，a sw e l la st h e i rp r o g r a m m i n ga n d i m p l e m e n t a t i o n ，w e r ep r e s e n t e d a tl a s t ，t h ea p p l i c a t i o no ft h es y s t e mw a si n t r o d u c e d t h r o u g has i m p l ee x a m p l e 1 1 1 ec a d f d si sf o c u s e do nt h es t r u c t u r ed e s i g na n dt h ea s s e m b l ym o d e l i n gf o r f i x t u r e a tp r e s e n ti ti ss t i l li nr e s e a r c h i n ga n dd e v e l o p m e n tp h a s e h o w e v e ri th a sb e e n a l r e a d yap r o t o t y p es y s t e mw i t hs o m eb a s i cf u n c t i o n k e yw o r d s ：d e d i c a t e df i x t u r e ，u n i g r a p h i c s ，c a d f d s ，i d e f 0 ，f u n c t i o n a lm o d e l ， a s s e m b l y i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 本学位论文属于 保密 不保密口，。乏二二， 学位论文作者签名：孝甥 3 2 ，l ：平面定位法 ( b ) 面两孔定位法 ( d ) v 形板和v 形块定位法 图2 3 基本定位方法 块 江苏大学硕士学位论文 为了减少定位误差，可以采取以下方法： 1 ) 尽量减少夹具使用的元件数量，以缩短尺寸链，减少产生误差的环节，提 高夹具刚性； 2 ) 为了减少元件之间的配合间隙，必要时可以对元件的精度进行选配，以获 得较高的定位精度； 3 ) 采用合理的夹具结构，尽量避免夹紧力、切削力对定位精度的影响； 4 ) 用过定位方法，利用误差平均效应，提高刚性和定位精度。 对于计算机辅助夹具设计，可以从以上四个方面着手，进行夹具误差分析。 2 1 2 夹紧方案分析 夹紧是否牢靠、合理，直接影响到工件的加工质量和生产效率，关系到加工过 程的安全。在合理选用夹紧结构，确定夹紧点的位置时，必须仔细分析工件的定位、 形状、刚性、机床参数和切削力。根据力学原理，考虑夹紧力的方向、夹紧力的作 用点，夹紧力的大小以及如何在夹具体内保持力的平衡【1 】【2 3 1 1 2 4 1 1 2 5 1 1 2 7 1 。 1 夹紧设计的基本要求 工件加工过程中受到切削力、惯性力、离心力等各种力的作用。为了保证工件 能可靠地夹紧在定位元件上，工件除定位外，还必须将之夹紧。对夹具中夹紧机构 的基本要求是： 1 ) 夹紧后不能破坏工件在夹具中的正确定位； 2 ) 夹紧力要足够大，使工件在加工过程中不致产生移动、转动或发生振动； 夹紧力也不能过大，以致于压坏工件表面( 特别是经过加工的表面压出印痕) 或使 工件产生变形； 3 ) 夹紧机构要操作方便，节省劳力，保证安全，即夹紧操作时不应碰到工件、 刀具或机床上相关部分，并保证装卸方便； 4 ) 夹紧机构的复杂程度和自动化程度应与工件的产量和批量相适应。即工件更 换频繁，加工时间短，批量大的工件，为缩短装卸工件的辅助时间应尽量采用气动、 液压等机械化夹紧传动装置；对小工件，可采用多件夹紧装置；对于小批量生产或 加工时间长，采用托盘交换装置的加工中心等。一般情况下，多采用手动夹紧装置。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 夹紧力的方向 在考虑夹紧力的方向时，应注意以下两点： 1 ) 夹紧力的方向应尽可能垂直于工件的主要定位基准面。因为这个表面与夹 具定位元件的接触面较大，接触变形小，夹紧牢靠，稳定性好； 2 ) 夹紧力方向应尽量与切削力方向一致，这样，夹紧力可以小些，而且夹紧 结构也比较简单。 选择夹紧力的作用点时，应注意以下几点： 1 ) 夹紧力的作用点应尽可能落在主要支承点或支承面上，或落在由几个支承 点组成的平面内，就不会产生颠覆力矩，保证夹紧稳定可靠； 2 ) 夹紧力作用点应尽量作用在刚性较好的部位，以便减少夹紧变形； 3 ) 夹紧力作用点应尽可能靠近被加工表面，防止工件产生振动； 4 ) 为保证工件正确定位，必要时增加作用点，采取多向作用点夹紧的方法； 5 ) 对刚性较差的工件，必须在接近加工部位处增加辅助作用点，防止工件受 切削力时产生变形。 3 夹紧力大小 夹紧力的大小，决定于工件的大小、定位方法、夹紧力与切削力相互作用的方 向、切削力的大小。 夹紧力必须保证工件在加工过程中的位置不发生变化。但也不能过大，否则夹 紧力所产生的工件变形，将超过工件加工精度所允许的范围。 4 夹紧力的内部平衡 在受力较大的夹紧结构中，夹紧力的作用点与支承点，必须承受在同一定位元 件上，使夹紧力通过工件与定位元件保持力的平衡，防止因定位元件移动和变形， 而造成的夹不紧及影响工件准确定位。这种夹紧结构，称为“自身夹紧 。 以上对夹具的设计过程，重点对夹具设计过程中的定位方案和夹紧方案进行了 分析，这些都是计算机辅助夹具设计中需要研究的问题。 1 3 江苏大学硕士学位论文 2 2 计算机辅助夹具设计的相关技术 2 2 1 三维c a d 技术 计算机辅助设计技术经历了从二维c a d 到三维c a d 的发展过程。与二维线框 模型相比三维c a d 能够更好地表达设计者的意图，也更加符合设计者的设计习惯 和思维方式。运用三维c a d ，设计者可以更加关注产品设计本身，而不是产品的图 形表示，所建立的模型不但能够表达出产品的全部几何参数，而且还可以表达出产 品的颜色、材料、位置、制造工艺等等与之相关联的信息。利用三维c a d 可以方 便地从三维图生成二维工作图，以提供给加工和装配现场使用，并可以实现两者之 间的相互关联。同时，三维设计的结果也可以为工程分析、数控加工等后续过程使 用。整个设计过程可以完全在三维模型上讨论，设计的全部流程能使用统一的数据 标准。三维c a d 设计，主要包括基于特征的零件设计、参数化与变量化技术、装 配设计等技术口8 1 1 2 9 1 1 3 0 1 。 1 基于特征的零件设计技术 由于产品中的每一个几何形体都包含了尺寸、公差、精度以及设计制造约束等 复杂的产品工程信息，工程设计过程并不是单纯的计算机造型过程。所以，虽然采 用实体模型已经能够相当准确地表示产品的几何形状，但是新一代三维c a d 系统 均采用基于特征的产品模型表示。 零件模型有许多诸如孔、圆角、凸台等局部结构形状构成。这些构成零件的结 构元素就是特征。特征是具有工程含义的几何实体，它表达的产品模型包含语义和 形状两方面信息。特征语义包含设计和加工信息。设计人员不必关注组成特征的几 何细节，可以用熟悉的工程术语阐述意图的方式来进行设计。利用各种特征来进行 产品设计，可以大幅度地提高工作效率。通过特征能够表达各种设计约束和关联， 从而在产品模型中能更好地表达设计者的设计意图。 特征造型主要利用二维草图，通过拉伸、旋转、扫掠、抽壳等方法生成模型， 或直接在实体模型上进行修改。例如：倒角、倒圆等。特征造型的基本步骤一般包 括定义草图、施加约束、生成实体。 - 采用特征造型可以用特征树的形式来记录产品的设计过程。特征树中按照特征 的顺序和相互关系显示构成零部件的每个特征的信息。用户不仅可以给每个特征起 一个有意义的名字，而且还能对特征的定义及特征的创建顺序进行方便地修改。应 1 4 江苏大学硕士学位论文 用特征造型技术，一方面可以把抽象的布尔运算屏蔽起来。另一方面，还可以一步 步地把设计人员的设计思路记录下来，既便于以后的修改又有利于别人了解设计思 路。 2 参数化和变量化技术 参数化、变量化技术就是在不同的几何元素或特征之间建立各种不同类型尺寸 关联或几何约束关系，使设计者能够更好地表达设计意图，更加灵活地对模型进行 修改。 几何约束就是要求几何元素之间必须满足某种特定的关系。将几何约束作为构 成几何拓扑结构的几何基准要素和表面轮廓要素，可以导出各种形状结构的位置与 形状参数，从而形成参数化的产品几何模型。对产品的几何约束，主要包括尺寸约 束和拓扑约束两方面。 尺寸约束是特征或几何元素间诸如两线夹角、各种距离、圆的半径等相对位置 的定量表示。尺寸约束是参数化驱动的对象，它不仅可以更改而且需要标注和显示。 零件上的特征主要通过参数和几何约束关系相互关联。参数化技术允许设计者在创 建特征或几何元素时灵活地定义尺寸标注，并在尺寸间通过方程式建立数学关联。 其中，被约束的尺寸叫参考尺寸，起驱动作用的尺寸叫驱动尺寸。尺寸间的关联可 以是模型内部尺寸或者是设计者自行定义的各种外部参数间的关系。设计者可以通 过修改驱动尺寸来更改模型，由系统自动求解其他尺寸值，这种技术又称为尺寸驱 动技术。 拓扑约束是指对产品结构的定性描述，它表示几何元素间的固定联系，如：平 行、对称、相切、垂直等。拓扑约束可以表示构成特征的几何元素之间的相对位置 关系。当模型被修改时，能够自动保持设计者的设计意图不会改变。 变量化设计是指设计对象的修改需要更大的自由度，通过求解一组约束方程组 来确定产品的尺寸及形状。 。采用参数化、变量化技术表达设计意图时，应在开始设计时就考虑好如何建立 模型，以及特征间的关系如何表达。例如：绘制草图时应考虑草图的尺寸标注方法， 草图中的图形与零件上其他特征问建立何种关系。也可以在草图的几何元素间建立 几何约束，或在尺寸间建立方程式。在三维造型中也可以采取同样的方法，建立不 同特征参数间的数学关系或几何约束。良好的设计结果应该是完整准确和易于修改 的，在更改模型时要保持设计者的意图不被改变。运用参数化进行实体造型的过程 如图2 4 所示： 1 5 江苏大学硕士学位论文 3 装配技术 图2 4 参数化实体造型的过程 。产品的功能不是由单个零件表示出来的，而是由不同零件的组合即装配体实现 的。装配模型是提供和维护产品功能设计意图的关键，通过零件之间的装配关系可 反映整个产品的功能要求和设计者的设计意图。装配设计是指利用已定义好的零件 进行部件、整机装配的设计。这样的装配过程也称为自底向上的装配设计。其主要 步骤包括添加零件或者部件实例、建立零件和部件间的装配关系。 在装配设计环境中，可以将已建立的零部件插入到当前的装配模型中。c a d 系 统在进行这种处理时，通常都是建立一个指向原有零件或部件的一个引用。这样可 以在装配中插入多个相同的零部件，并且当零部件的形状改变时可以自动更新装配 体中的实体。设计者也能够将原有的零部件拷贝到当前装配体中，作为独立的新零 部件。装配时通常用的配合关系一般有面面贴合、对齐、相交、插入等几种。通过 装配关系可以约束零部件间的相对位置关系。 为了更好地表达设计者的设计意图，需要采用参数化和变量化技术来建立装配 体中各个零部件之间的特征形状和尺寸之间的关系，使其中某个零件的尺寸和形状 变化时，其他相关零件的结构和尺寸也随之变化。c a d 系统还允许在装配设计环境 下进行零件设计，使用其他零部件上的几何元素和位置作为参考来定义新特征，这 种设计方法也称为自顶向下设计。利用这种方法，设计人员可以先建立产品的装配 模型，并将各个模块分配给不同的设计小组。各小组就能根据已有的设计结果进行 具体零部件的详细设计。零部件的装配关系可以在设计过程中自动得到。 1 6 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 模块化设计技术 1 模块的概念及特征 所谓模块，就是可组合成系统的、具有某种特定功能和接口结构的、典型的通 用独立单元。这个定义揭示了模块的如下特征【3 1 1 1 3 2 】【3 3 】： ( 1 ) 是系统的组成部分 模块是系统的组成部分，也就是说，它是系统分解的产物。模块可以组合成( 新) 系统，也易于从系统中分离、拆卸和更换，不能从系统中分离出来的单元不能算是 模块。在此，组合的含义是包括集成在内的通过接口进行连接。 ( 2 ) 是具有确定功能的单元 模块虽是系统的组成部分，但它不是对系统任意分割的产物，它具有明确的特 定功能，这一功能不依附于其他功能而能相对独立的存在，并不受其他功能干扰。 ( 3 ) 是一种标准单元 模块结构具有典型性、通用性或兼容性，并往往可构成系列。这正是模块与一 般部件的区别。或者说模块具有标准化的属性。非典型的、不通用的单元( 部件) ， 不是模块。 ( 4 ) 是具有能够组成系统的接口 模块应具有能传递功能、能组成系统的接口结构。设计和制造模块的目的是为 了用它来组成系统( 或产品) ，系统是一个有序的整体，各模块既有相对独立的功 能，又互有联系，模块经有机结合而构成系统，模块间这种共享的界面( 结合处) 就是接口，接口的作用就是传递功能。 2 模块化的概念 模块化是一种思想方法，国内外专家对此作了很多的研究工作。目前对模块化 还没有一个公认的权威性定义。一般可以这样理解：综合考虑系统( 产品) 对象， 把系统( 产品) 按功能分解成不同用途和性能的模块，并使之接口标准化，选择不 同的模块( 必要时设计部分专用模块) 迅速组成满足各种要求的系统( 产品) 的一 种方法。模块化的宗旨是效益；模块化的对象是系统( 产品) 的构成：模块化要解 决的是某类系统( 产品) 的最佳构成形式问题；模块化的主要方法是系统的分解和 组合；系统( 产品) 的分解和组合的技巧和运用水平是模块化的核心问题；模块化 的目标是建立模块系统和对象系统，建立模块化系统是实施模块化设计的前提：形 成模块化的系统( 产品) 是模块化的最终归宿。模块化是一个有目标有组织的活动 过程。 江苏大学硕士学位论文 3 模块化设计方法 ( 1 ) 模块化系统设计 模块化系统设计的任务是进行模块化系统的总体策划，通过对整个系统的分析 和综合，大体上以简单形式把握系统的整体，并以整体观念来协调系统内外的诸要 素，形成系统的宏观模型。系统设计的优劣直接关系整个模块化设计过程的生命力。 因此在这个阶段除进行系统内、外部的设计外，还要进行系统的评定和优化。系统 外部设计要在对模块化对象进行调查、研究、比较的基础上，分析各种制约条件， 进行可行性论证，从而选择有实用价值的系统。系统内部设计包括概念设计和功能 设计。概念设计要进行系统的总体构成和系统的分割和功能分配，以描述系统的范 围、规模、参数，并运用模块化原理分解子系统，拟定多级的模块化产品系统层次 图。功能设计则是确定子系统及模块的性能参数、几何尺寸系列；确定系统基本结 构布局及功能模块与结构模块间的结合形式；给出模块可能构成的系列产品形式； 确定模块的接口，给出各模块输入输出的参数；确定实施功能的技术途径等。系统 优化主要是通过对初选方案进行反复的改进完善，综合形成新的方案。然后就可以 从技术和经济两方面进行系统的评价，直到达到满意为止1 3 l j l 3 引。 ( 2 ) 模块化系列设计 模块的系统设计提供了一个系统的宏模型，而模块的系列设计则是将系统设计 确定下来的模块化系统具体化，使之成为一个可实际应用的模块系列实体，即进行 模块化系统的详细设计。模块的系列设计应以宏模型为依据，严格遵守宏模型的原 则的同时，考虑模块系列化的可能性和方便性。通过描述模块具体轮廓，并在构成 典型化和集成化的基础上，列出整个模块化体系的实体结构系列表，通过对模块化 产品系列型谱的分析，找出其中相同或相似的单元，将其分离出来，用模块化原理 进行统一、归并和简化，形成标准单元或通用单元，这些单元应是具有某种特定功 能和接口的典型通用独立单元，这就是所谓的模块。最后确定的模块系列产品应满 足模块构成的典型化、集成化、系列化要求【3 i j l 。 ( 3 ) 模块化产品设计 模块化产品设计是模块化系统的应用阶段。它是以运用模块为主，设计出具有 实用价值的工业产品。模块化产品设计首先就是选用模块，并以所选取的模块为中 心展开产品的总体设计和详细设计。设计者应在全面弄清待设计产品的功能要求、 外部环境等详细技术要求的同时，掌握模块系列的构成和各模块的功能和接口，对 二者进行反复分析、综合后，选用合适的模块。如果有必要，将选出的模块作为基 型模块进行改型设计，以满足用户要求的多样性。对于结构差异较大的产品，要在 1 8 江苏大学硕士学位论文 模块化系统宏模型的指导下设计专用模块，以便实现从专用模块到新通用模块的过 渡来扩展模块化的产品系列。最后，选出的分立模块构成整机时还要考虑各模块接 口的匹配问题及整机外观的协调性。模块化产品设计是对模块系列的能动运用，同 时也不断丰富和发展着模块系列。通过大量的模块化产品设计实践，模块化系统也 进行着新陈代谢，一些优良的新模块不断补充进来，一些不良的模块陆续被淘汰。 模块化产品设计不仅形成了产品，也起着一个逐步调整、充实、完善、提高、发展 和更新模块化系列的作用p l j 【3 3 j 。 2 2 3 产品数据管理 在1 9 9 5 年2 月，主要致力于p d m 技术和相关计算机集成技术的国际权威咨询 公司c i m d a t a 公司总裁e dm i l l e r 在 p d mt o d a y ) ) 一文中给出了p d m 的简单定义： “p d m 是- - f 7 用来管理所有与产品相关信息( 包括零件信息、配置、文档、c a d 文 件、结构、权限信息等) 和所有与产品相关过程( 包括过程定义和管理) 的技术”。而 g a r t n e rg r o u p 公司的d a v eb u r d i c k 则把p d m 定义为：“p d m 是为企业设计和生产 构筑一个并行产品开发环境( 由供应、工程设计、制造、采购、销售与市场、客户构 成) 的关键使能技术： 3 4 1 0 5 1 。一个成熟的p d m 系统，能够使所有参与创建、交流、 维护设计意图的人，在整个信息生命周期中自由共享和传递与产品相关的所有异构 数据。无论概念怎样，p d m 是依托i t 技术实现企业最优化管理的有效方法，是科 学的管理框架与企业现实相结合的产物，是计算机技术与企业文化相结合的一种产 品【3 6 1 。 在夹具设计的过程中，应用p d m 的管理思想也是很有意义的：可以利用p d m 有效地将夹具设计各个阶段的相关数据，按照一定的数据模式加以定义、组织和管 理，使夹具数据在整个生命周期内保持一致、最新、共享及安全。如果进一步地将 夹具后续制造的问题也加以考虑的话，那么夹具的工艺流程设计、加工制造、销售 维护直到产品消亡的整个生命周期内及各个阶段的相关数据均可以用p d m 的管理 思想加以组织。这样必然将很好地面向企业的生产组织，使企业提高产品质量、缩 短研制周期、提高工作效率、加快产品投放市场的速度，从而提高产品的竞争力。 2 3 模块化设计在夹具设计中的应用 在对夹具进行模块化设计之前，需要研究机床夹具的组成，进而分析夹具设计 的特点，之后根据模块化设计的理论，按照模块划分、模块创建、模块组合的步骤 进行夹具的模块化设计，从而实现夹具的快速设计。 1 9 江苏大学硕士学位论文 2 3 1 机床夹具的组成 机床夹具的种类虽然繁多，但其组成均可以概括为以下几个部分： 1 ) 夹具体 夹具体是机床夹具的基础件，通过夹具体将夹具的所有元件连成一个整体。 2 ) 定位装置 定位装置由定位元件组成，通过定位元件使工件在夹具中占据正确的位置。 3 ) 对刀或导向装置 对刀或导向装置用于确定刀具相对于定位元件的正确位置。 4 ) 夹紧装置 夹紧装置的作用是将工件压紧夹牢，使得工件在加工过程中受到外力( 如切削力) 时不离开正确的位置。 5 ) 连接元件 连接元件是确定刀具相对于定位元件的正确位置，如车床夹具上的过渡盘、铣 床夹具上的定位键等都是典型的连接元件。 6 ) 其它装置或元件 其它装置或元件是指夹具中因特殊需要而设置的装置或元件。如为了加工按一 定规律分布的多个表面时，常设置分度装置；为了方便、准确地定位，常设置预定 位装置：对于大型夹具，常设置吊装元件等。 从机床夹具的组成不难看出，夹具的设计的特点主要体现在：夹具的各个组成 部分可以分别进行设计。这也就是说，可以先分别设计夹具的各个部分，如确定工 件的定位方式并选择定位装置，确定工件的夹紧方式并设计夹紧机构，选择其它的 组件和元件等等。在此基础上，协调各装置、组件的布局，确定夹具的总体结构。 原有夹具合件( 元件) 的调整幅度有大有小，有的属微动调整，甚至调整与否不影响 其它元件的装配，对这一类合件( 元件) 可将其设计为一个固定的结构。而只需对调 整幅度大且影响其它元件装配的合件( 元件) 进行单独的设计。通过上述的分析，可 以发现：与一般的产品设计相比，夹具设计的重构性比较强，这就使在夹具设计中 运用模块化设计方法成为可能。 2 3 2 机床夹具模块划分 模块划分可以有不同的分法和层次，产品设计是由面向用户的功能开始，功能 分解法是产品设计中常见的系统方法。在功能分析的基础上，进行合理的功能分解， 江苏大学硕士学位论文 实现合理的模块划分，才能为创建出满足特定功能的模块并制定出满足用户要求的 产品总体方案奠定基础。 1 功能的分析与分解 功能分析是工程设计的重要手段，包括对功能的认识和对功能的分析、分解和 组合。从广义上讲，产品的功能是指产品对外界环境产生的某种影响或反映，包括 物质的作用、能量和信息的交换以及对外界状态的改变等。采用t o p 功能分析 ( t 0 0 1 o b j e c t p r o d u c tf u n c t i o na n a l y s i s ) 方法【3 刀，针对机床夹具模块化设计的需求， 在分析夹具各部件的功能的基础上，将夹具的基本功能进行分解，分为定位功能、 夹紧功能、导向功能、安装功能等子功能。每个子功能又可继续分解为下一级功能 单元【3 引。经此分解可形成如图2 5 所示的功能树。 陈丽 工件定位功能il 导向及对刀功能ii夹紧功能 定 位 2 模块划分 支ll 导 il 承il 向m 堋 蠢 力i l 大j 小i 图2 5 夹具功能分解图 夹具的安装 夹 具 安 装 位 置 按照上面的思路，机床夹具划分成夹具安装、工件定位、导向及对刀、夹紧、 辅助等几大模块。其中夹具安装模块包括夹具体模块和定位与定向模块；导向及对 刀模块包括导向模块和对刀模块；夹紧模块包括夹紧部件和夹紧动力模块；辅助模 块包括分度模块和其他模块等子模块。由于工件是夹具的作用对象，所有夹具设计 工作都是围绕工件展开的，所以增加了工件模块。具体划分如图2 6 所示： 2 1 江苏大学硕士学位论文 夹具模块 夹具安装模块il 导向及j 啪 模块ii夹紧模块 辅助模块 夹 具 体 模 块 定li 非 对il 夹 刀1 i 紧 模il 部 块i i 件 诣 动il 块 袭il 块i 扑 块l 1 分 _ ji 褰 l 块 其 他 模 块 2 6 夹具模块划分 对于定位模块，针对不同的典型表面又可以细分为定位平面、定位内外圆柱面 和定位内外圆锥面等子模块，从而将夹具模块的功能进一步细化。在夹具设计中所 用到的零件主要包括以下三种类型：标准件，夹具标准件和专用件。标准件就是符 合国家标准的各种零件，如螺钉、螺母等；夹具标准件又叫夹具通用件，是在夹具 设计中标准化了的零件，如支承板、钻套等，这类零件在夹具设计手册中都有明确 的规范；夹具专用件就是设计人员根据具体的加工要求所设计的零件，如一些特殊 结构的零件。针对上图划分的不同模块参照金属切削机床夹具设计手册1 3 9 1 ，将 夹具标准件库按照其功能不同分为紧固件、夹紧件、定位件等八个模块，具体划分 如图2 9 所示： 图2 9 标准件库模块化分 通过上文的有关模块的划分过程可以看出：当上述的工作完成后，实际上己经 将机床夹具的各个组成模块标准化了。有了这些基础，当进行夹具设计时，就可以 根据工件的工序要求分别设计各个组成模块，尔后再进行组装和修改，确定各零件 的形状和配合关系，同时要对原先定义的比较粗略的装配模型予以细化或改进，当 然也可能会对夹具元件重新设计，直到最终得到符合要求的夹具。 江苏大学硕士学位论文 第三章c a d f d s 系统总体结构及模块划分 专用夹具是典型的经济、技术密集型产品，其结构复杂，设计、制造难度高， 周期长。一般来说，每一批零件都需一套相应的夹具，设计结果也会因应用条件和 设计者的经验而异。但是，专用夹具的生产经过多年的发展，整个人类社会已经积 累了丰富的理论知识和实践经验，从零件的定位、夹紧设计到夹具体的结构设计， 都有丰富的理论和规律可循。随着计算机技术的迅猛发展，这些在生产过程中积累 起来的专用夹具理论和实践经验就成为夹具c a d 系统开发的物质基础。 c a d f d s ( c o m p u t e ra i d e dd e d i c a t e df i x t u r ed e s i g ns y s t e m ) 就是一个基于知识的专 用夹具c a d 系统。其目的就是把专用夹具设计理论、设计规则、设计规范等程序 化，使得专用夹具的设计过程在一定程度上智能化和自动化，从而减少人的劳动、 提高专用夹具设计质量、设计效率及可靠性。本文主要从专用夹具结构上和装配设 计上考虑专用夹具设计过程，进行c a d f d s 系统研制与开发。 c a d f d s 作为一个c a d 系统，其开发过程是一项复杂的系统工程，需要权衡 各个方面因素的影响，既要考虑现有的各种软硬件环境，又要将各种非环境因素考 虑在内。从开发初始就应当做一个周密详细的计划，在软件工程方法指导下进行系 统的研制。只有这样，才能快速有效的完成开发任务。c a d f d s 系统采用软件工程 学中的生命周期法指导系统开发，并采用i d e f 0 方法进行系统功能模型的建立。 3 1 系统的生命周期 根据软件工程学的方法，c a d 系统的生命周期可分为系统分析、系统设计、程 序设计、系统测试和系统维护五个阶段。前四个阶段称为开发期，最后一个阶段称 为维护期。 系统分析阶段的主要任务是对现行的工作流程进行调查，收集并分析有关资料， 了解用户的需求，确定系统的总目标、功能、性能和接口，建立系统的总体逻辑模 型。 系统设计时主要利用系统流程图作为基本工具，采用结构化的设计方法。在设 计复杂的c a d 系统时，设计过程可分为概要设计和详细设计两个阶段。系统设计 要将系统逐级向下分解成模块和子模块，进行模块划分。在模块划分时应尽量降低 模块之间的耦合度，增加每个模块的内集性。系统设计过程中要及时编写文档，系 统完成后，这些文档资料就是系统的说明书。 程序设计阶段的主要任务是把系统设计方案加以具体实现，根据系统设计说明 。 2 3 江苏大学硕士学位论文 书进行程序设计，将各功能模块采用某种计算机高级语言实现。 系统的测试阶段是对系统分析、系统设计和程序设计的最后审查，是保证软件 质量的关键。按软件工程的方法，测试过程可分为单元测试、整体测试和有效性测 试。单元测试即模块测试，整体测试是将模块总装在一起进行测试，其目的在于考 察模块是否能组装成一个符合设计要求的系统。有效性测试的目的是证实软件的功 能与用户要求是否一致。 c a d 系统生命周期的最后一个阶段就是维护阶段。系统维护的内容很广泛，但 主要的是改正性维护、适应性维护和完善性维护【加】。 3 2 系统功能模型的建立 3 2 1i d e f 0 方法简介 i d e f 是i c a md e f i n i t i o nm e t h o d 的缩写，后来称为i n t e g r a t i o nd e f i n i t i o n m e t h o d ，i c a m 的含义是集成计算机辅助制造( i n t e g r a t e dc o m p u t e ra i d e d m a n u f a c t u r i n g ) 。i d e f 方法是一套对复杂系统进行建模分析和设计的系统方法，是 在结构化分析方法的基础上发展起来的。i d e f 方法创建之初开发了三种方法分别 是：功能建模( d e f 0 ) 、信息建模( d e f l ) 、动态建模( i d e f 2 ) 。后来又在此基 础上相继开发了一系列的i d e f 方法。 i d e f 0 是i d e f 方法之一，用于描述系统的功能及其相互关系的结构分析，它 能清楚地表达系统的活动和数据流以及它们之间的关系，建立系统的功能模型。该 模型的主要元素是一些简单的盒子及箭头，这些元素组合在一起称为i d e f 0 图。 i d e f 0 图由如图3 1 所示五个基本要素组成：功能单元、输入( i n p u t ) 、输出( o u t p u t ) 、 控制( c o n t r 0 1 ) 和机制( m e c h a n i s m ) ，这种结构称为i c o m 结构。i d e f 0 方法采用 既有一定抽象性又能反映活动功能的短语来描述系统，其输入是该活动所需要的信 息，输出是该活动产生的信息，控制是指该活动执行的条件或约束，机制是指执行 活动的人或设备。i d e f 0 方法用严格的自顶向下逐层分解的方式来构造系统的功能 模型。所有结点都用字母a ( a c t i v i t y ) 开头，最顶层图形称为a 0 图，在a 0 图以 上只用一个盒子代表系统的内外关系，编号a 0 ( 读作：a 减o ) 。必要时也可以有 a ? 1 等，a 2 图等。但模型的顶层仍是a 0 图。子图的编号为父图的编号加上相应被 分解盒子在父图中的编号。i d e f 0 的层次结构如图3 2 所示【4 1 】【4 2 】【4 3 1 。 江苏大学硕士学位论文 图3 1i d e f 0 模型的组成要素图3 2i d e f 0 模型的层次结构 3 2 2 用i d e f o 方法建立c a d f d s 系统的功能模型 开始建模之前，首先要明确功能模型的建模目的。对c a f d 系统功能模型而言， 要从其运行系统的角度，确定模型的立足点。本c a d f d s 系统的核心任务是完成零 件专用夹具的结构设计与装配建模。c a d f d s 系统要依据导入的零件图，按照技术要 求依据设计经验和方法，完成夹具的设计，根据以上所述建立如图3 3 所示c a d f d s 系统的a - o 图。 系统功能模型的输入是加工零件信息，包括零件的几何形状特征、尺寸、公差 等。这些都是夹具设计过程中首先考虑的问题。 ， 系统功能模型的控制要素为零件的技术要求及夹具设计的一般准则和经验。这 些信息通过c a d f d s 系统的人机交互界面来接收和处理。 系统功能模型的机制要素为设计者和c a f d 系统的支撑平台，包括计算机硬件、 软件以及开发平台。系统运行的软硬件环境为微机、w i n d o w s2 0 0 0 操作系统以及通 用c a d