基于特征工艺的机床夹具CAD系统研究.pdf

收 稿 日 期 :2002 年 12 月基 于 特 征 工 艺 的 机 床 夹 具 研 究兰 成 均 陈 金 明中 国 工 程 物 理 研 究 院摘 要 :论 述 了 机 床 夹 具 的 方 案 设 计 ,提 出 了 基 于 特 征 技 术的 零 件 工 艺 模 型 表 示 方 法 。 应 用 特 征 技 术 建 立 面 向 特 征 工 艺 的 夹 具 设 计 模 型 ,实 现 了 一 种 基 于 特 征 工 艺 设 计 与 夹具 设 计 为 一 体 的 集 成 模 式 。关 键 词 :夹 具 特 征 工 艺 , 系 统 模 型 引 言如 何 应 用 先 进 工 具 和 手 段 服 务 于 工装 设 计 ,实 现 产 品 的 高 质 量 、 低 成 本 、 短 生 产 周 期 ,近年 来 受 到 普 遍 的 关 注 。 采 用 基 于 特 征 技 术 实 现 支 持整 个 工 艺 设 计 过 程 的 计 算 机 辅 助 夹 具 设 计 系 统 的 研究 ,已 成 为 该 技 术 领 域 研 究 的 热 点 问 题 之 一 ,是 实 现工 艺 装 备 设 计 自 动 化 的 重 要 方 法 和 手 段 。近 年 来 在 夹 具 的 研 究 中 取 得 了 很 大的 进 展 。 由 于 夹 具 方 案 设 计 经 验 性 很 强 ,其 中 需 要考 虑 的 问 题 很 多 ,目 前 在 国 内 外 有 很 多 的 夹 具 方 案设 计 方 法 ,其 中 有 的 已 成 功 地 应 用 到 了 生 产 实 践 中 ,有 的 尚 处 于 研 究 阶 段 。 但 这 些 系 统 大 都 侧 重 于 特 定设 计 功 能 的 实 现 ,缺 乏 对 整 个 设 计 过 程 及 数 据 模 型的 研 究 。 本 文 将 讨 论 如 何 利 用 特 征 技 术 ,实 现 支 持整 个 设 计 过 程 的 夹 具 模 型 结 构 及 相 关 的设 计 方 法 。2 机 床 夹 具 方 案 设 计机 床 夹 具 是 面 向 夹 具 设 计 人 员 的 参数 化 图 形 信 息 管 理 系 统 ,它 融 程 序 库 和 参 数 化 图 形系 统 于 一 体 。 本 文 所 设 计 的 夹 具 是 建 立在 基 于 三 维 特 征 模 型 之 上 ,整 个 系 统 设 计过 程 由 被 加 工 零 件 设 计 、 工 艺 方 案 辅 助 设 计 、 定 位 夹紧 方 案 分 析 (包 括 定 位 误 差 分 析 计 算 、 夹 紧 力 大 小 计算 等 ) 、 夹 具 元 件 设 计 和 夹 具 装 配 设 计 等 五 个 部 分 组成 (见 图 1) 。图 1 夹 具 方 案 设 计(1)被 加 工 零 件 设 计 即 设 计 被 加 工 零 件 ,并 输入 零 件 各 部 分 与 加 工 和 设 计 夹 具 有 关 的 信 息 ,例 如零 件 的 尺 寸 大 小 、 加 工 精 度 、 材 料 种 类 、 技 术 要 求 以及 用 户 对 夹 具 设 计 的 具 体 要 求 等 。(2)工 艺 方 案 辅 助 设 计 即 用 被 加 工 零 件 的 设计 信 息 与 工 艺 知 识 库 中 的 信 息 进 行 比 较 ,经 过 设 计者 的 修 改 ,得 出 合 理 的 零 件 加 工 工 艺 后 ,再 交 互 选 取设 计 夹 具 的 工 序 。(3)定 位 夹 紧 方 案 分 析 即 确 定 定 位 夹 紧 方 案 ,选 择 定 位 元 件 和 夹 紧 元 件 ,利 用 程 序 库 中 的 相 应 程序 ,进 行 定 位 元 件 结 构 尺 寸 计 算 和 定 位 误 差 分 析 以及 夹 紧 力 的 计 算 ,完 成 定 位 夹 紧 系 统 的 设 计 。(4)夹 具 元 件 设 计 即 根 据 前 面 的 定 位 夹 紧 方案 ,对 所 需 的 夹 具 元 件 进 行 结 构 设 计 ,并 从 图 形 库 中调 用 标 准 的 参 数 化 夹 具 元 件 ,如 定 位 元 件 、 支 承 元 件等 。(5)夹 具 的 总 体 装 配 利 用 交 互 式 设 计 和 图 形库 对 夹 具 的 装 配 进 行 设 计 。3 基 于 特 征 技 术 的 零 件 工 艺 模 型工 艺 模 型 的 描 述 是 根 据 工 艺 设 计 方 案 生 成 的 工艺 设 计 过 程 信 息 ,应 用 特 征 技 术 ,从 夹 具 设 计 角 度 ,512003年 第 39 卷 8描 述 零 件 从 毛 坯 到 成 品 之 间 变 换 过 程 的 特 征 信 息 ,支 持 整 个 夹 具 设 计 过 程 。 工 艺 模 型 通 常 从 三 个 层 次上 表 达 加 工 的 序 列 如 图 2 所 示 。 用 工 序 表 示 在 一 台机 床 上 的 加 工 ,用 安 装 和 工 位 表 示 一 次 装 夹 的 加 工位 置 ,以 工 步 表 示 一 个 特 征 的 加 工 。 因 此 ,整 个 加 工工 艺 过 程 由 若 干 排 列 的 工 序 组 成 ,每 一 个 工 序 又 是由 安 装 工 位 和 工 步 组 成 。 由 于 我 们 的 目 标 是 应 用 于夹 具 设 计 ,所 以 ,工 艺 模 型 的 建 立 以 工 序 为 单 位 ,按装 夹 要 求 来 描 述 零 件 特 征 和 工 序 内 容 。图 2 零 件 加 工 工 艺 层 次 结 构图 3 所 示 为 基 于 特 征 的 零 件 工 艺 模 型 结 构 。 工序 1 中 工 件 的 装 夹 特 征 表 示 零 件 毛 坯 的 初 始 状 态 ,用 毛 坯 特 征 表 达 ,以 后 各 工 序 中 零 件 的 装 夹 特 征 表示 在 原 毛 坯 特 征 的 基 础 上 若 干 特 征 的 增 加 。 工 序 1对 毛 坯 进 行 了 两 个 特 征 的 加 工 ,因 此 ,工 序 2 中 工 件的 装 夹 特 征 表 示 在 原 毛 坯 特 征 的 基 础 上 的 增 加 ,即除 了 继 承 原 有 的 毛 坯 特 征 外 ,还 增 加 了 两 个 特 征 。在 工 序 2 中 ,仅 加 工 特 征 1 的 状 态 发 生 变 化 (如 扩 孔加 工 产 生 的 孔 径 变 化 ) 。 因 此 ,工 序 3 中 工 件 的 装 夹特 征 仅 表 示 加 工 特 征 1 状 态 的 变 化 ,即 除 了 继 承 工序 2 中 的 装 夹 特 征 外 ,还 增 加 了 特 征 1 状 态 的 变 化 。可 以 说 ,工 件 在 任 一 工 序 中 的 装 夹 特 征 都 表 示 毛 坯特 征 、 加 工 特 征 和 状 态 ,每 一 次 工 件 的 装 夹 特 征 都 是上 一 次 工 件 装 夹 特 征 状 态 的 变 化 或 新 特 征 的 加 入 。图 3 基 于 特 征 的 工 艺 模 型 表 示毛 坯 特 征 零 件 的 设 计 特 征 ,其 内 容 和 结 构 与 毛坯 设 计 相 关 。 加 工 特 征 是 在 编 制 加 工 工 艺 过 程 中 所产 生 的 描 述 加 工 工 艺 及 工 件 形 状 的 单 元 ,其 内 容 包括 工 件 加 工 表 面 的 几 何 形 状 、 加 工 表 面 的 方 位 、 加 工精 度 、 粗 糙 度 和 加 工 设 备 等 信 息 。4 基 于 特 征 工 艺 的 夹 具 模 型与 功 能针 对 工 艺 设 计 与 夹 具 设 计 的 关 系 ,本 文 提 出 一种 基 于 加 工 特 征 的 工 艺 设 计 与 夹 具 设 计 为 一 体 的 集成 模 式 ,利 用 特 征 技 术 建 立 面 向 艺 模 型和 面 向 夹 具 方 案 设 计 的 装 夹 特 征 模 型 ,实 现 工 艺 设计 与 夹 具 设 计 的 集 成 。(1)系 统 的 总 体 结 构本 系 统 在 功 能 上 包 括 两 个 子 系 统 : 子 系 统 和 机 床 夹 具 系 统 ,如 图4 所 示 。图 4 基 于 特 征 工 艺 的 夹 具 结 构从 三 维 (本 文 中 采 用 的 是 传 来的 信 息 , 经 特 征 提 取 后 得 到 有 关 加 工 工 艺 信 息 和 工装 夹 具 的 设 计 信 息 ,生 成 工 艺 模 型 ,再 将 夹 具 设 计 信息 传 给 统 。 统 根 据 工 艺模 型 提 取 装 夹 特 征 信 息 生 成 装 夹 特 征 模 型 ,按 照 系统 设 计 的 推 理 方 法 最 后 得 到 工 艺 设 计 文 件 和 夹 具 设计 模 型 。在 整 个 设 计 过 程 中 ,系 统 不 仅 要 接 受 和 处 理 大量 的 设 计 信 息 ,而 且 还 要 实 现 从 加 工 特 征 的 提 取 、 工艺 过 程 设 计 、 夹 具 设 计 到 装 配 等 大 量 信 息 和 功 能 的集 成 。 建 立 工 艺 设 计 和 夹 具 设 计 的 数 据 模 型 ,将 工艺 设 计 和 夹 具 设 计 中 的 信 息 通 过 零 件 信 息 模 型 、 工艺 模 型 和 夹 具 设 计 模 型 集 成 起 来 ,由 网 络 和 数 据 库提 供 有 力 的 支 持 。(2)系 统 功 能 能 :首 先 实 现 零 件 的 三 维 特 征造 型 ,并 通 过 零 件 特 征 信 息 的 输 入 ,识 别 零 件 结 构 要素 并 检 索 其 加 工 特 征 ,由 专 家 系 统 推 理 完 成 零 件 结构 要 素 的 工 艺 设 计 、 机 床 刀 具 选 择 、 夹 具 类 型 选 择 ,61 工 具 技 术确 定 加 工 工 艺 路 线 和 工 序 内 容 ,生 成 工 艺 设 计 文 件 ,同 时 建 立 可 向 夹 具 设 计 提 供 信 息 的 工 艺 模 型 。 能 :程 序 库 :主 要 存 放 方 案 设 计 中 各 种 设 计 计 算 程序 ,如 方 案 设 计 中 定 位 误 差 分 析 计 算 程 序 、 夹 紧 力 计算 与 校 核 程 序 等 。数 据 库 :用 于 存 储 夹 具 设 计 所 需 的 各 种 数 据 ,包括 夹 具 元 件 的 结 构 尺 寸 、 方 案 设 计 使 用 的 各 种 表 格数 据 、 公 式 及 图 形 数 据 以 及 保 留 夹 具 设 计 过 程 中 产生 的 各 种 数 据 等 。参 数 化 图 库 :存 放 夹 具 设 计 所 需 的 各 种 参 数 化夹 具 元 件 、 组 件 、 标 准 件 、 非 标 件 和 夹 具 设 计 时 用 到的 各 种 符 号 、 格 式 等 。装 夹 特 征 信 息 库 :用 于 存 储 夹 具 方 案 设 计 的 特征 信 息 。 应 用 特 征 建 模 技 术 建 立 装 夹 特 征 模 型 、 表达 方 案 设 计 信 息 ,作 为 夹 具 元 件 选 择 与 装 配 的 依 据 。根 据 工 艺 特 征 模 型 提 供 的 夹 具 设 计 信 息 , 提 取夹 具 方 案 设 计 的 装 夹 特 征 信 息 ,最 后 完 成 夹 具 方 案设 计 (包 括 夹 具 定 位 结 构 设 计 、 定 位 夹 紧 机 构 设 计 、导 向 装 置 设 计 、 误 差 分 析 等 ) ,用 装 配 模 型 模 拟 夹 具的 装 配 。 夹 具 方 案 设 计 可 以 按 常 规 夹 具 设 计 顺 序 ,分 为 夹 具 结 构 设 计 ,定 位 方 案 设 计 、 定 位 误 差 计 算 、定 位 机 构 设 计 、 夹 紧 方 案 设 计 、 夹 紧 力 分 析 计 算 、 夹紧 机 构 设 计 、 导 向 对 刀 方 案 设 计 、 导 向 对 刀 误 差 计算 、 导 向 对 刀 机 构 方 案 设 计 、 夹 紧 元 件 、 定 位 元 件 等的 选 择 设 计 和 其 它 夹 具 元 件 设 计 等 。参 考 文 献1 孙 小 斌 ,杨 海 成 ,李 原 . 基 于 特 征 的 夹 具 设 计 方 法 . 机 械 科学 与 技 术 ,2000(5) :494 4952 柏 合 民 ,刘 文 剑 ,金 天 国 . 基 于 特 征 与 参 数 化 的 夹 具 半 自动 化 设 计 方 法 . 计 算 机 辅 助 设 计 与 制 造 ,1998(9) :29 仲 高 艳 . 在 上 建 立 夹 具 设 计 ,1999(6) :284 李 梦 群 ,刘 春 美 . 开 放 式 夹 具 . 制 造 技 术 与 机床 ,2000(2) :23 245 1481 401第 一 作 者 :兰 成 均 ,中 国 工 程 物 理 研 究 院 机 械 制 造 工 艺研 究 所 ,621900四 川 省 绵 阳 市3 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (项 目 编 号 :50075026)广 东 省 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 (项 目 编 号 :950168)收 稿 日 期 :2002 年 12 月钝 圆 刀 刃 切 削 的 有 限 元 模 拟 3邓 文 君 夏 伟 周 照 耀 王 灵 军 陈 普 庆华 南 理 工 大 学摘 要 :利 用 商 业 有 限 元 分 析 软 件 虑