浅析夹具设计自动化的现状及发展趋势

苏利艳

摘要：在映射原理的引导下，讨论了模块化元件创新设计自动化的主要方法和途径，回顾了广义的区域分解的粒度空间是决定模块化设计创新潜力的关键因素。从提取夹具的应用入手，建立了模块化附件的功能需求集，并讨论了模块化附件电源结构的自动映射方法，在模块固定概念结构的多图解重建过程中，验证了其创新潜力。

数据控制机床和加工中心的应用简化了夹具的功能和结构，但夹具仍然是生产中必不可少的工艺设备。夹具的设计和生产是生产准备阶段的主要部分，手工设计的质量不仅取决于设计者的经验和水平，也是一项越来越繁杂的工作。从理论上讲，夹具设计一直是基于经验的机械结构设计，对工程分析和设计技能要求较高，将直觉推理的知识转化为计算机程序存在一些困难，这些年来我国的人工智能和知识工程的进一步发展也为此类设计的计算机化开辟了一条新方法。

一、计算机辅助夹具设计的方法

如果按照夹具的柔性程度分类，用于生产的机床附件可分为专用附件、可调附件和组合附件。专用夹具设计过程中需要的信息量最大，过程最复杂，但它是一次性夾具，没有灵活性，应用范围越来越窄和有限。组合夹具组件都是标准化的，因此，从模块化结构出发，不仅便于研究其自动化设计方法，而且其成果的推广应用更有利于当前柔性生产系统的发展。

就系统原理而言，可分为以下三种类型。

1.手工绘制

换言之，附件设计师绘制附件草图，并且仅使用计算机作为工具绘制附件装配图。这种类型的系统只减少了手动绘制的工作量，这主要是在预先设想的系统中。

2.研究变量

为了设计新的固定零件，从固定库中恢复一些相同类型的类似附件，然后根据新零件的技术要求修改恢复的附件。最后，利用绘图仪进行装配设计。

3.智慧创造

根据设计工厂的输入信息，此类系统可以或多或少地生成安装设计，并以较少的交互方式完成设计。专家系统是目前常用的模式，它模仿了固定设计专家考虑问题的思维过程，也保存了系统专家设计设备的宝贵经验。目前还没有能够自动生成夹具的CAD系统，自动生成的系统中只有一些智能模块。

二、国外研究和开发计算机辅助夹具设计系统的情况

1.Amy J.夹具结构的自动布局理论和方法。通过测量空间投影的方法简化了工件整体形状的表示，然后采用几何推理的方法，通过一套三维网格搜索策略，获得固定布局，以此原理建立的系统可以作为CIMS的一部分，直接访问CAD数据库获取几何信息部分，使用线性规划模型来表示固定中的切削力、定位扭矩和非旋转部件的扭矩，然后根据螺钉理论检查它们的平衡，从而获得合理的固定布局。

2.在CAPP中增加一个点的规划装置，在QTC系统中增加一个点规划模块，铺设规划模块可以与全自动工艺设计功能交互，形成紧固件装配设计，但该模块仅适用于用非常简单的形状咬合固定的零件。

3.M.grippo等人开发了一个Cad -MFS插槽系统，该系统与Trust的Cad系统相结合。该系统的原理是基于交互GT生成附件组件设计的方法。Cad ms系统由三部分组成，给出零件的绘图和定位方案后，可用于绘制零件和其他图纸。

三、近10年国内对夹具CAD系统的开发

20世纪20年代初，中国航空技术进出口公司在欧洲销售组合式夹具时，应客户要求设计了几套组合式装配设计，这为中国CAD夹具系统的开发打开了序幕，中国已有十多所大学探索了结构CAD系统，但只有北京机械学院、河北工业学院、南京航空学院和北京工业大学能够长期参与研发。

下面介绍作者研究和开发的不同系统。

1.Bmfcad1.0组合槽系CAD系统

用于加工中心组合M12插槽系统的设计，在16位微机和DOS操作系统下运行。大块式动力机器基础是一种基于GT的变形恢复系统，以计算机辅助设计和debases作为支持软件。该系统具有带有附件和过程信息的部分编码系统。编码作为恢复和选择相似设备的输入信息，系统为设计人员提供结构思路，减少部件选择、文字使用和装配时间，并具有自动生成部件列表的功能，系统采用开放式结构设计，方便用户添加和修改各种功能。

2.Bmfcad2.0智能插槽系统结合CAD系统

bmfcad1.0中包含一个装配专家系统。装配专家系统的主要功能是定位装配，锁定系统的设计和基本部件的选择。首先，向设计师推荐适当的安装定位系统，并提供修改、更换和取消的方法，为了选择最佳用途。后者建议设计师可以使用的基本部件，以节省选择时间。

3.孔隙组合夹具CAD系统

该系统运行在工作站和UNIX操作系统的基础上，为了面向生产实际，适合在实际生产环境中使用，该系统仍然基于GT恢复变形，可与CAD和CAPP集成，并具有夹紧力控制功能。如果夹紧力不够，可修改装配设计并添加压板，设计装配设计可通过网络从设计室传输至固定站，它用于根据装配站的设计以组合固定方式装配部件

系统中由图形支持软件生成的安装组件设计是二维设计，尽管是一个二维的图形，但该软件经济、应用成熟，操作界面方便。对于更复杂的进气道设计，装配人员很难阅读图纸。因此，系统还可以使用三维实体建模软件创建三维实体部件库，以装配三维实体附件。Wang Wei solid attachment可以生成2个左右固定轴投影图，这些投影图转换为IGES文件，并发送到装配站的孔隙组合夹具系统以供附件参考。

四、夹具CAD系统的发展趋势

CAD系统的发展主要如下：

（1） 夹具安装图已从二维实体建模发展到三维实体建模。

（2） 减少的人机交互系统正在向更高程度的自动化发展。

（3） 进一步发展附件结构自动布局的理论，使其能够应用于实际系统中。

（4） 改进附件结构设计后的校准功能，包括尺寸公差。

（5） 开发和改进切削路径模拟，以控制刀具、机床和附件的干涉。

（6） CAD夹具系统的预开发原型将尽快用于生产，获得经验，进行持续改进，版本将升级到更高的商业化程度。

总结

总而言之，随着现代制造加工业对生产的需求不断增长，现代化的夹具正朝着标准化、精确性、效率和灵活性方向发展。可以预见，随着科学技术的发展，最先进的刀具将会出现。机床材料的不断设计符合现代工作理念，促进了加工行业的不断发展。现代机床所要求的高效率和高精度特性，可以有效减少工件加工的基本和辅助时间，显著提高工作生产率，本实用新型具有提高生产率、拓宽机床加工速度、降低工人工作体力实践的消耗，所以夹具的创新发展是非常有必要的。

参考文献

[1] 朱耀祥，罗振墅等，计算机辅助组合夹具设计系统的研究，1994.

[2]徐志刚，黄克正等，广义映射原理及其在绿色产品设计自动化中的应用，1999.

[3] k型孔系组合夹具元件目录[S].中华人民共和国航空航天工业部航空工业标准.