計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與開發(fā)

1、計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與開發(fā)摘要:為了滿足企業(yè)實(shí)現(xiàn)夾具快速設(shè)計(jì)的要求,從CAFD 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和使能技術(shù)入手,建立了CAFD 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu),提出基于實(shí)例推理的CAFD 的功能要求和系統(tǒng)流程,結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)的建立給出了具體的應(yīng)用實(shí)例。關(guān)鍵詞:CAFD ;基于實(shí)例推理;數(shù)據(jù)庫(kù)近年來,國(guó)內(nèi)外開發(fā)了很多CAFD 系統(tǒng),但是都是基于二維繪圖平臺(tái),代寫論文 與夾具設(shè)計(jì)過程不一致,制圖、分析和數(shù)控編程各自獨(dú)立,二維設(shè)計(jì)難以實(shí)現(xiàn)圖紙參數(shù)驅(qū)動(dòng),無法實(shí)現(xiàn)圖紙的關(guān)聯(lián)性。同時(shí),現(xiàn)有CAFD 系統(tǒng)沒有重視夾具設(shè)計(jì)的重構(gòu)性,忽視對(duì)已有設(shè)計(jì)成果的重用;忽視標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),導(dǎo)致設(shè)計(jì)中出現(xiàn)重復(fù)性和不必要的多樣性;不能滿足系統(tǒng)

2、集成的需求,忽視與產(chǎn)品CAD 系統(tǒng)和CAPP 系統(tǒng)的集成,這些缺點(diǎn)是不斷研究開發(fā)CAFD 系統(tǒng)的背景。針對(duì)現(xiàn)有CAFD 系統(tǒng)不足和企業(yè)的實(shí)際需求,進(jìn)行了如下的研究:計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)的理論和方法的研究;基于實(shí)例推理技術(shù)的應(yīng)用;參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等使能技術(shù)及它們?cè)贑AFD 系統(tǒng)中的應(yīng)用;CAFD 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)的建立;最后介紹了基于實(shí)例推理的CAFD 系統(tǒng)。1 CAFD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想、使能技術(shù)及體系結(jié)構(gòu)1. 1 設(shè)計(jì)思想及使能技術(shù)1. 1. 1 并行協(xié)同設(shè)計(jì)在并行工程各個(gè)環(huán)節(jié)中CAFD 作為重要的一環(huán),一方面在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期,對(duì)產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)模型進(jìn)行可裝夾性評(píng)價(jià),進(jìn)而對(duì)其可制造性進(jìn)行評(píng)價(jià),從

3、而在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題,避免返工。另一方面,當(dāng)形成最終產(chǎn)品模型之后,CAFD根據(jù)產(chǎn)品的CAD 幾何信息、CAPP 加工工藝信息進(jìn)行夾具的方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、夾具元件的選取、夾具的快速三維建模、夾具出圖、生成帶有工件的夾具仿真文件,以供制造過程仿真使用,并在此階段對(duì)CAPP 加工工藝中有關(guān)定位、夾緊面及切削用量的選取進(jìn)行評(píng)價(jià)并產(chǎn)生反饋,以保證工藝設(shè)計(jì)的合理性。所以CAFD 是并行工程中實(shí)現(xiàn)工藝早期介入、實(shí)現(xiàn)各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)真正并行工作、縮短開發(fā)時(shí)間的重要工具手段之一。1. 1. 2 模塊化設(shè)計(jì)模塊化設(shè)計(jì)思想的核心內(nèi)容是將系統(tǒng)按照功能分解為若干相對(duì)獨(dú)立的模塊,代寫碩士論文 通過模塊間的相互結(jié)

4、合,可以得到不同品種、不同規(guī)格的產(chǎn)品。從機(jī)床夾具的組成來看,在進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)時(shí),可以先分別設(shè)計(jì)夾具的各個(gè)組成部分,如確定工件的定位引導(dǎo)方式并選擇定位引導(dǎo)元件,確定工件的夾緊方式、設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)等。在此基礎(chǔ)上,協(xié)調(diào)工件與夾具各裝置、組件的布局,從而確定夾具的總體結(jié)構(gòu)。在協(xié)調(diào)過程中,所選擇的夾具組件的調(diào)整幅度小的,甚至調(diào)整與否不影響其它部件的裝配關(guān)系,可以將其設(shè)計(jì)為標(biāo)準(zhǔn)模塊;調(diào)整幅度大而且影響其它元件裝配的,應(yīng)該設(shè)計(jì)成專用模塊,需要用戶在設(shè)計(jì)過程中創(chuàng)建。1. 1. 3 參數(shù)化技術(shù)夾具設(shè)計(jì)過程中,大量的夾具元件已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化,每一系列的元件結(jié)構(gòu)上是一樣的,只是尺寸上的不同。參數(shù)化技術(shù)的充分利用,避免

5、了圖形庫(kù)中存儲(chǔ)大量結(jié)構(gòu)相同、尺寸不同的圖形。在夾具設(shè)計(jì)的初始階段只需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定所需夾具標(biāo)準(zhǔn)元件的結(jié)構(gòu),有效地實(shí)現(xiàn)夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)夾具進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,再利用參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng),完成夾具的詳細(xì)設(shè)計(jì),得到夾具的零件圖和裝配圖。參數(shù)化技術(shù)與模塊化技術(shù)結(jié)合形成的廣義模塊化技術(shù)的應(yīng)用,大大節(jié)省了硬盤的空間,提高了設(shè)計(jì)效率,是實(shí)現(xiàn)CAFD 的關(guān)鍵技術(shù)之一。1. 1. 4 產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理( PDM) 是以軟件技術(shù)為基礎(chǔ),以產(chǎn)品為核心,實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品相關(guān)的數(shù)據(jù)、過程、資源一體化集成管理的技術(shù)1 。在夾具設(shè)計(jì)的過程中,可以利用PDM 有效地將夾具設(shè)計(jì)各個(gè)階段的相關(guān)數(shù)據(jù),按照一定的數(shù)據(jù)模式加

6、以定義、組織和管理,使夾具數(shù)據(jù)在整個(gè)生命周期內(nèi)保持一致、最新、共享及安全。如果進(jìn)一步地將夾具后續(xù)制造問題也加以考慮的話,那么夾具的工藝流程設(shè)計(jì)、加工制造、銷售維護(hù)直到產(chǎn)品消亡的整個(gè)生命周期內(nèi)及各個(gè)階段的相關(guān)數(shù)據(jù),均可以用PDM 的管理思想加以組織。這樣必然將很好地面向企業(yè)的生產(chǎn)組織,使企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量,縮短研制周期,提高工作效率,加快產(chǎn)品投放市場(chǎng)的速度,從而提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。1. 1. 5 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)在數(shù)據(jù)管理、維護(hù)、查詢和匯總等方面更是具有無可比擬的優(yōu)越性,所以,能夠很好地為夾具設(shè)計(jì)提供技術(shù)上的支持。數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)夾具設(shè)計(jì)的支持體現(xiàn)在兩個(gè)方面:一是存儲(chǔ)夾具設(shè)計(jì)所用到的各種信息,

7、二是保存夾具設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)。代寫醫(yī)學(xué)論文夾具設(shè)計(jì)所用到的數(shù)據(jù)主要包括兩大類:一類是標(biāo)準(zhǔn)和通用夾具元件的結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù);另一類是設(shè)計(jì)中用到的各種表格數(shù)據(jù)、公式及圖形數(shù)據(jù)等。這些數(shù)據(jù)之間都是具有一定關(guān)系的,所以很適合用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)來進(jìn)行表達(dá)。由于夾具設(shè)計(jì)信息系統(tǒng)中大量的CAD、CAPP 數(shù)據(jù)和信息都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中,因此將Web 與數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)合起來,相互取長(zhǎng)補(bǔ)短,可以形成集數(shù)據(jù)管理、分布式網(wǎng)絡(luò)功能和支持超文本、超媒體于一體的,具有實(shí)時(shí)性和交互性的分布式信息系統(tǒng)。1. 2 體系結(jié)構(gòu)夾具及夾具設(shè)計(jì)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面: 批量小,多是單件生產(chǎn);夾具重用性強(qiáng),相似性強(qiáng);經(jīng)常要選用標(biāo)準(zhǔn)件或常

8、用件;數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形庫(kù)處于動(dòng)態(tài)擴(kuò)充。這些特點(diǎn)決定了CAFD 系統(tǒng)且有多種設(shè)計(jì)方法相結(jié)合,應(yīng)用多種使能技術(shù)的特點(diǎn)。CAFD 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。CAFD 系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運(yùn)行(主要是企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)Int ranet ) ,數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的支持是CAFD 系統(tǒng)的運(yùn)行前提;并行協(xié)同設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)是CAFD 的重要設(shè)計(jì)思想,參數(shù)化技術(shù)及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理技術(shù)是CAFD 系統(tǒng)實(shí)施的關(guān)鍵技術(shù); 基于實(shí)例推理和人機(jī)交互是CAFD 系統(tǒng)完成夾具輔助設(shè)計(jì)技術(shù)途徑。夾具設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和重構(gòu)性決定了單一設(shè)計(jì)方法不能很好地滿足實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)夾具快速設(shè)計(jì)的要求,因此CAFD 系統(tǒng)多是應(yīng)用兩種設(shè)計(jì)方法的結(jié)合(如基于實(shí)例推理和

9、人機(jī)交互兩種設(shè)計(jì)方法相結(jié)合,文中將詳細(xì)分析基于實(shí)例推理技術(shù)在CAFD 系統(tǒng)中的應(yīng)用) ,相輔相成,達(dá)到快速、高效、高質(zhì)的夾具設(shè)計(jì)。2 基于實(shí)例推理技術(shù)的應(yīng)用2. 1 功能要求實(shí)現(xiàn)基于實(shí)例推理的計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì),系統(tǒng)應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)以下具體功能:(1) 問題的描述。在輸入已知的設(shè)計(jì)信息之后,應(yīng)該提取重要的特征對(duì)待解決的問題進(jìn)行描述和表示,轉(zhuǎn)換成能夠?qū)崿F(xiàn)與實(shí)例庫(kù)匹配的方式表達(dá)出來,形成問題實(shí)例。(2) 實(shí)例的表示和實(shí)例庫(kù)的建立。實(shí)例是對(duì)已有夾具進(jìn)行特征提取而形成的,它可以是典型的夾具,也可以是對(duì)同種夾具特征抽象而成的,實(shí)例與實(shí)際的已有夾具是一對(duì)多的關(guān)系。代寫工作總結(jié) 因此,實(shí)例的表示是抽取夾具設(shè)計(jì)過程

10、中重要的特征作為實(shí)例的表示因素。實(shí)例庫(kù)就是這些典型實(shí)例組成的集合。當(dāng)已有夾具數(shù)量小,典型實(shí)例庫(kù)可以只是一個(gè)庫(kù);當(dāng)夾具種類多和規(guī)模大時(shí),可以將實(shí)例庫(kù)按照不同的種類分解成多個(gè)實(shí)例庫(kù),如按照機(jī)床種類分成:車床夾具庫(kù)、銑床夾具庫(kù)等。(3) 實(shí)例的檢索。實(shí)例檢索就是將問題實(shí)例與實(shí)例庫(kù)中的實(shí)例進(jìn)行相似度匹配,查找出最相似的實(shí)例,調(diào)出該相似實(shí)例的解決方案。 (4) 實(shí)例選擇。調(diào)出該實(shí)例的所有解決方案,根據(jù)詳細(xì)的設(shè)計(jì)知識(shí)和設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行相似度系數(shù)確定和判斷,確定最符合要求的解決方案的夾具。(5) 實(shí)例修改。對(duì)調(diào)出的夾具進(jìn)行修改,修改可以是方案的修改,也可以是尺寸和結(jié)構(gòu)的修改,最后得到滿意的夾具。(6) 實(shí)例

11、庫(kù)和夾具庫(kù)的更新。得到滿意的夾具之后,提取該夾具的重要特征,更新實(shí)例庫(kù)和夾具庫(kù)。 2. 2 系統(tǒng)流程進(jìn)入基于實(shí)例推理的CAFD 系統(tǒng)后,首先進(jìn)行問題描述,在此基礎(chǔ)上初步進(jìn)行功能方案確定,根據(jù)以上信息和結(jié)論,進(jìn)入實(shí)例庫(kù)進(jìn)行匹配,即查找所屬實(shí)例類型。找到,則調(diào)出屬于該實(shí)例類型的夾具,分析要設(shè)計(jì)夾具與已有夾具的區(qū)別,找出最符合要求的夾具;如果不能找到,則放棄設(shè)計(jì)過程中某一因素后,進(jìn)行匹配,調(diào)出最接近的一種夾具,同時(shí)給出所放棄因素的設(shè)計(jì)要求和內(nèi)容,單獨(dú)進(jìn)行該功能因素的設(shè)計(jì)。在這些工作的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)要求越來越清晰,同時(shí)給出已有夾具和待設(shè)計(jì)夾具的區(qū)別,進(jìn)行修改和調(diào)整,直到獲得滿足要求的夾具。最后輸出夾具設(shè)

12、計(jì)結(jié)果,并對(duì)實(shí)例庫(kù)和夾具庫(kù)等進(jìn)行適當(dāng)?shù)母潞脱a(bǔ)充。其CAFD 系統(tǒng)流程圖(見圖2) 。3 數(shù)據(jù)庫(kù)建立系統(tǒng)中除了一般CAFD 系統(tǒng)需要的夾具元件庫(kù)和中間信息庫(kù)之外,還應(yīng)該具備支持實(shí)例推理的典型實(shí)例庫(kù)和功能方案庫(kù)等。根據(jù)存儲(chǔ)內(nèi)容共分成以下幾種數(shù)據(jù)庫(kù):夾具及元件庫(kù)、參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)、知識(shí)庫(kù)、中間信息庫(kù)。3. 1 夾具及元件庫(kù)夾具及元件庫(kù)是計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ),無論采用哪種設(shè)計(jì)方法都是需要系統(tǒng)建立完善的夾具及元件庫(kù)。夾具及元件庫(kù)中共3 個(gè)信息表:夾具信息表、組件信息表、元件信息表,每個(gè)信息表的字段如表1 所示,其中夾具圖、組件圖和元件圖可以是將三維圖寫進(jìn)SQL Server 數(shù)據(jù)庫(kù)中,也可以是圖紙的

13、存儲(chǔ)路徑,根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況決定。表1 夾具及元件庫(kù)表名字段值夾具信息表夾具編號(hào)、夾具名稱、夾具類型、所屬典型實(shí)例編號(hào)、工件編號(hào)、工序號(hào)、總體尺寸、設(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)日期、夾具圖(圖或存儲(chǔ)路徑)組件信息表組件編號(hào)、組件名稱、組件類型、所屬夾具編號(hào)、設(shè)計(jì)者、設(shè)計(jì)日期、含元件編號(hào)、組件圖(圖或存儲(chǔ)路徑)元件信息表元件編號(hào)、元件名稱、元件類型、所屬組件編號(hào)(可為空) 、所屬夾具編號(hào)、元件圖(圖或存儲(chǔ)路徑)3. 2 參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)由于參數(shù)化技術(shù)的實(shí)現(xiàn),使得在系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中只需要存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)和尺寸表,當(dāng)需要不同大小的元件時(shí),只需要調(diào)用相應(yīng)的尺寸,對(duì)該元件的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng),即可得到滿足要求的元件,同樣適用于

14、組件和夾具裝配圖。因此,建立參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)是有效實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的依據(jù),避免了數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)大量結(jié)構(gòu)相同、尺寸不同的三維圖。參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)中有元件、組件和夾具三個(gè)信息表,具體字段值如表2 所示:表2 參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)表名字段值元件尺寸表ID、元件編號(hào)、元件名稱、尺寸1 、尺寸2 、尺寸n組件尺寸及關(guān)系表ID、組件編號(hào)、組件名稱、總體尺寸(1 , , n) 、配合尺寸(1 , , n) 、其它夾具尺寸及關(guān)系表ID、夾具編號(hào)、夾具名稱、總體尺寸(1 , , n) 、配合尺寸(1 , , n) 、其它3. 3 知識(shí)庫(kù)夾具CAD 設(shè)計(jì)系統(tǒng)離不開知識(shí)庫(kù)的支持,采用不同的設(shè)計(jì)方法,知識(shí)庫(kù)的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容有所不同?；趯?shí)例推理的

15、設(shè)計(jì)要求建立典型實(shí)例信息表,從夾具信息中抽取重要的信息作為該表的字段構(gòu)成典型實(shí)例信息表。表3 知識(shí)庫(kù)表名字段值典型實(shí)例信息表實(shí)例編號(hào)、定位方案、夾緊方案、對(duì)刀、導(dǎo)向、夾具體、各要素間關(guān)系定位方案類型表定位方案編碼、平面定位、外圓柱表面定位、內(nèi)孔定位、其它面、各要素之間關(guān)系對(duì)刀方案類型表對(duì)刀方案編碼、對(duì)刀塊、塞尺導(dǎo)向方案類型表導(dǎo)向方案編碼、鉆套、鉆模板、鏜套、鏜模支架夾緊方案類型表夾緊方案編碼、斜楔夾緊機(jī)構(gòu)、螺旋夾緊機(jī)構(gòu)、偏心夾緊機(jī)構(gòu)、鉸鏈夾緊機(jī)構(gòu)、定心夾緊機(jī)構(gòu)、聯(lián)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)、氣動(dòng)夾緊裝置、液壓夾緊裝置夾具體類型表夾具體方案編碼、車床、銑床、铇床、磨床、鉆床3. 4 中間信息庫(kù)在夾具的設(shè)計(jì)過程中,需要將中間的設(shè)計(jì)信息存儲(chǔ),在后續(xù)的設(shè)計(jì)過程中調(diào)用。同時(shí),因?yàn)槟撤N原因而不能直接完成某一夾具的設(shè)計(jì)也是不可避免的,因此建立中間信息庫(kù),存儲(chǔ)這些信息,如表4 所示。表4 中間信息庫(kù)表名字段值在設(shè)計(jì)夾具信息表夾具編號(hào)、夾具名稱、夾具類型、所屬典型實(shí)例編號(hào)、工件編號(hào)、工序號(hào)、總體尺寸、設(shè)計(jì)者、開始設(shè)計(jì)日期、結(jié)束設(shè)計(jì)日期、未完成夾具設(shè)計(jì)信息表定位設(shè)計(jì)狀態(tài)、對(duì)刀設(shè)計(jì)狀態(tài)、導(dǎo)向設(shè)計(jì)狀態(tài)、夾緊狀態(tài)、夾具體4 應(yīng)用實(shí)例及結(jié)論在并行工程等設(shè)計(jì)思想的指導(dǎo)下,對(duì)參數(shù)化技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等技術(shù)及它們?cè)谟?jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,開發(fā)了基于實(shí)例推理設(shè)計(jì)的CAFD