計算機(jī)輔助夾具設(shè)計系統(tǒng)的研究與開發(fā)

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摘要:為了滿足企業(yè)實(shí)現(xiàn)夾具快速設(shè)計的要求,從CAFD系統(tǒng)的設(shè)計思想和使能技術(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

近年來,國內(nèi)外開發(fā)了很多CAFD系統(tǒng),但是都是基于二維繪圖平臺,論文與夾具設(shè)計過程不一致,制圖、分析和數(shù)控編程各自獨(dú)立,二維設(shè)計難以實(shí)現(xiàn)圖紙參數(shù)驅(qū)動,無法實(shí)現(xiàn)圖紙的關(guān)聯(lián)性。同時,現(xiàn)有CAFD系統(tǒng)沒有重視夾具設(shè)計的重構(gòu)性,忽視對已有設(shè)計成果的重用;忽視標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,導(dǎo)致設(shè)計中出現(xiàn)重復(fù)性和不必要的多樣性;不能滿足系統(tǒng)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:計算機(jī)輔助夾具設(shè)計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)計技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等使能技術(shù)及它們在CAFD系統(tǒng)中的應(yīng)用;CAFD系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立;最后介紹了基于實(shí)例推理的CAFD系統(tǒng)。

1CAFD系統(tǒng)設(shè)計思想、使能技術(shù)及體系結(jié)構(gòu)

1.1設(shè)計思想及使能技術(shù)

1.1.1并行協(xié)同設(shè)計

在并行工程各個環(huán)節(jié)中CAFD作為重要的一環(huán),一方面在產(chǎn)品設(shè)計早期,對產(chǎn)品的概念設(shè)計模型進(jìn)行可裝夾性評價,進(jìn)而對其可制造性進(jìn)行評價,從而在產(chǎn)品設(shè)計早期能夠及時發(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、結(jié)構(gòu)設(shè)計、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)行評價并產(chǎn)生反饋,以保證工藝設(shè)計的合理性。

所以CAFD是并行工程中實(shí)現(xiàn)工藝早期介入、實(shí)現(xiàn)各個設(shè)計環(huán)節(jié)真正并行工作、縮短開發(fā)時間的重要工具手段之一。

1.1.2模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計思想的核心內(nèi)容是將系統(tǒng)按照功能分解為若干相對獨(dú)立的模塊,碩士論文通過模塊間的相互結(jié)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)計時,可以先分別設(shè)計夾具的各個組成部分,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)計成專用模塊,需要用戶在設(shè)計過程中創(chuàng)建。

1.1.3參數(shù)化技術(shù)

夾具設(shè)計過程中,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,避免了圖形庫中存儲大量結(jié)構(gòu)相同、尺寸不同的圖形。在夾具設(shè)計的初始階段只需要根據(jù)設(shè)計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。當(dāng)夾具進(jìn)入詳細(xì)設(shè)計階段,再利用參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行尺寸驅(qū)動,完成夾具的詳細(xì)設(shè)計,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)計的過程中,可以利用PDM有效地將夾具設(shè)計各個階段的相關(guān)數(shù)據(jù),按照一定的數(shù)據(jù)模式加以定義、組織和管理,使夾具數(shù)據(jù)在整個生命周期內(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、加工制造、銷售維護(hù)直到產(chǎn)品消亡的整個生命周期內(nèi)及各個階段的相關(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)品投放市場的速度,從而提高產(chǎn)品的競爭力。

1.1.5數(shù)據(jù)庫技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

數(shù)據(jù)庫技術(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)計提供技術(shù)上的支持。

數(shù)據(jù)庫對夾具設(shè)計的支持體現(xiàn)在兩個方面:一是存儲夾具設(shè)計所用到的各種信息,二是保存夾具設(shè)計過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)。醫(yī)學(xué)論文夾具設(shè)計所用到的數(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)庫來進(jìn)行表達(dá)。

由于夾具設(shè)計信息系統(tǒng)中大量的CAD、CAPP數(shù)據(jù)和信息都存儲在數(shù)據(jù)庫中,因此將Web與數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)合起來,相互取長補(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)計的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面: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)件或常用件;數(shù)據(jù)庫和圖形庫處于動態(tài)擴(kuò)充。這些特點(diǎn)決定了CAFD系統(tǒng)且有多種設(shè)計方法相結(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)Intranet),數(shù)據(jù)庫技術(shù)的支持是CAFD系統(tǒng)的運(yùn)行前提;并行協(xié)同設(shè)計、模塊化設(shè)計是CAFD的重要設(shè)計思想,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)計技術(shù)途徑。夾具設(shè)計的復(fù)雜性和重構(gòu)性決定了單一設(shè)計方法不能很好地滿足實(shí)際生產(chǎn)中對夾具快速設(shè)計的要求,因此CAFD系統(tǒng)多是應(yīng)用兩種設(shè)計方法的結(jié)合(如基于實(shí)例推理和人機(jī)交互兩種設(shè)計方法相結(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。

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)例推理的計算機(jī)輔助夾具設(shè)計,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)計信息之后,應(yīng)該提取

重要的特征對待解決的問題進(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)例庫的建立。實(shí)例是對已有夾具進(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多的關(guān)系。工作總結(jié)因此,實(shí)例的表示是抽取夾具設(shè)計過程中重要的特征作為實(shí)例的表示因素。實(shí)例庫就是這些典型實(shí)例組成的集合。當(dāng)已有夾具數(shù)量小,典型實(shí)例庫可以只是一個庫;當(dāng)夾具種類多和規(guī)模大時,可以將實(shí)例庫按照不同的種類分解成多個實(shí)例庫,如按照機(jī)床種類分成:車床夾具庫、銑床夾具庫等。

(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)計知識和設(shè)計者的經(jīng)驗進(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)例庫和夾具庫的更新。得到滿意的夾具之后,提取該夾具的重要特征,更新實(shí)例庫和夾具庫。

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,同時給出所放棄因素的設(shè)計要求和內(nèi)容,單獨(dú)進(jìn)行該功能因素的設(shè)計。在這些工作的基礎(chǔ)上,設(shè)計要求越來越清晰,同時給出已有夾具和待設(shè)計夾具的區(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)計結(jié)果,并對實(shí)例庫和夾具庫等進(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)庫建立

系統(tǒng)中除了一般CAFD系統(tǒng)需要的夾具元件庫和中間信息庫之外,還應(yīng)該具備支持實(shí)例推理的典型實(shí)例庫和功能方案庫等。根據(jù)存儲內(nèi)容共分成以下幾種數(shù)據(jù)庫:夾具及元件庫、參數(shù)數(shù)據(jù)庫、知識庫、中間信息庫。

3.1夾具及元件庫

夾具及元件庫是計算機(jī)輔助夾具設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ),無論采用哪種設(shè)計方法都是需要系統(tǒng)建立完善的夾具及元件庫。夾具及元件庫中共3個信息表:夾具信息表、組件信息表、元件信息表,每個信息表的字段如表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)SQLServer數(shù)據(jù)庫中,也可以是圖紙的存儲路徑,根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際使用情況決定。

表1夾具及元件庫

表名字段值

夾具信息表夾具編號、夾具名稱、夾具類型、所屬典型實(shí)例編號、工件編號、工序號、總體尺寸、設(shè)計者、設(shè)計日期、夾具圖(圖或存儲路徑)

組件信息表組件編號、組件名稱、組件類型、所屬夾具編號、設(shè)計者、設(shè)計日期、含元件編號、組件圖(圖或存儲路徑)

元件信息表元件編號、元件名稱、元件類型、所屬組件編號(可為空)、所屬夾具編號、元件圖(圖或存儲路徑)

3.2參數(shù)數(shù)據(jù)庫

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)庫中只需要存儲的結(jié)構(gòu)和尺寸表,當(dāng)需要不同大小的元件時,只需要調(diào)用相應(yīng)的尺寸,對該元件的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動,即可得到滿足要求的元件,同樣適用于組件和夾具裝配圖。因此,建立參數(shù)數(shù)據(jù)庫是有效實(shí)現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動的依據(jù),避免了數(shù)據(jù)庫中存儲大量結(jié)構(gòu)相同、尺寸不同的三維圖。參數(shù)數(shù)據(jù)庫中有元件、組件和夾具三個信息表,具體字段值如表2所示:

表2參數(shù)數(shù)據(jù)庫

表名字段值

元件尺寸表ID、元件編號、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、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、夾具名稱、總體尺寸(1,⋯⋯,n)、配合尺寸(1,⋯⋯,n)、其它

3.3知識庫

夾具CAD設(shè)計系統(tǒng)離不開知識庫的支持,采用不同的設(shè)計方法,知識庫的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容有所不同。基于實(shí)例推理的設(shè)計要求建立典型實(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知識庫

表名字段值

典型實(shí)例信息表實(shí)例編號、定位方案、夾緊方案、對刀、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

對刀方案類型表對刀方案編碼、對刀塊、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)動夾緊機(jī)構(gòu)、氣動夾緊裝置、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

在夾具的設(shè)計過程中,需要將中間的設(shè)計信息存儲,在后續(xù)的設(shè)計過程中調(diào)用。同時,因為某種原因而不能直接完成某一夾具的設(shè)計也是不可避免的,因此建立中間信息庫,存儲這些信息,如表4所示。

表4中間信息庫

表名字段值

在設(shè)計夾具信息表夾具編號、夾具名稱、夾具類型、所屬典型實(shí)例編號、工件編號、工序號、總體尺寸、設(shè)計者、開始設(shè)計日期、結(jié)束設(shè)計日期、

未完成夾具設(shè)計信息表定位設(shè)計狀態(tài)、對刀設(shè)計狀態(tài)、導(dǎo)向設(shè)計狀態(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)計思想的指導(dǎo)下,對參數(shù)化技術(shù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等技術(shù)及它們在計算機(jī)輔助夾具設(shè)計系統(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)計的CAFD系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下幾個主要特點(diǎn):基于三維設(shè)計平臺;與工件的CAD系統(tǒng)、CAPP系統(tǒng)集成;系統(tǒng)基于C/S模式;實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)輔助夾具管理。圖3、4分別是該CAFD系統(tǒng)中實(shí)例推理界

面和實(shí)例修改界面。

提高CAFD系統(tǒng)的實(shí)用性是當(dāng)前CAFD研究者們最為關(guān)注的問題。留學(xué)生論文集成化、標(biāo)準(zhǔn)化、并行化和智能化是CAFD系統(tǒng)發(fā)展的方向,同時各方向相互交叉、互相促進(jìn)是CAFD系統(tǒng)發(fā)展的必然方向。

參考文獻(xiàn)

[1]龐士宗.產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000:23.