基于广义映射原理的组合夹具结构设计自动化

摘　要：研究了组合夹具结构设计自动化理论和方法，在“广义映射原理”指导下，开发了支持“top-down”风范的夹具设计自动化软件系统。在对零件夹持特性分析基础上，提取夹具设计需求，并对组合夹具功—构映射关系进行全面分析，对组合夹具概念结构实施多方案重构，并进行了实例验证。为夹具结构设计自动化软件系统的开发探索出一条新的途径。
关键词：组合夹具；广义映射；自动化设计
中图分类号：TH122　文献标识码：A
文章编号：1006-754X(2000)01-0031-06

Modular Fixture Design Automation based on Theory of Generalized Mapping

XU Zhi-gang
(CAD Research Center, Shandong University of Technology,Jinan,250061)

Abstract：This paper investigates the theories and application of modular fixture design automation. Under the guidance of the theory of generalized mapping,a top-down fixture design automation software hax been developed. On the analysis of the fixturing characteristics of workpiece, the design requirement is extracted. The process of Function-Form Mapping relationship is comprehensively analysed and reconstitution of the conceptual fixture structure is realized.And the theory and methodology is lastly exemplified, wher a new approach of fixture design automation is explored.

1　引言

　　在柔性制造过程中，夹具的高效、快捷、高质量设计是满足多品种、中小批量生产的重要保证。组合夹具设计主要有创成式和变异式两种，其中创成式难度大，变异式实用性强，两者结合是智能化系统的关键。目前组合夹具的主要研究领域集中在以下几个方面^［1，2］：(1)夹具结构自动布局的理论和方法；(2)夹具设计专家系统的研究；(3)实用化夹具CAD系统的开发等。由于夹具设计的复杂性和多样性，迄今为止，还没有真正意义上的自动化夹具CAD软件问世^［3］。原因在于：首先，夹具和工件之间难以形成有效的功—构映射关系；其次，对夹具结构的整体认识还存在着不同的理解；第三，在提供夹具结构的装配策略及推理机制方面者非常欠缺。这就导致现有的夹具CAD系统对人的依赖性非常高。本文在广义映射原理^［4］指导下，提出组合夹具结构创新设计自动化的方法和途径，并开发了相应的软件原形系统进行了分析和验证。

2　基于广义映射原理的组合夹具设计自动化

　　根据文献［4］，设U是物质对象A的或空间；Q(U)是U的幂集，即为U的一切子集所组成的集类，本文将U称为广义域。对于设计问题，设计需

求、产品功能、产品结构、设计过程和设计结果等都属于广义域范畴。广义域具有如下性质：(1)无限可分解性；(2)可综合性；(3)与相关作用域的可映射性；(4)映射过程的可操作性。广义映射原理的实质是，针对产品结构设计问题，首先界定其所涉及的广义作用域，针对作用域的研究内容和属性进行层层分解，各个广义域从底层粒度空间进行映射，映射的目标和结果是产品的结构域，将结构域从最底层向上进行重构，重构结果作为产品设计的解。
　　如图1所示，针对组合夹具结构设计问题，首先研究其涉及的研究领域，包括：(1)组合夹具需求域G_RA；(2)组合夹具功能或G_RA；(3)组合夹具结构域G_DPS。产品设计的目标是完成广义域A，B向广义域C的映射，并将映射结果(所形成的广义域C的离散集合)进行再组织综合重构，完成产品的结构创新式设计。

图1　组合夹具的广义映射过程模型

3　组合夹具设计自动化软件系统构造基础

3.1　组合夹具需求分析
　　以典型被夹持零件作为组合夹具结构设计的原始需求，简明易懂，目标明确。组成被夹紧零件的表面根据某道加工工序的需要又可分为三组；待加工表面｛MFs｝、不加工表面以及从待加工表面和刀具加工轨迹上引申出来的加工轨迹面｛MFs｝。夹具设计一般原则是：对零件的定位和夹紧过程都在零件的｛FFs｝面域上完成，每一个夹具元件在空间上都要避免和｛MFs｝面域及｛MTFs｝面域发生干涉。在考虑零件的定位和夹紧时，有些面不适合定位夹紧要求，如零件上的复杂曲面、加强筋侧面、焊接面等。因此，存在一个对｛FF_S｝面域的筛选问题。将零件上用于定位和夹紧的面归纳为两大类：圆面和平面。圆面又可以分为外圆面和内圆面。平面按加工方位又可以分为水平面、垂直面和斜面。

　　｛FFs｝面域中筛选出来的用于定位和夹紧的表面组成一个集合，称为零件夹持面Part Fixturing Faces(以下简称PFFs)，构成一个面域集合｛PFFs｝。零件的夹持特性分析就是分析｛PFFs｝面域中的每个面的夹持特性，按定位夹紧要求，再将｛PFFs｝面域分成两个子集，分别为定位面域Locating Faces(以下简称LFs)和夹紧面域Clamping Faces(以下简称CFs)。基于以上的分析，将零件的面域表示为表面关联网络图FaceNet(如图2所示)，FaceNet构成组合夹具需求域G_RA，描述为以下数学表达式：

图2　零件面域的关联网络模型

FaceNet=Face(i)｛facel1，facel2，facel3，…｝　　　(1)

　　零件夹持特性的提取算法如下：
　　(1)提取构成零件表面的面域集合｛FFs｝；
　　(2)在面域集合中按照零件加工工艺及机床设备条件标定需要加工的面，将它们提取出来，得到零件的待加工表面域｛MFs｝；
　　(3)在剩余的表面域｛FFs｝中按照一定规则提取出｛PFFs｝面域；
　　(4)再按照定位夹紧规则将｛PFFs｝面域分为定位面域｛LFs｝和夹紧面域｛CFs｝。

3.2　组合夹具结构设计自动化中的功—构映射
　　组合夹具是要根据零件的加工工艺需要，在一定的机床加工设备条件下，按照六点定位原理对所要加工的零件进行定位和夹紧，限制工件必要的自由度及保证定位的可靠性。具体来说，就是要按照零件的夹持特性要求，选择合适的组合夹具元件，在零件的｛LFs｝和｛CFs｝面域中完成对零件的定位和夹紧过程。这就是对于组合夹具结构的最基本“功能”的要求。同时，设计出来的夹具“结构”既要实现上述功能，满足由零件造型特征、零件加工工艺和机床加工设备所决定的零件夹持特性的需要，同时还要考虑组合夹具元件在组装上的装配性、拆卸性等的需要。这样，结构作为功能的实现形式，就存在着一种由“功能”到“结构”的映射关系，包括两个步骤：定位/夹紧单元映射；和夹具布局设计。功能—结构映射问题的描述见图3。

图3　组合夹具功能—结构映射图

3.2.1　定位/夹紧单元映射
　　在组合夹具的结构设计中，最主要的是解决零件的定位和夹紧两个大的功能模块，夹具结构的功能表达为：“如何定位工件”和“如何夹紧工件”，而每一个功能模块又是由多个定位、夹紧子功能构成，其他的功能需求可以看成是隶属于定位、夹紧子功能项。因而夹具结构的功构映射表达为对每一个子功能的映射，并综合考虑该子功能的其他隶属功能项。具体映射过程如图4所示。

图4　组合夹具功——构映射层次等级图

3.2.2　定位/夹紧单元布局映射
　　基于零件表面关联网络图FaceNet(如图2所示)，以及数学表达式(1)，确定定位/夹紧表面的空间方位关系，组合夹具定位/夹紧单元的空间布局由此产生。通过各种标准组合夹具元件组装而成的具有等级层次性的组合夹具结构，可以视为各层次结构单元组成的空间有序并可度量的向量的集合，其数学模型可以表达为：

=｛Cⁿ_m，Dⁿ_m，Hⁿ_m｝　　　(2)

其中，为组合夹具总体结构；Cⁿ_m为层次结构单元代码；Dⁿ_m为结构单元特征尺寸向量；Hⁿ_m为结构单元位置向量；m为结构单元序号，n=1，2，3，…；n为结构单元层次号，n=1，2，3，…
从这一数学模型出发，可以表达任何形式的夹具结构布局/层次模型。功—构映射的结果是形成描述夹具结构的功能结构装配图，其结构采用文献［5］提出的信息网络模型。

3.3　组合夹具结构域的重构
　　一个夹紧结构可划分为三个部分：直接施压件、辅助施压件和辅助支承件，变化较大的是辅助支承件，而直接施压件和辅助施压件的组合结构则具有一定的固定性。在重构夹紧结构单元的时候，重点应放在对直接施压件和辅助施压件的重物上。因此，按照组装夹紧结构的元件及其特点，将常见的直接施压件和辅助施压件的组合结构归纳为四大类，作为建库参考。
　　在图4的基础上得出如下的组合夹具层次结构关系图(如图5所示)。

图5　组合夹具结构要素图

3.4　组合夹具结构的评价/决策支持
　　由上面两图分析可知，组合夹具的自动化结构设计过程转化为基于功—构映射的结构单元搜索匹配、结构单元的自动化布局设计和单元模块的自动组装过程。确定夹紧结构单元必须根据工件的定位情况，正确选择夹紧力的方向和作用点，并保持定位元件上的力平衡。在评价零件表面夹持特性时，归纳了夹紧结构单元重构规则如下。
　　(1)保证工件定位的正确，以及工件在整个加工过程中位置不发生变化；
　　(2)夹紧力应尽可能分配在工件较大的面积上，以减少单位面积压力；
　　(3)夹紧力应作用在工件刚性最好的部位，以防止工件变形，而因夹紧力产生的工件变形不应超出工件允许的公差范围；
　　(4)夹紧力的方向应与切削力的方向相适应，夹紧力距离切削力要近，使得所需要的夹紧力相应减少；
　　(5)夹紧结构必须能补偿毛坯或半成品的制造误差；
　　(6)尽量采用“自身夹紧”结构；
　　(7)夹紧结构须简单、紧凑、装卸工件方便、安全可靠。

4　软件系统构造及实例验证

　　以VC++5.0及ObjectArx、MCADAPI为主要编程手段，以MDT4.0为基础应用软件，采用面向对象技术开发了组合夹具结构设计自动化软件系统ZHDA-CAD。软件的功能结构框图如下图6所示。

图6　ZHJA-CAD系统的功能结构框图

　　本文选择法兰支座作为实例验证，设计步骤及结果如下：
　　(1)输入典型夹紧零件(图7)。

图7　典型零件输入界面

　　(2)零件夹持表面分析。分析在零件夹持面域
　　｛PFFs｝中的每个面的夹持特性，按定位夹紧要求，将｛PFFs｝面域分成两个子集，分别为定位面域Locationg Faces(以下简称LFs)和夹紧面域Clamping Faces(以下简称CFs)。
　　(3)夹具功—构映射。在MDT环境下，根据中国航空工业部向阳精密机械厂所生产的K性孔系组合夹具元件手册^［6］建立了能表示80多个不同规格组合夹具元件的组合夹具元件库以及夹具布局规则库。
　　(4)夹具结构重构。采用参数驱动，夹具结构自动布局，结构单元自动布局，结构单元自动化/交互式设计，完成组合夹具的结构自动化设计(如图8所示)。

图8　设计实例结果

5　结论

　　作者在进行通用机械产品结构设计自动化研究中，提出“广义映射原理”，并开发了相应的软件原形系统^［4］。实践证明，组合夹具结构设计作为“广义映射原理”的应用实例，对于专业化CAD软件系统的开中，提出“广义映射原理”，并开发了相应的软件原形系统^［4］。实践证明，组合夹具结构设计作为“广义映射原理”的应用实例，对于专业化CAD软件系统的开发同样具有普适性。结合组合夹具专业设计知识，开发出自动化程度高的软件系统，进一步丰富和发展了“广义映射原理”。