組合夾具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與裝配技術(shù)研究_左祥赟

1、彝ysanao (l-M-0 -I gcicocc誡 中 文 摘 要 組合夾具是機(jī)械制造工藝裝備中的一種重要的柔性夾具，它有助于制造企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本。目前，組合夾具在設(shè)計(jì)與裝配過程中存在著資源信息量大，夾具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、布局靈活多變、裝配規(guī)律性差以及企業(yè)長期積累的豐富的組合夾具設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不能得到充分再利用等問題，針對以上問題，本文重點(diǎn)對組合夾具資源管理，規(guī)則的表達(dá)與應(yīng)用，組合夾具設(shè)計(jì)方案，裝配技術(shù)以及系統(tǒng)開發(fā)作了研究，主要研究內(nèi)容如下： 1）建立面向裝配的組合夾具資源模型，對組合夾具資源進(jìn)行分類存儲和管理，并整理了部分設(shè)計(jì)和裝配規(guī)則，對規(guī)則的表達(dá)、存儲和應(yīng)用作了研究。 2）組合夾具的設(shè)

2、計(jì)采用“實(shí)例+規(guī)則”混合推理設(shè)計(jì)方法，并建立組合夾具“實(shí)例+規(guī)則”混合推理模型；在相似實(shí)例的修改中，提出了變異實(shí)例的概念，采用基于實(shí)例推理的方法進(jìn)行相似實(shí)例的變異修改；并對實(shí)例相似度的計(jì)算作了研究。 3）通過對組合夾具功能及裝配特征的研究，建立了基于工件的組合夾具面向?qū)ο笱b配模型；并對組合夾具裝配坐標(biāo)，裝配對象的行為和位姿作了研究，最后提出基于工件的裝配順序。 4）采用面向?qū)ο笏枷?，利?UML 統(tǒng)一建模語言對系統(tǒng)總體以及各子系統(tǒng)建模，進(jìn)行系統(tǒng)分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)；并開發(fā)了基于 SolidWorks 2007 平臺的組合夾具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)應(yīng)用界面及實(shí)例。 關(guān)鍵詞：組合夾具資源；組合夾

3、具設(shè)計(jì)；實(shí)例推理；變異實(shí)例；裝配模型；UML 建模 ABSTRACT The modular fixture is a kind of important flexible fixture of the process equipments for machinery manufacturing, which will help manufacturing enterprises to improve product quality, reduce production costs. At present, many problems are existed in the design and

4、 assembly of modular fixture, such as the large amount of resources information of modular fixture, complex structures of the fixtures, flexible layout, poor assembly regularity and the rich experiences of the design of modular fixture accumulated by the enterprises in the long term can not be fully

5、 reused, and so on. In view of the above problems, the key contents about the management of modular fixture resources, the expression and application of rules, the design scheme and the assembly technology of modular fixture, and the development of design system has been studied, the details are as

6、follows: 1）The resources models of modular fixture for assembly have been established, the modular fixture resources have been classified for storage and management, some rules for design and assembly have been, and the expression, storage and application of the rules have been studied. 2）“Rule + Ca

7、se” hybrid reasoning method has been adopted in the design of modular fixture, and the “Rule + Case” hybrid reasoning model of the modular fixture has been established; In the modification of similar cases, the concept of variation case has been proposed for the modification of similar cases by the

8、case-based reasoning method; Finally, the calculation of the similarity for similar cases has been studied. 3）According to the study for the function and the assembly features of modular fixture, the modular fixture object-oriented assembly model based on workpiece has been established; and the asse

9、mbly coordinate, assembly behaviors and poses of the assembly objects has been studied, finally, the assembly sequence based on workpiece was proposed. 4）Based on the object-oriented thought, the Unified Modeling Languag (UML) has been used to establish models for the overall system and each subsyst

10、em, which also used for the system analysis and system design; and the modular fixture design system has been developed based on based on the SolidWorks 2007 platform, with the system application interfaces and examples presented. Key words: Modular Fixture Resources; Modular Fixture Design; Case-Ba

11、sed Reasoning; The Variation Case; Assembly Model; UML Modeling 目 錄 第一章 緒論 . 1 1.1 課題研究背景和意義. 1 1.2 課題研究現(xiàn)狀以及存在的問題. 2 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 . 2 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 . 3 1.2.3 現(xiàn)有 CAFD 系統(tǒng)研究中存在的問題 . 4 1.3 支持系統(tǒng)開發(fā)的理論基礎(chǔ). 5 1.3.1 面向?qū)ο蠹夹g(shù) . 5 1.3.2 成組技術(shù) . 6 1.3.3 UML 簡介. 6 1.4 論文研究內(nèi)容以及章節(jié)組織. 7 第二章 面向裝配的組合夾具資源模型及資源庫構(gòu)建 . 9 2.1 組

12、合夾具資源分析與資源模型的建立. 9 2.1.1 工件信息分析與建模. 9 2.1.2 元件及功能組件信息分析與建模 . 11 2.1.3 組合夾具實(shí)例信息分析與建模 . 12 2.1.4 變異實(shí)例信息分析與建模 . 13 2.1.5 其它資源的分析與建模 . 14 2.2 組合夾具資源庫的構(gòu)建. 16 2.2.1 工件庫的構(gòu)建 . 17 2.2.2 元件及功能組件庫的構(gòu)建 . 17 2.2.3 組合夾具實(shí)例庫的構(gòu)建 . 20 2.2.4 變異實(shí)例庫的構(gòu)建 . 21 2.2.5 其它資源庫的構(gòu)建 . 22 2.3 規(guī)則的分析與表示. 23 第三章 組合夾具“實(shí)例+規(guī)則”混合推理設(shè)計(jì)方法研究 .

13、 25 3.1 組合夾具“實(shí)例+規(guī)則”混合推理模型. 25 3.2 組合夾具實(shí)例推理模塊的相關(guān)技術(shù). 27 3.2.1 實(shí)例檢索. 27 3.2.2 實(shí)例修改變異. 29 3.3 基于規(guī)則推理設(shè)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)步驟 . 30 第四章 組合夾具自動裝配技術(shù)研究 .33 4.1 基于工件的組合夾具面向?qū)ο笱b配模型 . 33 4.2 組合夾具裝配對象建模 . 34 4.2.1 工件、元件及功能組件建模 . 34 4.2.2 裝配對象可裝配表面間的關(guān)系 . 34 4.3 組合夾具裝配 . 36 4.3.1 裝配特征的裝配關(guān)系 . 36 4.3.2 裝配系統(tǒng)坐標(biāo)定義 . 37 4.3.3 裝配對象的行為和位

14、姿 . 37 4.4 組合夾具裝配順序及實(shí)例 . 39 第五章 基于 SOLIDWORKS 平臺的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) .41 5.1 系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和工具的選擇 . 41 5.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) . 41 5.2.1 系統(tǒng)用例圖設(shè)計(jì) . 41 5.2.2 系統(tǒng)活動圖設(shè)計(jì) . 43 5.2.3 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) . 44 5.2.4 對象類圖設(shè)計(jì) . 44 5.3 系統(tǒng)二次開發(fā)流程 . 45 5.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) . 48 5.4.1 工件信息輸入 . 49 5.4.2 變異實(shí)例檢索 . 49 5.4.3 夾具結(jié)構(gòu)布局與裝配 . 50 第六章 總結(jié)與展望 .53 6.1 總結(jié) . 53 6.2 展望 . 53 參考文

15、獻(xiàn) .55 致謝 .61 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文目錄 .63 1第一章 緒論 1.1 課題研究背景和意義 組合夾具適用于多品種小批量生產(chǎn)類型，以及新產(chǎn)品的試制等任務(wù)。對于成批生產(chǎn)類型的機(jī)械加工，亦可利用組合夾具補(bǔ)充專用夾具數(shù)量之不足，提高其工藝裝備系數(shù)。組合夾具還可以滿足各種不同幾何形狀的工件，在車、銑、刨、鏜、鉆、磨等機(jī)械加工以及檢驗(yàn)和裝配中使用。在加工尺寸大小方面，組合夾具設(shè)有大型、中型、小型三種系列。當(dāng)前中型系列應(yīng)用最為廣泛，它用于加工長度在 30-500mm、重量在 50kg 以內(nèi)的工件。組合夾具加工工件的精度，主要依靠組合夾具元件精度保證，一般可達(dá) IT7 級精度。如果對所用元件

16、經(jīng)過仔細(xì)測量、挑選和合理選配，也可達(dá)到更高的精度。 據(jù)國內(nèi)多年推廣使用組合夾具的實(shí)踐表明，相比專用夾具從提出設(shè)計(jì)開始，經(jīng)過設(shè)計(jì)、描曬圖、生產(chǎn)準(zhǔn)備、加工制造直到使用、停產(chǎn)報(bào)廢，組合夾具從使用前的組裝到使用后的拆卸入庫節(jié)省時(shí)間達(dá) 98%。其次，使用組合夾具可以大大減少材料的消耗，一套中型專用夾具平均所需材料按 10-50kg 計(jì)算，組合夾具每次使用的磨損量則甚微，這樣可以節(jié)省大量金屬材料。再次，使用組合夾具還可大大減少存放夾具的庫存面積以及有關(guān)的管理工作。另外，使用組合夾具還可以減少為專用夾具加工制造所需的設(shè)備和人力。最后，使用組合夾具可以提高工藝裝備系數(shù)，有利于及時(shí)平衡生產(chǎn)、保證質(zhì)量、提高勞動生

17、產(chǎn)率、減輕體力勞動和增加經(jīng)濟(jì)效益1。 但是，由于組合夾具所需儲備量大，元件制造精度高，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，材料性能要求高等，使得傳統(tǒng)組合夾具人工設(shè)計(jì)與裝配方法具有如下一些缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)效率低，周期長；一般都采用經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、拼裝與管理，很難實(shí)現(xiàn)必要的工程計(jì)算，設(shè)計(jì)精確性差；所設(shè)計(jì)的組合夾具結(jié)構(gòu)典型化、標(biāo)準(zhǔn)化程度低，而且缺乏必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的圖樣不夠直觀；設(shè)計(jì)過程中的裝配干涉問題，也無法在設(shè)計(jì)中提前發(fā)現(xiàn)，于是更增加了試驗(yàn)裝配的次數(shù)，不僅耽誤了組合夾具的使用，且難免造成組合夾具元件的磨損，降低元件的精度等等，最終影響企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。這就使得研究者將研究的重心轉(zhuǎn)移到對組合夾具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與裝配技術(shù)的研究上

18、。 組合夾具裝配是組合夾具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。建立能夠準(zhǔn)確表征組合夾具裝配特征和裝配過程的模型，實(shí)現(xiàn)組合夾具的自動化裝配，將對制造業(yè)降低企業(yè)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量有著十分重要的意義，也是目前研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 組合夾具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與裝配為克服傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的缺點(diǎn)提供了新的途徑。采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與裝配技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工設(shè)計(jì)與裝配，有效的提高了組合夾具設(shè)計(jì) 2的速度和質(zhì)量。即使是經(jīng)驗(yàn)不夠豐富的設(shè)計(jì)人員，也可以按計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供的資源輕松快速地選擇設(shè)計(jì)方案以及裝配對象，并在計(jì)算機(jī)的輔助下快速裝配出滿足設(shè)計(jì)要求的組合夾具，組合夾具的使用人員按照系統(tǒng)輸出的設(shè)計(jì)圖紙快速準(zhǔn)確地裝好夾具，不但加速了組裝過

19、程，而且可以獲得較優(yōu)的結(jié)果。組合夾具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與裝配技術(shù)將組裝工人的豐富經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)人員的理論知識相結(jié)合，并且實(shí)現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)與知識的最大共享。因此對組合夾具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與裝配技術(shù)的研究對于提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)企業(yè)競爭力具有重要的意義。 1.2 課題研究現(xiàn)狀以及存在的問題 1.2.1 國外研究現(xiàn)狀 俄羅斯及歐美等國外研究學(xué)者對計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)（Computer Aided Fixture Design, CAFD）系統(tǒng)的研究是從二十世紀(jì)七、八十年代開始的。大致分為三個(gè)階段： 1）人機(jī)交互方法的應(yīng)用階段 1992 年，K.Whybrew 和 B.K.A.Ngoi 開發(fā)了一個(gè)交互式組合夾具計(jì)

20、算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，用戶在該系統(tǒng)中輸入定位、夾緊類型和定位、夾緊點(diǎn)的位置等，系統(tǒng)會輸出夾具的設(shè)計(jì)方案，這個(gè)過程是由系統(tǒng)提供的一個(gè)大型規(guī)則庫來實(shí)現(xiàn)的2。 2）基于實(shí)例推理方法的應(yīng)用階段 1995 年，Shu Huang Sun 對基于實(shí)例推理的組合夾具智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)做了研究，該系統(tǒng)在實(shí)例中用基于實(shí)例推理（Case-Based Reasoning, CBR）知識代替規(guī)則，對 CBR 算法和它在基于規(guī)則的專家系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)作了介紹，指出變異是 CBR 算法的重點(diǎn)，通過將變異規(guī)則存儲在知識庫中形成新的知識，實(shí)現(xiàn)對功能組件的變異。并且驗(yàn)證表明該系統(tǒng)更智能化，且具有自學(xué)習(xí)能力3。 1995 年，Kumar A.S

21、enthil 對基于特征的夾具設(shè)計(jì)技術(shù)做了研究，利用特征識別技術(shù)從工件的設(shè)計(jì)信息中提取加工特征，針對每一道加工工序，采用基于實(shí)例推理的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對夾具的自動設(shè)計(jì)與變異，從而滿足當(dāng)前工序的設(shè)計(jì)要求4。 3）基于人工智能方法的應(yīng)用階段 1997 年，ZONE-CHING LIN 和 JEN-CHING HUANG 基于成組技術(shù)將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于夾具規(guī)劃中，開發(fā)了計(jì)算機(jī)輔助夾具系統(tǒng)（CAFS），該系統(tǒng)利用成組技術(shù)建立組合夾具元件數(shù)據(jù)庫，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，可完成夾具模型的夾緊和夾具元件選擇5。 1999 年，W.Ma,J.Li 和 Y.Rong 開發(fā)了一個(gè)組合夾具計(jì)算機(jī)輔助配置設(shè)計(jì)系統(tǒng)FIX-DES，該

22、系統(tǒng)在確定了定位夾緊表面和點(diǎn)后，可以從夾具元件庫中選取夾具元件，然后依據(jù)夾具元件裝配關(guān)系組裝成組件，再依據(jù)夾具要求和裝配關(guān)系將夾具元件和組件 3放置在準(zhǔn)確的位置上，最后自動生成夾具配置6。 2000 年，JAMIL KAKISH 等人對基于知識的統(tǒng)一組合夾具及夾具系統(tǒng)(UMJFS)的設(shè)計(jì)和開發(fā)做了研究，基于對組合夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)中應(yīng)用的的設(shè)計(jì)參數(shù)和規(guī)范進(jìn)行總結(jié)，通過對基于知識的夾具設(shè)計(jì)和選擇系統(tǒng)的應(yīng)用，使夾具信息完全模塊化和透明化，更好地與工作環(huán)境匹配，減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高了夾具生產(chǎn)力和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益7。 2007 年，Mervyn Fathianathan 和 A.Senthil kumar 等

23、人為處理設(shè)計(jì)修改問題開發(fā)了一套自適應(yīng)的機(jī)械加工夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于演化搜索算法，對工件模型的改變自動做出相應(yīng)的處理，并且驗(yàn)證了該算法在處理變化設(shè)計(jì)中的有效性和適應(yīng)性8。 1.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 從二十世紀(jì)五十年代以來，我國眾多的專家學(xué)者在計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)領(lǐng)域做出有益探索，在設(shè)計(jì)與裝配技術(shù)的研究中提出各自的開發(fā)思路，也取得了一定的成績。在設(shè)計(jì)方法上，交互式設(shè)計(jì)主要集中在 2004 年以前的研究成果中；2004 年以來，出現(xiàn)了基于實(shí)例的設(shè)計(jì)方法和基于知識的設(shè)計(jì)方法。主要研究成果及設(shè)計(jì)過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)研究成果如下： 2001 年，金天國，柏合民，劉文劍等構(gòu)建了一個(gè)定位方案規(guī)劃系統(tǒng)，分別研

24、究了基于知識的工件定位表面的自動選擇、定位點(diǎn)位置的確定以及夾具的綜合定位誤差。并利用方向約束鏈和工程約束鏈列出關(guān)于零件尺寸和位置的約束方程組調(diào)節(jié)零件的尺寸和位置，該啟發(fā)式算法能幫助設(shè)計(jì)者在計(jì)算機(jī)輔助裝配設(shè)計(jì)過程中自動確定和求解裝配中零件的尺寸和位置910。 2002 年，閆獻(xiàn)國，郭宏等對基于 MDT 的組合夾具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)作了研究，并詳細(xì)介紹了組合夾具元件編碼、元件庫的構(gòu)建、夾具裝配與定位誤差的分析，以及系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)11。 2004 年，西北工業(yè)大學(xué)的康永剛等提出了一種夾具設(shè)計(jì)新思路，以 CBR 為核心、KBR（基于知識推理，Knowledge-Based Reasoning）為輔助的混合

25、推理方式。并開發(fā)了一套用于表示、檢索及修改夾具設(shè)計(jì)實(shí)例的編碼系統(tǒng)FIXCOD?；谠摼幋a系統(tǒng)，研究了夾具設(shè)計(jì)實(shí)例的檢索與相似度計(jì)算，提出以關(guān)鍵因素的兩重加權(quán)平均來定義相似系數(shù)的相似度計(jì)算法12。 2004 年，陳蔚芳，姜澄宇等對 CAFD 中的夾具快速裝配技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了有效表面和有效路徑的概念，建立了快速裝配模型，并給出了基于裝配特征的夾具裝配規(guī)則和裝配對象裝配位置求解的幾何理論方法，為組合夾具實(shí)現(xiàn)快速裝配提供了一種可能13。 42004 年，河南科技大學(xué)的張海軍等采用基于知識工程技術(shù)和組合夾具功能組件相結(jié)合的方法，對組合夾具推理設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提出采用基于知識的專家系統(tǒng)進(jìn)行夾具功能組件

26、的選擇，完成了軸類及箱體類知識規(guī)則的創(chuàng)建，最后分析研究了基于知識工程的組合夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)14。 2005 年，南京航空航天大學(xué)的張茂鵬等提出了一種基于裝配約束方程的構(gòu)件自動建模方法。分析了構(gòu)件自動建模原理、構(gòu)件模板建立方法、裝配參數(shù)方程提取、參數(shù)方程語義分析以及參數(shù)驅(qū)動方法。并建立了組合夾具對象裝配模型，采用基于實(shí)例推理的方式設(shè)計(jì)組合夾具，重點(diǎn)研究了基于 GT（成組技術(shù)，Group Technology）編碼思想的組合夾具檢索模型、實(shí)例組織模型、實(shí)例修改推理機(jī)制和實(shí)例存儲策略15。 2005 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的陳廣鋒等研究了基于三維模型的工件定位特征識別和定位方案的自動推理算法。提出了基于三維

27、模型的候選定位特征信息確定候選定位模式，此模式結(jié)合加工信息可以推理定位基準(zhǔn)的選擇范圍，最后采用規(guī)則推理與模糊評判相結(jié)合來確定工件定位方案，并實(shí)例驗(yàn)證了方法的可行性16。 2006 年，四川大學(xué)的徐雷，殷國富，胡瑞飛等提出了“規(guī)則+實(shí)例”的混合知識推理的組合夾具設(shè)計(jì)方法，研究了基于需求功能特征結(jié)構(gòu)的映射裝配模型的組合夾具構(gòu)形設(shè)計(jì)和夾具自動組裝算法。定義了組合夾具元件的有向裝配關(guān)系圖，建立了裝配關(guān)系庫；研究了基于多層實(shí)例庫的組合夾具輔助裝配方法，建立了組合夾具智能輔助設(shè)計(jì)的裝配模型；采用分層匹配的方式檢索夾具元件和組件，最后提出一種自頂向下分層匹配的組合夾具智能輔助裝配方法1718。 2006 年

28、，南京航空航天大學(xué)的徐偉，陳蔚芳采用 VC+6.0 成功提取了裝配圖中的明細(xì)表，分析了作為中間交換文件的 DXF 文件的結(jié)構(gòu)以及其所包含的信息，詳細(xì)討論了機(jī)械裝配圖中提取明細(xì)表的算法19。 2007 年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的彭高亮，劉文劍通過分析組合夾具的特點(diǎn), 研究了組合夾具計(jì)算機(jī)輔助裝配過程中的元件精確定位技術(shù)。提出通過捕捉裝配意圖來識別裝配件與已裝配元件之間的幾何約束關(guān)系，并研究了組裝過程中基于約束的運(yùn)動導(dǎo)航算法，運(yùn)用于裝配件的空間位姿調(diào)整、裝配約束的建立、裝配件運(yùn)動自由度的表達(dá)和歸約以及待裝配件約束狀態(tài)的分析等，最后對設(shè)計(jì)者的裝配操作進(jìn)行詳細(xì)說明和指導(dǎo)20。 1.2.3 現(xiàn)有 CAFD 系

29、統(tǒng)研究中存在的問題 總體來講，目前對 CAFD 的研究有一定的理論水平和實(shí)際意義。但是由于組合夾具本身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性，以及設(shè)計(jì)中存在很多問題的不確定性，使得組合夾具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與裝配技術(shù)還不夠完善，不能得到推廣使用?，F(xiàn)將存在的問題總結(jié)如下： 51）在組合夾具元件及功能組件庫的建立方面，還是停留在幾何模型和幾何參數(shù)上，沒有從面向裝配的角度出發(fā)，建立相應(yīng)的組合夾具元件和功能組件特征信息庫，而這些特征信息庫將為實(shí)現(xiàn)組合夾具自動裝配等功能奠定基礎(chǔ)； 2）目前所開發(fā)的系統(tǒng)在組合夾具裝配模型中沒有將工件和組合夾具放在一起考慮，對自動化裝配技術(shù)的研究較少，組合夾具的裝配主要靠人工交互完成； 3）組

30、合夾具知識資源的獲取和識別技術(shù)不夠完善，缺乏基于知識的設(shè)計(jì)支持環(huán)境，使得組合夾具設(shè)計(jì)資源的知識化程度較低，組合夾具設(shè)計(jì)與裝配過程中涉及到的大量知識和經(jīng)驗(yàn)沒有得到很好的重復(fù)利用； 4）在基于實(shí)例的組合夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究中，實(shí)例修改和變異的研究較少，實(shí)例修改很大程度上依靠人工修改，降低了設(shè)計(jì)的效率。 1.3 支持系統(tǒng)開發(fā)的理論基礎(chǔ) 1.3.1 面向?qū)ο蠹夹g(shù) 面向?qū)ο蠹夹g(shù)（OO，Object-Oriented）不僅是一些具體的軟件開發(fā)技術(shù)與策略，而且是一整套關(guān)于如何看待軟件系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)世界的關(guān)系，以什么觀點(diǎn)來研究問題并進(jìn)行求解的方法學(xué)21。 面向?qū)ο蟮幕舅枷耄?1）從問題域中客觀存在的事物出發(fā)來構(gòu)造軟

31、件系統(tǒng)，用對象作為對客觀事物的抽象表示，并以此作為系統(tǒng)的基本構(gòu)成單位； 2）事物的靜態(tài)特征（即可以用一些數(shù)據(jù)來表達(dá)的特征）用對象的屬性來表示，事物的動態(tài)特征（即事物的行為）用對象的操作來表示，對象的屬性與操作結(jié)合為一體，成為一個(gè)獨(dú)立的實(shí)體； 3）具有相同屬性和相同操作的對象歸為一類，對象是類的一個(gè)實(shí)例； 4）通過在不同程度上運(yùn)用抽象原則（忽略事物之間的一些差異），可以得到較一般的類和較特殊的類。特殊類繼承一般類的屬性和操作，面向?qū)ο蠓椒ㄖС诌@種繼承關(guān)系的描述與實(shí)現(xiàn)，從而簡化系統(tǒng)的構(gòu)造過程及其文檔； 5）復(fù)雜對象可以用簡單的對象作為其構(gòu)成部分（聚合）； 6）對象之間通過消息進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)對象之

32、間的動態(tài)聯(lián)系； 7）通過關(guān)聯(lián)表達(dá)對象之間的靜態(tài)關(guān)系。 面向?qū)ο髲?qiáng)調(diào)以問題域中的事物為中心來思考問題、認(rèn)識問題，并根據(jù)這些事物的本質(zhì)特征，把它抽象地表示為系統(tǒng)中的對象，作為系統(tǒng)的基本構(gòu)成單位。面向?qū)ο蠓椒梢允瓜到y(tǒng)直接地映射問題域，保持問題域中事物及其相互關(guān)系的本來面貌。面向?qū)ο?6方法是一種運(yùn)用對象、類、繼承、封裝、聚合、關(guān)聯(lián)、消息和多態(tài)性等概念和原則來構(gòu)造系統(tǒng)的軟件開發(fā)方法。 1.3.2 成組技術(shù) 成組技術(shù)（GT，Group Technology）是一門工程技術(shù)科學(xué)，研究如何識別和發(fā)掘生活中客觀事物的相似性，并利用其相似性把相似的問題歸類成組，從而可以尋求相對統(tǒng)一的最優(yōu)方案來解決一組問題，以

33、獲得所期望的最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益24。 在組合夾具的設(shè)計(jì)中，成組技術(shù)應(yīng)用在如下兩個(gè)方面： 1）由于被加工工件的結(jié)構(gòu)形狀、工藝過程和加工方法的相似性特點(diǎn)，對應(yīng)組合夾具也有相似性，所以可應(yīng)用成組技術(shù)對組合夾具進(jìn)行分組設(shè)計(jì)。 2）針對組合夾具的相似性特點(diǎn)，按被加工工件的成組分類法對組合夾具實(shí)例和組合夾具變異實(shí)例進(jìn)行分類存儲，并制定合理的編碼，從而有利于檢索出最相似夾具和最符合要求的變異實(shí)例。 1.3.3 UML 簡介 UML(Unified Modeling Language)是統(tǒng)一建模語言的簡稱，它是一個(gè)通用的可視化建模語言，是用于對軟件進(jìn)行描述、可視化處理、構(gòu)造和建立軟件系統(tǒng)制品的文檔。它適用于各種軟件

34、開發(fā)方法、軟件生命周期的各個(gè)階段、各種應(yīng)用領(lǐng)域及各種開發(fā)工具。 UML 定義了一系列的圖形符號來描述軟件系統(tǒng)。這些圖形符號及其語義、語法組成了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，使得軟件開發(fā)的所有相關(guān)人員都能用它來對軟件系統(tǒng)的各個(gè)側(cè)面進(jìn)行描述。UML 用視圖來表示被建模系統(tǒng)的各個(gè)方面，視圖中的模型元素代表面向?qū)ο笾械念?、對象、消息和關(guān)系等概念。UML 把軟件模型劃分為用例視圖、模型視圖、組件視圖、實(shí)現(xiàn)視圖和部署視圖五個(gè)視圖25，如圖 1-1 所示。 圖 1.1 UML 的視圖 Fig.1.1 View of UML 用例視圖 邏輯視圖 組件視圖 實(shí)現(xiàn)視圖 部署視圖 設(shè)計(jì)詞匯、功能描述 系統(tǒng)組裝、配置管理性能、穩(wěn)定性、吞

35、吐率 系統(tǒng)拓?fù)?、分布、安裝 7UML 是面向?qū)ο蟮慕ＵZ言，在對象系統(tǒng)建模時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)也是面向?qū)ο髷?shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵就是完成面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型到關(guān)系數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)模型的轉(zhuǎn)換。 1.4 論文研究內(nèi)容以及章節(jié)組織 本文重點(diǎn)對基于 SolidWorks 2007 的組合夾具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與裝配的關(guān)鍵技術(shù)以及支持系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的資源進(jìn)行了研究，并實(shí)現(xiàn)了組合夾具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)（CAMFDS）的開發(fā)。論文主要研究內(nèi)容及各章節(jié)組織如下： 第一章 緒論。介紹了本課題研究的背景和意義，通過研究該課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出目前組合夾具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與裝配存在的問題。并且介紹了支持本文研究及系統(tǒng)開發(fā)的理論基礎(chǔ)。最后

36、給出了課題主要研究內(nèi)容及章節(jié)組織。 第二章 面向裝配的組合夾具資源模型及資源庫構(gòu)建。通過分析組合夾具設(shè)計(jì)與裝配相關(guān)資源信息的內(nèi)容和特點(diǎn)，重點(diǎn)研究了組合夾具資源信息的分類，表示，編碼，存儲及管理。 第三章 組合夾具“實(shí)例+規(guī)則”混合推理設(shè)計(jì)方法研究。建立了“實(shí)例+規(guī)則”混合推理設(shè)計(jì)的模型，重點(diǎn)研究了組合夾具實(shí)例推理模塊的相關(guān)技術(shù)，包括相似實(shí)例檢索中相似度的計(jì)算以及實(shí)例變異修改的方法，提出了基于變異實(shí)例的實(shí)例變異和修改方法。最后介紹了基于規(guī)則推理設(shè)計(jì)模塊的設(shè)計(jì)步驟。 第四章 組合夾具自動裝配技術(shù)研究。建立了基于工件的組合夾具面向?qū)ο笱b配模型，包括裝配對象模型的建立，裝配對象可裝配表面間的關(guān)系以及裝

37、配特征的裝配關(guān)系。并對組合夾具裝配坐標(biāo)，裝配對象的行為和位姿作了研究。最后提出基于工件的裝配順序。 第五章 基于SolidWorks 2007平臺的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。介紹了系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境和工具的選擇，以及SolidWorks 2007二次開發(fā)的流程，采用UML統(tǒng)一建模語言對系統(tǒng)作了分析和設(shè)計(jì)，并給出了 CAMFDS 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的界面及實(shí)例。 第六章 總結(jié)和展望。對本課題所做的工作和研究成果進(jìn)行總結(jié)，并給出下一步研究的方向和重點(diǎn)。 8 9第二章 面向裝配的組合夾具資源模型及資源庫構(gòu)建 組合夾具的設(shè)計(jì)基于密集而龐大的組合夾具資源信息，這些信息十分繁雜，內(nèi)容和形式又多種多樣，主要包括各種設(shè)計(jì)規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)件信息、通

38、用件信息、三維實(shí)體模型、設(shè)計(jì)過程信息等。它們分別以文本文件、數(shù)據(jù)文件、圖形文件等形式存在17。因此，在組合夾具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中，建立一個(gè)完善的、系統(tǒng)的組合夾具資源管理平臺來實(shí)現(xiàn)資源的有效共享，對于提高組合夾具的設(shè)計(jì)效率起著不可估量的作用，不僅大大縮短組合夾具的設(shè)計(jì)周期，而且可以得到最優(yōu)的組合夾具設(shè)計(jì)方案。 面向裝配的組合夾具資源庫主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，第一，在零件三維模型的繪制過程中，應(yīng)在適當(dāng)?shù)奈恢眉尤牖鶞?zhǔn)面與基準(zhǔn)軸，用于后期的裝配；第二，零件在建模的時(shí)候應(yīng)考慮該零件與其它零件之間的配合關(guān)系，因此，應(yīng)將零件裝配特征如點(diǎn)、線、面等考慮在內(nèi)，作為零件模型的一部分。 2.1 組合夾具資源分析與資源模

39、型的建立 組合夾具是由一整套預(yù)先制造好的標(biāo)準(zhǔn)元件和功能組件，針對不同的工件，依據(jù)一定的設(shè)計(jì)方案組裝而成的夾具。因此，組合夾具資源包括：被加工工件信息、元件信息、功能組件信息、組合夾具實(shí)例信息、變異實(shí)例信息和組合夾具設(shè)計(jì)方案等。組合夾具資源服務(wù)于組合夾具設(shè)計(jì)與裝配的全過程26，如圖 2.1 所示。被加工工件、元件、功能組件的三維實(shí)體模型都用 SolidWorks 2007 建立。 圖 2.1 組合夾具資源模型圖 Fig.2.1 Model diagram of modular fixture resources 2.1.1 工件信息分析與建模 被加工工件信息就是組合夾具設(shè)計(jì)需求信息，被加工工件與

40、夾具實(shí)例是一一對應(yīng)的。由于工件是組合夾具裝夾的對象，所以對工件模型的建立應(yīng)考慮到后續(xù)裝配和實(shí)例變異的需要。因此，面向裝配的工件信息包括：基本信息、幾何信息、工藝信息、裝夾信息、裝配特征信息。面向裝配的模型特征信息將在第四章中詳細(xì)介紹。工件模型如圖 102.2 所示。 工件的幾何信息包括工件類型和幾何外形。工件類型是按工件的外形特征來劃分的，大致可分為軸、盤、套、箱體、齒輪、叉架、曲面體等。對于不同外形的工件，其夾具通常差異較大，所以工件外形是決定夾具構(gòu)型的主要因素之一。而工件的總體尺寸是選擇基礎(chǔ)板的主要依據(jù)。 圖 2.2 工件模型 Fig.2.2 Workpiece model 工件的工藝信息

41、26如表 2.1 所示。加工內(nèi)容、加工方式、機(jī)床類型、進(jìn)給形式和主軸形式對夾具布局的設(shè)計(jì)有重要的影響；加工精度要求決定了夾具的精度；加工數(shù)量為夾具類型選擇的考慮因素，這也是對制造成本估算和夾具管理的有用信息。 表 2.1 工件的工藝信息 Tab.2.1 Process information of workpiece 加工內(nèi)容 平面、外圓面、內(nèi)孔面、型面、槽、倒角、其它 加工方式 車、銑、鉆、鏜、刨、磨、車銑復(fù)合、鉆鉸復(fù)合、鉆鏜復(fù)合、銑磨復(fù)合、特種加工、其它 加工精度 精加工、半精加工、粗加工、光整加工 加工數(shù)量 大批量、中批量、小批量 機(jī)床類型 車床、銑床、刨床、磨床、鉆床、其它 進(jìn)給形式

42、直線、圓周 主軸形式 水平、垂直 11定位、夾緊方案的選擇和夾具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是組合夾具設(shè)計(jì)的主要部分，這就需要對工件的裝夾信息進(jìn)行描述和分析，工件的裝夾信息包括：裝夾方案、主定位表面特征、裝夾表面特征等。 2.1.2 元件及功能組件信息分析與建模 組合夾具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程就是依據(jù)系統(tǒng)制定的一系列設(shè)計(jì)方案將分散的夾具元件和功能組件組裝成符合被加工工件工藝要求的夾具整體的過程，而功能組件也是按照一定的功能要求由兩個(gè)或兩個(gè)以上的夾具元件組裝而成，因此元件是組合夾具的最小組成單元。而元件、功能組件的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化對提高夾具設(shè)計(jì)效率有著重要的意義。 組合夾具元件及功能組件信息包括：基本信息、幾何信息、

43、裝配特征信息。另外，功能組件信息還包括其組成元件的 BOM 表。面向裝配的模型特征信息將在第四章中詳細(xì)介紹。 元件的三維模型采用 SolidWorks 2007 完成，并使用其宏技術(shù)錄制模型的繪制過程。宏技術(shù)是 SolidWorks 2007 提供給用戶的一個(gè)方便的功能，它可以記錄用戶接口執(zhí)行的各種操作，并且可以重放這一過程。一個(gè)宏包含對應(yīng)用程序接口（API）的調(diào)用，這和使用用戶接口進(jìn)行操作是等效的。宏可以記錄鼠標(biāo)點(diǎn)擊、菜單選擇和鍵盤按鍵的操作，并且可以生成宏代碼27。使用宏技術(shù)對元件建模時(shí)，首先使用宏技術(shù)錄制元件實(shí)體模型的繪制過程，然后將生成的宏代碼文件中的參數(shù)改為變量，給變量賦值就可以實(shí)現(xiàn)

44、元件的自動建模。建立系列元件的尺寸參數(shù)表，將表中參數(shù)賦值給變量，就可以得到系列元件的三維實(shí)體模型。因此，使用宏技術(shù)不僅能快速地建立系列元件模型，而且從宏代碼可以方便的提取模型特征，如構(gòu)成模型的點(diǎn)、線、面的描述等，從而也為模型特征提供一種表達(dá)的規(guī)范。 圖 2.3 元件模型 Fig.2.3 Element model 12組合夾具元件和功能組件模型如圖 2.3 和圖 2.4 所示。BOM 表模型圖如圖 2.5 所示，該模型既可用于功能組件 BOM 表，也以用于組合夾具實(shí)例和變異實(shí)例的 BOM 表。 圖 2.4 功能組件模型 Fig.2.4 Model of function component 圖

45、 2.5 BOM 表模型 Fig.2.5 Model of BOM list 2.1.3 組合夾具實(shí)例信息分析與建模 由于基于實(shí)例推理的方法是系統(tǒng)進(jìn)行組合夾具設(shè)計(jì)的首選方案，而且組合夾具實(shí)例的典型性和信息完善程度對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率有很大的影響，因此，對組合夾具實(shí)例信息進(jìn)行分析和建模有重要的作用。 組合夾具實(shí)例就是指系統(tǒng)已有的、已經(jīng)設(shè)計(jì)成功的滿足某加工工件加工要求的完整典型組合夾具，文中簡稱夾具實(shí)例。每個(gè)完整的組合夾具實(shí)例信息包括組合夾具元件和功能組件的 BOM 表、被加工工件信息、定位/夾緊方案、夾具結(jié)構(gòu)布局以及裝配關(guān)系等信息。組合夾具實(shí)例的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了經(jīng)驗(yàn)和知識的重用，提高了設(shè)計(jì)效率。 組

46、合夾具實(shí)例信息包括：基本信息、幾何信息、工件信息、裝夾信息、BOM 表。 13BOM 表中統(tǒng)計(jì)了組成組合夾具的元件和功能組件，包括這些元件和功能組件的數(shù)量等信息。組合夾具實(shí)例模型圖如圖 2.6 所示。 圖 2.6 組合夾具實(shí)例模型 Fig.2.6 Model of modular fixture case 2.1.4 變異實(shí)例信息分析與建模 變異實(shí)例是在組合夾具基于實(shí)例推理的設(shè)計(jì)過程中用來對檢索到的相似實(shí)例進(jìn)行修改變異的，是專門針對夾具實(shí)例間的差異提出的。 將每個(gè)被加工工件都看作是由幾個(gè)簡單形狀特征組合而成的，下面將每個(gè)簡單形狀特征稱作零件的特征單元。如圖 2.7 所示一工件模型，它的特征單元

47、有三種：內(nèi)圓、外圓和平面。組合夾具變異實(shí)例就是針對每種零件特征單元，在工件上裝夾元件或功能組件得到的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是工件被裝夾部分與裝夾元件或功能組件的組合。變異實(shí)例與功能組件不同的是，功能組件是具有典型完整功能的元件組合。 圖 2.7 工件模型的特征單元描述 Fig.2.7 The description of a workpiece model feature unit 通過對被加工工件外形特征和組合夾具各功能模塊的研究，分析變異實(shí)例的結(jié)構(gòu)和功能，得到組合夾具變異實(shí)例信息包括：基本信息、幾何信息、裝夾信息和 BOM 表， 14BOM 表是組成變異實(shí)例的元件和功能組件的清單。變異實(shí)例模型如圖 2.8 所示。 圖 2.8 變異實(shí)例模型 Fig.2.8 Model of variation case 2.1.5 其它資源的分析與建模 在組合夾具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與裝配過程中，還涉及到許多其它資源，最典型的有定位方案和夾緊方案。根據(jù)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中對各種資源的需求特點(diǎn)進(jìn)行其模型的建立，以定位方案為例，其模型的建立如圖 2.9 所示。 定位方案模型基本信息 其它信息編號名稱軸向自由度角度自由度定位面上的自由度分配公式 圖 2.9 定位方案模型 Fig