计算机辅助夹具设计系统的研究与开发

摘要:为了满足企业实现夹具快速设计的要求,从CAFD系统的设计思想和使能技术入手,建立了CAFD系统的体系结构,提出基于实例推理的CAFD的功能要求和系统流程,结合数据库的建立给出了具体的应用实例。

关键词:CAFD;基于实例推理;数据库

近年来,国内外开发了很多CAFD系统,但是都是基于二维绘图平台,论文与夹具设计过程不一致,制图、分析和数控编程各自独立,二维设计难以实现图纸参数驱动,无法实现图纸的关联性。同时,现有CAFD系统没有重视夹具设计的重构性,忽视对已有设计成果的重用;忽视标准化设计,导致设计中出现重复性和不必要的多样性;不能满足系统集成的需求,忽视与产品CAD系统和CAPP系统的集成,这些缺点是不断研究开发CAFD系统的背景。

针对现有CAFD系统不足和企业的实际需求,进行了如下的研究:计算机辅助夹具设计的理论和方法的研究;基于实例推理技术的应用;参数化设计技术、产品数据管理等使能技术及它们在CAFD系统中的应用;CAFD系统数据库的建立;最后介绍了基于实例推理的CAFD系统。

1CAFD系统设计思想、使能技术及体系结构

1.1设计思想及使能技术

1.1.1并行协同设计

在并行工程各个环节中CAFD作为重要的一环,一方面在产品设计早期,对产品的概念设计模型进行可装夹性评价,进而对其可制造性进行评价,从而在产品设计早期能够及时发现问题,避免返工。另一方面,当形成最终产品模型之后,CAFD根据产品的CAD几何信息、CAPP加工工艺信息进行夹具的方案设计、结构设计、夹具元件的选取、夹具的快速三维建模、夹具出图、生成带有工件的夹具仿真文件,以供制造过程仿真使用,并在此阶段对CAPP加工工艺中有关定位、夹紧面及切削用量的选取进行评价并产生反馈,以保证工艺设计的合理性。

所以CAFD是并行工程中实现工艺早期介入、实现各个设计环节真正并行工作、缩短开发时间的重要工具手段之一。

1.1.2模块化设计

模块化设计思想的核心内容是将系统按照功能分解为若干相对独立的模块,硕士论文通过模块间的相互结合,可以得到不同品种、不同规格的产品。从机床夹具的组成来看,在进行夹具设计时,可以先分别设计夹具的各个组成部分,如确定工件的定位引导方式并选择定位引导元件,确定工件的夹紧方式、设计夹紧机构等。在此基础上,协调工件与夹具各装置、组件的布局,从而确定夹具的总体结构。在协调过程中,所选择的夹具组件的调整幅度小的,甚至调整与否不影响其它部件的装配关系,可以将其设计为标准模块;调整幅度大而且影响其它元件装配的,应该设计成专用模块,需要用户在设计过程中创建。

1.1.3参数化技术

夹具设计过程中,大量的夹具元件已经标准化、系列化,每一系列的元件结构上是一样的,只是尺寸上的不同。参数化技术的充分利用,避免了图形库中存储大量结构相同、尺寸不同的图形。在夹具设计的初始阶段只需要根据设计要求确定所需夹具标准元件的结构,有效地实现夹具结构设计。当夹具进入详细设计阶段,再利用参数化技术进行尺寸驱动,完成夹具的详细设计,得到夹具的零件图和装配图。参数化技术与模块化技术结合形成的广义模块化技术的应用,大大节省了硬盘的空间,提高了设计效率,是实现CAFD的关键技术之一。

1.1.4产品数据管理技术

产品数据管理(PDM)是以软件技术为基础,以产品为核心,实现对产品相关的数据、过程、资源一体化集成管理的技术[1]。在夹具设计的过程中,可以利用PDM有效地将夹具设计各个阶段的相关数据,按照一定的数据模式加以定义、组织和管理,使夹具数据在整个生命周期内保持一致、最新、共享及安全。如果进一步地将夹具后续制造问题也加以考虑的话,那么夹具的工艺流程设计、加工制造、销售维护直到产品消亡的整个生命周期内及各个阶段的相关数据,均可以用PDM的管理思想加以组织。这样必然将很好地面向企业的生产组织,使企业提高产品质量,缩短研制周期,提高工作效率,加快产品投放市场的速度,从而提高产品的竞争力。

1.1.5数据库技术及网络技术

数据库技术在数据管理、维护、查询和汇总等方面更是具有无可比拟的优越性,所以,能够很好地为夹具设计提供技术上的支持。

数据库对夹具设计的支持体现在两个方面:一是存储夹具设计所用到的各种信息,二是保存夹具设计过程中产生的各种数据。医学论文夹具设计所用到的数据主要包括两大类:一类是标准和通用夹具元件的结构尺寸数据;另一类是设计中用到的各种表格数据、公式及图形数据等。这些数据之间都是具有一定关系的,所以很适合用关系型数据库来进行表达。

由于夹具设计信息系统中大量的CAD、CAPP数据和信息都存储在数据库中,因此将Web与数据库系统结合起来,相互取长补短,可以形成集数据管理、分布式网络功能和支持超文本、超媒体于一体的,具有实时性和交互性的分布式信息系统。

1.2体系结构

夹具及夹具设计的特点主要体现在以下几个方面:批量小,多是单件生产;夹具重用性强,相似性强;经常要选用标准件或常用件;数据库和图形库处于动态扩充。这些特点决定了CAFD系统且有多种设计方法相结合,应用多种使能技术的特点。

CAFD系统体系结构如图1所示。CAFD系统在计算机网络环境下运行(主要是企业内部网络Intranet),数据库技术的支持是CAFD系统的运行前提;并行协同设计、模块化设计是CAFD的重要设计思想,参数化技术及产品数据管理技术是CAFD系统实施的关键技术;基于实例推理和人机交互是CAFD系统完成夹具辅助设计技术途径。夹具设计的复杂性和重构性决定了单一设计方法不能很好地满足实际生产中对夹具快速设计的要求,因此CAFD系统多是应用两种设计方法的结合(如基于实例推理和人机交互两种设计方法相结合,文中将详细分析基于实例推理技术在CAFD系统中的应用),相辅相成,达到快速、高效、高质的夹具设计。

2基于实例推理技术的应用

2.1功能要求

实现基于实例推理的计算机辅助夹具设计,系统应该能实现以下具体功能:

(1)问题的描述。在输入已知的设计信息之后,应该提取

重要的特征对待解决的问题进行描述和表示,转换成能够实现与实例库匹配的方式表达出来,形成问题实例。

(2)实例的表示和实例库的建立。实例是对已有夹具进行特征提取而形成的,它可以是典型的夹具,也可以是对同种夹具特征抽象而成的,实例与实际的已有夹具是一对多的关系。工作总结因此,实例的表示是抽取夹具设计过程中重要的特征作为实例的表示因素。实例库就是这些典型实例组成的集合。当已有夹具数量小,典型实例库可以只是一个库;当夹具种类多和规模大时,可以将实例库按照不同的种类分解成多个实例库,如按照机床种类分成:车床夹具库、铣床夹具库等。

(3)实例的检索。实例检索就是将问题实例与实例库中的实例进行相似度匹配,查找出最相似的实例,调出该相似实例的解决方案。

(4)实例选择。调出该实例的所有解决方案,根据详细的设计知识和设计者的经验进行相似度系数确定和判断,确定最符合要求的解决方案的夹具。

(5)实例修改。对调出的夹具进行修改,修改可以是方案的修改,也可以是尺寸和结构的修改,最后得到满意的夹具。

(6)实例库和夹具库的更新。得到满意的夹具之后,提取该夹具的重要特征,更新实例库和夹具库。

2.2系统流程

进入基于实例推理的CAFD系统后,首先进行问题描述,在此基础上初步进行功能方案确定,根据以上信息和结论,进入实例库进行匹配,即查找所属实例类型。找到,则调出属于该实例类型的夹具,分析要设计夹具与已有夹具的区别,找出最符合要求的夹具;如果不能找到,则放弃设计过程中某一因素后,进行匹配,调出最接近的一种夹具,同时给出所放弃因素的设计要求和内容,单独进行该功能因素的设计。在这些工作的基础上,设计要求越来越清晰,同时给出已有夹具和待设计夹具的区别,进行修改和调整,直到获得满足要求的夹具。最后输出夹具设计结果,并对实例库和夹具库等进行适当的更新和补充。其CAFD系统流程图(见图2)。

3数据库建立

系统中除了一般CAFD系统需要的夹具元件库和中间信息库之外,还应该具备支持实例推理的典型实例库和功能方案库等。根据存储内容共分成以下几种数据库:夹具及元件库、参数数据库、知识库、中间信息库。

3.1夹具及元件库

夹具及元件库是计算机辅助夹具设计系统的基础,无论采用哪种设计方法都是需要系统建立完善的夹具及元件库。夹具及元件库中共3个信息表:夹具信息表、组件信息表、元件信息表,每个信息表的字段如表1所示,其中夹具图、组件图和元件图可以是将三维图写进SQLServer数据库中,也可以是图纸的存储路径,根据系统的实际使用情况决定。

表1夹具及元件库

表名字段值

夹具信息表夹具编号、夹具名称、夹具类型、所属典型实例编号、工件编号、工序号、总体尺寸、设计者、设计日期、夹具图(图或存储路径)

组件信息表组件编号、组件名称、组件类型、所属夹具编号、设计者、设计日期、含元件编号、组件图(图或存储路径)

元件信息表元件编号、元件名称、元件类型、所属组件编号(可为空)、所属夹具编号、元件图(图或存储路径)

3.2参数数据库

由于参数化技术的实现,使得在系统的数据库中只需要存储的结构和尺寸表,当需要不同大小的元件时,只需要调用相应的尺寸,对该元件的结构图进行参数化驱动,即可得到满足要求的元件,同样适用于组件和夹具装配图。因此,建立参数数据库是有效实现参数化驱动的依据,避免了数据库中存储大量结构相同、尺寸不同的三维图。参数数据库中有元件、组件和夹具三个信息表,具体字段值如表2所示:

表2参数数据库

表名字段值

元件尺寸表ID、元件编号、元件名称、尺寸1、尺寸2、⋯⋯、尺寸n

组件尺寸及关系表ID、组件编号、组件名称、总体尺寸(1,⋯⋯,n)、配合尺寸(1,⋯⋯,n)、其它

夹具尺寸及关系表ID、夹具编号、夹具名称、总体尺寸(1,⋯⋯,n)、配合尺寸(1,⋯⋯,n)、其它

3.3知识库

夹具CAD设计系统离不开知识库的支持,采用不同的设计方法,知识库的结构和内容有所不同。基于实例推理的设计要求建立典型实例信息表,从夹具信息中抽取重要的信息作为该表的字段构成典型实例信息表。

表3知识库

表名字段值

典型实例信息表实例编号、定位方案、夹紧方案、对刀、导向、夹具体、各要素间关系

定位方案类型表定位方案编码、平面定位、外圆柱表面定位、内孔定位、其它面、各要素之间关系

对刀方案类型表对刀方案编码、对刀块、塞尺

导向方案类型表导向方案编码、钻套、钻模板、镗套、镗模支架

夹紧方案类型表夹紧方案编码、斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构、铰链夹紧机构、定心夹紧机构、联动夹紧机构、气动夹紧装置、液压夹紧装置

夹具体类型表夹具体方案编码、车床、铣床、铇床、磨床、钻床

3.4中间信息库

在夹具的设计过程中,需要将中间的设计信息存储,在后续的设计过程中调用。同时,因为某种原因而不能直接完成某一夹具的设计也是不可避免的,因此建立中间信息库,存储这些信息,如表4所示。

表4中间信息库

表名字段值

在设计夹具信息表夹具编号、夹具名称、夹具类型、所属典型实例编号、工件编号、工序号、总体尺寸、设计者、开始设计日期、结束设计日期、

未完成夹具设计信息表定位设计状态、对刀设计状态、导向设计状态、夹紧状态、夹具体

4应用实例及结论

在并行工程等设计思想的指导下,对参数化技术、产品数据管理等技术及它们在计算机辅助夹具设计系统中的应用进行研究的基础上,开发了基于实例推理设计的CAFD系统。该系统具有以下几个主要特点:基于三维设计平台;与工件的CAD系统、CAPP系统集成;系统基于C/S模式;实现了计算机辅助夹具管理。图3、4分别是该CAFD系统中实例推理界

面和实例修改界面。

提高CAFD系统的实用性是当前CAFD研究者们最为关注的问题。留学生论文集成化、标准化、并行化和智能化是CAFD系统发展的方向,同时各方向相互交叉、互相促进是CAFD系统发展的必然方向。

参考文献

[1]庞士宗.产品数据管理[M].北京:机械工业出版社,2000:23.