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敏捷夹具CAD系统组成与自动构形设计方法研究

摘要：介绍了敏捷夹具系统组成，阐述了敏捷夹具的层次表示结构，提出了计算机辅助敏捷夹具自动构形可行的研究方法。

关键词：敏捷夹具；计算机辅助夹具设计特征建模；自动构形设计

夹具是制造系统与装备中的一个重要基础部件，随着CAD/CAM技术的发展，传统的夹具设计方式不能满足现代制造系统灵活、快速的要求。敏捷夹具是为了适应这一要求而产生的一种新的夹具理念和装夹系统，是传统组合夹具、柔性夹具的延伸和发展。敏捷夹具对提高制造系统快速响应产品变化的能力，缩短产品设计制造周期，增加制造系统的柔性，降低成本，提高产品质量等都具有十分重要的意义。

1 敏捷夹具的层次表示

现在通常使用的标准装夹系统有两种：基于T型槽的装夹系统和基于销钉结构的装夹系统。由于销钉系夹具系统更易于实现夹具的缠绕带自动装配，因此目前进行的敏捷夹具研究的过程中，选择了销钉装夹系统作为研究对象。在销钉装夹系统中，所有的装夹元件都通过一定的方式定位且连接在基板上，基板上均布着间距标准的连接孔。在销钉系夹具系统中当工件和元件固定在基板上以后，就得到整个夹具体。

整个夹具体的结构可以用三个层次表达：装夹单元层、元件层、功能表面层。

1.1 装夹单元层

装夹单元是几又会招致装备生锈个相互连接的夹具元件的集合，其中至少有一个（通常也只有一个）夹具元件通过功能表面与工件直接接触，起到定位、支撑或夹紧的作用。我们将该功能表面定义为此装夹单元的作用面。装夹单元作用面有平面和柱面两种。平面用平面中点Pc、平面法矢Vc唯一标识；柱面可用柱面中心轴上一点Pa、中心轴向量Va唯一标识。装夹单元作用面中点称为该装夹单元作用点，作用点到基板的距离定义为作用高度H。作用高度是夹具构形设计的重要参数，本文将在稍后讨论。

1.2夹具元件层

敏捷夹具的构形过程可以看成一个选择元件、组装元件的过程。夹具元件分四类：基板，定位元件、夹紧元件、支撑元件。后三类元件通过拼装形成装夹单元，装夹单元安装在在基板上构成满足设计要求的夹具体。一个含有大量标准夹具元件的元件库和一个元件装配关系库是构形设计的前提和基础。夹具元件库和元件装配关系库记录三方面的信息：元件几何信息、元件装配特征信息、元件之间装配关系。元件几何信息由CAD平台直接读取元件图形获得；元件装配信息通过定义和读取元件各装配功能表面参数获取；两个元件之间装配关系(包括两个相同的元件之间的装配关系）的描述，首先根据两个元件的装配特征判断两者能否进行装配，标准夹具元件装配关系模型如图1(图中V1、V2、…V8均表示敏捷夹具元件库中的装夹元件）。如果满足装配要求就将元件的装配特征和两元件之间的装配方式记录入装夹元件装配关系库并进行存储。当遍历过所有的敏捷夹具元件库中所有元件两两之间的装配关系后，就可得到系统的敏捷夹具元件装配关系库。

图1 标准夹具元件装配关系模型图

1.3 功能表面层

功能表面是夹具元件上与工件、其他元件接触，起到定位、夹紧或装配作用的表面。

2 系统简介

我们开发了一个计算机辅助敏捷夹具设计系统，系统模块见图2。

图2 敏捷夹具计算机辅助自动构形设计系统模块结构图

系统在进行构形设计之前，由用户采取人机交互的方式输入装夹规划，系统自动从元件库中选择合适定位夹紧元件，依据元件装配关系，拼装成对应试验设备于各个装夹点的装夹单元，同时自动确定各定位夹紧元件、装夹单元的位置和方向，最后自动拼装成夹具总体装配图并管理起来。现将主要模块介绍如下：

（1）装夹规划模块，提供友好的用户界面，让用户输入装夹规划如作不带指针的实验时，用于确定待加工工件的各个定位装夹表面和相关表面上的定位装夹点。

（2）夹具元件库，是基于特征建模的数据库，采用特征建模技术，进行参数设计，记录夹具元件的实体特征和装配特征。

（3）夹具元件装配关系库，记录元件之间相互装配关系。

（4）自动构形模块，根据装夹规划，工件信息，依托夹具元件库、元件装配关系库自动生成敏捷夹具装配图。该模块包括元件选择、装夹单元生成和装夹单元安装三个子模块。

3 敏捷夹具自动构形

敏捷夹具在自动构形模块建立夹具元件库、夹具元件装配关系库基础上，根据工件信息，装夹规划自动生成敏捷夹具装配图，其构形过程可分为以下两个步骤。

3.1 选择夹具元件，生成装夹单元

首先由装夹规划中夹紧点和定位点的坐标计算出各个装夹单元的作用高度H,根据定位或夹紧的要求选择与工件直接接触的定位件或夹紧件，然后依据元件装配关系库中的约束关系依次选择定位件（或夹紧件）至基板之间的夹具元件。元件V1→V2→…→PPG近9年来1直结伴随行Vn构成侯选元件组，满足式（1）。（h(Vi)i=1,2,…n为装夹单元第i个元件高度）。

H=h(V1)+h(V2)+…+h(Vn)(1)

由于每个夹具元件可能有多个元件与之装配，因而一个装夹单元会有多个侯选元件组，这时选择元件数目较少、元件总重量较轻的元件组构成装夹单元。

3.2 安装装夹单元，生成敏捷夹具装配图

装夹单元的安装从基板开始，安装前根据工件尺寸选择一大小合适的基板，取基板坐标为全局坐标，以基板中心为坐标原点。基板上均布着螺纹孔和光孔，以方形基板为例(如图3),基板上孔坐标（x,y）可用如下公式表示：

x=T×u(2)

y=T×v(3)

T为两相邻孔间距。

u=-N,…,-1,0,1,…N;

v=-M,…,-1,0,1,…M;

u,v同为偶数或同为奇数时，该孔是螺纹孔。

图3 基板示意图

由装夹规划，确定了装工件表面装夹点和装夹方向，结合具体的装夹单元进行分析，可得到一个装夹单元在基板上的安装范围，结合装夹单元底部元件实体特征、装配特征进行匹配计算，得出底部元件安装位置。

将装夹单元底部元件安装在基板上后，再依次安装其他元件。由于两夹具元件装配形式可能有多种，夹具元件的位置并不固定，因而会得到多个形式的装夹单元。两个夹具元件装配形式虽然可能有多种，但对应每种装配形式，两个夹具元件坐标系的变换矩阵Ai是固定不变的。假设此装夹单元的作用点坐标为（x,y,z），已知装夹单元顶部夹紧件（或定位件）在该元件内的局部坐标（x1,y1,z1），有以下公式：

（x,y,z,1）=(x1,y1,z1,1)A1A2…AN(4)

A1为底部元件与基板间的坐标变换矩阵；Ai为第i个元件与第i-1个元件间的坐标变换矩阵；

由公式4可计算出装夹单元不同形式下的作用点坐标（x,y，z），计算该点与装夹点坐标（x*,y*,z*）的间距d:

d2=(x*-x)2+(y*-y)2+(z*-z)2

当d2→min,该装配方案为所求方案。

按上述方法将装夹单元安装到基板，即得到敏捷夹具装配图。