基于特征的三维组合夹具库

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.2MB 71 页 15积分

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摘要

面对激烈的市场竞争，如何缩短产品的设计周期和提高产品的设计成功率已

成为各企业的当务之急。传统的夹具设计完全由人工来完成,需要较多的人力和较

长的设计周期,并且局限于各人的经验.与传统的夹具经验设计方法相比,计算机

辅助夹具设计(CAFD)具有设计周期短、设计质量高等优点

详细论述了特征造型和参数化设计的理论与方法，参数化设计中的变量设计

技术。作者通过对夹具元件的形状特征进行抽取和分类，研究元件形状特征的信

息模型与参数化模型，运用特征造型和参数化技术建立基于 Pro/E 组合夹具元件

模型。建立了夹具图形元件库，它包括夹具的三维模型库、工程图库。

系统中的有限元分析模块能够快速建立有限元模型并计算出分析结果。在细

化设计模块中快速生成工程图、零件属性列表、爆炸图设计和 BOM 清单等。最后，

本文介绍了 PDM 的基本原理，并且探讨了与 PDM 集成技术，而基于 PDM 平台的 CAFD

可以充分利用 PDM 的强大功能。

组合夹具设计系统是在 PRO/E 平台上使用 PRO/TOOLKIT 等为开发工具开发的。

课题是基于实例推理的设计技术在软件 PRO/E 平台上实施的有益尝试，也是 PRO/E

二次开发技术的一次应用和实践。

关键词：组合夹具特征基于实例 PDM PRO/E PRO/TOOLKIT

Abstract

Today, the competition of market is becoming more drastic and how to shorten the

developing cycle of products and how to enhance the success ratio of the product design

have become a pressing matter at the moment for each enterprise. Traditional fixture is

completely designed by hand, which need much manpower and long time, and confined

by individual experience. Compared with the traditional design, CAFD is of short

design-cycle and high quality.

The modeling method of fixture element based on feature and parameterization is

studied. The abstracting rules and methods for fixture element feature are determined

according to the structure of fixture element, and the features are classified. The

information models of features are defined, and the parametric models of the features

are established. According to the structure features of fixture part, the graph library of

fixture parts is constructed under the environment of Pro/E, which can improve the

efficiency of fixture designing greatly.

By means of FEA module, the writer can produce the FEA model of the original

program and get results of the analysis as well. The drawing, the BOM, the explosive

part and the list of the part property of the final program will be produced through the

module of detailed design.

At last, this paper introduces the concept and principle of PDM. And the method of

integration of PDM and CAPP is analyzed. The CAFD based on PDM will make the

best use of PDM.

The system was developed by means of Pro/toolkit on the platform of PRO/E.

The research is a beneficial application of the technology of CBR-based variant design

on the platform of PRO/E and is also a successful practice of the development

technology on PRO/E.

Key Word: Modular fixture feature, Case-based reasoning ，PDM,

PRO/E, PRO/TOOLKIT

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ...................................................................................................................1

§1.1 课题背景 ............................................................................................................ 1

§1.2 国内外研究现状 .................................................................................................. 2

§1.3 课题研究的意义和目的 ................................................................................... 3

§1.4 CAFD 的展望 ...................................................................................................... 5

§1.4 课题的主要内容 .................................................................................................. 6

第二章三维组合夹具库的建立 .................................................................................... 7

§2.1 DLL ....................................................................................................................... 7

§2.2 PRO/TOOLKIT ..................................................................................................... 9

§2.3 系统界面的设计 ............................................................................................... 13

§2.4 夹具元件图形库创建 ........................................................................................ 17

§2.5 源程序的编译、链接及应用程序注册 ...........................................................23

§2.6 本章小结 ............................................................................................................ 25

第三章特征建模 .......................................................................................................... 26

§3.1 引言 .................................................................................................................... 26

§3.2 特征定义和分类 ................................................................................................ 26

§3.3 特征的信息表达与封装 .................................................................................... 30

§3.4 参数化设计技术 ................................................................................................ 33

§3.5 基于特征与参数化的夹具元件造型方法...................................................... 36

§3.6 本章小结 ............................................................................................................ 36

第四章基于实例的推理技术 ...................................................................................... 37

§4.1 序言 .................................................................................................................... 37

§4.2 基于实例推理的发展简况 .............................................................................. 37

§4.3 基于实例推理的基本原理 .............................................................................. 38

§4.4 实例的表示 ...................................................................................................... 40

§4.5 组合夹具实例检索 ............................................................................................ 43

§4.6 组合夹具实例修改 ............................................................................................ 45

§4.7 本章小结 ............................................................................................................ 46

第五章 PDM 和CAFD 集成初探 ............................................................................... 47

§5.1 序言 ....................................................................................................................47

§5.2 PDM 原理和发展 .............................................................................................. 47

§5.3 基于 PDM 的CAD/CAFD/CAM/CAPP 集成系统框架 .................................. 50

§5.4 本章小结 ............................................................................................................ 52

第六章组合夹具库运用 .............................................................................................. 53

§6.1 系统总体结构 .................................................................................................... 53

§6.2 虚拟装配 ............................................................................................................ 55

§6.3 有限元分析 ..................................................................................................... 56

§6.4 结果输出 ............................................................................................................ 59

§6.5 族表 .................................................................................................................... 61

第七章结论 ...................................................................................................................64

参考文献 .........................................................................................................................65

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果............................................ 68

致谢 ............................................................................................................................... 69

第一章绪论

-1-

第一章绪论

§1.1 课题背景

随着市场需求的变化，现代制造业向着多品种、多规格、小批量、高柔性的

方向发展，要求加工设备和工艺设备有着较大的柔性。生产周期越来越短，而且

新产品的生产规模多属中小批量。为此，在现代机械制造中，要求加工机床和夹

具装备具有更好的柔性，近 20 多年来数控机床和柔性制造系统迅猛发展，正是迎

合多品种、中小批量生产方式的需要。适应这一要求，柔性制造系统（FMS）、计

算机集成制造系统（CIMS）逐渐在机械加工行业被广泛运用，这也对工业设备的

柔性化提出了迫切的要求。另外，现代产品开发设计的周期越来越短，使得夹具

设计与制造的周期问题进一步突出来。目前的夹具设计过程中周期长、设计效率

低下等问题，已经成为制约现代制造业发展的瓶颈因素。

为了适应现在制造业的发展，人们开始探索新的夹具设计技术。而组合夹具

正是人们研制出来的一种较好的解决方案。组合夹具是在夹具零部件标准化的基

础上发展起来的一种新型的工艺装备，它由一套预先制造好的有各种不同形状，

不同规格尺寸的标准元件和组合件所组成，具有很强的灵活性和应变能力，能适

应千变万化的工件的柔性加工要求。组合夹具元件可以分为大型、中型和数控三

种类型，每一型又可分为基础件、支承件、定位件、导向件、紧固件、压紧件、

组合件、通用件和其它件等九大类。组合夹具是指按某一工件的某道工序的加工

要求，由一套预先制造好的标准元件及合件组合而成的夹具。这种夹具用完之后

可以拆卸存放，以备重新组装新夹具时供再次使用。由于组合夹具是由各种标准

元件，合件组装而成，故具有组装迅速，周期短，能反复使用等特点。

但虽然采用了标准化元件和组合夹具技术，在一定程度上提高了夹具设计的

效率，但是夹具技术的真正突破，发生在计算机辅助设计 CAFD（Computer Aided

Fixed Design）技术运用到夹具设计以后。

在传统的夹具设计过程中，除了少量富有创造新的工作（例如夹具总体结构

的分析）外，大量都是一些繁琐的事务性工作，例如查阅手册、数值分析、绘画

图形等等，而这些工作都可以有计算机辅助设计来完成。

以 CAFD 为基础的夹具信息系统是现代设计制造系统中信息集成的一个重要环

节，它是夹具设计人员通过计算机辅助技术用科学的方法来进行夹具设计的一种

技术。与传统的夹具经验方法相比，CAFD 具有设计周期短、设计质量高等优点。

是用来实现夹具设计标准化、自动化、精密化、柔性化的重要途径。因而越来越

受到制造业的重视。

基于特征的三维组合夹具库

- 2 -

§1.2 国内外研究现状

a) 国外研究现状

计算机夹具辅助设计—CAFD 是在 70 年代末开始发展起来的，并且伴随着 CAD

技术发展而发展。在 CAFD 的早期研究发展中，G.Imholf 和 W.Grahl 无疑是一个先

驱者。他们对基于工件尺寸关系、几何形状及工件表面性质确定工作数据表示作

了深入研究[37]。

A.Y.C Nee构造了一个基于目标/规则的创成式夹具设计系统的框架。采用三维

实体建模，是一个基于目标/规则的专家系统，称为NEXTPERT。此系统用于BIUCO

孔系组合夹具的组装。零件的几何形状和文本信息从实体模型中提取，定位、夹

紧表面用规则和数学分析确定，最终输出夹具装配图[41]。

美国 Michigan大学的 MV Gandi和Thopson于研究了组合夹具设计中定位及

力平衡问题，分析了几何要素间的空间位置关系，使用矩阵表示组合夹具元件位

置。该研究侧重于组合夹具元件的装配问题。

美国麻省理工大学的 YOn－Chun Chou 等人对零件的几何形状、零件的特征

和切削力的作用域进行了分析，据此生成工件的方位、工件的定位及夹紧面和定

位及夹紧方式[31]。另外，Chou 采用几何推理分析方法，提出了用于央具布局自动

化设计的几何推理模型，分析了切削力、定位设计、夹紧设计、夹紧力等的计算

方法。系统可依据零件的几何图形、公差和工序信息以及夹具元件数据信息，通

过推理自动生成夹具的布局。系统采用的是程序推理，针对性强。

美国南伊利诺大学的 W.Ma，Z.Let，Y.Rong 等人研制的计算机辅助标准夹具

构型设计系统，当定义了几何模型和夹具元素功能后，能够自动建立夹具元素的

装配关系[39]。

到 90 年代以后，许多专家对夹具的计算机辅助设计进行了研究，基于自动化

程度不同，提出了不同的研究方法，如交互式、半自动式、全自动式的夹具 CAFD

系统，他们各有自己的优点，缺点，用途[37,40]。如新加坡采用人工智能和计算机辅

助设计研制了具有人机接口计算机辅助夹具设计系统。该系统采用数据库管理、

设计规划、和计算机图形显示技术从夹具选择、定位和组装方面为夹具设计提供

帮助。

B）国内研究现状

而国内 CAFD 系统的研究起步较晚。90 年代初，我国对计算机夹具辅助设计系

统开始进行研究，基于当时计算机软件、硬件和 CAD 技术水平，夹具元件采用二

维几何模型建库，采用二维储存，以二维图形表示三维图形，考虑当时我国的计

算机应用水平，维修能力，选择以微型机为主，计算机程序用 Autolisp 命令编写。

将夹具中各种标准化的紧固件、定位件、支撑件建立数据库。通过 Lisp 语言设计

的通用绘图程序，建立标准夹具元件图形库。

中国航空技术进出口公司在向欧洲出口组合夹具元件时，应客户要求用计算

第一章绪论

-3-

机绘制了数套槽系组合夹具装配图，拉开了我国开发夹具 CAD 系统的帷幕[6]。

张世昌等开发了检索式计算机辅助设计系统 TJCAFI，采用交互方式输人工件

信息后可自动完成夹具设计工作，并可输出夹具装配图、夹具零件图及有关的技

术文件，但适用范围很窄[3,5]。

哈尔滨工业大学的刘文剑等人对组合夹具设计专家系统进行了研究，并开发

了一套组合夹具设计半智能化系统MFDES－HIT01。该系统的输入信息来源于

CAPP，系统能够根据工件的工艺信息及夹具设计信息利用专家系统技术自动选

择组合夹具元件。夹具的定位及夹紧方案采用人机交互输入，夹具的组装基于

AUTOCAD环境交互式进行。

清华大学的唐东等人从工件设计与夹具设计并行的角度探讨了夹具设计系统

的结构模式、夹具的设计与分析等问题[7]，并研制了一个面向并行工程的计算机辅

助夹具设计系统 CE－CAFDI。系统可在工件设计的早期进行可装夹性分析，并通

过基于实例的推理进行夹具的方案设计。

还有南京航空航天大学的陈蔚芳等人进行了 FMS 中夹具设计专家系统的研究

[8]，北京理工大学的 W Jiang 和Y Cat 将模糊集理论用于成组夹具设计过程中夹具

元件的选择，台湾工业大学的 Zone－Ching Lin 等人研制了一个用于平面铣削的组

合夹具设计专家系统[10]，并讨论了模拟退火算法在夹具元件的选择中的应用

迄今为止，国内计算机夹具辅助设计技术虽然发展非常迅速，但是将组合夹

具和三维特征图形数据库结合起来的研究还是非常少，并且缺少对夹具的后处理

工作和 CIMS 系统的集成，而这方面的研究也是非常有意义，弥补了现有 CAFD 系

统的不足。

§1.3 课题研究的意义和目的

然而现在的CAFD普遍存在的问题是，一是由于目前的CAFD主要从元件层次

上对夹具元件进行描述，缺少元件功能特征的有关信息，使得元件模型向夹具设

计过程提供的信息不完整，且夹具设计知识和经验难以完整地总结和表示，因而

影响了CAFD系统的设计效率和设计结果的可靠性。这使得CAFD系统成为制约

现代制造业发展的因素。因此，需要采用新的技术和手段来改善CAFD系统的性

能。特征技术和参数化技术是解决上述问题的有效手段之一。采用特征技术可以

实现CAFD系统与工件的设计与制造系统的集成，并提高元件模型信息的完整性，

满足夹具设计过程对元件信息的需求；而采用参数化技术则可大大减少夹具元件

模型和夹具装配模型的建模工作量，提高夹具设计效率。

二是难以和CAD/CAM/CAPP系统集成。从CAFD的发展来看，无论是早期简单

的检索式和派生式系统，还是后来为了提高智自批、实用化、通用化而开发的

CAFD专家系统、综合式CAFD以及CAFD开发工具或开发平台，都将功能局限在

设计和输出工艺文件的狭小范围内，以单机单用户的方式运行，缺乏工艺活动的

基于特征的三维组合夹具库

- 4 -

组织、协调和控制，与CAD、CAM等系统的集成能力很弱，往往需要专用接口，

不能实现实时信息交换，更谈不上开展并行工程。近年来虽然有一些商品化的

CAFD软件如InteCAFD在功能上融入了一些对工艺设计流程的控制，但总的来说

仍不能满足要求。

造成夹具CAD系统与工件CAD、CAPP系统分离的局面主要原因在于两个方

面：一方面是由于CAD、CAPP和CAFD都是在其特定的历史环境中相对独立地发

展起来的，各系统具有不同的数据表示方法和数据结构，在信息模型上也互不相

容，当对各系统进行集成时，要对各模块数据进行大量的重复输入和重复处理。

另一方面CAD系统主要关注的是工件的几何数据，CAPP 系统主要关注的是工件

的加工信息，不能直接提供夹具CAD系统所需的全部设计信息。

对于CAFD系统来说，夹具元件数据库及图形库是其重要的组成部分，尤其对

于智能化CAFD系统，元件数据库与图形库是实现夹具设计自动化的基础。而目前

夹具元件数据库中一般只包含针对元件整体的信息，如几何尺寸、元件功能等，

缺少对夹具设计过程中经常用到的元件特征的信息描述，在系统运行夹具设计过

程时，需要不时地由人工输入有关数据信息，使得系统的智能化和自动化程度大

打折扣。而基于特征来构建夹具元件图形，并建立描述到特征层次的元件数据库，

能够给夹具设计过程提供一个信息比较完备的夹具元件模型，从而可以大大减少

夹具设计过程中的人工干预，提高过程的自动化程度。另外，基于特征思想构建

CAFD系统与其他系统的接口。可以使CAFD系统能够自动提取与识别基于特征的

工件模型的信息，实现CAFD系统与CAD、CAPP、CAM系统的集成。基于以上考

虑，作者采用特征技术来建立夹具元件模型，并采用上述特征类型对元件进行全

面描述，使其能满足夹具设计过程各个阶段的信息需求。

三是传统的绘图方法是先绘出图形，再从中抽象出几何约束的方法，只存储

了设计的最后结果，而将设计的过程丢失，这样的设计方法在工作实际中存在的

问题主要有以下方面：（l）该方法不能支持初步设计过程，在实际设计过程中，

设计人员往往只关心零件的大致形状及标注要求，对精确的尺寸并不十分关心，

而传统的设计绘图始终是以精确形状和尺寸为基础的：（2在实际设计过程中大量

的设计是通过修改己有图纸而产生的，由于传统的设计绘图系统缺乏变参设计功

能，因而不能有效地处理因图形尺寸变化而引起的图纸相关变化，从而无法较好

地支持系列产品的设计工作，使产品的设计费用较高，设计时间增长，无法满足

快速更新的现代化生产和市场的需求。为了加快新产品的开发周期，提高设计效

率，减少重复劳动，诞生了参数化设计技术。利用特征与参数化技术建立夹具元

件的参数化模型，并由这些夹具元件构成夹具的参数化装配模型，当产品零件设

计变动时，则改变相关夹具元件的尺寸参数和位置参数，生成符合要求的夹具。

由于参数化设计技术具有局部修改功能，避免了以往手工设计夹具时因夹具的局

部变动而需重画全部图纸的情况，这就大大提高了夹具的设计效率。另外，该厂

不同产品的零件有一定的相似性，因而在参数化技术支持下可以对以往的夹具设

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摘要面对激烈的市场竞争，如何缩短产品的设计周期和提高产品的设计成功率已成为各企业的当务之急。传统的夹具设计完全由人工来完成,需要较多的人力和较长的设计周期,并且局限于各人的经验.与传统的夹具经验设计方法相比,计算机辅助夹具设计(CAFD)具有设计周期短、设计质量高等优点详细论述了特征造型和参数化设计的理论与方法，参数化设计中的变量设计技术。作者通过对夹具元件的形状特征进行抽取和分类，研究元件形状特征的信息模型与参数化模型，运用特征造型和参数化技术建立基于Pro/E组合夹具元件模型。建立了夹具图形元件库，它包括夹具的三维模型库、工程图库。系统中的有限元分析模块能够快速建立有限元模型并计算出分析结...

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