基于特征工艺的机床夹具CAD系统研究

　　1引言

　　如何应用CAD这一先进工具和手段服务于工装设计，实现产品的高质量、低本钱、短生产周期，近年来受到普遍的关注。采用基于特征技术实现支持整个工艺设计过程的计算机辅助夹具设计系统的研究，已成为该技术领域研究的热门题目之一，是实现工艺装备设计自动化的重要方法和手段。

　　近年来在夹具CAD技术的研究中取得了很大的进展。由于夹具方案设计经验性很强，其中需要考虑的题目很多，目前在国内外有很多的夹具方案设计方法，其中有的已成功地应用到了生产实践中，有的尚处于研究阶段。但这些系统大都侧重于特定设计功能的实现，缺乏对整个设计过程及数据模型的研究。本文将讨论如何利用特征技术，实现支持整个设计过程的夹具CAD系统模型结构及相关的设计方法。

　　2机床夹具CAD系统方案设计

　　机床夹具CAD系统是面向夹具设计职员的参数化图形信息治理系统，它融程序库和参数化图形系统于一体。本文所设计的夹具CAD系统是建立在基于三维特征模型CAD基础之上，整个系统设计过程由被加工零件设计、工艺方案辅助设计、定位夹紧方案分析(包括定位误差分析计算、夹紧力大小计算等)、夹具元件设计和夹具装配设计等五个部分组成。

　　被加工零件设计即设计被加工零件，并输进零件各部分与加工和设计夹具有关的信息，例如零件的尺寸大小、加工精度、材料种类、技术要求以及用户对夹具设计的具体要求等。

　　工艺方案辅助设计即用被加工零件的设计信息与工艺知识库中的信息进行比较，经过设计者的修改，得出公道的零件加工工艺后，再交互选取设计夹具的工序。

　　定位夹紧方案分析即确定定位夹紧方案，选择定位元件和夹紧元件，利用程序库中的相应程序，进行定位元件结构尺寸计算和定位误差分析以及夹紧力的计算，完成定位夹紧系统的设计。

　　夹具元件设计即根据前面的定位夹紧方案，对所需的夹具元件进行结构设计，并从图形库中调用标准的参数化夹具元件，如定位元件、支承元件等。

　　夹具的总体装配利用交互式设计和图形库对夹具的装配进行设计。

　　3基于特征技术的零件工艺模型

　　工艺模型的描述是根据工艺设计方案天生的工艺设计过程信息，应用特征技术，从夹具设计角度，描述零件从毛坯到成品之间变换过程的特征信息，支持整个夹具设计过程。工艺模型通常从三个层次上表达加工的序列。用工序表示在一台机床上的加工，用安装和工位表示一次装夹的加工位置，以工步表示一个特征的加工。因此，整个加工工艺过程由若干排列的工序组成，每一个工序又是由安装工位和工步组成。由于我们的目标是应用于夹具设计，所以，工艺模型的建立以工序为单位，按装夹要求来描述零件特征和工序内容。

　　基于特征的零件工艺模型结构。工序1中工件的装夹特征表示零件毛坯的初始状态，用毛坯特征表达，以后各工序中零件的装夹特征表示在原毛坯特征的基础上若干特征的增加。工序1对毛坯进行了两个特征的加工，因此，工序2中工件的装夹特征表示在原毛坯特征的基础上的增加，即除了继续原有的毛坯特征外，还增加了两个特征。在工序2中，仅加工特征1的状态发生变化(如扩孔加工产生的孔径变化)。因此，工序3中工件的装夹特征仅表示加工特征1状态的变化，即除了继续工序2中的装夹特征外，还增加了特征1状态的变化。可以说，工件在任一工序中的装夹特征都表示毛坯特征、加工特征和状态，每一次工件的装夹特征都是上一次工件装夹特征状态的变化或新特征的加进。

　　毛坯特征零件的设计特征，其内容和结构与毛坯设计相关。加工特征是在编制加工工艺过程中所产生的描述加工工艺及工件外形的单元，其内容包括工件加工表面的几何外形、加工表面的方位、加工精度、粗糙度和加工设备等信息。

　　4基于特征工艺的夹具CAD系统模型与功能

　　针对工艺设计与夹具设计的关系，本文提出一种基于加工特征的工艺设计与夹具设计为一体的集成模式，利用特征技术建立面向CAPP的工艺模型和面向夹具方案设计的装夹特征模型，实现工艺设计与夹具设计的集成。

　　(1)系统的总体结构

　　本系统在功能上包括两个子系统：CAD/CAPP集成子系统和机床夹具CAD(FM-CAD)子系统。

　　从三维CAD系统(本文中采用的是MDT)传来的信息，经特征提取后得到有关加工工艺信息和工装夹具的设计信息，天生工艺模型，再将夹具设计信息传给FM-CAD子系统。FM-CAD子系统根据工艺模型提取装夹特征信息天生装夹特征模型，按照系统设计的推理方法最后得到工艺设计文件和夹具设计模型。

　　在整个设计过程中，系统不仅要接受和处理大量的设计信息，而且还要实现从加工特征的提取、工艺过程设计、夹具设计到装配等大量信息和功能的集成。建立工艺设计和夹具设计的数据模型，将工艺设计和夹具设计中的信息通过零件信息模型、工艺模型和夹具设计模型集成起来，由网络和数据库提供有力的支持。

　　(2)系统功能

　　CAD/CAPP的功能：首先实现零件的三维特征造型，并通过零件特征信息的输进，识别零件结构要素并检索其加工特征，由专家系统推理完成零件结构要素的工艺设计、机床刀具选择、夹具类型选择，确定加工工艺路线和工序内容，天生工艺设计文件，同时建立可向夹具设计提供信息的工艺模型。

　　FM-CAD的功能：

　　程序库：主要存放方案设计中各种设计计算程序，如方案设计中定位误差分析计算程序、夹紧力计算与校核程序等。

　　数据库：用于存储夹具设计所需的各种数据，包括夹具元件的结构尺寸、方案设计使用的各种表格数据、公式及图形数据以及保存夹具设计过程中产生的各种数据等。

　　参数化图库：存放夹具设计所需的各种参数化夹具元件、组件、标准件、非标件和夹具设计时用到的各种符号、格式等。

　　装夹特征信息库：用于存储夹具方案设计的特征信息。应用特征建模技术建立装夹特征模型、表达方案设计信息，作为夹具元件选择与装配的依据。根据工艺特征模型提供的夹具设计信息，提取夹具方案设计的装夹特征信息，最后完成夹具方案设计(包括夹具定位结构设计、定位夹紧机构设计、导向装置设计、误差分析等)，用装配模型模拟夹具的装配。夹具方案设计可以按常规夹具设计顺序，分为夹具结构设计，定位方案设计、定位误差计算、定位机构设计、夹紧方案设计、夹紧力分析计算、夹紧机构设计、导向对刀方案设计、导向对刀误差计算、导向对刀机构方案设计、夹紧元件、定位元件等的选择设计和其它夹具元件设计等。

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