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当前计算机辅助夹具设计方法的回顾与分析
关键词：计算机辅助夹具设计，夹具设计，夹具规划，夹具验证，设置计划，单元设计
现代市场的一个重要特征是消费者需求的多样性。为了有效地应对这一需求，制造商需要确保他们的生产规程足够灵活，使他们能够实现快速的产品开发。夹具，其中包括使用夹具来确保工件的加工以使它们能够转化成能满足设计规范的零件，是实现制造灵活性的一个重要组成因素。为了确保装夹的灵活性，相当程度的研究工作一直在致力于通过计算机辅助夹具设计的工具和方法来支持夹具设计过程。本文包含了对这些研究工作的回顾。超过75种计算机辅助夹具设计的工具和方法在本文中被回顾，根据它们所支持的夹具设计阶段和所基于的基础技术。审查的主要结论是，虽然支持夹具设计方面取得了显著的进展，但还有两个主要的研究问题需要做进一步的努力。其中之一是当前的计算机辅助夹具设计研究主要被分离在自然界中，然需要提供一个更加统一的夹具设计支持。其二，需要更加注重夹具物理结构的详细设计。
- 引言
制造企业的一个关键问题是，需要提升在短时间内设计和生产多种高质量产品的能力。新产品快速的在市场推行，领先于任何竞争对手，是能够获得一个更高的市场占有率和增加利润率的重要因素。由于多样化的消费欲望，产品的批量生产比大规模生产更规范。这导致了制造商需要发展灵活的生产方法来实现产品开发的快速周转。
许多因素有助于一个组织实现灵活制造的能力，其中之一是在生产过程中使用的夹具，在这个过程中工件经历一系列的加工操作，以产生单个零件，这些单个零件随后被组装成产品。夹具被用于在生产过程快速，准确，安全的定位工件，以使所有被加工的零件都能符合设计规范。这种准确性促进了零件的互换性，这种互换性在大多数具有共同零件的许多不通产品的现代生产中流行
与装夹相关的成本可以占到一个制造系统的总成本的10％-20％。这些费用不仅涉及到夹具的制造，组装和操作，也涉及到夹具设计。因此，通过减少与装夹相关的设计费用可以获得显著的效益，而且两个方法以及被采取来实现这个目标。其中之一是专注于发展灵活的装夹系统，例如使用相变材料来固定工件和商业组合夹具系统的发展。然而，柔性装夹的显著限制性咒语是它不涉及设计夹具的难度。为了解决这个问题，第二个研究方法已经开发出支持计算机辅助夹具设计（CAFD）系统，简化了夹具设计过程，这个研究正是本文中予以回顾的。
- 介绍的主要阶段和各种各样的要求，推动了夹具设计过程。随后在第3节中，提供了研究工作的概述，包括关注关于支持这些单个阶段的设计过程的科技和工具的发展。第4节评论了这些努力发现当前在计算机辅助设计研究上的差距，最后本文以提供了一些对未来计算机辅助设计研究潜在指导。在继续之前，值得注意的是，之前已经有一些关于装夹研究的回顾。最近的毕和张，Pehlivan，Summers.毕和张同时提供了一些关于计算机辅助设计研究的一些细节，更倾向于关注柔性装夹系统的发展，而Pehlivan和Summers则关注了夹具设计中的信息集成。本文的价值在于，它提供了一个深入的检讨和批判现有CAFD技术和工具，以及它们如何提供贯穿整个夹具设计过程的支持。
2. 夹具设计
本节概述了夹具的主要特点和更有针对性的夹具设计过程，将研究成果回顾和评论分别放在部分3和4。物理结构上，一个家具包含了支撑和夹紧工件的装置。图1体现了一种典型的夹具，在此夹具上工件被定位器准确定位。夹紧机构在加工过程中将工件在定位器上夹紧，从而确保工件的位置。定位装置本身由定位支撑单元和接触工件的定位器组成。夹紧装置包括一个夹紧支撑装置和一个夹持工件，并施加一个夹紧力来约束它。
这种夹具被创造的典型的设计过程共有四个阶段：设置规划，单元设计，验证，如图2所示，这是改编自康等人。在安装过程中工件和加工信息被分析，以确定要执行所有必要的机加工操作及相应的定位基准的每个安装所需的设置的数量。一个设置表示，可以对工件进行处理的组合，而无需手动改变工件的位置或方向。要为每一步设置生成一个夹具，该夹具的设计、单元设计和验证阶段执行。
夹紧
定位单元
基板
夹紧装置 工件
图1 一种典型夹具（a）有工件（b）无工件
在夹具规划时，每一步设置的装夹必要条件会生成，代表了迈向这些必须条件的第一步的解决方法的布局方案也会生成。这种布局方案详述了工件表面与夹具定位和夹紧单位将建立联系，且与定位和夹紧点的表面位置在一起。定位点的数量和位置必须使得工件六个自由度（见图3）在加工过程中被充分约束[7]和有各种概念性定位点布局能够促进这一点，如3- 2-1定位原则。在第三阶段，合适的单元设计（即，定位和夹紧元件）产生并且夹具会在随后的验证阶段被测试，以确保它满足装夹要求驱动设计过程。值得注意的是，设置和夹具计划的验证可以发生，因为它们是已经生成和之前的单元设计。
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图3 6自由度
装夹要求，虽然康等人没有明确表示，却通常在夹具规划阶段产生，此阶段可以被划分为6类（表1）。物理要求类是最基础和与确保夹具能在物理结构上支撑工件最为相关的。公差要求与确保定位公差满足工件准确定位有关，同样的，约束要求注重保持这种准确性当工件和夹具受到加工力的作用时。承受能力的要求涉及到确保夹具代表值，例如在材料，操作和组装/拆卸成本方面
“碰撞检测”的要求注重在确保夹具不与加工路径，工件或实际上本身发生碰撞。可用性要求涉及到夹具人体工程学并且包括例如需要涉及确保夹具设有防错，以防止工件的不正确的插入，和芯片脱落，其中，夹具应有助于已加工芯片从工件的去处。
与许多设计情况一样，这些需求的冲突性是有问题的。例如，一个重大的夹具可以在稳定性方面有利的，但可能对成本（由于增加的材料成本）和可用性造成不利影响（因为增加的重量可能妨碍手工处理），这样的冲突增加了夹具设计的复杂性，有助于在第3节回顾计算机辅助夹具设计研究的必要性。
表1 装夹要求
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一般要求 |
摘要次要需求的例子 |
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物理结构 |
夹具必须能够适合工件的几何尺寸和重量，夹具必须允许进入工件的即将进行加工的工件的特性。 |
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公差 |
夹具定位公差应足以满足零件设计公差。 |
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约束夹具应保证工件的稳定性（即保证工件的力和力矩平衡），夹具应保证夹具/工件的刚度足以防止发生变形，这种变形可能导致设计公差无法达到要求。 |
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负担能力 |
装夹成本不得超过预期的水平。 夹具组装/拆卸时间不得超过预期的水平。 装夹操作时间不得超过所需的水平。 |
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防碰撞 |
夹具不应使刀具轨迹–夹具的发生碰撞。 夹具不应引起工件夹具发生碰撞（除指定的定位和夹紧位置）。 夹具不应使夹具–夹具之间发生碰撞（除了在指定的夹具元件的连接点）。 |
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可用性 |
夹具的重量不得超过所需的水平。 在工件/夹具接口上，夹具不应引起表面损坏。 夹具应为指定工件的功能提供刀具指导。 夹具应确保防错（即，夹具应防止工件不正确的安装到夹具）。 夹具应方便切屑（即，夹具应提供一种装置，用于使加工的切屑脱离工件和夹具）。 |
3.当前计算机辅助夹具设计的方法
本节将介绍当前计算机辅助夹具设计研究工作，重点是他们支持的夹具设计的四个阶段的方式。表2提供了基于它们支持的设计阶段研究工作的总结，他们寻求解决的夹具要求（黑体字强调的要求是解决了一个显着的程度，而正常的文本，深度的程度是比较低的性质），并且他们基于的基础技术。第3.1-3.4分别描述了支持设置规划，夹具规划，单元设计和验证不同的方法。此外，第3.5节讨论了关于代表装夹信息计算机辅助夹具设计的研究成果。
3.1设置规划
包括识别的加工设置，其中一个单独的设置定义的功能，可以在一个工件上加工，而不必人工的改变工件的位置或方向。此后，在设计过程的剩余阶段注重于发展确保工件的每一步设置的单个夹具。从夹具的角度出发，从设置规划阶段的关键输出是每一个必需的设置和定位基准的识别（即，将被用来定位在夹具的工件的主表面）
设置规划范围内的主要任务是，可以在一次装夹中加工的分组或群集
功能。加工特征可以被定义为一个切削刀具的体积，典型的例子包括孔，槽，表面，和腔。这些功能集中的一个单个的步骤取决于一系列的因素（包括特征之间的公差的依赖关系，将要被用于生产特征的加工工具的能力，切削工具的方法的方向，加工优先顺序的功能）。许多技术已被开发，以支持建立规划。图论和启发式推理是用于支持设置规划最常用的技术，尽管基于矩阵技术和神经网络也被使用。
3.1.1. 设置规划的方法
图形理论的使用，以确定和代表设置已经是一个特别流行的方法，图表包括两组元素：顶点，它代表工件的特征，以及边缘，这表示功能和驱动器设置标识之间存在的关系。其性质可能有所不同，例如在夏尔马和赖特[9]考虑特征加工优先级关系是突出，而黄和张[10]关注的是与特征之间存在的公差关系。鉴于这些边缘可以根据公差幅值进行加权，这种图形的方法也可以方便的识别的设置，可以最大限度地减少在安装过程中公差的累积误差通过严格的公差的分组设置。然而，这可以证明是有问题的，考虑到比较不同的公差类型的大小的难度。因此黄把使用公差因素[13]作为促进这种比较的手段，这被黄和刘完善和扩展，以迎合更多种类的公差类型和多个公差要求与所述相同的功能集相关联的情况。
虽然有些方法使用无向图，以协助安装标识[ 11 ]，姚等。[ 15 ]，张、林等人[ 16 ]，和张等。[ 17 ]用有向图来方便和明确的表示特征作为定位基准的确定（图4）除了安装标识与排序。而且姚等人通过在两阶段安装规划过程对可用机床性能的考虑细化了安装的确认。
经验知识，在启发式推理的形式下，也被用来协助设置规划。其普及源于这样一个事实，即夹具设计的有效性已被认为是依赖于夹具设计者的经验[ 18 ]。这样的知识通常被认为是以经验得出的启发式规则的形式，虽然面向对象的方法有时也会被被采纳[19]。例如gologlu [ 20 ]采用启发式规则与几何推理来支持特征聚类，特征加工优先，定位基准选择。在这样启发式方法中，焦点往往落在用于创建它们有关的功能的物理性质的规则和加工过程。虽然有些技术的确包括特征公差的考虑[ 23 ]，他们的分析深度可能小于基于图像技术的深度[ 24 ]。同样，运动的方法已被用来促进对基于特征类聚的工具的方法方向更深入的分析，通常是使用以规则为基础的方法来实现特征聚类。然而，值得注意的是，基于图形的方法通常伴随着经验规则库的增加，来提高他们的整体效率[ 16 ]。
基于矩阵的方法也被用于支持安装规划，其中会产生决定性特征簇的矩阵，随后会被细化。Ong等人。[ 26 ]确定一个特征的优先级矩阵，该矩阵概述了该命令中的功能可以被加工，然后对一些成本指标（如机床的成本，随着时间的推移变化等），混合遗传算法，模拟退火优化，这些优化是通过考虑动态变化的机床功能的方法实现的。赫波和梅塔[ 27 ]基于每一个特征的机床接近方向生成了一个初始特征分组矩阵，并随后通过考虑定位面和特征公差的算法的运用进行改良。
另外，利用神经网络来支持设置规划也被研究过，神经网络是简单的元素相互连接的网络，这里相互连接的网络是一种从一组数据中获取信息的网络。一旦这种网络获取信息，这些网络就可以生成针对新问题的解决方法并反馈给网络。明和麦[ 28 ]采用神经网络方法，在这个方法中，特征的优先级，工具接近方向，和公差关系被反馈到Kohonen自组织神经网络集团业务个人功能设置。
3.2夹具规划
夹具规划涉及到对夹具要求的综合定义，包括物理结构，公差，约束，负载能力，防碰撞，已经可用性要求，这些都在表1中，以及生成夹具布局规划。布局规划代表了对这些要求的夹具解决方案的第一部分，并指定工件上定位和夹紧点的位置。许多布局规划近似于功能验证，特别是考虑到约束的要求。通常情况下这种验证形成了反馈回路的一部分，这种反馈回路旨在针对这些要求优化布局规划。用于支持夹具规划的技术现在正在被讨论，相对于夹具要求的定义，布局规划，以及布局优化
3.2.1确定夹具要求的方法
综合性的夹具需求已经定义受到了有限的关注，主要集中在物理结构，公差，和约束要求的定义。例如，张等人[ 17 ]通过对工件特征公差的分析来进行公差要求的定义，以确定每个定位点允许的公差，并将其细化到它的源头。所允许的定位点的精度是由一些因素，如定位单元公差，机床误差，在定位点处的工件变形等等。这些细化的公差要求随后可以驱动夹具设计：例如，这些分解的公差要求可以随后进行夹具设计：例如，在单元设计阶段产生的定位元件的公差不能超过规定的定位元件的公差。相似的，夹紧力的定义，以及夹紧装置必须达到要求也得到了足够的重视。
在一个更加全面的方法中，波义耳等人通过对成套的框架要求的使用提供了一种全面的需求规格说明。表1中框架要求提供了对要求的初步分解，并通过一系列的分析和与夹具设计师的相互了解进行完善。航特等人[32,33]也关注功能需求驱动的夹具设计，但是限制他们的焦点主要是物理限制的要求。
3.2.2非优化布局规划的方法。
布局规划涉及的定位原理的检测，它定义了定位和夹紧点的数量和一般布局，工
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