计算机辅助夹具设计：最近的研究和趋势外文翻译资料

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计算机辅助夹具设计：最近的研究和趋势

关键词：计算机辅助夹具设计；文献调查；趋势

摘要：夹具被广泛应用于制造业，并且对产品制造质量、生产效率和成本有直接影响，因此对计算机辅助夹具的研究已经倍受关注，而且在该领域取得的很多成就已有报道。

在这篇论文中，引用了过去十年中有关于计算机辅助夹具设计和自动化的文献调查。首先介绍了夹具在工业生产中的应用。然后讨论了计算机辅助夹具设计领域中重要的工作，包括它们的方法，要求和工作原则。最后还讨论了一些计算机辅助夹具设计的前景和研究趋势。

1. 说明

夹具是一种在制造过程中固定工件的机构，将工件放置在机床的正确位置上并在加工过程中将其固定。夹具被广泛应用于制造业，对产品质量，生产效率和成本有着直接影响。一般来说，与夹具设计和制造有关的成本可能占制造系统总成本的10％-20％。大约40％的不合格零件是由于尺寸误差造成的，这些误差归因于不良的夹具设计。夹具设计工作同时也很繁琐和耗时。它通常很依赖于夹具设计工作者的经验知识，并且通常需要10年以上的生产实践来设计高质量的夹具。传统上，利用人工经验来设计和制造夹具可能需要几天甚至更久的时间才能完成。并且一个好的夹具设计通常基于设计师的经验，他对产品的理解以及一个尝试与错误的过程。

因此，随着全球竞争日益激烈，每个工业制造商都尽他们最大努力通过提高产品质量，节省生产成本以及缩短新产品上市的时间来提高竞争力。为了以更低的成本、更有效率地设计出健全的夹具，这对于夹具设计方法的升级有着强烈的需求。过去几十年来计算机辅助夹具设计技术的发展可归功于实现这一目标。

作为生产制造业中的一个重要领域，夹具设计的研究和应用在过去几十年中一直备受关注。许多有关这个领域的学术和应用论文已经发表了。在这篇论文中，我们将重点关注近十年来有关计算机辅助夹具设计的研究。以下部分将对这些研究的现状进行调查，还讨论了一些关于研究趋势的结论。

1. 生产制造中的夹具

夹具被设计用来在一定规格内定位和夹持一个或者多个工件。它被广泛用于制造当中，比如加工（包括车削，铣削，磨削，钻孔等），焊接，装配，检验和测试。以下的图1~9是制造中的一些真实的夹具设计案例。夹具可以按照不同的原则进行分类。然而，与CAFD在机械夹具领域的研究相比，只有少数关注于其他重要制造领域，例如装配夹具和焊接夹具。

2.1焊接夹具

焊接对于高价值的制造过程至关重要，包括国防工业。根据美国焊接协会和爱迪生焊接研究所2001年6月的经济影响和焊接生产率以及重型制造业报告，“1999年，焊接通过这些工业对美国经济的贡献不低于78.5亿美元。这个数字占这些企业1999年总支出的7%。”所以开发和部署焊接夹具设计系统会取得重大的科技和商业优势。

加工夹具设计和焊接夹具设计有明显的区别。如下所示：

• 焊接过程中的工件通常是几个部分的组合件，而经历加工过程的工件仅包含一个部分。
• 通常，焊接过程中的精度要求低于机加工。
• 焊接过程中的夹紧力和加工力通常比加工时小。
• 应该认真考虑焊接过程中的热反应。

此外，这些因素在焊接夹具设计案例中也应引起重视：

• 电导率对电弧焊稳定性至关重要。
• 除了导热性之外，在选择夹具材料时还应考虑热膨胀性能。
• 精炼焊接波形需要优化的焊接电路，以保持较短的电弧长度，同时减少飞溅，残留，电弧闪光和电弧断供，以最大限度提高焊接速度。
• 更复杂的应用可能需要专用夹具。专用夹具的设计和安装通常涉及布线和气动或液压管路的安装和布线。

在过去的十年中，焊接领域报道的计算机辅助夹具设计研究和应用非常有限。在这一领域，由于汽车和航空航天工业中钣金装配焊接的重要性，金属板的组装和焊接受到了特别关注。通常焊接夹具是被开发来以减少由于焊接过程中的热量和残余应力而导致的每个工件的变形，并因此减小组件的尺寸变化。因此，一些离线或在线变形分析方法被开发来以提高夹具在变形控制方面的能力。在带有激光焊接夹具的金属板组件中，还应该确保配合表面的配合以确保适当的激光束焊接操作和激光焊接质量。因此，传统的“3-2-1”定位方案扩展到了混合定位思想，“全面定位和直接定位焊接”。总定位方案用于定位整个组件，直接定位方案用于定位焊缝以满足金属的装配要求。

图.1加工夹具

图.2加工机用轴承座的夹具

图.3磨削涡轮叶片的夹具

图.4固定组装橱柜架子的组合夹具

图.5加固框架的自动螺栓焊接夹具

图.6机器人焊接夹具

图.7引脚阵列夹具应用

图.8用于建筑机械零件的模块化夹具

图.9专用于工程机械零件的夹具

图.10专用弯管夹具

2.2模块化夹具和专用夹具的应用

根据夹具的柔性，夹具也可以分类成专用夹具和通用夹具（例如，可重构和适合的夹具，模块化夹具）。可重新配置和适合的夹具可以配置为接受不同形状和尺寸的零件。特别是，适形的针阵列夹具技术被广泛用于许多夹具设计中，因为一些组件包含可以被调整以满足工件的不同特征的内部变量（如图7.）。相变材料相关的夹具也用于某些精密制造。例如，在航空航天工业中，低熔点金属被用于封装涡轮机叶片并产生用于部件定位和夹紧以用于研磨操作的明确界定的表面。

通用夹具分类中最重要和最广泛使用的是模块化夹具。由于灵活的制造系统已被越来越多的制造商所采用，这些制造商试图以较短的交货时间和良好的成本控制在这个瞬息万变的市场上保持竞争力，模块化夹具由于其易于使用， 多功能性及其对产品变化的适应性越来越受到欢迎。模块化夹具通过使用标准工装夹具和组件可以实现更大的柔性。它们的柔性来源于夹具部件不同组合出的大量可能的夹具配置。模块化夹具的应用极大地缩短了交付时间，并降低了多功能产品在小批量生产中的成本。但是，它也有一定的局限性：

• 这些部件只能实现有限的组合，这意味着可能不能为一些具有不规则或复杂几何形状的工件构建合适的组合。
• 模块化夹具的结构特性有时难以维持。模块化夹具的结构特性包括定位精度，刚度，稳定性，装载和卸载，操作速度等。通常使用模块化夹具可能无法达到最佳夹具质量。
• 不适合大规模生产，例如汽车生产及其组件的制造。

作为比较，图8展示了用于工程机械零件的模块化夹具，图9中也使用了相同的零件，其中给出了专用的夹具解决方案。

专用夹具在制造业中也很重要，特别是对于先进的，精密的和精确的零件或批量生产。由于专用夹具专为特定产品而设计，因此设计人员可以精心调整设计，使其不仅能够满足定位精度，稳定性，刚度等基本夹具要求，还能最佳地满足操作要求，例如装卸方便性和效率和有效的切屑处理等。图10是专用的管弯曲夹具。与模块化夹具相比，专用夹具是根据工件的设计和制造要求精心设计的。所以专用夹具设计任务中存在更多的不确定性。在模块化夹具设计中，有一个预先设计和尺寸标准化夹具部件的零部件库。因此，模块化夹具配置设计实际上是将夹具部件组装成一个整体配置。由于其在当前制造和标准化生产中的广泛应用，在许多计算机辅助夹具设计研究和应用的报告中，采用了模块化夹具原理来生成夹具设计。计算机辅助夹具设计在早期的模块化夹具设计中只是在装配中使用CAD系统的绘图功能。诸如基板，定位器，支架和夹具之类的模块化夹具元件存储在数据库中。基于夹具理念，首先，设计师指定主要定位表面（点）及其定位器位置，合适的夹紧表面和位置，然后选择并将适当的夹具组件放置在所需的位置。尽管生产夹具总的时间缩短了，但最终的设计在很大程度上取决于设计师的经验。因此，他们只提供夹具工程师一个简单的工具来在商业CAD软件的一些扩展功能的基础上手动进行夹具设计。因此，即使有许多已报道的研究成果，计算机辅助夹具设计目前的工业应用也非常有限。

在过去的十年中，计算机辅助夹具设计的智能方法备受关注以希望通过将更多设计知识嵌入半自动或自动计算机辅助夹具设计系统方面来取得技术突破。详细的讨论将在下面的章节中提到（表1）。

图.11夹具设计过程的基本元素

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