计算机辅助夹具设计：近期的研究与发展趋势
Hui Wang, Yiming(Kevin) Rong, Hua Li, Price Shaun
Department of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University, Beijing, 100084, China
Computer Aided Manufacturing Laboratory, Worcester Polytechnic Institute, MA, 01609, USA
摘要：
夹具在制造业中的广泛应用，对产品制造质量、生产率和成本有着直接影。目前计算机辅助夹具设计(CAFD)的研究已经受到了很大的关注，并且此领域中有许多研究成果被报道。
本文做出了近十年来计算机辅助夹具设计与自动化的文献调查。首先，本文介绍了夹具在工业中的应用。其次，本文讨论了在CAFD领域中所做出的重要工作，包括他们的方法、要求和工作原理。最后，本文还讨论了一些未来的研究趋势。
关键词： 计算机辅助夹具设计 文献调查
- 简介：
夹具是在生产制造中用来固定工件的一种装置，它可以正确的将工件定位在机床上，并在加工过程中支撑工件。夹具在生产中应用广泛，并对产品质量、生产率和成本有着直接的影响。一般来说，与夹具设计和制造相关的成本可占总制造成本的10%-20%。大约40%的不合格产品是由于劣质的夹具造成的。夹具设计过程也很繁琐费时。它经常严重依赖于夹具设计工程师的经验或知识，通常一个工程师要能设计出合格的夹具需要10年以上的生产实践经验。传统上，当人们的经验被应用在夹具设计上时，夹具的设计和制造需要数天甚至更长的时间才能完成。而且一个优秀的夹具设计往往是需要设计者的经验和他对产品理解，以及一个不断尝试和犯错的过程。
因此，随着日益激烈的市场竞争，工业制造商们尽力提高产品的质量，缩短生产周期，降低制造成本来保证产品的竞争力，并将新产品投入市场。人们对利用较低成本进行更有效率的夹具设计有着强烈的愿望。这便是计算机辅助夹具设计（CAFD）技术在过去数十年间发展的目标。
夹具设计作为制造业中的一个重要领域，在过去十年的研究和应用中一直备受关注。在这一领域中有大量的学术和应用论文被发表。本文将着重于近十年来计算机辅助夹具设计研究的现状。以下各节将对这些研究的现状进行综述。同时也对研究趋势的一些结论进行了讨论。
- 夹具制造
夹具被设计用于定位或保持某些规格的一个或多个工件。它广泛应用于制造业，例如机械加工（包括车削、铣削、磨削、钻孔等）、焊接、装配、检测和测试。下表1-9是一些实际生产中的夹具设计案例。夹具可以按照不同原理进行分类。然而，与夹具制造领域中的CAFD研究出版物相比，只有少数案例[6-16]专注于其他重要的制造业领域，例如装配夹具和焊接夹具。
2.1焊接夹具
焊接对制造业中包括国防工业等占很大比重的行业具有重要意义。根据2001年6月美国焊接协会和爱迪生焊接研究所提供的焊接的经济影响和生产率以及重工业行业报告书称，1999年焊接通过这些产业对美国的经济贡献不少于78.5亿美元。这个数字代表着这些企业1999年总支出的7%。因此，焊接夹具设计系统的发展和部署有着巨大的技术和商业优势。
图1.机械加工夹具（IMAO公司）
图2.加工飞机用轴承座固定装置
图3.涡轮叶片磨削夹具
机械加工夹具设计与焊接夹具设计有着明显的差异，它们的差异如下：
bull; 由焊接所生产出来的工件通常是由数个零件装配而成，而机械加工过程所生产的工件通常只包含一个零件。
bull; 通常情况下，焊接过程中的精度要求比机械加工过程低
bull; 焊接过程中的夹紧力和切削力通常比机械加工过程小
bull; 焊接时应充分考虑热反应。
除此之外，这些因素在焊接夹具设计的方案中也应当引起重视：
bull; 电导率对电弧焊的稳定性至关重要。
bull; 除导热性外，在选择夹具材料时还应考虑热膨胀。
bull; 精炼焊接波形需要优化焊接回路以保持较短的电弧长度，同时减少喷涂、硬物、电弧闪光和电弧中断以最大限度的提高运行速度。
bull; 在更加复杂的应用情况下可能会需要专用夹具。专用夹具的设计和安装通常要涉及安装和布线，以及气动或液压管路的安装和布线
图4.橱柜装配夹具
图5.耳架上的汽车螺栓焊接夹具
图6.机器人焊接夹具
图7.引脚阵列夹具应用
在过去的十年里，焊接领域关于CAFD研究和应用的报道非常有限。在这一领域中，出于汽车和航天航空工业中金属板焊接的重要性，金属板的组装和焊接得到了特别关注。开发焊接夹具通常是为了降低焊接过程中的发热和残余应力，从而减少装配的尺寸变化。因此，一些线下或线上变形分析方法被研究出来，以提高夹具的变形控制能力。在带有激光焊接夹具的金属板组件中，还应保证配合面的配合以保证激光焊接操作适当激光焊接的质量。因此，传统的“3-2-1”定位方案扩展到了混合定位的方案，即“焊接的总定位和直接定位”。总定位用于定位整个装配，直接定位用于定位焊接点和焊接配合面的要求。
2.2 模块夹具和专用夹具的应用
根据夹具的柔性，夹具也可分为专用夹具和通用夹具（例如重组和整合、模块夹具）。重组和整合夹具可以适用于不同形状和尺寸的零件。特别是整合引脚阵列夹具技术被广泛用于各种夹具设计中，因为组件包含的内部变量可以随着工件的不同特点而调整。而且与材料相关的相变夹具可以使用同样的精度。例如，在航空工业中，低熔点的金属被用来包裹涡轮叶片并产生磨削过程中零件位置和装夹的明确表面。
图8.工程机械零件模块夹具
图9.工程机械零件专用夹具
最重要且使用最广泛的夹具是模块夹具。随着柔性制造系统越来越多被那些通过缩短生产周期和降低生产成本来试图在这个快速变化的市场中保持竞争力的生产商所适应，模块夹具因其所有的使用方便、通用性能强、对产品变化适应性强的特点而越来越受欢迎。
通过使用标准工件夹紧装置和部件，模块夹具具有更大的灵活性。它的灵活性是从不同夹具元件的组合产生大量可能的夹具配置推导出的。模块夹具的应用对缩短生产周期和降低通用产品和小体积产品的成本贡献很大。然而，它也存在局限性：
bull; 从这些组件中只能得到有限的组合，意味着对某些复杂不规则的工件来说无法得到合适的组合。
bull; 模块夹具的结构特性有时难以维持。模块夹具的结构特性包括定位精度、刚度、稳定性、装卸、运转速度等等。使用模块夹具很可能无法获得质量最好的产品。
bull; 不适合大批量生产，如汽车及其组件的生产和制造。
为了进行比较，图8显示了一个模块夹具用于工程机械的零件，而同一个零件在图9中使用的是专用夹具。
图10.弯管专用夹具
专用夹具在制造中同样很重要，由其在先进、成熟和精密零件或质量的生产中。因为专用夹具是为某一特定产品设计的，设计者不仅可以使夹具满足基本的定位精度、刚度、稳定性夹具要求，还可以进行优化以促进装卸方便、效率、芯片的有效处理等等运行要求。
与模块夹具相比，专用夹具需要根据工件的设计和制造要求进行详细的设计。因而在专用夹具的设计任务中有更多的不确定性。在模块设计中，有一个有着预设计的定尺寸的标准夹具元件的组件库。因此，模块夹具的结构设计其实是将夹具元件装配起来。
由于目前它广泛应用于生产制造和标准产品中，在很多发表的计算机辅助夹具设计研究和应用中，采用模块夹具原理来进行夹具设计。早期在模块设计中计算机辅助夹具设计仅仅使用了CAD系统装配图的绘制能力。模块夹具元素如底板、定位、支撑和卡盘被储存在数据库中。根据夹具的概念，设计师首先指定主要定位表面及其定位器的位置，即合适的装夹表面及位置，接着在要求的位置上选择放置合适的夹具组件。虽然产生夹具配置的总时间得以减少，但最后的设计很大程度上依赖于设计师的经验。因而他们只给设计工程师提供很简单的工具，而设计师们基于一些商业CAD软件扩展功能的基础上进行手动夹具设计。最终，即使有着许多的研究成果，但目前计算机辅助夹具设计在工业上的应用仍旧十分局限。
图11.夹具设计过程中的基本要素
在过去的十年中，为了寻求将更多的设计知识转化为半自动或自动计算机辅助夹具设计系统的技术突破，人们将更多的注意力集中到计算机辅助夹具设计的智能方法上。在下面的版块中会做具体的描述。（表1）
- 现有技术水平
3.1智能和自动夹具设计方法
典型的夹具设计包括了卡盘、定位器、支撑点的确定和有着对应功能的相应夹具元件的选择。夹具的设计过程主要有四个阶段——机构设计（D1），夹具设计（D2），夹具装置设计（D3）和检验（D4），如图11所示。机构设计过程决定了完成整个制造过程需要的机构数目以及每个机构的任务，如工件和正在进行的生产工艺，每个机构中工件的位置和方向。一个机构代表着不需要手动进行工件的位置和方向的调整就可以通过一个小的机械工具节能型工件上工艺的结合。在夹具设计过程中，需要确定定位和夹紧操作的表面以及工件上准确的定位位置和夹紧点。在制造过程中定位点的位置和数量必须保证工件受到完全约束。在夹具设计的第三个阶段，要得到适当的装置。在检验阶段，要保证工件的所有制造要求都能满足。设计时也必须进行检验，以保证它能满足其他设计的要求包括夹具成本、夹具重量、装配时间和工件与夹具装置的装卸时间。
表1
尽管目前已经提出了许多的夹具设计的技术并取得了一些成就，但成熟的技术应用与商业的计算机辅助夹具设计应用仍然局限。现在的生产制造推广过程中，夹具设计仍旧是一个主要的瓶颈。目前这项工作仍旧是传统的设计者集中模式，所有的夹具设计的相关工作很大程度上依赖于设计者的经验和知识。这种情况制约了生产率的提高，培养一个夹具设计者需要很长的实践使夹具设计工作是目前的一个主要瓶颈。因此，综合传动几何设计工具、知识和过去设计方案的新型智能和自动化技术在学术和工业上都获得了更多的关注。过去十年里该领域中的成果以使用不同智能方法的多样的计算机辅助夹具设计应用表现出来，如专家系统、基于计算机辅助软件工程的推理以及遗传算法等。
表2
从本质上讲，开发夹具设计方法需要解决2个主要的问题：如何在计算机中体现夹具设计知识以及如何实行问题的解决过程。
20年前，在计算机辅助夹具设计的初始期，专家系统常被当做启发工具使用，可以引导夹具设计者获得完全的夹具设计的解决方案，尤其是在一个交互环境中的夹具结构设计。在大多数的这些方法中，设计知识是根据一套假设规则模仿的。因此，在交互夹具设计阶段，设计解决方法会通过一系列基于这些规则的问答板块得出。然而，建立一个对设计效率和结果质量有明显影响的推论程式和足够完整的规则集和逻辑树是很难的。此外，交互模块同样使推论程式显得很无聊。
与专家系统相比，CBR不需要如此多复杂的领域知识系统。它主要集中于通过模仿过去的方案，通过假定有一个相似夹具设计方案去解决相似工件的夹具设计问题。因此，首先，它侧重于构造夹具设计方案并强调着重于检测相似性的一些重要数据。接着，它将会通过比较方案并将原来的方案修改为最佳方案来生成最终的解决方案。CBR技术可以避免实践的浪费及昂贵的实验花费，并且不需要太多的复杂结论就可以为具体的设计提供一个很好的基点。表2给出了过去十年中的一些CBR方法比较。
在CBR中有2个技术仍旧是十分重要而且是必须的。一个是一种可以有效精炼、建模和利用夹具设计知识的方法，另一种是一个高效的技术系统可以帮助夹具设计者简化设计过程并生成设计方案。
现在流行的建模方案是基于属性集得。例如，Chen使用了一个方案模板来综合所有的夹具设计方案，Fan将夹具设计分成3个属性组，分别为零件描述、设置描述及夹具描述。然而，很少有定义和选择合适的属性的指导方法。所以这很大程度上依赖于设计者的经验：设计者选择一些他认为对目前的设计方案很重要的属性并将它作为一个计算和搭配储存方案的向量。因而，它以系统化夹具设计领域相关知识要求的表现来定义计算机辅助设计的设计要求。因此，Boyle开发了一个方法来定义在2个信息库中的夹具设计信息：概念设计信息以及夹具单元信息。此外，Hui将夹具设计信息重组成三个块：工件（设计要求）、夹具计划（夹具配置）和夹具单元。
夹具设计领域知识的表现对CBR程序有个很重要的影响。事实上，一个单独使用形似属性的CBR系统通常无法获得精确的结果。有时，这次设计者设置的属性不能满足下个方案索引，或者方案间相似性高不一定能简单的与同一个方案相适应。
大多数文章中的CBR程序是相似的，如Aamodt的经典模型的一个循环周期。但作为一个基于经验的传动设计过程，在CBR的一个周期后，现在的夹具设计并不能得到一个好的解决方案。这就是为什么我们提出一个交互多层CBR夹具设计系统。多层次CBR通过粗索引、解决方法配置来确定物理形式，每个周期结束时可以进行一次更新并更加接近结果。每一次CBR程序完成方案索引和检索后，系统将会提供给设计者一个具体的方案进行选择，而不是仅仅提供最优方案。接着设计者要选择较好的方案并提出哪些地方需要改进并如何改进来解决问题，从而得到新方案。因此，这是一个具有选择性的设计过程，需要多轮的CBR检索和人工操作来获得最终的解决方案。
3.2 最优夹具配置布局的产生
在CAFD领域中最优夹具配置布局生成的研究取得了很大的关注。这些布局给出了夹具接触待加工零件的最佳位置。其主要内容与这些关于传动夹具配置布局的文章相似（如图12所示）。第一步是通过加工过程分析方法的应用来求出工件上的加工力。该分析方法通常是进行大量加工周期中刀具位置和方向的试验。第二步是利用预先确定的工况来进行夹具工件的变形分析。传统的变形分析是基于有
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