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对目前计算机辅助夹具设计方法的综述与分析
摘要：现代市场的一个关键特征是消费者对多样化的需求。为了有效地响应这种需求，制造商需要确保他们的生产实践足够灵活，以实现产品的快速开发。固位是指在加工过程中使用夹具来固定工件，使其能够转换成满足设计要求的零件，这是实现制造灵活性的一个重要因素。为了实现柔性夹具设计，通过计算机辅助夹具设计的发展，为夹具设计过程的支持投入了大量的CAFD(计算机辅助工装设计)的研究工作和方法。本文对这些研究成果进行了综述。首先，目前的CAFD研究在本质上是分段的，仍然需要提供更多的内聚夹具来支持设计；其次，夹具的物理结构的详细设计需要更多的研究。
关键词:计算机辅助夹具设计、夹具设计、夹具规划、夹具验证、设置规划、单元设计
介绍
制造企业的一个主要关注点是发展在短时间内设计和生产各种高质量产品的能力。在竞争对手之前迅速向市场推出新产品，是确保获得更高市场份额和利润率的关键因素。由于消费者对品种多样化的渴望，现在小批量生产产品比大批量生产更常见，这就需要制造商制定灵活的生产方法，以实现产品开发的快速周转。
许多因素有助于实现灵活制造的能力，其中一种是在生产过程中使用夹具，在使用这种夹具后，工件要经过一系列的加工操作来生产单独的零件，这些零件随后被组装成产品。夹具用于在加工过程中快速、准确、安全地定位工件，使所有被加工的零件都符合该零件的设计规范。这种精确性促进了部件的互换性，这种互换性在现代制造业中非常普遍，因为许多不同的产品都具有相同的部件。使固定相关的成本只占制造系统总成本的10-20%。这些费用不仅与夹具的制造、装配和操作有关，而且与夹具的设计有关。因此，通过降低固定相关的设计成本，可以获得显著的好处，为此采用了两种方法。一是公司专注于开发柔性固定系统，例如使用相变材料将工件固定在位置，以及开发商用模块化夹具系统。然而，灵活固定的显著特点是它没有解决设计夹具的困难。为了解决这个问题，第二种研究方法是开发支持和简化夹具设计过程，即计算机辅助夹具设计(CAFD)系统。
夹具设计
物理上，夹具由支撑和夹紧工件的装置组成。图1是一个典型的夹具示例，其中工件依赖于能够准确定位工件的定位器。在加工过程中，夹具将工件压在定位器上，从而保证工件的位置。定位单元本身包括定位器支持单元和与工件接触的定位器。夹紧单元包括夹紧支撑单元和夹紧单元，夹紧单元与工件接触并施加夹紧力来约束工件。
图1 一个典型的夹具(a)不带工件和(b)带工件
通常，创建此类夹具的设计过程有四个阶段:装夹规划、夹具规划、单元设计和验证，如图2所示，该图改编自Kang等人。在装夹计划过程中，对工件和加工信息进行分析，以确定执行所有必要的加工操作所需的安装数量和加工每个工序过程的定位基准。装夹表示可以在不改变工件的位置或方向的情况下在工件上执行的过程的组合手动的工件。为每个设置生成一个执行夹具规划、单元设计和验证阶段。
图2 夹具设计过程(改编自Kang et al.)
在夹具规划期间，需要考虑使工件完全固定下来，从而加工所需要的零件。本布置图详细说明了夹具的定位和夹紧单元与之接触的工件表面，以及定位和夹紧点的表面位置。在验证阶段对夹具进行测试，确保夹具满足驱动设计过程的夹具安装要求。值得注意的是，在单元设计之前，可以在生成设置和夹具计划时进行验证。
图3 六个自由度
当前CAFD的方法
本节描述了当前CAFD的研究成果，重点介绍了它们支持夹具设计的四个阶段的方式。第3.1-3.4节分别描述了支持装夹规划、夹具规划、单元设计和验证的不同方法。此外，3.5节讨论了CAFD在表示固定信息方面的研究成果。
装夹规划
装夹规划涉及到对加工设置的识别，其中单个设置定义了可以在工件上加工的特性，而无需手动更改工件的位置或方向。此后，设计过程的其余阶段将重点放在为每个设置开发单独的夹具，以确保工件的安全。从固定的观点来看，装夹规划阶段的关键是选择定位基准(即将用于在夹具中定位工件的主要表面）装夹规划中的关键任务是对可以在单个设置中加工的特性进行分组或聚类，除了设置坐标和排序外，还可以人为的确定定位基准(图4)。加工特征可以定义为刀具扫过的面积，典型的例子有孔、槽、表面等。集群的这些特性为单独的设置取决于许多因素(包括公差之间的依赖特性,机床的能力,将用于创建功能,刀具的方向的方法,和特性加工优先顺序)，和一些技术开发支持设置规划。
图4 工件(A)及其显示定位基准(b)的有向图(改编自Zhang et al.)
夹具规划
夹具规划包括物理需求、公差、约束、可承受性、冲突预防和可用性需求对夹具需求进行全面定义，并创建夹具布局计划。平面图代表了这些要求的夹具解决方案的第一部分，并指定了工件上定位和夹紧点的位置。许多布局规划方法都需要验证，特别是关于约束需求的验证。通常，这种验证形成了一个反馈循环，该循环试图根据这些需求优化布局计划。现在讨论用于支持夹具规划的技术，包括夹具需求定义、布局规划和布局优化。
表1 当前CAFD的方法
关键:SP设置规划;公关的物理要求;FP夹具规划;TR公差要求;UD单元设计;基于“增大化现实”技术的负担能力要求;V验证;CR约束要求;CDR碰撞检测要求;你的可用性需求
单元设计
单元设计包括对夹具的定位和夹紧单元的概念和详细定义，连同它们所附着的夹具体(图5)。这些部件包括一个定位器或夹具，该定位器或夹具与工件接触，并本身附加到结构支架上，而结构支架又与底板连接。这些结构支撑具有多种功能，例如为定位和夹紧装置提供足够的刚度，使夹具能够承受施加的加工和夹紧力，从而获得零件特征设计公差，并允许夹紧或定位器以在适当的位置与工件接触。一般来说，单元设计没有夹具规划和验证那么受重视，但是已经应用了许多技术来支持详细的单元设计。
图5 夹紧装置的一个例子
概念单元设计的方法
概念单元设计着重于定义单个单元应该包含的元素的类型和数量，以及它们的总体布局。定位器、夹具和结构支撑元件种类繁多，每种元件都比其他元件更适用于某些固定问题。除了使用启发式规则作为生成概念设计的手段外，Kumar等人还使用归纳推理技术创建决策树，通过检查每个决策树路径，可以从中获得此类固定规则。
神经网络方法也被用来支持概念单元设计Kumar et al。使用了一种GA/神经网络的组合方法，该方法通过选择以前的设计问题及其解决方案来训练神经网络。遗传算法生成可能的解决方案，这些解决方案使用神经网络进行评估，神经网络随后引导遗传算法。Lin和Huang还在简化的基于案例推理(CBR)方法中使用了神经网络，该方法根据固定问题的几何结构对其进行编码，并使用神经网络查找相似的工件及其单元设计。
验证
验证的重点是确保开发的夹具满足定位要求。从表1可以看出，大多数CAFD方法都进行了某种类型的验证，但在本节的综述中，重点将放在验证工件工作的特征上。验证是根据公差、约束、碰撞检测、可用性和可负担性要求进行的(表1)。由于与夹具设计过程紧密接触，针对物理需求的显式验证通常不被认为是一项重要的验证任务。约束需求验证受到了最多的研究关注，其次是公差和碰撞检测需求验证。相反，关于可负担性和可用性需求验证的工作很少受到关注。
限制需求验证的方法
约束要求验证主要针对夹具设计的稳定性和变形要求进行验证。稳定性验证旨在确保零件在加工过程中运动受到限制(不包括由夹具和工件变形引起的运动)。虽然一些稳定性验证方法是分析性的，侧重于确保在受到加工和夹紧力时工件上存在力和力矩平衡，另一些则采用一种不那么严格的方法，通过评估定位方向来确定工件的六个自由度是否受到限制。
虽然大多数方法都提供了稳定性的定义，Roy和Liao试图通过初步确定布局方案的稳定性情况，定性地定义夹具设计的稳定性。然后改变定位和夹紧位置，计算保持平衡所需的虚拟功，以定性地评估不同布局之间的相对稳定性计划。变形分析主要集中在利用有限元分析对工件变形进行分析。这包括将工件离散成组成网格的元素，在分析过程中选择分析元素的类型来表示网格，以及定义工件上存在的边界条件(例如，在夹具/工件界面上)。Rai和Xirouchakis扩展了有限元分析，考虑了加工过程中材料去除引起的工件几何形状变化的影响。
公差要求验证的方法
在公差要求验证方面的研究重点各不相同。例如，Camelio等开发了一种方法，通过基于运动学的加工过程的变化模型，将零件误差与引起零件误差的夹具故障联系起来。相反，Wang开发了一种公差分析技术，针对不同的定位器和工件基准几何误差计算零件特征的新位置，Bansal等人利用方便了利用不同定位位置进行灵敏度分析，从而确定哪一种定位误差最小。然而，应该注意的是，这种技术不能通过将这种分析的结果与所需的设计公差相关联来确认公差满足(许多夹具规划优化技术也遇到类似的问题)。Kang等人确实将零件特征偏差与定位公差直接联系起来，并对定位公差进行修正，直到满足零件设计公差为止，Boyle等人将这种方法扩展到考虑加工过程中定位单元的变形以及对满足零件公差的影响。
碰撞检测需求验证的方法
碰撞检测是检查夹具是否与机床切割轨迹相干涉，夹具元件是否相互碰撞，夹具是否与工件碰撞。后一种情况比较容易验证，因为很多现代CAD系统都可以进行静态干涉检查，并且可以通过几何约束推理来检查夹具碰撞检测，以确保夹具元素在设计接触点以外不发生碰撞。Ryll等对柔性固位系统的重构进行碰撞检测，其中重构步骤列表为了改变接触位置，确定并实际执行接触位置，以确定任何单元是否会发生碰撞。
然而，夹具与刀具路径冲突检测提出了一个更复杂的挑战。Kumar等采用刀具扫掠体积法，将刀具的横截面积沿刀具路径挤压，形成扫掠体积。然后进行静态干扰检查，以确定扫掠体积是否与夹具的任何部分重合:即，如果发生碰撞。Roy和Liao不仅识别了碰撞，而且利用启发式规则调整支座和夹紧位置，使碰撞不会发生。
可用性和可负担性需求验证的方法
胡和Rong开发了一种计算要求较低的二维方法，其中夹具元件和刀具在具有高精度的二维中建模。然后，干扰算法检查2D夹具和工具路径元素之间的重叠，然后使用系统自动来识别是否发生了碰撞。
可用性和可负担性需求的验证受到的关注相对较少。基于规则的夹具设计方法可以提供一些能力来生成满足这些需求的设计，但是已经开发了更多的分析方法来执行验证。Boyle等人的使用启发式开发的算法根据可承受性要求(如成本、装配时间、操作时间等)计算夹具性能，Ong等人使用组合遗传算法模拟退火的方法进行优化。
固定信息的表示
近年来，对如何表示夹具设计信息的考虑出现了初步的转变。CAFD的研究本质上是分段的，研究的重点是固定问题的具体需求或设计阶段，而不是提供整体的夹具设计支持。然而，为了更好地理解支持CAFD集成的信息表示，已经开展了一些初步工作[85]。在抽象的层次上，Pehlivan和Summers分析了15个CAFD工具，根据它们所提出的设计阶段，以及它们的信息输入和输出。除了信息流，Cecil还采访了经验丰富的夹具设计师，开发了一个信息密集型功能模型(information密集型Function Model, IIFM)，将信息流与夹具设计活动联系起来。在实现级别上，可扩展标记语言(XML)模式被开发用来表示夹具设计信，通过允许信息的表示和传输，可以方便地支持信息集成。例如Wang和Rong详细描述了一个定义fixture中的对象的fixturing字典设计、它们的属性以及不同实体之间的关系，这是使用XML模式实现的。值得注意的是，尽管研究工作正在向CAFD内部的信息表示方向发展，但目前还没有一个公认的标准来支持有效的集成。
CAFD研究分析
正如第3节所强调的，关于CAFD方法的开发以及这些工具的后续软件实现，已经进行了大量的研究。CAFD的研究主要集中在夹具的设置规划、夹具规划、验证三个方面，其中夹具规划与验证紧密结合，通过控制夹具的定位和夹紧位置，使工件变形最小化。然而，仍然存在一些研究问题，如果得到解决，将大大提高夹具设计的有效性。第四节的其余部分分别讨论以下四个研究问题：
- 许多CAFD研究在本质上是分段的，仍然需要为夹具设计提供更全面的支持，以整合设计过程的四个阶段。
- 对有效支持单元设计的关注仍然不足(4.2节)。
- 目前仍然缺乏对开发CAFD方法的关注，这种方法可以派生并随后包含对解决问题的功能需求的全面理解(4.3节)。
- 许多CAFD方法都是针对工业中遇到的不具有代表性的简单工件进行测试的，因此开发的技术的有效性不能很好的体现出来(4.4节)。
CAFD研究的阶段性
关于CAFD研究的分段性，表1清楚地说明了需要整合现有的CAFD方法，为夹具设计过程的四个阶段提供有效的支持。虽然许多研究工作都试图支持所有四个阶，但每个阶段所提供的支持程度各不相同，通常不如那些集中支持特定阶段的研究工作的支持程度大。例如Joneja和Changrsquo;s执行设置规划的能力不如Yao等人，他们专注于该任务，例如在基于图形的方法中更注重考虑容忍堆栈。因此，仍然需要考虑如何集成所有不同的CAFD方法来提供内聚的设计支持。为了在实现和概念级别上实现当前CAFD方法的内聚集成，需要定义如何控制它们的集成，以确保在夹具设计期间提供有效的支持。
有效配套单元设计
第二个问题与缺乏对详细的单元设计的关注有关，如表1所示，有几种CAFD方法可以生成夹具单元结构，但除了少数研究工作外，单元设计通常仅限于满足工
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