A review and analysis of current computer-aided fixture design approaches
Iain Boyle, Yiming Rong, David C. Brown
Keywords:
Computer-aided fixture design
Fixture design
Fixture planning
Fixture verification
Setup planning
Unit design
ABSTRACT
A key characteristic of the modern market place is the consumer demand for variety. To respond effectively to this demand, manufacturers need to ensure that their manufacturing practices are sufficiently flexible to allow them to achieve rapid product development. Fixturing, which involves using fixtures to secure work pieces during machining so that they can be transformed into parts that meet required design specifications, is a significant contributing factor towards achieving manufacturing flexibility. To enable flexible fixturing, considerable levels of research effort have been devoted to supporting the process of fixture design through the development of computer-aided fixture design (CAFD) tools and approaches. This paper contains a review of these research efforts. Over seventy-five CAFD tools and approaches are reviewed in terms of the fixture design phases they support and the underlying technology upon which they are based. The primary conclusion of the review is that while significant advances have been made in supporting fixture design, there are primarily two research issues that require further effort. The first of these is that current CAFD research is segmented in nature and there remains a need to provide more cohesive fixture design support. Secondly, a greater focus is required on supporting the detailed design of a fixturersquo;s physical structure.
2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.
Contents
1. Introductionhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;2
2. Fixture designhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.2
3. Current CAFD approacheshellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.4
3.1 Setup planninghellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.4
3.1.1 Approaches to setup planninghellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;...4
3.2 Fixture planninghellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..4
3.2.1 Approaches to defining the fixturing requirementhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;6
3.2.2 Approaches to non-optimized layout planninghellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.6
3.2.3 Approaches to layout planning optimizationhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;6
3.3 Unit designhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;...7
3.3.1 Approaches to conceptual unit designhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..7
3.3.2 Approaches to detailed unit designhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;...7
3.4 Verificationhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..8
3.4.1 Approaches to constraining requirements verificationhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;.8
3.4.2 Approaches to tolerance requirements verificationhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..8
3.4.3 Approaches to collision detection requirements verificationhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;8
3.4.4 Approaches to usability and affordability requirements verificationhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;9
3.5 Representation of fixturing informationhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..9
4. An analysis of CAFD researchhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;...9
4.1 The segmented nature of CAFD research hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;...9
4.2 Effectively supporting unit design hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;10
4.3 Comprehensively formulating the fixturing requirementhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;..10
4.4 Validating CAFD research outputshellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;....10
5. Conclusionhellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;...hellip;10
Referenceshellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;hellip;10
1. Introduction
A key concern for manufacturing companies is developing the ability to design and produce a variety of high quality products within short timeframes. Quick release of a new product into the market place, ahead of any competitors, is a crucial factor in being able to secure a higher percentage of the market place and increased profit margin. As a result of the consumer desire for variety, batch production of products is now more the norm than mass production, which has resulted in the need for manufacturers to develop flexible manufacturing practices to achieve a rapid turnaround in product development.
A number of factors contribute to an organizationrsquo;s ability to achieve flexible manufacturing, one of which is the use of fixtures during production in which work pieces go through a number of machining operations to produce individual parts which are subsequently assembled into products. Fixtures are used to rapidly, accurately, and securely position work pieces during machining such that all machined parts fall within the design specifications for that part. This accuracy facilitates the interchangeability of parts that is prevalent in much of modern manufacturing where many different products feature common parts.
The costs associated with fixturing can account for 10–20% of the total cost of a manufacturing system [1]. These costs relate not only to fixture manufacture, assembly, and operation, but also to their design. Hence there are significant benefits to be reaped by reducing the design costs associated with fixturing and two approaches have been adopted in pursuit of this aim. One has concentrated on developing flexible fixturing systems, such as the use of phase-changing materials to hold work pieces in place [2] and the development of commercial modular fixture systems. However, the significant limitation of the flexible fixturing mantra is that it does not address the difficulty of designing fixtures. To combat this problem, a second research approach has been to develop computer-aided fixture design (CAFD) systems that support and simplify the fixture design process and it is this research that is reviewed within this paper.
Section 2 describes the principal phases of and the wide variety of requirements driving the fixture design process. Subsequently in Section 3 an overview of r
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现代计算机辅助夹具设计方法的讨论和分析
Iain Boyle， Yiming Rong， David C. Brown
关键字：
计算机辅助夹具设计；夹具设计；夹具规划；夹具检验；定位设计；单元设计
摘要
现代市场是一个关键特征是满足消费者要求的多样性。为了有效地回应这种要求，制造商需要确保他们的制造业柔性以满足快速产品开发。夹具设计，是指使用夹具在制造过程中装夹工件，保证他们能被加工成满足设计规格的产品，是提高制造业柔性一个重要的有利因素。为了使夹具的柔性成为可能，相当程度的研究工作已经致力于通过计算机辅助夹具设计(CAFD)工具和方法支持辅助夹具的设计过程。这篇文献包含这些研究工作的讨论。超过七十五个CAFD工具和方法在夹具设计方面被讨论并逐步实现计算机辅助和以其为基础的技术。讨论的主要结论是在辅助夹具设计方面有重要的进步时，还有两个需要进一步的努力的研究议题。第一，现在的CAFD研究在本质上被分割，而且需要更多关联的夹具设计支持。第二，更多注意力集中于一个夹具设计其本身详细的物理结构。
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目录
1. 介绍
制造业企业的主要关心的是发展设计和在短时间内生产多种高质量产品的能力。一种新产品在其他竞争者之前快速进入市场内，是一个能够起到确保更高市场占有率和提高利润的决定性因素。由于多样性的消费者要求，已经影响到制造商对发展有柔性的制造业的要求以到达实现产品开发的快速周转，且现在分批生产的产品比大规模生产的产品更加规范。
许多因素有助于实现柔性制造的组织能力，其中之一是夹具在生产过程中的使用，工件通过许多机械加工生产出的各个部件组装成产品。夹具在生产过程中要快速，准确，安全地定位工件，使机器制造部分满足设计规格。这种精确度促进了在现代制造业中普遍存在的零件互换性，许多不同的产品都有相同的零件。
夹具相关的费用占到制造系统的总费用的10-20%［1]。这些费用不仅包括夹具制造，装配，运转，还包括它们的设计。因此为了减少夹具设计的费用，有两种方法已经被采用来实现这一目标。一是专注于发展柔性的夹具系统，例如使用适当地新型材料装夹工件［2]和发展商业模组夹具系统。然而，柔性的夹具重要标准是它没有处理设计夹具的困难。要解决这一个问题，第二个研究方法是发展单一化夹具设计程序的辅助计算机的夹具设计（CAFD）制度，它就是在这文献里面被讨论的研究方法。
第2节描述使用夹具设计过程的主要阶段和广泛多样的要求。随后在第3节中，概述了为支持设计过程中的各个阶段而开发的技术和工具的研究工作。第4节批评这些CAFD研究目前的不足，并在最后提出了CAFD研究一些未来研究的潜在方向。在进行之前，已经有夹具研究的早先讨论值得注意，主要是Bi 和 Zhang［1]，Pehlivan 和Summers［3]. Bi 和 Zhang提供关于CAFD研究的一些细节的时候，容易在柔性的夹具系统的发展和 Pehlivan与Summers集中在夹具设计的数据整合重合。本文的价值在于提供了对现有CAFD技术和工具的探讨和批评，以及它们如何支持整个夹具设计过程。
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，相关夹具设计程序对研究工作的不利将会在第3和4节被分别地检讨和批评。机床上有一个支持夹紧工件夹具装置［4，5].图1是一个工件准确定位固定在夹具体上的典型例子。夹持工件在加工期间，支撑和固定夹具和工件。定位单元本身由定位器支持单元和与工件接触的定位器组成。夹紧单元包括一个夹紧支撑单元和一个与工件接触的夹紧装置，并施加夹紧力来抑制它。
通常制造这种典型地夹具的设计程序有四个阶段：设置规划，夹具设计，单元设计和验证，如图2所示， 这是适用于Kang et al的论点的［6]. 在设置规划期间工件和制造信息被分析并为每个安装程序确定需要执行所有必要的加工操作的设置和合适的定位基准。设置表示可以在工件上执行的过程的组合，而无需手动改变工件的位置或方向。为每个设置生成一个夹具，执行夹具规划，单元设计和验证阶段。
在夹具设计阶段，包含设置生成满足要求的夹具和布局规划，它代表了对这些要求解决方案的第一步。这种布局计划的细节将确定夹具的定位和夹紧装置与工件表面接触，以及定位和夹紧点的位置。定位点的数量和位置，必须使工件加工过程中的6个自由度（图3）有足够的约束[7]，有各种各样的概念定位点布局可以方便这一过程，如3-2-1的定位原则[4]。在第三阶段，设计合适的单元（例如，定位和夹紧单元）和夹具随后在验证阶段验证以确保它满足设备驱动过程的要求。值得一提的是，在设计和生成单元设计之前，可以对安装和夹具计划进行验证。
夹具的要求，虽然没有显示出Kang et al[6]通用设计夹具阶段，可以划分为六类(表1)。“支撑”是最基本的要求，保证工件夹具的物理支持；“公差”的要求确保有足够的定位误差的保证工件定位准确；同样的“夹紧”要求重点维护这个夹具与工件受力后的精度；“购买力”要求与保障夹具代表的值，例如材料，操作和装配，拆卸成本。
“碰撞检测”要求专注于确保夹具与加工路径，工件，甚至本身不碰撞。“可用性”要求与夹具的相关工程学有关，包括确保夹具功能防误以防止不正确的插入工件，和芯片脱落，在夹具协助从工件去除加工芯片。
有很多设计的情况下，这些要求是有冲突的。例如， 一个重夹具在安定方面可能是有利的，但是对成本(由于材料成本的增加)和可用性(因为体重增加可能会阻碍手工处理)有不利影响。这种冲突增加夹具设计的复杂性，并在第3节对此研究综述CAFD的必要性。
表1
设备的要求
一般要求 抽象子要求示例
物理 ●夹具必须身体能够适应工件的几何形状和重量。 ●夹具必须允许访问工件特征被加工。
公差 ●夹具定位公差应满足零件的设计公差。
约束 ●夹具应保证工件的稳定性（确保工件力和力矩平衡保持不变）。
●夹具应保证夹具/工件刚度足够防止变形的发生，●可能会导致不能达到设计公差。
可购性 ●夹具的成本不应超过预期水平。
●夹具装配/拆卸次数不得超过预期水平。 ●夹具操作时间不应超过预期水平。
碰撞预防 ●夹具不得引起刀具路径–夹具的碰撞发生。
●夹具应使工件夹具的碰撞发生（除指定的定位和夹紧位置外）。
●夹具不应使夹具–夹具的碰撞发生（在指定的夹具组件连接点以外）。
可用性 ●夹具重量不得超过预期水平。
●夹具不得造成表面损伤工件在夹具接口。
●夹具应指定工件特征提供工具的指导。
●夹具应确保防错（夹具应防止工件正确插入夹具）。
●夹具应便于芯片脱落（夹具应允许加工芯片远离工件和夹具的流动提供了一种手段）。
3.目前CAFD的方法
本节介绍了当前的CAFD的研究成果，重点介绍了他们支持的夹具设计四个阶段的方式。表2提供了基于设计阶段他们支持研究工作的总结，该夹具要求他们寻求解决方法(要求是很大程度上的深度，而普通版本在自然界的深度较小)，以及他们潜在的技术的主要基础。第3.1-3.4分别描述了不同方案支持设置规划，夹具设计，单元设计和验证。此外，第3.5节讨论了对于CAFD代表夹具的研究成果。
3.1设置规划
设置规划涉及识别加工方法，其中单独的设置定义工件上可以加工的特征，而无需手动改变工件的位置或方向。此后，设计过程的其余阶段侧重于为保证工件的每个设置开发单个夹具。从设备的角度出发，从设置规划阶段的关键输出所需设置的识别和定位基准（即主要表面将用于在夹具定位工件）。
安装计划中的关键任务是设置规划或分组加工的功能，可以在一个单一工件设置。加工特征量可以定义为被切削工具，典型的例子包括孔，槽，表面和内表面[8]。这些特征聚类成独立的设置取决于许多因素(包括公差之间的依赖关系的能力特点，将被机床用来创建特征，切削刀具的加工方法和特征优先顺序)和一批技术已经开发支持设置规划。虽然基于矩阵的技术和神经网络也被使用，但是图论和启发式推理是最普遍用于支持设置规划的技术。
3.1.1满足要求的设置规划
使用图论方法确定和代表机构已经是一个特别常用的方法[9 - 11]。图由两个的元素组成：顶点，代表的工件特征和边缘，代表特征之间的关系和安装识别标志。它们的性质各不相同，例如在Sarma 和 Wright[9]考虑特征加工之间的优先级关系，而Huang 和 Zhang[10]聚焦于公差之间存在关系。考虑到这些边缘公差加权依照大小，该图形法也可以更方便地识别装置，能最大限度地通过紧公差减少宽容堆误差的分组机构。然而， 比较了不同类型的大小宽容对方，这可能证明问题的难度，因此Huang[12]的因素包括使用公差[13] 的使用是促进这种比较的一种手段，是完善和扩展Huang 和 Liu [14] 迎合各种各样的公差类型和多个公差要求具有相同的功能集的相关案例。
虽然有些方法采用无向图辅助建立识别[11]， Yao et al. [15] ， Zhang 和 Lin [16] ，和 Zhang et al. [17] 使用指示方便和明确的特征作为定位基准(图4)除了安装识别和次序。同样，鉴定机构等问题提炼通过考虑机床能力提供一个两个阶段的设置规划过程。
在启发式推理的形式中，经验知识也被用来帮助安装计划。其常用的原因是夹具设计效率是依赖于设计经验[18]。支持设置规划，一般都是举行这样的知识经验的形式导出启发式规则被采纳[19]。例如Gologlu[20]采用启发式规则几何推理来支持特征聚类，特征加工的优先级，和定位基准的选择。在这样一个启发式方法，焦点往往落在涉及的物理本质特征与用于创建加工工艺规则[21，22]。虽然有些技术包括精度特征的考虑[23]， 在图形的基础技术[24]，他们的深度小于分析发现。同样，运动学方法[25]已经比较深入的应用于分析方法的影响。然而，值得注意的是基础的方法的常常有着经验基础来提高他们的整体效能[16]。
基于矩阵的方法也被用来支持设置规划，在这一过程中产生的特征矩阵定义集群以及随后的On
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