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摘 要
由于市场竞争激烈，生产率是制造过程中最重要的因素之一。在这方面，模块化夹具（MFs）在实际提高柔性制造系统（fms）的生产率方面发挥着重要作用，这是由于该技术使用了高生产率的计算机数控（CNC）机床。MFs由称为夹具和夹具的装置组成，用于在不同的加工操作中精确地固定工件。设计过程复杂，传统的MF设计方法生产效率不高。
随着计算机技术的发展，计算机辅助设计（CAD）软件得到了迅速的改进，为组合夹具设计人员利用其三维建模能力开发更自动化的系统提供了巨大的机遇。计算机辅助夹具设计（CAFD）系统是利用人工智能（AI）技术实现自动化的。本研究将探讨利用人工智能工具进一步改善自动化CAFD系统。在本研究中，综合考虑了四个主要要求，开发了一个集成的CAFD：
- 工件的三维模型，
- 专家系统，
- MFs的装配自动化，
- 高效的功能库。
三维模型是提供合适的工件规格的重要因素，本文采用SolidWorks作为CAD环境进行三维建模。该专家系统作为一个工具，用于对CAFD规划过程做出正确的决策，包括定位和夹紧方法及其相关元素的选择。这有助于实现可行的夹具设计布局。采用SolidWorks API和Visual Basic编程语言，实现了MFs装配过程的自动化和仿真。为了简化夹具设计过程，建立了组合夹具元件特征库。
目录
1 简介 1
1.1 现状 1
1.2 研究中的问题 1
1.3目标和意义 2
1.4论文组织 2
2 知识回顾 3
2.1 Automated CAFD 4
2.1.1 Genetic Algorithm（基因算法） 4
2.1.2 模糊逻辑 5
2.1.3 案例推理 6
2.1.4 专家系统 7
2.1.5 其他方法 8
2.1.6 商业工具 9
2.2文献综述讨论 10
3 工件夹紧原理和方法 12
3.1 工件夹持原则 12
3.1.1 夹具 12
3.1.2 定位原则 14
3.1.3 夹紧原则 17
4 组合夹具装配的自动化与仿真 18
4.1所开发系统的装配工艺 18
4.2装配知识库（侧夹紧） 23
4.3项目开发中的添加 25
4.3.1宏程序集模拟 25
4.3.2装配仿真实施 25
4.4 结果和讨论 28
4.5 总结 32
5 参考文献 34
1 简介
1.1 现状
在CAD/CAM（计算机辅助设计和计算机辅助制造）活动的发展过程中，许多问题需要解决，包括夹具设计过程中的高效加工。传统的夹具设计过程已经不能适应制造技术及其装备的快速发展，尤其是数控机床的发展[1]。产品质量、缩短生产时间、降低成本和高效交付是制造过程的主要目标。为了实现这些目标，夹具设计被认为是一个至关重要的因素，对加工操作有直接影响[2]。介绍了计算机辅助夹具设计（CAFD）系统作为复杂夹具设计过程的解决方案[1]。CAFD的最初用途是应用CAD软件作为设计和装配夹具元件的工具，使用标准夹具库[3]。然而，自近几十年来CAM活动的迅速改善以来，CAFD自动化系统在制造过程中变得越来越重要。自动化CAFD允许用户定义一个可行的夹具配置，包括定位方法、夹紧机构和给定工件的布局。人工智能（AI）技术和专家系统已经被用于自动化这个过程[4]。报告了使用这些系统的不同方法。一些研究使用遗传算法（GA）优化夹紧力和加工切削力，而另一些研究则集中在应用模糊逻辑或基于实例推理（CBR）选择定位夹紧方法和夹具元件。
在夹具设计过程中，几何因素和加工特征是必不可少的。大多数研究集中在棱柱体零件的特征上，许多研究采用AutoCAD作为夹具设计的CAD环境。本研究以半圆形零件为代表的自动化夹具设计系统，玻璃容器模具可作为这类零件的具体实例。由于许多玻璃容器的复杂性，一个玻璃容器模具由两个高精的零件组成。由于大多数玻璃模具具有大致相同的形状（圆柱形或半圆柱形）,体积是模具之间不同的关键因素[5]。
1.2 研究中的问题
- SolidWorks是一个强大的三维建模CAD软件工具。三维建模是检验工件及其夹具零件加工特征几何特性的关键因素。如何利用SolidWorks的三维建模能力来实现工件和夹具元素的验证
- 模块化夹具（MF）元件之间的装配关系在夹具设计过程中非常重要。SolidWorks有组装工具，使其成为组装过程的有效环境。如何利用SolidWorks中的装配工具开发MF元素的装配关系
- 在夹具设计过程中使用MF标准元件。为了在设计过程中包含这些元素，构建这些元素的特征库是很重要的。SolidWorks有构建库的工具。是否可以利用SolidWorks的这个特性来创建MF标准元素的特性库
- 设计人员的经验是夹具设计过程自动化的关键因素。专家系统可以作为建立专门知识的工具，并为不同的应用作出适当的决定。在这种情况下，如何在夹具设计过程中应用专家系统？在使用其他程序（如Visual Basic（VB））的情况下，如何将它们用于此目的并与SolidWorks集成
1.3目标和意义
在夹具设计过程中，三维建模方法是建立夹具元件与工件装配关系的关键因素。该方法应考虑工件的所有几何和加工特征。因此，在本研究中，SolidWorks软体因其强大的三维建模与组装能力而被实作为一个CAD环境。
自动化CAFD系统减少设计和生产时间是非常重要的。因此，本文提出了本研究的主要目标。首先，开发一个集成系统，帮助工程师选择正确的夹具元件，以及半圆工件的可行、成本效益和时间效益的MF布局。VisiRule专家系统被用作决策工具。其次，使用SolidWorks API函数实现了这些元素的自动装配过程。为了在SolidWorks环境中创建新的菜单来执行自动化过程，开发了一种在Visual Basic语言中使用ActiveX项目的方法，并与SolidWorks API集成。因此，用户可以选择合适的元件，进行自动化和仿真，然后在开始加工操作之前对系统进行测试。
开发特征库是本研究的第三个目标。为了完成开发的MF系统，以Microsoft Access格式创建了一个标准元素特征库。本研究还探讨SolidWorks在建立特定设计零件的新三维模型方面的能力。使用DriveWorksXpress工具，可以捕获和修改三维模型特征以开发新模型，从而生成新的夹具布局。提出了一种考虑夹紧力的夹具布局稳定性计算方法。
将这些目标结合起来，通过夹具元件的自动选择和装配，实现了MF的合理布局。MF的其他设计特点，如夹紧力优化和成本预测，可以在系统的进一步开发中加以研究。
1.4论文组织
本文共分为九章。第一章为绪论，第二章为本研究的文献综述。本章讨论了以前对自动化CAFD系统的研究及其不同的方法和途径。本章重点介绍了本研究所采用的方法和技术的原因。第三章介绍了工件夹紧的基本原理。并对定位夹紧原理及其分类作了较详细的说明。此外，本章还重点介绍了为什么选择本研究中考虑的具体定位和夹紧方法。本章阐述了SolidWorks API和VB在MF设计过程自动化中的重要性。
第四章介绍了夹具元件的选择方法和正确的定位夹紧方法。本章开发了此过程的知识库。第五章详细介绍了MF设计的自动化方法，包括知识库和装配过程。更重要的是，本文介绍了开发VB项目和集成SolidWorks API的方法。第六章强调了在SolidWorks中使用DriveWorksXpress工具的重要性，以及所选工件的切削力计算和MF布局。第七章为研究结论，第九章为重要的附录文件。
2 知识回顾
在本章中，我们采用描述的方法来描述自动化CAD设计系统的各个要素。在最后一节（2.2）中，整合了这些信息，为本文的研究提供了背景。夹具设计信息表示是目前国内外研究的热点。Mervyn等人重点介绍了四种表示夹具设计信息的模型，即概念设计夹具能力反馈、中间零件模型夹具能力反馈、夹具装配配置和工件加载说明[6]。这些模型使用了文档类型定义（DTD）方法（图2-1）。此外，一些研究人员还引入了夹具元件结构，定义了夹具元件组合，并介绍了装配关系的相关信息。Peng等人提供了模块化夹具的功能单元定义（图2-2），并介绍了一种提取和评估模块化夹具装配设计的装配关系的方法，包括装配关系约束的定义[7].
Figure 2-1. DTD file structure [6]
Figure 2-2. Typical functional unit [7]
2.1 Automated CAFD
随着制造工艺的快速发展，夹具设计成为缩短生产时间和降低生产成本的重要因素，而CAFD系统正是为了简化这一设计过程而开发的。随着CAD/CAM活动的改进和人工智能技术的融合，CAFD系统的自动化已成为企业竞争力的关键。然而，尽管许多制造活动被CAM软件（如刀具轨迹生成）所覆盖，CAFD系统的完全自动化仍然没有实现[8]。挑战在于如何将人类的知识计算机化，以实现这些系统的自动化。换句话说，把工具工程师的经验放在集成软件上[8]。为此目的使用了许多技术和方法，包括下一节所述的商业工具。
2.1.1 Genetic Algorithm（基因算法）
遗传算法（GA）是一种利用自然进化技术产生解和优化问题的方法。该方法基于以二进制形式编码候选解的字符串集合。人口向更好的解决方案发展。这个过程从种群中随机产生的个体开始，然后其他世代发展。对各代个体的适应度进行评价，形成新的种群。当种群达到满意的适应度水平或产生最大数量的代时，该过程终止GA已经被用作自动化CAFD系统的一个特定工具。Krishnakumar和Melkote使用GA优化加工夹具布局[9]。他们对给定工件使用二维几何方法来执行优化过程（图2-3）。他们还提供了一种实现遗传算法的方法，并解释了遗传算子是如何工作的。此外，他们还举了两个例子说明如何获得切割工艺布局。
Figure 2-3. 2D geometry approach optimisation [9].
Chen等人在MATLAB中使用遗传算法通过直接搜索工具箱优化夹具设计过程中的夹紧力和控制变形[10]。为了进行变形计算，使用ANSYS软件包对指定的切削力和夹紧力进行计算。此外，他们应用有限元分析（FEA）获得可行的夹具布局（图2-4）。同时还考虑了摩擦和切屑去除的影响，并建立了数据库以减少计算时间。该方法被认为是一种多目标
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