電機連接板加工工藝與夾具設(shè)計

資源目錄里展示的全都有預(yù)覽可以查看的噢，，下載就有,,請放心下載，原稿可自行編輯修改=【QQ：11970985 可咨詢交流】====================喜歡就充值下載吧。。。資源目錄里展示的全都有，，下載后全都有,,請放心下載，原稿可自行編輯修改=【QQ：197216396 可咨詢交流】==================== 當前計算機輔助夾具設(shè)計方法的回顧與分析 伊恩·博伊爾、易明榮、大衛(wèi)·C·布朗 關(guān)鍵詞： 計算機輔助夾具設(shè)計、夾具設(shè)計、夾具規(guī)劃、夾具驗證、設(shè)置計劃、單元設(shè)計 摘要 現(xiàn)代市場的一個關(guān)鍵特征是消費者對多樣化的需求。為了有效地應(yīng)對這一需求，制造商需要確保其制造實踐具有足夠的靈活性，以便能夠?qū)崿F(xiàn)快速的產(chǎn)品開發(fā)。夾具是實現(xiàn)制造靈活性的一個重要因素，它涉及在加工過程中使用夾具固定工件，以便將它們轉(zhuǎn)化為滿足所需設(shè)計規(guī)范的零件。為了實現(xiàn)柔性夾具，通過開發(fā)計算機輔助夾具設(shè)計（CAFD）工具和方法，大量的研究工作致力于支持夾具設(shè)計過程。本文對這些研究成果進行了綜述。超過七十五個CAFD工具和方法在它們支持的夾具設(shè)計階段和它們所基于的底層技術(shù)方面進行了回顧。本文的主要結(jié)論是，雖然在支持夾具設(shè)計方面取得了重大進展，但主要有兩個研究問題需要進一步努力。首先，當前的CAFD研究本質(zhì)上是分段的，仍然需要提供更具凝聚力的夾具設(shè)計支持。其次，需要更加注重支持夾具物理結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計。 目錄 當前計算機輔助夾具設(shè)計方法的回顧與分析 1 關(guān)鍵詞： 1 摘要 1 1介紹 4 2夾具設(shè)計 6 3.1條。設(shè)置計劃 12 3.2條。夾具規(guī)劃 14 3.4條。驗證 19 3.4.1條。約束需求驗證的方法 19 5結(jié)論 23 工具書類 24 1介紹 制造企業(yè)的一個關(guān)鍵問題是培養(yǎng)在短時間內(nèi)設(shè)計和生產(chǎn)各種高質(zhì)量產(chǎn)品的能力。在任何競爭對手之前，快速將新產(chǎn)品投放市場是獲得更高市場份額和提高利潤率的關(guān)鍵因素。由于消費者對多樣性的渴望，現(xiàn)在產(chǎn)品的批量生產(chǎn)比大規(guī)模生產(chǎn)更為規(guī)范，這就要求制造商制定靈活的制造方法，以實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)的快速轉(zhuǎn)變。 一個組織實現(xiàn)柔性制造的能力有許多因素，其中一個因素是在生產(chǎn)過程中使用夾具，在生產(chǎn)過程中，工件經(jīng)過一系列的加工操作來生產(chǎn)單個零件，然后將這些零件組裝成產(chǎn)品。夾具用于在加工過程中快速、準確、安全地定位工件，使所有加工零件都符合該零件的設(shè)計規(guī)范。這種精度有助于零件的互換性，這在許多現(xiàn)代制造業(yè)中很普遍，許多不同的產(chǎn)品都有共同的零件。 與夾具相關(guān)的成本可占制造系統(tǒng)總成本的10-20%[1]。這些成本不僅與夾具的制造、裝配和操作有關(guān)，還與它們的設(shè)計有關(guān)。因此，通過降低與夾具相關(guān)的設(shè)計成本，可以獲得顯著的效益，為此，采用了兩種方法。其中一個重點是開發(fā)柔性夾具系統(tǒng)，例如使用相變材料將工件固定到位[2]，以及開發(fā)商業(yè)模塊化夾具系統(tǒng)。然而，柔性夾具咒語的顯著局限性在于它沒有解決夾具設(shè)計的困難。為了解決這一問題，第二種研究方法是開發(fā)計算機輔助夾具設(shè)計（CAFD）系統(tǒng)，以支持和簡化夾具設(shè)計過程，本文對這項研究進行了綜述。 第2節(jié)描述了夾具設(shè)計過程的主要階段和各種各樣的需求。在隨后的三個階段中，對這些技術(shù)的開發(fā)過程和工具的開發(fā)提供了支持。第四部分對這些努力進行了評述，以找出目前CAFD研究中存在的差距，最后本文總結(jié)了對未來CAFD研究的一些潛在方向。在繼續(xù)之前，值得注意的是，之前已經(jīng)有過關(guān)于夾具研究的評論，最近的是Bi和Zhang[1]和Pehlivan和Summers[3]。Bi和Zhang在提供CAFD研究的一些細節(jié)的同時，傾向于關(guān)注柔性夾具系統(tǒng)的開發(fā)，而Pehlivan和Summers則專注于夾具設(shè)計中的信息集成。本文的價值在于它對當前的CAFD技術(shù)和工具以及它們?nèi)绾卧谡麄€夾具設(shè)計過程中提供支持提供了深入的回顧和評論。 2夾具設(shè)計 本節(jié)概述了夾具的主要特征和夾具設(shè)計過程的更具針對性的特點，將分別在第3節(jié)和第4節(jié)中對研究工作進行回顧和評論。夾具由支撐和夾緊工件的裝置組成[4,5]。圖1示出了一個典型的夾具示例，其中工件位于精確定位的定位器上。在加工過程中，夾具將工件靠在定位器上，從而固定工件的位置。定位單元本身包括定位器支撐單元和與工件接觸的定位器。夾緊裝置包括夾具支撐裝置和接觸工件并施加夾緊力以約束工件的夾具。 通常，創(chuàng)建此類夾具的設(shè)計過程有四個階段：設(shè)置規(guī)劃、夾具規(guī)劃、單元設(shè)計和驗證，如圖2所示，其改編自Kang等人。[6] 一。在設(shè)置計劃期間，分析工件和加工信息，以確定執(zhí)行所有必要加工操作所需的設(shè)置數(shù)量以及每個設(shè)置的適當定位基準。設(shè)置表示在工件上執(zhí)行的過程的組合，而不必手動改變工件的位置或方向。要為每個設(shè)置生成一個夾具，將執(zhí)行夾具規(guī)劃、單元設(shè)計和驗證階段。 在夾具規(guī)劃過程中，將生成設(shè)置的夾具需求，并生成表示解決這些需求的第一步的布局計劃。該平面布置圖詳細說明了工件表面，夾具的定位和夾緊裝置將與之建立接觸，以及定位和夾緊點的表面位置。定位點的數(shù)量和位置必須確保在加工過程中工件的六個自由度（圖3）受到充分約束[7]，并且有多種概念定位點布局可以促進這一點，例如3-2-1定位原理[4]。在第三階段，生成合適的單元設(shè)計（即定位和夾緊單元），隨后在驗證階段對夾具進行測試，以確保其滿足驅(qū)動設(shè)計過程的夾具要求。值得注意的是，在單元設(shè)計之前，可以在生成設(shè)置和夾具計劃時進行驗證。 雖然Kang等人[6]中沒有顯示夾具需求，但通常在夾具規(guī)劃階段生成，可將其分為六類（表1）?！拔锢怼币蟮燃壥亲罨镜?，與確保夾具能夠?qū)嶋H支撐工件有關(guān)。“公差”要求涉及確保定位公差足以準確定位工件，同樣，“約束”要求側(cè)重于在工件和夾具承受加工力時保持該精度?！翱沙惺苄浴币笊婕按_保夾具代表價值，例如在材料、操作和裝配/拆卸成本方面。 “碰撞檢測”要求的重點是確保夾具不會與加工路徑、工件或本身發(fā)生碰撞。“可用性”要求與夾具工效學有關(guān)，包括確保夾具具有防錯功能以防止工件錯誤插入的需求，以及切屑脫落（夾具有助于從工件上移除機加工碎屑）的需求。 與許多設(shè)計情況一樣，這些需求的沖突性質(zhì)是有問題的。例如，重型夾具在穩(wěn)定性方面可能是有利的，但可能會對成本（由于材料成本增加）和可用性（因為增加的重量可能會妨礙手動操作）產(chǎn)生不利影響。這樣的沖突增加了夾具設(shè)計的復(fù)雜性，并促成了第3節(jié)中所述的CAFD研究的需要。 表1 固定要求。 通用需求抽象子需求示例 物理●夾具必須能夠適應(yīng)工件的幾何形狀和重量。 ●夾具必須允許進入工件特征，以便 被加工。 公差●夾具定位公差應(yīng)足以滿足零件設(shè)計公差。 約束●夾具應(yīng)確保工件的穩(wěn)定性（即確保 工件力和力矩保持平衡）。 ●夾具應(yīng)確保夾具/工件的剛度足以防止發(fā)生可能導(dǎo)致無法達到設(shè)計公差的變形。 可承受性●夾具成本不得超過預(yù)期水平。 ●夾具裝配/拆卸時間不得超過所需水平。 ●夾具運行時間不得超過所需水平。 碰撞 預(yù)防●夾具不得導(dǎo)致刀具路徑-夾具碰撞。 ●夾具應(yīng)引起工件-夾具碰撞 （指定的定位和夾緊位置除外）。 ●夾具不得導(dǎo)致夾具碰撞 （指定的夾具組件連接點除外）。 ●重量不得超過所需的可用性水平。 ●夾具不得在工件/夾具接口處造成表面損傷。 ●夾具應(yīng)為指定工件特征提供工具指導(dǎo)。 ●夾具應(yīng)確保防錯（即夾具應(yīng)防止工件錯誤插入夾具）。 ●夾具應(yīng)便于切屑脫落（即，夾具應(yīng)提供允許機加工切屑從工件和夾具中流出的方法）。 三。當前CAFD方法 本節(jié)描述了當前CAFD的研究工作，重點是它們支持夾具設(shè)計的四個階段的方式。表2提供了基于他們支持的設(shè)計階段的研究工作總結(jié)，以及他們尋求解決的夾具要求（粗體文本強調(diào)該要求已達到相當程度的深度，而普通文本則表示深度在本質(zhì)上較小），以及它們主要基于的底層技術(shù)。第3.1-3.4節(jié)分別描述了支持設(shè)置規(guī)劃、夾具規(guī)劃、單元設(shè)計和驗證的不同方法。此外，第3.5節(jié)討論了CAFD在表示夾具信息方面的研究工作。 3.1設(shè)置計劃 設(shè)置規(guī)劃涉及加工設(shè)置的標識，其中單個設(shè)置定義了可以在工件上加工的特征，而不必手動改變工件的位置或方向。此后，設(shè)計過程的其余階段集中于為每個裝置開發(fā)單獨的夾具，以確保工件的安全。從夾具的角度來看，設(shè)置計劃階段的關(guān)鍵輸出是識別每個所需的設(shè)置和定位基準（即，將用于在夾具中定位工件的主表面）。 設(shè)置規(guī)劃中的關(guān)鍵任務(wù)是對可以在單個設(shè)置中加工的特性進行分組或聚類。加工特征可以定義為被刀具掃過的體積，典型的例子包括孔、槽、表面和凹槽[8]。將這些特征聚集到單獨的設(shè)置中取決于許多因素（包括特征之間的公差依賴關(guān)系、將用于創(chuàng)建特征的機床的能力、切削刀具方法的方向和特征加工優(yōu)先順序），并且已經(jīng)采用了許多技術(shù)為支持安裝計劃而開發(fā)。圖論和啟發(fā)式推理是支持設(shè)置規(guī)劃的最常用的技術(shù)，盡管基于矩陣的技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也被使用。 3.1.1條。設(shè)置規(guī)劃方法 使用圖論來確定和表示設(shè)置是一種特別流行的方法[9-11]。圖由兩組元素組成：頂點表示工件特征，邊表示特征與驅(qū)動裝置識別之間的關(guān)系。它們的性質(zhì)是不同的，例如在Sarma和Wright[9]中，對特征加工優(yōu)先關(guān)系的考慮非常突出，而Huang和Zhang[10]則關(guān)注特征之間存在的公差關(guān)系?？紤]到這些邊可以根據(jù)公差大小進行加權(quán)，這種圖形方法還可以幫助識別設(shè)置，通過對嚴格公差進行分組，可以最大限度地減少設(shè)置之間的公差疊加誤差。然而，考慮到不同公差類型的大小相互比較的困難，這可能會證明是有問題的，因此Huang[12]將公差因子[13]作為促進此類比較的一種手段，Huang和Liu[14]對其進行了改進和擴展，以適應(yīng)更多種公差類型和與同一組特征相關(guān)聯(lián)的多個公差要求。 雖然有些方法使用無向圖來輔助設(shè)置識別[11]，Yao等人。[15] 張和林[16]，張等。[17] 使用有向圖，有助于確定和明確表示除設(shè)置標識和排序外，哪些特征應(yīng)用作定位基準（圖4）。另外，Yao等人。在兩階段的設(shè)置規(guī)劃過程中，通過考慮可用的機床能力來改進已確定的設(shè)置。 經(jīng)驗知識，以啟發(fā)式推理的形式，也被用來協(xié)助設(shè)置規(guī)劃。夾具的設(shè)計通常是以經(jīng)驗為導(dǎo)向的[18]，雖然這種設(shè)計方法是基于經(jīng)驗的[18]。例如，Gologlu[20]使用啟發(fā)式規(guī)則和幾何推理來支持特征聚類、特征加工優(yōu)先級和定位基準選擇。在這種啟發(fā)式方法中，重點往往落在有關(guān)特征的物理性質(zhì)和用于創(chuàng)建它們的加工過程的規(guī)則上[21,22]。盡管有些技術(shù)確實包含了特征公差的考慮[23]，但它們的分析深度可能低于基于圖形的技術(shù)[24]。類似地，運動學方法[25]被用來促進對特征聚類的工具方法方向的影響的更深入的分析，而不是通常使用基于規(guī)則的方法。然而，值得注意的是，基于圖的方法通常使用經(jīng)驗規(guī)則庫進行擴充，以提高其整體有效性[16]?；诰仃嚨姆椒ㄒ脖挥糜谥С衷O(shè)置規(guī)劃，在這種規(guī)劃中，生成并細化定義特征簇的矩陣。Ong等人。[26]確定一個特征優(yōu)先矩陣，概述特征的加工順序，然后通過考慮機床性能的動態(tài)變化，在混合遺傳算法模擬退火方法中針對多個成本指標（如機床成本、隨時間變化等）對其進行優(yōu)化。Hebbal和Mehta[27]根據(jù)機床接近方向為每個特征生成初始特征分組矩陣，隨后通過應(yīng)用考慮定位面和特征公差的算法對其進行細化。 另外，還研究了使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來支持設(shè)置規(guī)劃。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由簡單元素組成的相互連接的網(wǎng)絡(luò)，其中的互連是從一組示例數(shù)據(jù)中“學習”的。一旦受過教育，這些網(wǎng)絡(luò)可以為網(wǎng)絡(luò)中的新問題產(chǎn)生解決方案。Ming和Mak[28]使用了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，其中特征優(yōu)先級、刀具接近方向和公差關(guān)系被輸入Kohonen自組織神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將單個特征的操作分組到設(shè)置中。 3.2條。夾具規(guī)劃 夾具規(guī)劃包括從表1中列出的物理、公差、約束、可承受性、碰撞預(yù)防和可用性要求方面對夾具需求進行全面定義，并創(chuàng)建夾具布局計劃。平面布置圖代表了滿足這些要求的夾具解決方案的第一部分，并規(guī)定了工件上定位和夾緊點的位置。許多布局規(guī)劃方法的特征驗證，特別是在約束需求方面。通常，這種驗證形成了反饋回路的一部分，該回路旨在根據(jù)這些要求優(yōu)化布局計劃?，F(xiàn)在討論支持夾具規(guī)劃的技術(shù)，包括夾具需求定義、布局規(guī)劃和布局優(yōu)化。 圖4。工件（A）及其顯示定位基準（b）的有向圖（改編自Zhang et al。[17] ）。 3.2.1條。確定夾具要求的方法 全面的夾具需求定義受到了有限的關(guān)注，主要集中在物理、公差和約束要求內(nèi)的單個需求的定義。例如，Zhang等人。[17] 通過對工件特征公差的分析，確定各定位點的允許公差，并將該公差分解為其來源。允許的定位點精度是由定位單元公差、機床公差、工件在定位點的變形量等因素組成的。這些分解后的公差要求可以驅(qū)動夾具設(shè)計：例如，在單元設(shè)計階段開發(fā)的定位單元的公差不能超過指定的定位單元公差。在類似的個人主義脈絡(luò)中，夾緊裝置必須達到的夾緊力要求的定義也受到了關(guān)注[29,30]。 在更全面的方法中，Boyle等人。[31]通過使用框架需求集來促進一個全面的需求規(guī)范，這些需求集提供了表1中所列需求的初始分解，隨后通過一系列分析和與夾具設(shè)計師的交互來細化這些需求集。Hunter等人。[32,33]還關(guān)注功能需求驅(qū)動的夾具設(shè)計，但將其重點主要局限于物理和約束性需求。 3.2.2條。非優(yōu)化布局規(guī)劃方法 布局規(guī)劃涉及定位原理的識別，定位原理確定定位點和夾緊點的數(shù)量和總體布置，它們接觸的工件表面，以及發(fā)生接觸的表面坐標位置。對于非優(yōu)化布局規(guī)劃，采用了基于重復(fù)使用經(jīng)驗知識的方法。除了類似于第3.1節(jié)中討論的基于規(guī)則的方法[20,34,35]，還使用了基于案例的推理。CBR是一種通用的問題解決技術(shù)，它利用先前問題的特定知識來解決新問題。在將這種方法應(yīng)用于布局規(guī)劃時，通過從包含先前工件及其布局圖的知識的案例庫中檢索用于類似工件的平面圖來獲得工件的布局圖[18,36,37]。工件相似性通常通過根據(jù)零件族分類、公差、特征等對工件進行索引來表征。Lin和Huang[38]采用了類似的工件分類方法，但使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢索布局計劃。進一步的工作試圖驗證布局圖，并在必要時進行修復(fù)。例如，Roy和Liao[39]執(zhí)行工件變形分析，如果變形過大，則使用啟發(fā)式規(guī)則重新定位和重新測試定位和夾緊位置。3.2.3條。布局規(guī)劃優(yōu)化方法 平面布置優(yōu)化在CAFD中很常見，涉及到工件的穩(wěn)定性和變形，這兩個方面都是約束性要求?；诜€(wěn)定性的優(yōu)化通常側(cè)重于確保布局平面滿足運動形式閉合約束（其中一組接觸完全約束無限小的零件運動），并通過針對某種形式的基于穩(wěn)定性的要求進行優(yōu)化來增強這一點，例如最小化定位點和/或夾緊點的力[40–42]。Wu和Chan[43]專注于使用遺傳算法（GA）優(yōu)化穩(wěn)定性（第3.4節(jié)討論了穩(wěn)定性測量），這是一種常用于基于變形優(yōu)化的技術(shù)。 GAs作為進化算法的一個例子，經(jīng)常被用來解決優(yōu)化問題，并從生物進化中得到啟發(fā)。應(yīng)用GAs支持夾具規(guī)劃，潛在的布局規(guī)劃解決方案被編碼為二進制字符串，測試、評估，并通過復(fù)制、變異和交叉進行“生物”修改，以生成改進的解決方案，直到達到最佳狀態(tài)。典型的變形測試是使用有限元分析來進行的，在有限元分析中，工件被離散，以創(chuàng)建一系列節(jié)點，這些節(jié)點代表潛在的定位和夾緊接觸點，例如由Kashyap和DeVries[44]執(zhí)行的。對接觸點集進行編碼和測試，GA用于開發(fā)新的接觸點集，直到達到最小化由加工和夾緊力引起的工件變形的最佳值[45,46]。一些CAFD方法不使用節(jié)點，而是在遺傳算法中使用幾何數(shù)據(jù)（如空間坐標），這可以提高精度，因為它們考慮了節(jié)點之間存在的物理距離[47,48]。 偽梯度技術(shù)[49]也被用于實現(xiàn)優(yōu)化[50,51]。Vallapuzza等人。[52]比較了遺傳算法和偽梯度優(yōu)化的有效性，得出的結(jié)論是，考慮到GAs搜索全局解的能力，GAs提供了更高質(zhì)量的優(yōu)化，而偽梯度技術(shù)傾向于收斂于局部最優(yōu)。 Kong和Ceglarek[53]沒有專注于單個零件的夾具設(shè)計，而是定義了一種方法，該方法基于每個零件的夾具定位布局的單獨配置來識別零件族的夾具工作空間。該方法利用Procrustes分析方法確定一個初始的工作空間布局，對給定的零件族進行夾具配置的兩兩優(yōu)化，以確定可在單個可重構(gòu)裝配夾具上裝配的零件族的定位點的最佳疊加。這是建立在Lee等人早期工作的基礎(chǔ)上的。[54]通過嘗試簡化優(yōu)化算法的計算需求。 3.3單元設(shè)計 單元設(shè)計包括夾具的定位和夾緊單元的概念和詳細定義，以及它們所連接的底板（圖5）。這些裝置由一個定位器或夾具組成，該定位器或夾具與工件接觸，其本身連接到一個結(jié)構(gòu)支架上，而結(jié)構(gòu)支架又與底板相連。為夾具和定位部件提供足夠的結(jié)構(gòu)剛度和定位功能，以及允許夾具或定位器在適當?shù)奈恢媒佑|工件。單元設(shè)計通常比夾具規(guī)劃和驗證得到的關(guān)注要少，但是已經(jīng)應(yīng)用了許多技術(shù)來支持概念和詳細的單元設(shè)計。3.3.1條。概念單元設(shè)計方法 概念單元設(shè)計的重點是確定單個單元應(yīng)包含的元素的類型和數(shù)量，以及它們的總體布局。有各種各樣的定位器、夾具和結(jié)構(gòu)支撐元件，每一種都比其他元件更適合于某些固定問題。與設(shè)置規(guī)劃和夾具布局規(guī)劃一樣，基于規(guī)則的方法已被用于支持概念單元設(shè)計，其中使用啟發(fā)式規(guī)則來選擇優(yōu)先元素，根據(jù)工件接觸特征（表面類型、表面紋理、等）和設(shè)置內(nèi)的加工操作[35,55–58]。除了使用啟發(fā)式規(guī)則作為生成概念設(shè)計的方法外，Kumar等人[59]還使用歸納推理技術(shù)來創(chuàng)建決策樹，從中可以通過檢查每個決策樹路徑獲得固定規(guī)則。同時也采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法來支持單元的概念設(shè)計。Kumar等人。[60]使用組合GA/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，在該方法中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過選擇以前的設(shè)計問題及其解決方案進行訓練。遺傳算法產(chǎn)生可能的解決方案，并使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行評估，這也指導(dǎo)了GA.Lin和Huang[38]在一種簡化的基于實例的推理（CBR）方法中也使用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在這種方法中，夾具問題根據(jù)其幾何結(jié)構(gòu)進行編碼，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于尋找相似的工件及其單元設(shè)計。相比之下，Wang和Rong[37]和Boyle等人[31]使用傳統(tǒng)的CBR方法檢索單元，其中夾具功能需求構(gòu)成檢索的基礎(chǔ)，然后在詳細的單元設(shè)計過程中對這些單元進行細化和/或修改。3.3. 單元詳細設(shè)計方法 許多（但不是所有）執(zhí)行概念設(shè)計的系統(tǒng)也執(zhí)行詳細設(shè)計，其中主要的技術(shù)是基于規(guī)則、幾何和行為的。在材料的定義和具體的設(shè)計方面，都涉及到了尺寸的定義。幾何結(jié)構(gòu)，特別是定位和夾緊裝置的作用高度，在單個裝置的設(shè)計中起著關(guān)鍵作用，其目標是選擇和組裝規(guī)定的單元元件，以提供一個具有適當作用高度的裝置[61,62]。安等人。[63]開發(fā)了一個基于幾何的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，通過參數(shù)化尺寸關(guān)系，生成與該元素的主要尺寸（通常是其所需高度）相關(guān)的單個元素的尺寸。通過關(guān)系知識庫對不同元素如何配置以形成一個單元進行了擴充。同樣，彭等。[64]使用幾何約束推理，以更具交互性的方式協(xié)助用戶選擇元素的組裝，以形成單獨的單元?；蛘撸谝?guī)則的方法也被用于定義詳細的單元，其中工件和夾具布局信息（即定位和夾緊位置）是通過使用設(shè)計規(guī)則來選擇和裝配適當尺寸的元件來推理的[32,55,56]。相反，Mervyn等人。[65]采用進化算法開發(fā)單元，布局規(guī)劃和單元設(shè)計同時進行，直到獲得滿意的解決方案。通常，基于規(guī)則和幾何的方法在設(shè)計過程中不會明確考慮單元所需的強度。然而，為了實現(xiàn)其功能，夾具必須能夠承受施加在其上的加工和夾緊力，以滿足零件設(shè)計公差。為了解決這個問題，許多行為驅(qū)動的單元設(shè)計方法被開發(fā)出來，這些方法的重點是確保單元有足夠的強度。Cecil[66]在確定帶夾尺寸方面進行了一些初步工作，以防止因應(yīng)力斷裂而失效，但沒有考慮公差或支撐結(jié)構(gòu)單元。Hurtado和Melkote[67]建立了一個簡單銷陣列式柔性加工夾具夾具的夾具配置綜合模型，在該模型中，銷的最小數(shù)量、位置、以及，通過考慮夾具/工件剛度矩陣，確定能夠?qū)崿F(xiàn)工件穩(wěn)定性和剛度目標的尺寸，并將其擴展到模塊夾具[68]。Boyle等人。[31]在基于實例的推理方法中，還考慮了更復(fù)雜單元設(shè)計所需的剛度。在檢索到提供正確功能類型的概念設(shè)計后，使用動態(tài)選擇的適應(yīng)策略調(diào)整該設(shè)計的物理結(jié)構(gòu)，直到其提供正確的剛度水平。通用領(lǐng)域生物醫(yī)藥 3.4驗證 確保夾具設(shè)計符合設(shè)計要求。從表2中應(yīng)該注意到，大多數(shù)CAFD方法執(zhí)行某種類型的驗證，但是在本節(jié)的審查中，重點將放在那些驗證是工作的主要特征的研究工作上。根據(jù)公差、約束、碰撞檢測、可用性和可承受性需求進行驗證（表1）。針對物理要求的顯式驗證通常不被視為重要的驗證任務(wù)，因為它與夾具設(shè)計過程緊密耦合。約束需求驗證是研究的熱點，緊隨其后的是容差和沖突檢測需求驗證。相比之下，在可承受性和可用性需求驗證方面的工作很少引起關(guān)注。 3.4.1條。約束需求驗證的方法 約束要求驗證集中于根據(jù)穩(wěn)定性和變形要求驗證夾具設(shè)計。穩(wěn)定性驗證旨在確保零件運動在加工過程中受到限制（夾具和工件變形引起的運動除外）。一些穩(wěn)定性驗證方法是分析性的，重點在于確保工件在受到加工和夾緊力時存在力和力矩平衡[6,61,69,70]，另一些則采用不那么嚴格的方法，即評估定位方向，以確定工件的六個自由度是否受到限制[31,71]。如第3.2節(jié)所述，驗證通常在優(yōu)化過程中進行[41]，在這種情況下，Liao和Hu[29]考慮了動態(tài)變化的加工力對保持穩(wěn)定性所需的最小夾緊力的影響，鄧和梅爾科特[30]還考慮了動態(tài)材料去除對所需夾緊載荷的影響。雖然大多數(shù)方法提供了一個布爾穩(wěn)定性定義，羅伊和廖[72]試圖通過初步確定平面布置圖的臨界穩(wěn)定性情況來定性地定義夾具設(shè)計的穩(wěn)定性。然后改變定位和夾緊位置，計算保持平衡所需的虛功，以提供不同布局方案之間相對穩(wěn)定性的定性評估。Kang等人[6]采用標準化接觸穩(wěn)定性指數(shù)（CSI）的概念來明確測量特定接觸夾具/工件接觸點處的穩(wěn)定性。在較少分析的方法中，Wu等人。[73]使用基于規(guī)則的方法對平面布置圖的穩(wěn)定性進行定性評估。變形分析主要集中在使用有限元分析法分析工件變[39,44,74,75]。這包括將工件離散成網(wǎng)格元素，選擇分析過程中表示網(wǎng)格的分析元素類型，以及定義工件上存在的邊界條件（例如，夾具/工件界面）。Rai和Xirouchakis[76]擴展了有限元分析，以考慮由于加工過程中材料去除而引起的工件幾何變化的影響。這些方法的變化包括不同的邊界條件定義和網(wǎng)格元素的選擇，Siebenaler和Melkote[77]研究了各種網(wǎng)格參數(shù)對預(yù)測工件變形的影響。同樣Satyanarayana和Melkote[78]討論了工件/夾具接觸界面邊界條件的建模，并開發(fā)并實驗驗證了一套接觸界面建模指南。與已經(jīng)對工件變形進行的大量研究相比，夾具變形分析的工作非常有限，并且在指定工件/夾具邊界條件時需要支持工件變形分析的值時，假設(shè)這些值。Boyle等人。[31]但是，要明確測量單個單元的變形，并在變形超過要求時修改夾具結(jié)構(gòu)，Hurtado和Melkote對針陣列[67]和模塊化夾具[68]采用了類似的方法。 3.4.2條。公差要求驗證方法 公差要求驗證的研究重點有所不同。例如，Camelio等人。[79]通過基于運動學的加工過程變化模型，開發(fā)了一種將零件誤差與夾具故障聯(lián)系起來的方法。與此相反，Wang[80]開發(fā)了一種公差分析技術(shù)，該技術(shù)可以計算零件特征在不同定位器和工件基準幾何誤差下的新位置，Bansal等人。[23]使用不同的定位位置進行靈敏度分析，以確定哪種定位誤差最小。但應(yīng)注意的是，此類技術(shù)不能通過將分析結(jié)果與所需的設(shè)計公差相關(guān)聯(lián)來確認公差滿足度（許多夾具規(guī)劃優(yōu)化技術(shù)也存在類似問題）。Kang等人。[6] 直接將零件特征偏差與定位公差誤差聯(lián)系起來，修正定位公差，直到零件設(shè)計公差得到滿足，Boyle等人。[31]擴展這種方法，以考慮加工過程中定位器單元的變形以及滿足零件公差的影響。 3.4.3條。碰撞檢測需求驗證方法 驗證檢查夾具是否與機床切削路徑干涉，夾具元件是否相互碰撞，以及夾具是否與工件發(fā)生碰撞。后一種情況比較容易驗證，因為許多現(xiàn)代CAD系統(tǒng)可以執(zhí)行靜態(tài)干涉檢查，并且可以使用幾何約束推理檢查夾具-夾具碰撞檢測，以確保夾具元件在設(shè)計接觸點以外不會發(fā)生碰撞[64]。Ryl等人。[81]為柔性夾具系統(tǒng)的重新配置執(zhí)行碰撞檢測，其中確定并虛擬地執(zhí)行用于改變接觸位置的重構(gòu)步驟列表，以確定是否有任何單元將發(fā)生碰撞。然而，夾具刀具軌跡碰撞檢測提出了一個更復(fù)雜的挑戰(zhàn)。Kumar等人[82]使用刀具掃掠體積法，即沿刀具路徑擠壓刀具的橫截面積，以創(chuàng)建掃掠體積。然后執(zhí)行靜態(tài)干涉檢查，以確定該掃掠體積是否與夾具的任何部分一致：即，是否存在碰撞。Roy和Liao[83]不僅識別碰撞，還使用啟發(fā)式規(guī)則來調(diào)整支撐和夾緊位置，以避免碰撞發(fā)生。Hu和Rong[84]開發(fā)了一種計算要求較低的二維方法，其中夾具元件和刀具在具有高度值的二維中建模。然后干涉算法檢查二維夾具和刀具路徑元素之間的重疊，然后使用高度信息來確定是否發(fā)生了碰撞。 3.4.4條。可用性和可承受性需求的方法 可用性和可承受性需求的驗證很少受到關(guān)注。基于規(guī)則的夾具設(shè)計方法[35]可以提供一些生成滿足這些要求的設(shè)計的能力，但是已經(jīng)開發(fā)了更多的分析方法來執(zhí)行驗證。Boyle等人。[31]使用啟發(fā)式開發(fā)的算法，根據(jù)可承受性要求（例如成本、裝配時間、操作時間等）計算夾具性能，以及Ong等人。[26]使用組合遺傳算法模擬退火方法實現(xiàn)優(yōu)化。3.5條。夾具信息的表示近年來，夾具設(shè)計信息的表達方式已經(jīng)發(fā)生了初步的轉(zhuǎn)變。CAFD的研究本質(zhì)上是分段的，研究工作集中在夾具問題的特定需求或設(shè)計階段，而不是提供整體夾具設(shè)計支持。然而，為了更好地理解支持CAFD集成的信息表示，已經(jīng)進行了一些初步工作[85]。在一個抽象的層次上，Pehlivan和Summers[3]分析了15個CAFD工具，它們在哪些設(shè)計階段提供了幫助，以及它們的信息輸入和輸出。除了信息流之外，Cecil還采訪了經(jīng)驗豐富的夾具設(shè)計師，以開發(fā)信息密集型功能模型（IIFM），該模型將信息流與夾具設(shè)計活動聯(lián)系起來[86]。Pehlivan、Summers和Cecil都關(guān)注fixture設(shè)計中存在的信息流，但是沒有提供關(guān)于如何表示這些信息的詳細信息。在這個更深層次的細節(jié)上，已經(jīng)開發(fā)了許多夾具信息的表示。Boyle等人。[31]建議使用公理化設(shè)計分解[87]來表示和連接夾具要求和滿足這些要求的夾具設(shè)計參數(shù)（見第3.2.1節(jié)）。Hunter等人[32,33]使用統(tǒng)一建模語言（UML）方法來表示夾具功能信息，以支持知識重用，并將其與夾具設(shè)計過程的集成定義功能模型（IDEF0）相關(guān)聯(lián)。在實現(xiàn)層面上，可擴展標記語言（XML）模式已經(jīng)被開發(fā)出來，以表示夾具設(shè)計信息[37,64,88,89]，通過允許信息的表示和傳輸，可以支持信息集成。例如，Wang和Rong[37]詳細介紹了fixturing字典，它定義了fixture設(shè)計中的對象、它們的屬性以及不同實體之間的關(guān)系，這是使用XML模式實現(xiàn)的。然而，值得注意的是，盡管研究工作正在朝著CAFD內(nèi)部的信息表示方向發(fā)展，但至今仍沒有達成一致的標準來支持有效的整合。4CAFD研究分析正如第3節(jié)所強調(diào)的，在CAFD方法的開發(fā)和這些工具的后續(xù)軟件實現(xiàn)方面進行了大量的研究。特別是CAFD的研究主要集中在裝配規(guī)劃、夾具規(guī)劃和驗證上，其中夾具規(guī)劃和驗證緊密結(jié)合在一起，通過控制定位和夾緊位置來最小化工件變形。然而，仍有許多研究問題，如果加以解決，將大大提高夾具設(shè)計的有效性。第4節(jié)的其余部分分別討論了以下四個研究問題：許多CAFD研究本質(zhì)上是分段的，仍然需要為夾具設(shè)計提供更全面的支持，集成設(shè)計過程的四個階段（第4.1節(jié)）。仍然缺乏對有效支撐單元設(shè)計的關(guān)注（第4.2節(jié)）。仍然缺乏對開發(fā)CAFD方法的關(guān)注，這些方法可以導(dǎo)出并隨后納入對夾具問題功能要求的全面理解（第4.3節(jié)）。許多CAFD方法已經(jīng)針對簡單工件進行了測試，這些工件無法代表工業(yè)中遇到的工件，因此無法自信地說明所開發(fā)技術(shù)的有效性（第4.4節(jié)）。 4.1條。CAFD研究的分段性 關(guān)于CAFD研究的分段性質(zhì)，表1清楚地說明了整合現(xiàn)有CAFD方法以在夾具設(shè)計過程的四個階段提供有效支持的需要仍然存在。盡管有許多研究工作試圖支持所有四個階段[31,34,35]，但每個階段提供的支持深度各不相同，通常不如那些專注于支持特定階段的研究工作那么大。例如，Joneja和Chang[34]在執(zhí)行設(shè)置規(guī)劃方面的能力不如Yao等人。[15] ，他們只專注于這項任務(wù)，例如，在基于圖形的方法中更注重考慮公差疊加。因此，仍然需要考慮如何集成所有不同的CAFD方法，以提供一致的設(shè)計支持。 這超出了Pehlivan和Summers[3]所考慮的信息集成，并且已經(jīng)通過構(gòu)建固定信息的嘗試部分地解決了這一問題（第3.5節(jié)）?？刂频年P(guān)鍵問題也必須得到解決。這涉及到對設(shè)計過程的控制，以及在任何一種方法之間發(fā)生沖突時，決定決策責任的歸屬。這成為一個問題，尤其是在試圖驗證設(shè)計時。例如，在工件/定位器接觸點發(fā)現(xiàn)工件變形過大的情況下，有三個抽象的補救措施過程。一種是調(diào)整定位點，如Vallapuzza等人[48]所述，第二種方法是加強定位裝置，以提供更大的剛性，如Boyle等人所述。[31]，第三種是兩者的結(jié)合。從信息的角度綜合上述方法并不能解決應(yīng)采取何種補救行動的問題。相反，需要開發(fā)方法來管理它們的集成，以便能夠識別夾具設(shè)計失敗的真正原因，并生成和識別適當?shù)难a救措施。因此，為了在實現(xiàn)和概念層面實現(xiàn)當前CAFD方法的內(nèi)聚集成，需要定義如何控制它們的集成，以確保在夾具設(shè)計期間提供有效的支持。4.2條。有效支撐單元設(shè)計 第二個問題涉及到對單元詳細設(shè)計的支持仍然缺乏重點。如表2所示，有幾種CAFD方法能夠生成夾具單元結(jié)構(gòu)，但除了少數(shù)研究工作[31,68]外，單元設(shè)計通常僅限于滿足工件幾何結(jié)構(gòu)。本質(zhì)上，這意味著確定單位的必要作用高度，然后根據(jù)某種形式的參數(shù)設(shè)計或啟發(fā)式規(guī)則執(zhí)行來確定所有其他尺寸。博伊爾等人。[31]和Hurtado和Melkote[68]在解決設(shè)計過程中單個單元的剛度要求方面取得了一些初步進展，仍有相當大的進一步研究空間，特別是在更復(fù)雜的單元設(shè)計的建模和修改方面。還需要注意的是，缺乏對單元設(shè)計的關(guān)注會降低假定單元剛度值的夾具規(guī)劃階段的有效性，因為如果后續(xù)單元設(shè)計沒有按照這些假定的剛度值進行設(shè)計，那么夾具規(guī)劃布局分析將無效。 4.3。全面制定夾具要求 第三個CAFD研究問題與上述觀點有關(guān)，但形式更為一般。具體來說，它涉及到缺乏一個完整的夾具要求公式。正如表2中的“考慮的需求”一欄所示，大多數(shù)CAFD方法側(cè)重于滿足物理、約束、公差或碰撞檢測要求的限制集，事實上，與之相比，可承受性和可用性需求幾乎沒有受到關(guān)注。然而，有效的設(shè)計依賴于對問題的全面理解，而目前CAFD社區(qū)的研究主要集中在個人需求上。關(guān)于定義和表示夾具要求的研究（第3.2.1節(jié)）為解決該問題提供了堅實的基礎(chǔ)，但仍需了解這些要求如何影響最終設(shè)計：例如，應(yīng)如何將可承受性和可用性要求納入設(shè)置規(guī)劃，如何約束需求影響安裝計劃等。 4.4條。驗證CAFD研究成果 關(guān)于CAFD方法現(xiàn)狀的最后一個問題是它們的有效性。為了說明它們代表著對行業(yè)的價值，驗證需要在與制造業(yè)相似的環(huán)境中進行。因此，CAFD方法需要使用具有代表性的復(fù)雜工件進行測試和評估。然而，已經(jīng)證明并評估了大量的簡單工件，這些工件通常由平面和偶爾的圓柱形表面組成[30,31,47]，這并不代表具有挑戰(zhàn)性的夾具問題。但并非所有的CAFD方法都是這樣。例如，Yao等人[15]的設(shè)置規(guī)劃方法已應(yīng)用于確定制動卡鉗的設(shè)置，Song和Rong[71]將夾具規(guī)劃方法應(yīng)用于轉(zhuǎn)向節(jié)，Wu等人。[73]將夾具規(guī)劃方法應(yīng)用于泵殼。對于這些類型的工件，如果它們要提出一個令人信服的論據(jù)，即它們代表著行業(yè)價值，并且可以降低與固定相關(guān)的成本，則需要應(yīng)用CAFD的努力。然而，目前缺乏關(guān)于行業(yè)內(nèi)CAFD系統(tǒng)有效性的可用文獻，也缺乏對其有效性的一些嚴格研究，不僅涉及它們產(chǎn)生的解決方案的質(zhì)量，還包括它們在組織層面上的影響（例如。，在提高效率方面）將在證明當前CAFD研究成果的合理性和為未來的努力提供方向方面有重大益處。 5結(jié)論 本文綜述了現(xiàn)有的支撐夾具設(shè)計方法。CAFD方法已經(jīng)在它們支持的設(shè)計階段和它們所基于的底層技術(shù)方面進行了評審。目前，CAFD研究的優(yōu)勢在于驗證方法，重點在于檢查加工過程中工件的穩(wěn)定性和變形，以及尋求最小化加工力引起的工件變形的布局規(guī)劃方法。同樣，設(shè)置規(guī)劃也受到了相當多的關(guān)注，盡管值得注意的是，很少有人致力于支持與布局規(guī)劃相同的設(shè)置優(yōu)化。然而，CAFD研究的分段性質(zhì)和持續(xù)缺乏對單元設(shè)計的關(guān)注仍然是夾具設(shè)計領(lǐng)域關(guān)注的領(lǐng)域。 因此，在提高CAFD研究成果的有效性方面，有兩個主要的發(fā)展途徑。首先，需要更加注重支撐單元的設(shè)計，特別是確定單元剛度以及將單元剛度要求與單元結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。其次，仍然需要將分段的CAFD方法整合到一個框架中，該框架包含對夾具需求的全面理解，并利用這種理解來驅(qū)動夾具設(shè)計過程。 工具書類 [1] 畢志明，張文杰。柔性夾具設(shè)計與自動化：回顧、問題與未來方向?！秶H生產(chǎn)研究雜志》2001；39（13）：2867–94。 [2] Hazen FB，Wright PK。工作自動化：分析、設(shè)計和計劃的創(chuàng)新。手冊修訂版1990；3（4）：224–36。 [3] Pehlivan S，Summers JD。從信息支持需求看計算機輔助夾具設(shè)計?！秶H生產(chǎn)研究雜志》2006；46（4）：929–47。 [4] 榮勇，朱勇。計算機輔助夾具設(shè)計。紐約：Marcel Decker；1999年。 [5] 榮勇，黃旭，侯智。先進的計算機輔助夾具設(shè)計。存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)迭戈：愛思唯爾學術(shù)出版社；2005年。 [6] 康勇，榮勇，楊建川。計算機輔助夾具設(shè)計驗證。國際航空公司技術(shù)手冊第21–第827頁。 [7] 博伊斯我們。夾具設(shè)計手冊，第二版。。密歇根：制造工程師學會；1999年。 [8] 更改TC。制造業(yè)的專家工藝規(guī)劃。紐約：艾迪生·韋斯利；1990年。 [9] Sarma SE，賴特PK。最小化銑削中“簡單固定”部件的設(shè)置和刀具變化的算法?！吨圃煜到y(tǒng)雜志》，1996；15（2）：95–112。 [10] Huang S，Zhang H-C。旋轉(zhuǎn)部件安裝規(guī)劃中的公差分析?！吨圃煜到y(tǒng)雜志》，1996；15（5）：340–50。 [11] Zhou F，Kuo T-C，Huang SH，Zhang H-C。從三維模型到設(shè)置規(guī)劃系統(tǒng)的形狀特征和公差轉(zhuǎn)移。國際機械制造技術(shù)雜志2002；19:88–96。 [12] 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