基于特征的夹具设计信息模型及其应用研究

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夹具设计是针对特定零件特定工序 内容而进行的 ，其个性化 及专业 性极 强，特 别是对 产 品结构 复杂、产品批量不大、需要生产较多品种 的零部件生产企业 (例如航空航 天企业 )进行产 品试制 、投产准备及生产管理带来了巨大的工作量。据统计，产品生产准备周期-般占产品研制周期的 50%以上，工装准备周期占生产准备周期的50%以上，而夹具设计与制造周期占工装准备周期的70%以上。因此随着计算机技术的发展和在工业设计领域的应用，20世纪70年代以来，国内外不少学者针对不同夹具设计的特点，对夹具设计过程、夹具设计专家系统、针对特定工艺的夹具设计 系统 、夹具元件 的 自动选择和装配关 系 的设定 、CAD/CAPP/CAFD集 成 和智能设计方法 等进行 了研究 ，也有学者研究 了夹具的装配规划 、夹具基础元件图形库 ，等等。这些工作丰富了相关理论 的研究 ，推动 了夹具 CAD技术的进步 ，使夹具 CAD技术在-定 范围内的应用成为可能，但它们并没 有充分考虑夹具设计 与被加工 零件的加工工艺紧密相关性 ，没有充分地认识夹具 设计本身到底需要哪些信息，其研究或开发所形成的原型系统、设计方法绝大多数止步于理论研究或只能在很小的范围内应用，没有在生产实际得到大面积推广 ，更没有涉及工艺方案变更 夹具设 计的 自动响应机制。针对 目前夹具 CAD技术的研究和应用现状 ，本文对夹具的设计特点进行 了总结 ，对面向夹具收稿 日期 ：2012-09-29作者简介：吴卫东(1968-)，男，江苏东台人，盐城工学院机械工程学院副教授 ，博士研究生，主要从事 CAD/CAM技术、机械设计及制造技术的研究及相关开发 。(E-mail)ycitwwd###163.COrn。

2013年 5月 吴卫东 ，等 ：基于特征的夹具设计信息模型及其应用研究 ·95·设计 的特征识别技术进 行 了说明 ，对基 于特征 的夹具设计信息模型进行了研究 。为基于现代 CAD技术的夹具的快速设计提供基础性 支持 ，为 开发能在更大范围内推广和应用的夹具 CAD系统提供参考。

1 夹具的设计特点不同种类的夹具有不同的设计特点。按照所针对的工艺类型不同，夹具分为机械加工夹具、装配夹具、焊接夹具 、检测夹具 、周转运输夹具 等。本文所涉及的夹具主要 是指机械加工夹具 ，机械加工夹具根据专业化程度不 同分为通用夹具、专用夹具 、通用可调夹具 、成组夹具和组合夹具 。机械加工是利用工艺装备对工件 的外形、尺寸和性 能进行改变 的过程 。在机械加工 中，无论是大批大量生产 ，还是中小批单件生产 ，无论被加工工件形状是简单还是复杂 ，夹具都是工艺装备中不可或缺的部分。夹具是工件与机床联系的桥梁，是保证工件加工质量和效率、降低加工成本的重要工艺装置，其设计是否合理不仅直接影响着工件制造 的质量和效率 ，也 同样对夹具本身制造 的难易程 度、制造成 本、制造周 期 以及安装、调试和使用的方便性带来影响。通用夹具(如台虎钳、三爪卡盘、四爪卡盘 、花盘等)已经形成了标准系列 ，在生产工 艺编制和实施 中可根 据被加工零件的形状、尺寸 、被加工零件用 于定位和夹持部分 的几何形状及状态、所使用的机床等直接进行选用。专用夹具是针对特定零件 的特定加工工序的特定需求而设计、制造的，其设计中确定的工件在夹具中的定位实施方案、定位元件或机构、夹紧实施方案、夹紧元件或机构、夹具与机床的定位、联接方式、夹具体的结构、刀具的导 向或对刀机构、夹具体设计等都围绕加工工艺的个性需求展开 。

夹具设计是 随工艺规程不 同而变化 的。如果 工艺集 中，则整个 工艺链 变短 ，工序数减速少 ，所需 使用的夹具数量减少，单个工序的工作内容变多；反之如果工艺分散，则工序数变多，单个工序的内容减少，所需夹具的数量也增加。工序集中与分散，是随着工艺装备的水平、生产批量的多少、零件复杂程度的高低等因素而变化的。

夹具的具体形式 与工件的生产批量 、材料 、形状结构特点、加工部位与用 于定位 和夹紧部位之 间的结构关 系、加工精度 、生产效率 、工艺装备水平和 自动化程度等有着 内在的联 系 ，但这 种联系并不能唯- 确定 ，针对 同- 工件 即使是工序 内容完全-样 的同-工序所使用的夹具，不同的设计人员会根据 自身的知识、经验、工厂所拥有的技术装备情况、自身的设计习惯而得到不同的设计方案 。当工艺方案不同时，则夹具设计又要 随之变化。夹具设计 是设计人员根据工件的加工要求，在充分运用企业现有生产条件(设备条件、管理条件、人员技术水平)的基础上进行的创造性的劳动。

2 面向夹具设计的特征识别技术随着工件加工工艺过程各工序的工序内容按工艺规程所排定 的执 行顺序-步-步 的进展 ，处于 由机床、夹具 、工件、刀具组成 的工艺系统 中的工件的状态随着工件上被加工部位多余 的材料不断地被切除是不断地发生变化的，工件 的形状、尺寸也不断地发生变化 ，工件不 断地 由毛坯 向成品转变。上道 工序已加工过的表面，可能成为后继工序的定位基准或者夹紧着力部位。因此夹具设计中必须弄清被加工件上将要加工表面的状态 ，用于定位 、夹 紧的表面的状态 。特征是用于表征设计所涉及对象 的材料及热处理特性、几何形状特性 、结构特性、精度特性等 ，特征识别技术可用于识别被加工工件的材料 、结构 、工艺特性 、特征之间的组合关系、几何形状和尺寸信息、被加工表面当前状态信息、被加工表面已经过哪些工艺处理和最终的工艺处理结果。

面向夹具设计 的特征识别技术不仅局限于被加工件工艺模型 的特征识别 ，对夹具设计所涉及 的夹具案例模型、组成机构或元件、机床、刀具、量具和其它辅具等也需要进行全 面的特征识别 ，为夹具设计提供全面的信息支持。

3 基于特征的夹具设计信息模型从事夹具设计 的工程技术 人员 ，由于专门从事工程技术工作，-般对不专注于 CAD技术的研究，对CAD技术的原理、方法、信息模型、相关理论和技术手段缺乏专 门和深入 的研究。CAD设计 的研 究者们 ，-般由于不从事夹具设计的-线工作，对知识工程 、CAD/CAPP/CAFD的信息集成方法、产 品装配规划 、设计通用件和标准件库 的组 建方法等进行研究和探讨 ，但对夹具设计本身到底需要哪些信息、这些信息对夹具设计 有哪些影响等并未作深入 的研 究。

针对这些已有研究存在的这-问题，本文提出如图 1所示的基于特征 的夹具设计信息模 型。其 中工艺特征信息模型是用于表达工件材料的类型、工件毛坯的获取方法 、热处理特点；工件 的结构特性是指其形状及其组成基本体素之间的结合关系；加工部位的形状及尺寸 ；机 床信息是指工艺过程 中各 工序所使用的机床的类型、规格 、工作 台的形式及相关尺 寸、在各个方 向上 的行程 范围、机床 主轴 的运 动及 动力配置 、机床进给运动及 动力配置等；刀具信息是指刀具的材料 、几何参 数、刀具 的夹持方式、刀柄 的形式及尺 寸；量具信息指量具的类型、测量要求和方法 ；切削用量包括进切削速度、切层深度、切削进给量等参数，切削用量决定于加工精度和生产效率的高低，还与刀具的材料、几何参数有关；工序关系，表示各工序之间的组合关系，例如编排顺序、各工序之间的精度保持关系等；生产纲领表示夹具所针对加工制品的生产批量及期限等要求。夹具事例是指设计部门针对-些被加工零件形成 的夹具设计结果的事例· 96· 组合机床与自动化加工技术 第 5期化表示。夹具事例可通过事例检索机制与 当前设计任务在工艺特征信息的各个方面进行多条件相似性匹配、检索 ，找出与本 出次设计最相近的各层次 的事例，为本次夹具设计任务提供参考，使设计在已有成功案例的基础上进行 ，提高设计工作的效率。

工艺特征信息刻恒磊再l 联接装置图 1 基 于特征 的夹具 设计 信恩模型4 基于特征的夹具设计实施夹具设计是在综合考虑如图 1左半所示 的工艺信息 ，并充分参考事例信息 (相关 的标 准、已有 的通用或个性化结构事例)的基础上进行 的，都离不开工件的信息和相关的机床、刀具、量具等信息，设计过程就是在各种可能相互矛盾的因素之间进行平衡的过程 。

工件 的定 位夹紧方案在进行工艺设计 时 ，在每个工序的工序 图中就应该 给定 ，但-般 给得 比较粗略。在工序 图所规定 的定位方 案 中，-般 只规 定 以哪几个面定位 ，这些面分别 限制几个 自由度 ，在哪个面上夹紧 ，并不确定精确的位置和载荷的分布状况。

例如，使用平面定位，作为主支承面限制三个 自由度，那么这个面上在什么部位安排定位元件 ，仅凭工序图上的定位方 案是不能具体确定 的，而要夹具设计人员根据工件定位面的加工状态结合夹 紧方案和刀具的进、退刀方案来具体确定。夹紧方案的实施是具体确定夹紧力 的大孝方向和分布方式 ，-般 工序图中只给出了夹紧力的方向、夹 紧力 的作用面 ，并没有具体确定夹紧力 的大型夹 紧位置。这些内容的确定要结合定位方案 ，不仅要使定位所形成 的工件的位置得到可靠的保持 ，而且要避免夹紧不当(例如夹紧定位于工件刚度较低处、夹紧力不够、夹紧力的延长线处 于支承性定位点所形成 的区域之外等 )引起工件的过大变形或定位位置的破坏 。

4.1 工艺定位方案的实施基于特征的工艺定位方案的实施，是在定位方案经过所需限制的自由度验证后，依据工件上用于定位的表面的加 工状态(毛坯、粗加 工、半精加工或精加工)、尺寸及精度、定位精度要求、定位元件是否受力(是否为支承件)、夹具工作效率等来选择定位元件形式 、精度、相应 的运动机构和辅助动力装置。

在定位方案所涉及 的定位元件确定 后 ，再进行定位精度的计算 ，并结合夹紧方案 的实施 ，在定位精度和效率要求得到满足后 ，最终确定定位方案。尤 其对复杂零件的加工所使 用的夹具的设计 ，由于其加工工艺复杂，零件的信息在加工过程中是不断变化、前后衔接 的。

4.2 基于特征的工艺夹紧方案的实施传统的基于工序 图的夹紧方案 ，只能大致确定工件上的夹紧部位和夹 紧力 的方 向，不能确定夹 紧点的具体位置或夹紧力 的分 布状况 ，也不能评估夹紧力引起 的变形对 加工精度的影 响。只能 由设计者根据经验或试验来确定 夹紧具体 方案，对设计 者的要求较高，夹具设计 和制造 的返工或采取补救措施的现象不可避免地时常发生。基于特征 的工艺夹紧方案的实施，由于拥有工件的特征信息，工件的材料性能、材料在工件 中的分 布状况、工件 的结构刚度特点、各部位在整个工艺过程中所处的加工状态、工件不同部位之间的空间结构关系等易于获得 ，可运用各类工程知识和经验对夹紧工艺方案进行实施 ，也可以运用现代 CAD技术提供 的分析手段对具体的夹 紧方案(包括夹紧力大孝方向、作用点、夹紧力的分布形式、夹紧元件的形式、夹紧机构与工件及机床间的空间关系等)进行虚拟现实的动态、静态分析和优化。

4.3 基于特征的导 向对刀方案的实施在工件上加工平面、沟槽等表面时 ，当尺寸精度和位置精度要求较高或批量较大需要满足互换性要求时 ，需要在夹具上设置针对加工表面的对刀装置，确保在刀具更换 、重磨后仍 能加 工出位 置和精度-致 的表面。当加 工对象为孑L系时 ，需要在 对应孔 的位置设置与孔尺寸和位置相 匹配的导向装置。而且孔径不同，加工方法不 同，这些导向装置的结 构和尺寸又是不同的 ，例如钻模 的导 向装置不 同于镗模上的导 向装置。所使用的机床不同、精度要求不 同、生产批量不 同，导 向装置也不 同。当在没有预制孑L的工件毛坯上进行钻孔作业时，如果以车床为加工设备 ，则-般不需要安置导 向装 置。如果在钻床 上进行加工 ，当工件批量较大、互换性要求较高时则需要在夹具上设置导 向套 ；而如果批量较小 、对互换性要求不高，则只要选用标准夹具 即可，无需设置导 向装置 。

4.4 夹具与机床定位及联接实施夹具是 由机床 -夹具 -工件 -刀具组成 的工艺系统 中的-个重要 环节 ，对于铣 床、镗床、车床 、磨床、钻床、刨床等通用机床上使用的夹具，必须与机床形成精度较高的定位和可靠的联接；钻床夹具要视具体情况确定夹具与机床 的定 位和联接关系 ，当工件尺寸和重量较大且要加工 的孑L的位置处于支承面范 围内，施钻 时钻削力不会引起工件 的颠覆 和不致引起工件形成影 响加工 的振 动时 ，则 只要把 钻模合理地定位 、固定于工件上 ，而把工件稳定地安置于摇臂钻床工作 台即可，工件并不需要 与机床联接 ；如--匾匝-匾-- 口H-2013年 5月 吴卫东 ，等：基于特征的夹具设计信息模型及其应用研究 ·97·果工件有-定 的批量 、工件较孝形状 比较复杂 ，而且将要钻孔的位置有较严格的要求，则工件被定位、夹紧于夹具 中，当加工位 置处于夹具 的可靠 支承范围内，则夹具不需要与机床进行联接，否则夹具体与机床工作台之 间必须进行定位并形成能克服切削力对夹具与工件之 间位置影 响的联 接，以防工 件在加工过程中因切削力作用而失去其合理的位置。

在专用机床上使用的夹具，-般与机床与夹具通过固定的定位和联接成为-体，以适应专用机床的高效、专业化生产。

夹具的定位 、夹紧、对 刀或导 向、夹具体 的设计中需要综合考虑生产批量、所使用 的机床、生产的 自动化程度 、工件 的尺寸、形状、加 工精度要求 等多方面的信息 ，其实施 的相关 的知识和经验需要不 断地总结 、面向应用进行表示 ，才能促进夹具设计的 自动化水平提高。

4.5 夹具体设计夹具体是定位元件及机构、夹紧元件及机构、导向对刀装置、夹具与机床的联接装置的载体，它把夹具所涉及的各种要素有机地组合在-体 ，以实现夹具 的对工件在机床上快速 、准确安装的功能。夹具体设计也是与工件的材料、形状 、加工精度相关 ，与所采用的机床的具体参数及功能相关。基于夹具设计活动信息支持模型的夹具体设计，能在定位、夹紧、对刀或导向等元件的相关结构、尺寸、精度、空间位置等各类特征信息的支撑下进行设计 ，能有效地避免了由于相关设计信息不全或获取困难带来的不便。

5 结束语夹具设 计是 -项针 对性较 强 的创造 性设 计活动 ，知识工程技术 的研究、开发及其在夹具设计领域的应用 ，使夹具设计 向智能化 、自动方 向发展成 为必然 的趋势 ，但据笔者多年从事该方 向的研究和应用的经验来看 ，要真正实现夹具设计 的智 能化和 自动化 ，还有很长的路要走 ，需要建立基于特征 的机床信息库、刀具信息库 、量具信息库 、夹具零部件信息库 、针对特定零件的夹具事例库以及这些信息的智能引用和人机交互机制 ，还需要工程设计人员、知识工程的开发人员进行广泛 的合作和交流 ，投入 大量 的精力对夹具设计 的机理进 行深入的探索和研究 ，并进行基于现代 CAD技术和知识 工程 的形式化表述 ，才能形成对制造业有普遍指导和应用意义的夹具设计系统。本文针对现有夹 具智能化、自动化设计研究存在的对夹具设计 自身特有的规律研究不足的现象 ，提出了基于特征识别 的夹具设计方法 ，给出的夹具设计活动信息支持模 型 ，对夹具设计 系统 的开发有-定的指导意义 和参 考价值 ，对夹具设计 向智 能化、自动化发展有-定 的推动作用。