加強(qiáng)板零件的加工工藝及夾具設(shè)計(jì)
加強(qiáng)板零件的加工工藝及夾具設(shè)計(jì),加強(qiáng),零件,加工,工藝,夾具,設(shè)計(jì)
加強(qiáng)板零件的數(shù)控加工及夾具設(shè)計(jì)
學(xué) 生：顧榮杰 班 級(jí)：0781052
指導(dǎo)老師：熊麗娟 學(xué) 號(hào)：08
摘要: M5-5加強(qiáng)板零件是某航空產(chǎn)品中的一個(gè)薄壁零件，主要起支撐作用因而需要一定的強(qiáng)度和剛度，它是采用LC9鋁合金材料，能滿(mǎn)足其性能要求。航空產(chǎn)品一般是單件小批量生產(chǎn)，故適宜采用數(shù)控加工生產(chǎn)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)課題的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括M5-5加強(qiáng)板零件數(shù)控加工和鉆孔用組合夾具拼裝兩個(gè)部分。數(shù)控加工部分主要有零件的實(shí)體模型的建立、數(shù)控加工工藝規(guī)程編制、刀具、切削用量及主軸轉(zhuǎn)速的選擇，以及零件的仿真數(shù)控加工，并利用UG軟件自動(dòng)生成相應(yīng)工序的數(shù)控加工程序。實(shí)體模型的建立是利用UG現(xiàn)有的塊、圓柱體、圓錐體和球體四種簡(jiǎn)單的實(shí)體模型，通過(guò)建模合理性和參數(shù)化要求出發(fā)，根據(jù)M5-5加強(qiáng)板零件的特點(diǎn)創(chuàng)建符合數(shù)控加工的實(shí)體模型。根據(jù)粗、精加工分開(kāi)的原則合理編制數(shù)控加工工藝規(guī)程。根據(jù)工件材料及所用機(jī)床選擇適合的刀具及切削用量。組合夾具拼裝部分主要有組合夾具的總體設(shè)計(jì)、相關(guān)組合夾具元件的選擇，定位基準(zhǔn)的選擇及夾緊方法的選擇以及加工誤差精度分析。
關(guān)鍵字：實(shí)體建模 數(shù)控加工 工藝規(guī)程 組合夾具
指導(dǎo)老師簽名：
The numerical control processing and jig of Strengthen the plank part are designed
Students name:chen longzhu Class: 0681052
Supervisor: zuo hongyan
Abstract : M5-5 Strengthen the plank part some aviation products one of frame thin wall part, it need certain intensity and rigidity to play a supporting role mainly, it adopts the aluminium alloy material of LC9, can meet its performance demand . Aviation products single piece light to produce in batches generally, is it adopt numerical control process production to suit. Aviation products single piece light to produce in batches generally, is it adopt numerical control process production to suit. This graduation project design of subject content mainly including M6-6 little floor part numerical control process and hole with make up jig assemble two parts. Numerical control process part for entity foundation , numerical control processing technology rules make , cutter , cut consumption and choice , main shaft of rotational speed of model of part, and artificial numerical control of part process, utilize UG software turn into corresponding numerical control of process process the procedure automatically. Foundation, entity of model to utilize UG existing piece , round cylinder , cone , spheroid 4 kinds of simple entity models, is it set out to demand through modeling rationality and parameter , is it accord with the entity model processed in numerical control to establish according to M5-5 Strengthen the plank characteristic of part. According to thick, principle that finish machining separate work out the processing technology rules of numerical control rationally. And choose the suitable cutter and cutting consumption with the lathe according to the work piece material. Making the jig up has overall design which makes the jig up , relevant choices of making the jig component up to assemble mainly, orient the basic choice and choice of clamping the method and process the analysis of precision of error.
Keyword: Entity's modeling Numerical control is processed Craft rules Rotational speed of the main shaft
Signature 0f Supervisor：
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯
題目： 加強(qiáng)板數(shù)控加工及夾具設(shè)計(jì)
專(zhuān) 業(yè) 名 稱(chēng)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí) 學(xué) 號(hào)： 078105208
學(xué) 生 姓 名： 顧榮杰
指 導(dǎo) 教 師： 熊麗娟
填 表 日 期 2011 年 5 月 26 日
一、 選題的依據(jù)及意義
數(shù)控機(jī)床以其精度高、效率高和能適應(yīng)小批量多品種復(fù)雜零件的加工等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械加工中得到廣泛的應(yīng)用，在復(fù)合零件及航空零件的生產(chǎn)與制造，都廣泛的采用了數(shù)控技術(shù)。在數(shù)控加工機(jī)床上確定工件相對(duì)于刀具的正確加工位置，以保證其被加工表面達(dá)到所規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)要求，通過(guò)夾具將工件固定下來(lái)并可靠的夾住，防止在加工時(shí)因受到切削力、慣性力、離心力、重力及沖擊力和振動(dòng)等作用而發(fā)生位置移動(dòng)。討論數(shù)控加工和夾具的設(shè)計(jì)。對(duì)制造業(yè)的發(fā)展很重要。隨著社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)各類(lèi)產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，像汽車(chē)這樣大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，也要求其個(gè)性化，因此就不能采用傳統(tǒng)的剛性生產(chǎn)線，要考慮到適當(dāng)?shù)娜嵝?。一些小批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，其復(fù)雜度要求和精密度要求也使通用機(jī)床難以勝任。相比之下，數(shù)控機(jī)床恰恰滿(mǎn)足了這些要求。數(shù)控加工是集傳統(tǒng)的機(jī)械制造計(jì)算機(jī)現(xiàn)代控制傳感檢測(cè)信息處理光電技術(shù)于一體，是現(xiàn)代機(jī)械制造技術(shù)的基礎(chǔ)。他的廣泛應(yīng)用，給機(jī)制造的生產(chǎn)方式及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)帶
二、 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)
自1952年美國(guó)研制成功第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來(lái)，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和精密測(cè)量技術(shù)等的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床在迅速地發(fā)展和不斷更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了5個(gè)發(fā)展階段。
第一階段數(shù)控技術(shù)：1952-1959年，采用電子管元件構(gòu)成的專(zhuān)用數(shù)控裝置（NC）。
第二代數(shù)控技術(shù)：從1959年開(kāi)始，采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。
第三代數(shù)控技術(shù)：從1965年開(kāi)始，采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。
第四代數(shù)控技術(shù)：從1970年開(kāi)始，采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。
第五代數(shù)控機(jī)床：從1974開(kāi)始，采用微型電子計(jì)算機(jī)控制（Microcomputer Numerical Control,MNC）系統(tǒng)。第五代微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)已取代以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微機(jī)處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強(qiáng)的程序存儲(chǔ)能力和控制功能。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，加速了數(shù)控系統(tǒng)的更快更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家都利用PC機(jī)豐富的軟硬件資源開(kāi)發(fā)式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)(也稱(chēng)之為六代數(shù)控機(jī)床)。開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)具有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性，擴(kuò)展性、并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機(jī)的先進(jìn)技術(shù)，如多媒體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)聲控自動(dòng)編程、圖形掃描自動(dòng)編程等。數(shù)控系統(tǒng)繼續(xù)向高集成度的方向發(fā)展，每個(gè)芯片上可以集成更多個(gè)晶體管，使系統(tǒng)體積更小，更加小型化、微型化。利用多的CPU優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)排除，可靠性大大提高；增強(qiáng)通信功能，提高進(jìn)線、聯(lián)網(wǎng)能力。
最新一代的數(shù)控機(jī)床——并聯(lián)機(jī)床（又稱(chēng)6條腿數(shù)控機(jī)床、并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)器人、虛軸機(jī)床），是得控機(jī)床在結(jié)構(gòu)上取得重大突破。在1994年美國(guó)芝加哥國(guó)際機(jī)床展覽會(huì)（IMTS，94）上，美國(guó)G iddings&Lewis公司首次展出了Variax型并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床，引起了各國(guó)機(jī)床研究單位的和生產(chǎn)廠家的重視。它是一臺(tái)以Stewart平臺(tái)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)5坐標(biāo)立式加工中心，標(biāo)志著機(jī)床設(shè)計(jì)開(kāi)始采用并聯(lián)機(jī)構(gòu)，是機(jī)床結(jié)構(gòu)重大改革的里程碑。
數(shù)控技術(shù)正向科學(xué)計(jì)算可視化，插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化，內(nèi)裝高性能PLC，用戶(hù)界面圖像化，基于CAD和CAM的數(shù)控編程自動(dòng)化方向發(fā)展，當(dāng)前開(kāi)發(fā)研究適應(yīng)于復(fù)雜制造過(guò)程的、具有閉環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)的、智能化新一代PCNC數(shù)控已成為，智能化新一代可能PCNC數(shù)控系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理及動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)仿真等高薪技術(shù)融于一體，形成嚴(yán)密的制造過(guò)程閉環(huán)控制體系。
早期的夾具是和機(jī)床配套使用的，現(xiàn)代的專(zhuān)用夾具隨著大批大量生產(chǎn)的發(fā)展而出現(xiàn)，特別是汽車(chē)行業(yè)。從本世紀(jì)40年代開(kāi)始，人們已開(kāi)始研究組合夾具和可調(diào)整夾具。我國(guó)生產(chǎn)夾具行業(yè)已有10多家，生產(chǎn)M16 M12 M8 M6 四個(gè)系列的組合夾具元件。隨著科技的發(fā)展，航空等產(chǎn)品已經(jīng)把數(shù)控加工應(yīng)用到產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程當(dāng)中來(lái)，國(guó)際一些知名企業(yè)都采用了UG軟件，國(guó)內(nèi)大多數(shù)研究所和飛機(jī)制造廠也都選用了UG作為新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。應(yīng)該說(shuō)，我國(guó)CAD/CAM技術(shù)的應(yīng)用正呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，一定會(huì)成為企業(yè)提高創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的主要手段。
三、研究?jī)?nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案
1.建立加強(qiáng)板數(shù)控模型；
2.編制加工工藝；
3.編制數(shù)控加工程序；
4.設(shè)計(jì)加強(qiáng)板鉆孔用組合夾具；
5.編制組合夾具裝配圖
6.翻譯相關(guān)科技資料，并編寫(xiě)論文.
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
目標(biāo)：通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，可以系統(tǒng)的把大學(xué)里的專(zhuān)業(yè)知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中去，提高自己的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，鍛煉自己的自主能力和查閱資料的能力，以此提高自己的綜合素質(zhì)來(lái)適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求。
主要特色：組合夾具采用標(biāo)準(zhǔn)化元件，縮短了輔助時(shí)間，工件定位迅速，夾緊動(dòng)作快，能夠保證加工精度和加工的穩(wěn)定性，并且擴(kuò)大了機(jī)床的工藝范圍，降低了對(duì)工人技術(shù)水平的要求和減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。數(shù)控加工綜合應(yīng)用了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制、精密測(cè)量和機(jī)床結(jié)構(gòu)等方面的最新成就而發(fā)展起來(lái)的高效自動(dòng)化精密機(jī)床，是一中典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。它集高效率、高精度和高柔性于一身，代表了機(jī)床的主要發(fā)展方向。它是機(jī)械加工自動(dòng)化的核心設(shè)備。
工作進(jìn)度：
1.收集有關(guān)資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告 3月1日- 3月21日
2.建立零件的三維CAD 實(shí)體模型 3月22日- 4月5日
3.編制零件數(shù)控加工工藝與數(shù)控加工程序 4月6日- 5月1日
4.設(shè)計(jì)夾具一套 5月2日- 5月30日
5.整理內(nèi)容，書(shū)寫(xiě)畢業(yè)論文 6月1日- 7月2日
五、參考文獻(xiàn)
[1]Christian Vogt, Christian Mergl, and Heiner Bubb.Interior Layout Design of Passenger Vehicles With RAMSIS[J]. Human Factors and Ergonomics in Manufacturing, 2005,15 (2) 197~212.
[2]Gianni Ferretti, GianAntonio Magnani, Paolo Pocco. Virtual prototyping of mechatronic systems[J]. Annual Review in Control, 2004, 28: 193~200.
[3]王先逵 機(jī)械制造工藝學(xué) 機(jī)械工藝出版社 2002.7
[4]趙波，龔勉，浦維達(dá) UG CAD 使用教程 清華大學(xué)出版社2002.7
[5]謝國(guó)明曾向陽(yáng) 王學(xué)平UG CAM使用教程清華大學(xué)出版社2002.6
[6]范丙炎 組合夾具北京出版社 1990.6
[5] 陸勁昆 初利寶Unigraphics V18.0與三軸銑床加工 北京大學(xué)出版社2002.6
[7]Boyes WE.Jigs and Fixtures.America ,SME 1982
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)
I、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：
加強(qiáng)板零件的加工工藝及夾具設(shè)計(jì)
II、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)使用的原始資料(數(shù)據(jù))及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：
給定肋板零件圖一張，要求：
1．建立三維模型；
2．編制數(shù)控加工工藝；
3．編制數(shù)控加工程序；
4．設(shè)計(jì)肋板鉆孔用組合夾具；出組合夾具裝配圖一張；
III、畢 業(yè)設(shè)計(jì)(論文)工作內(nèi)容及完成時(shí)間：
1. 查閱相關(guān)資料，外文資料翻譯（6000字符以上），撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。
第1周—第2周
2．建立零件的三維CAD實(shí)體模型。 第3周—第5周
3．編制零件數(shù)控加工工藝與數(shù)控加工程序； 第6周—第10周
4. 設(shè)計(jì)夾具一套； 第11周—第13周
5. 整理內(nèi)容，書(shū)寫(xiě)畢業(yè)論文，準(zhǔn)備答辯。 第14周—第17周
Ⅳ 、主 要參考資料：
[1]J Sylvain Laporte，Jean-Yves K’Nevez，Olivier Cahuc ，et al. Phenomenological model
for drilling operation, Int J Adv Manuf Technol (2009) 40:1–11
[2] 成斌．箱體類(lèi)零件鉆鏜組合機(jī)床夾具CAD系統(tǒng)工具技術(shù) 2005，39（11） 54~56
[3] 韓虎，曾慶良，王成龍等．虛擬樣機(jī)技術(shù)在變速箱設(shè)計(jì)中的研究與應(yīng)用．煤礦機(jī)
械2005(12):27~28
[4] 孫大涌．先進(jìn)制造技術(shù)．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999 (12)：31～44
[5] Weifang Chen, Peihuang Lou, Zhenghua Shen．Case-based Reasoning and Intelligent
Variation Approach in Fixture Design．Second International Symposium on Intelligent
Information Technology Application
航空與機(jī)械工程 系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 專(zhuān)業(yè)類(lèi) 班
學(xué)生（簽名）：
填寫(xiě)日期： 2011 年 01 月 03 日
指導(dǎo)教師（簽名）：
助理指導(dǎo)教師(并指出所負(fù)責(zé)的部分)：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 系主任（簽名）：
附注:任務(wù)書(shū)應(yīng)該附在已完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)首頁(yè)。
目錄
1. 引言--------------------------------------------------------------1
2.鉆孔用組合夾具拼裝設(shè)計(jì)------------------------------------------2
2.1組合夾具的特性--------------------------------------------2
2.2 組合夾具的元件及其作用 -----------------------------2
2.3 加強(qiáng)板零件鉆孔組合夾具總體設(shè)計(jì)-------------------- 6
2.3.1組合夾具的元件選擇---------------------------- 6
2.3.2組合夾具的拼裝方案設(shè)計(jì)------------------------7
2.4組合夾具的誤差分析及計(jì)算--------------------------------8
2.4.1導(dǎo)向誤差計(jì)算 -------------------------------------8
2.4.2 定位元件的誤差分析-------------------------------8
2.4.3鉆削力---------------------------------------------9
3.加強(qiáng)板零件的數(shù)控加工 -------------------------------------10
3.1 加強(qiáng)板零件實(shí)體模型的建立與編輯 --------------------10
3.1.1 加強(qiáng)板零件實(shí)體模型的建立與編輯
3.1.1.1實(shí)體模型的概念 ----------------------------10
3.1.1.2實(shí)體模型術(shù)語(yǔ)--------------------------------10
3.1.1.3 實(shí)體模型的概念------------------------------11
3.2.1 實(shí)體模型基本體素-----------------------------------11
3.2.1.1 圓柱體---------------------------------------11
3.2.1.2長(zhǎng)方體----------------------------------------11
3.2.1.3球體------------------------------------------11
3.3.1 掃描特征-------------------------------------------12
3.3.1.1拉伸體---------------------------------------12
3.4.1基準(zhǔn)軸---------------------------------------------12
3.5.1布爾操作-------------------------------------------12
3.6.1成型特征-------------------------------------------13
3.6.1.1成型特征用于模型的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)-----------------13
3.6.1.2 孔--------------------------------------------14
3.7.1操作特征 -------------------------------------------15
3.7.1.1邊倒圓 ---------------------------------------16
3.7.1.2修剪實(shí)體--------------------------------------17
3.8.1草圖------------------------------------------------17
3.2零件的數(shù)控加工工藝基礎(chǔ)----------------------------------- 20
3.3數(shù)控加工方案的確定-----------------------------------------21
3.4 加強(qiáng)板零件的UG數(shù)控加工程序的生成 ------------------21
3.5 加強(qiáng)板零件的數(shù)控加工的加工方式及參數(shù)確 ------------22
3.5.1切削用量及刀具的選擇----------------------------22
3.5.2數(shù)控加工坐標(biāo)選擇--------------------------------24
3.6仿真加工軟件簡(jiǎn)介-------------------------------------------24
4.總結(jié)----------------------------------------------------------------26
參考文獻(xiàn) -------------------------------------------------------------27
致謝 -----------------------------------------------------------------28
附錄
A：譯文及外文原始資料
B： CXQ程序單
中國(guó).北京.2006.10.9-15
2006年電氣和電子工程師協(xié)會(huì)/型鋼的會(huì)議錄
討論智能機(jī)器人和操作系統(tǒng)的國(guó)際會(huì)議
新穎的夾具設(shè)計(jì)和基于虛擬現(xiàn)實(shí)的裝配系統(tǒng)
彭高亮 劉文建
哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院
中國(guó).哈爾濱150001.pg17782@hit.edu.cn
摘要—模塊化的裝配是工業(yè)制造中很重要的一個(gè)方面，這篇論文討論的是桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)模塊化裝配設(shè)計(jì)的作用。對(duì)于虛擬環(huán)境設(shè)計(jì)，論文提出了設(shè)計(jì)方法，這種方法可以幫助設(shè)計(jì)師，使他們的設(shè)計(jì)可行有效。論文在層次數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，提出了組合夾具裝配的方法。在這些結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在虛擬環(huán)境中，用戶(hù)可以在設(shè)計(jì)和裝配過(guò)程中操縱虛擬模型。此外，人們正在討論如何實(shí)施在加工仿真生產(chǎn)經(jīng)行檢測(cè)，最后，案例研究證明了該系統(tǒng)的功能。與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)相比，論文中還為模塊化裝配提出了一個(gè)合理的便攜式解決方案設(shè)計(jì)。
指數(shù)計(jì)算—組合夾具，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)，裝配設(shè)計(jì)，加工模擬結(jié)果一覽表
Ⅰ.介 紹
模塊化裝配是工業(yè)制造的一個(gè)重要方面，準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)夾具對(duì)確保產(chǎn)品質(zhì)量，精度，準(zhǔn)確性，以及完成部分加工是非常重要的。組合夾具是在安全，準(zhǔn)確位置，為交匯處和高標(biāo)準(zhǔn)組件提供支持的一種系統(tǒng)，并支持整個(gè)加工過(guò)程中的工件【1】。一般來(lái)講，夾具設(shè)計(jì)者通過(guò)經(jīng)驗(yàn)或反復(fù)試驗(yàn)的方法就能確定夾具計(jì)劃是不是合適。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，計(jì)算機(jī)已在組合夾具設(shè)計(jì)領(lǐng)域普遍應(yīng)用。
一般情況下，與夾具設(shè)計(jì)相關(guān)的活動(dòng)，即裝配刨，夾具元件設(shè)計(jì)，夾具布局設(shè)計(jì)，是在機(jī)床發(fā)展的下游才會(huì)去考慮。這些古老的做法對(duì)銜接設(shè)計(jì)和制造都是很不利的。例如，很少有系統(tǒng)能合并機(jī)械檢測(cè)的一系列功能。這就導(dǎo)致了在夾具設(shè)計(jì)和制造之間產(chǎn)生了一個(gè)缺口，這個(gè)缺口使得人們不能在設(shè)計(jì)階段【2】考慮刀具路徑。因此，在制造設(shè)計(jì)中，人們重新設(shè)計(jì)也無(wú)法避免刀具被夾具元件妨礙的問(wèn)題。所以，為了把機(jī)系列夾具領(lǐng)入柔性制造的舞臺(tái)，更系統(tǒng)，更自然的設(shè)計(jì)環(huán)境是人們必須去研究的。
一個(gè)綜合的，立體的，互動(dòng)的環(huán)境通常由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在數(shù)十年之內(nèi)【4】，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都是能起到很大作用的人機(jī)接口。在制造業(yè)中，虛擬現(xiàn)實(shí)也有很大的應(yīng)用潛力，它可以在實(shí)際生產(chǎn)之前解決很多問(wèn)題，從而避免出現(xiàn)一些代價(jià)高昂的錯(cuò)誤。在過(guò)去的十年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不同的工程中的應(yīng)用提供了推動(dòng)作用，例如產(chǎn)品設(shè)計(jì)【5】，裝配【6】，加工仿真【7】，培訓(xùn)【8】。本文的目的要闡述如何建立一個(gè)基于虛擬現(xiàn)實(shí)的模塊化夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)（VMJFDS）。第一步就是為模塊化設(shè)計(jì)裝置制定一個(gè)綜合的，擬真的環(huán)境。這種應(yīng)用程序在運(yùn)用了自然和啟發(fā)性的方式，這種方式在設(shè)計(jì)夾具方面是有優(yōu)勢(shì)的，它可以在使用條件，縮短交貨時(shí)間，提高夾具生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)性等諸多方面形成良好的匹配。
Ⅱ.擬議系統(tǒng)的概敘
擬議的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系是基于系統(tǒng)功能要求的模塊，由圖1所示。在系統(tǒng)水平上，有3個(gè)擬議模塊的設(shè)計(jì)，即圖形界面（GUI），虛擬環(huán)境（VE）和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊。對(duì)于任何一個(gè)模塊，某種功能要求由一組對(duì)象來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這篇論文中，詳細(xì)的對(duì)象設(shè)計(jì)和實(shí)施都省略了。相反，這三個(gè)模塊的概簡(jiǎn)要說(shuō)明如下：
1） 圖形界面（GUI）：大體上說(shuō)圖形用戶(hù)界面是一個(gè)友好界面，它用于整合虛擬環(huán)境，組合夾具設(shè)計(jì)。
2） 虛擬環(huán)境（VE）：虛擬環(huán)境用三維模型把組合夾具系統(tǒng)、虛擬環(huán)境及其組成部分的導(dǎo)航和操作步驟顯示給用戶(hù)，如圖所示1，虛擬環(huán)境模塊包括兩部分，即裝配設(shè)計(jì)環(huán)境和加工仿真環(huán)境。用戶(hù)選擇適當(dāng)?shù)脑?，把這些元件寫(xiě)在裝配設(shè)計(jì)方面的辦公區(qū)域內(nèi)，然后，用執(zhí)導(dǎo)系統(tǒng)把最終的夾具系統(tǒng)建立起來(lái)，人們就能把選中的元件逐個(gè)的組合起來(lái)。
圖1，概述基于組合夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)
3） 數(shù)據(jù)庫(kù)：數(shù)據(jù)庫(kù)存放著所有模型的環(huán)境和夾具模塊元件以及該領(lǐng)域的知識(shí)和一些典型的例子。如圖1所示，顯示了5個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中知識(shí)和規(guī)則單元是該系統(tǒng)最重要的地方，它管轄著所有夾具設(shè)計(jì)的原則。
Ⅲ. 程序化組合夾具設(shè)計(jì)
在本節(jié)中，作者提出了在虛擬環(huán)境中有啟發(fā)性的組合夾具設(shè)計(jì)程序。除了三維技術(shù)的深入，用戶(hù)擁有和真實(shí)世界一樣的操作感覺(jué)，這個(gè)過(guò)程還有情報(bào)功能。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用智能推理的方法把一些典型的案件和建議提供給用戶(hù)作參考，如實(shí)例推理（CBR）和常規(guī)推理（RBR）。此外，相關(guān)知識(shí)和規(guī)則作為幫助頁(yè)面展現(xiàn)給用戶(hù)，用戶(hù)就可以在設(shè)計(jì)過(guò)程中輕松瀏覽了。
概述組合夾具設(shè)計(jì)過(guò)程總結(jié)，如圖2。虛擬環(huán)境之后就是草簽和工件加載，第一步是夾具規(guī)劃。在這個(gè)步驟中，首先用戶(hù)決定了夾具計(jì)劃，即指定交互夾具要面臨的工件。
為了幫助用戶(hù)成功決策，一些有用的個(gè)案，以及他們的夾具計(jì)劃將通過(guò)自動(dòng)推理檢索方法提供給用戶(hù)。一旦選定了要使用的夾具，用戶(hù)到就能指定的夾具點(diǎn)。在這這項(xiàng)任務(wù)中，計(jì)算機(jī)還給出了一些建議和規(guī)則。
夾具規(guī)劃后，下一步就是夾具元件選擇、設(shè)計(jì)階段。在這個(gè)階段，用戶(hù)可以選擇合適的夾具元件和組裝成夾具需要的特殊部分。根據(jù)該夾具點(diǎn)的空間信息與基本夾具和工件的關(guān)系，一些典型的夾具元件的選擇和建議可以自動(dòng)提交給用戶(hù)，這些都將有助于為用戶(hù)服務(wù)。經(jīng)過(guò)規(guī)劃和夾具元件選擇這個(gè)設(shè)計(jì)階段后，下一階段就是把選擇的夾具元件連接到基板上經(jīng)行交互裝配設(shè)計(jì)。
當(dāng)外形裝配完成，在加工范圍內(nèi)對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢查和評(píng)估。在這種環(huán)境中執(zhí)行的任務(wù)包括裝配規(guī)劃，加工仿真和夾具評(píng)價(jià)。裝配規(guī)劃是用于獲得最佳的裝配順序和得到裝配各組件準(zhǔn)確的路徑。加工仿真負(fù)責(zé)制造時(shí)的交互檢測(cè)。夾具評(píng)價(jià)是將檢查和評(píng)估設(shè)計(jì)的結(jié)果。最后，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程是在很自然的方式下進(jìn)行，這都得益于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。此外，展示的內(nèi)容和知識(shí)可以告訴用戶(hù)怎樣才能選擇最好的設(shè)計(jì)決策。
Ⅳ. 組合夾具建模
a. 組合夾具結(jié)構(gòu)分析
夾具元件組合起來(lái)的一個(gè)功能是為了在基板和工件【11】之間創(chuàng)造連接點(diǎn)。一般來(lái)說(shuō)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的基本特征，組合夾具結(jié)構(gòu)可分為3個(gè)功能單元，即定位裝置，夾緊裝置，和支持單位。許多夾具元件可能由一個(gè)或多個(gè)元件組成，其中只有一個(gè)元件作為一個(gè)定位器，支持器或夾鉗。組合夾具裝配的主要任務(wù)是選擇的支持，定位，夾緊及附件生成夾具，使他們能夠?qū)⒐ぜB接到基板。
通過(guò)分析模塊化裝置的實(shí)際應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)，模塊化裝置通過(guò)選擇合適的夾具元件構(gòu)造成夾具，然后把這些夾具安裝到基板上。因此，這些夾具可視為組合夾具系統(tǒng)的部件。此外，組合夾具系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)圖3中表現(xiàn)出來(lái)。
圖 2，擬議組合夾具系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
b.在虛擬現(xiàn)實(shí)中，用分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型代表組合夾具
相應(yīng)的虛擬環(huán)境可能含有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的幾何多邊形圖元，這是很正常的。在過(guò)去的幾年中，若干個(gè)模型計(jì)劃，例如作為BSP樹(shù)[10]和八叉樹(shù)，已提議組成多邊形模型。然而，模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用，相互作用的影響,現(xiàn)場(chǎng)也是動(dòng)態(tài)變化。例如，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，部分模塊可能改變其空間位置，方向和裝配關(guān)系。
圖3.模塊化夾具系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)
這表明一個(gè)靜態(tài)的畫(huà)面，如BSP樹(shù)，是不夠的。此外，上述模型只能在系統(tǒng)組件的水平上表現(xiàn)夾具布局結(jié)構(gòu)。然而，關(guān)于夾具元件之間的裝配關(guān)系，是指裝配特征之間的嚙合關(guān)系，這些都不會(huì)去關(guān)注。在本節(jié)中，為了描繪組合夾具系統(tǒng)，我們提出一個(gè)層次化結(jié)構(gòu)和基于約束的數(shù)據(jù)模型，實(shí)時(shí)可視化和精確的3D操縱的虛擬環(huán)境。
圖4所示，在高級(jí)別的元件模型用于涉及交互式裝配的拆散操作。它證明了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈接組件之間的關(guān)系。以高級(jí)別模型為代表的信息可分為兩種類(lèi)型，即組件對(duì)象和裝配關(guān)系。組件對(duì)象可以是一個(gè)組件或一個(gè)部分。一個(gè)組件包括各個(gè)部分之間的零件和他們的組裝的關(guān)系。
圖. 4層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型的虛擬環(huán)境
中層基礎(chǔ)模型特征的是建立功能和限制功能。在一般的情況下，在裝配中，裝配關(guān)系往往被視為交配關(guān)系。因此，基礎(chǔ)特征模型用來(lái)描述裝配關(guān)系，在裝配操作中，為精確的空間關(guān)系提供必要的信息。在這個(gè)模型中，只考慮兩個(gè)不同元件之間的特征關(guān)系。下面專(zhuān)題討論，在夾具元件模塊化建模在一個(gè)元素之間的功能關(guān)系。
低級(jí)別的多邊形基礎(chǔ)模型對(duì)應(yīng)以上兩個(gè)級(jí)別的模型：實(shí)時(shí)可視化和層次模型。它描述了以一個(gè)相互聯(lián)系的三角曲面網(wǎng)格作為整個(gè)表面，更多關(guān)于如何將一個(gè)元素組織成多邊形，將在下一節(jié)討論，。
C.夾具元件模塊化建模
眾所周知，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，夾具元件模塊化建模只是表示為多邊形的數(shù)目。將CAD系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換到VR系統(tǒng)中，拓?fù)潢P(guān)系和參數(shù)信息中的結(jié)果將會(huì)丟失。為了避免這些問(wèn)題出現(xiàn)，本節(jié)我們將討論夾具元件建模的計(jì)劃。
夾具元件模塊化是以標(biāo)準(zhǔn)尺寸為依據(jù)預(yù)先制造的部件。計(jì)劃夾具設(shè)計(jì)完之后，接下來(lái)的任務(wù)是選擇合適標(biāo)準(zhǔn)的元件，裝配這些元件以形成一個(gè)可行的夾具系統(tǒng)。因此，在建議的制度下，需要考慮夾具元件裝配功能。
在這篇論文中，裝配特征是作為一個(gè)夾具的屬性，這個(gè)屬性提供相關(guān)的確切信息來(lái)保證夾具的模塊化設(shè)計(jì)和組裝/拆卸。以下八個(gè)功能被定義為組合夾具元件的裝配特征：支持面，被支持面，定位孔，擴(kuò)孔孔，螺紋孔，固定槽，和螺栓。除了類(lèi)型和尺寸等特征信息外，其他參數(shù)，如相對(duì)位置，元素在局部坐標(biāo)系統(tǒng)中的定位特征等，在夾具元件的數(shù)據(jù)庫(kù)中都用幾何模型記錄下來(lái)。當(dāng)一個(gè)元件和另一個(gè)元件組裝起來(lái)時(shí)候的，檢索出來(lái)的交配功能信息可以決定兩個(gè)元件的空間關(guān)系。更多關(guān)于裝配特征及其交配關(guān)系的資料進(jìn)行了討論參考詳情[11]。
D.在虛擬環(huán)境中以約束為基礎(chǔ)的夾具裝配
1）夾具元件之間的裝配關(guān)系
交配關(guān)系是在裝配現(xiàn)場(chǎng)組裝是被定義的。根據(jù)上一節(jié)總結(jié)的裝配特征，交配夾具元件有五種關(guān)系類(lèi)型。即依賴(lài)關(guān)系，擬合關(guān)系，螺紋嚙合，交叉關(guān)系，和 T型槽配合關(guān)系，如圖 5所示?；谶@些交配關(guān)系，我們可以推斷，任何兩個(gè)元件夾具可能的裝配關(guān)系。
2）裝配關(guān)系的推理
一般來(lái)說(shuō)，兩個(gè)組裝零件的裝配關(guān)系是代表著它們的組裝交配功能。上面的部分，我們定義了夾具元件之間五個(gè)基本交配關(guān)系。因此，通過(guò)可能出現(xiàn)的裝配關(guān)系決定啟用那種可能的交配特征。為了在下一階段的裝配，把這些可能的夾具裝配關(guān)系存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中（ARDB）。
然而，當(dāng)夾具復(fù)雜，復(fù)合夾具元件的數(shù)量多時(shí)，要花費(fèi)很多時(shí)間來(lái)推斷和處理這些可能的裝配關(guān)系。為了避免這種情況，首先我們要確定可能的組裝元件對(duì)。但是為了避免推理夾具和底板的之間的裝配關(guān)系，我們絕對(duì)不能將他們組裝在一起。在這個(gè)階段，人們利用一些規(guī)則來(lái)尋找可能的元件組裝對(duì)。組裝的推理算法類(lèi)似于在文獻(xiàn)[12]中討論的。因此，詳細(xì)的算法描述在這篇論文中被忽略了。
3）基于約束的夾具裝配
進(jìn)行裝配關(guān)系推理的之后，所有被選擇的可能的裝配關(guān)系都建立在ARDB中，并被保存起來(lái)。在這些關(guān)系的基礎(chǔ)上，人們可以把單個(gè)零件組裝成夾具系統(tǒng)。這部分是討論關(guān)于在虛擬環(huán)境中互動(dòng)裝配的操作。單一的裝配過(guò)程如圖5所示，并介紹了兩個(gè)簡(jiǎn)單的部件裝配如圖6所示。
一般來(lái)說(shuō)，裝配操作過(guò)程分為三個(gè)步驟，即裝配關(guān)系的認(rèn)識(shí)，
約束的分析和應(yīng)用，基于約束的議案。
首先，技師選擇一個(gè)元件，將它移動(dòng)給組裝組件。在移動(dòng)過(guò)程中，一旦推理組裝和組裝組件的被檢測(cè)到，推斷特征就能選中了。如果這兩個(gè)特征是在ARDB數(shù)據(jù)庫(kù)中的儲(chǔ)存的裝配關(guān)系之一，他們將突出顯示，并等待用戶(hù)確認(rèn)。一旦被用戶(hù)確認(rèn)，這種被確認(rèn)的裝配關(guān)系將運(yùn)用約束理論來(lái)分析和解決問(wèn)題，這是為了平移調(diào)整組裝元件的方向，以滿(mǎn)足這兩個(gè)組件的位置關(guān)系，以及應(yīng)用新的約束來(lái)組裝元件。當(dāng)應(yīng)用了新的約束，對(duì)裝配元件的運(yùn)動(dòng)將被映射到一個(gè)約束空間。這樣做的目的，可以通過(guò)3D移動(dòng)數(shù)據(jù)，把物體的輸入裝置轉(zhuǎn)換成允許的移動(dòng)?；诩s束的運(yùn)動(dòng)不但保證了組件的可獲得確切位置，而且還保證了在將來(lái)的運(yùn)動(dòng)中，現(xiàn)有的約束不會(huì)受到侵犯。繼續(xù)運(yùn)用確認(rèn)和約束的裝配關(guān)系，這種裝配元件將能到達(dá)最終的位置。
Ⅴ.加工仿真
a. 制造的相互影響
在加工過(guò)程中，與夾具有關(guān)的有多種類(lèi)型的制造交互作用都有可能發(fā)生。這些相互作用可以分為兩大類(lèi)別如下圖所示，即靜態(tài)的相互作用和動(dòng)態(tài)的相互作用。
1）靜態(tài)的相互作用是指夾具部件之間的干擾、夾具組件和機(jī)器工具之間的干涉、在工件安裝中夾具元件和機(jī)械加工工件之間的干擾.
2）動(dòng)態(tài)交互是指參考夾具的相互作用，它發(fā)生在一個(gè)單一的工具和操作時(shí)的夾具用在切割過(guò)程中操作可能會(huì)發(fā)生碰撞。
一般來(lái)說(shuō)，加工過(guò)程和刀具路徑等方面是沒(méi)有考慮在夾具設(shè)計(jì)階段的。因此，這些相互作用可能常常發(fā)生在實(shí)際制造過(guò)程中。所以，機(jī)械師們必須花很多時(shí)間去查明和解決這些相互作用, 它往往導(dǎo)致夾具系統(tǒng)修改或重新設(shè)計(jì)，這是繁瑣和昂貴工程。
b. 干擾檢測(cè)
但是目前的商業(yè)軟件，如VERICUT軟件，在實(shí)際加工
工件之前，這些軟件可以模擬數(shù)控加工來(lái)檢測(cè)刀具路徑錯(cuò)誤和低效率的運(yùn)動(dòng)。在部分編程階段，它可用于避免一些錯(cuò)誤，如損壞燈具，打斷刀具，或撞毀機(jī)器等. 然而，這些軟件價(jià)格昂貴，而且面向數(shù)控編程，不適合的夾具設(shè)計(jì)。在夾具的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)確保避免相關(guān)的夾具之間的相互作用。在這個(gè)
系統(tǒng)中，當(dāng)夾具配置齊全后，加工仿真模塊是提交給用戶(hù)
識(shí)別，讓用戶(hù)來(lái)解決他們之間的相互作用。在加工仿真環(huán)境中，提供了機(jī)床的三維數(shù)字模型。人們可在工作臺(tái)上組裝工件和安裝夾具組件，正如加工工程師做的實(shí)際的網(wǎng)站上一樣。在安裝過(guò)程，組件和夾具工件移動(dòng)到它們的裝配位置。干擾檢查模塊被執(zhí)行。如果發(fā)生干擾，推斷的對(duì)象將被顯現(xiàn)。它
可以調(diào)整裝配順序或裝配路徑這樣可避免的干擾。但是，如果不能避免干擾，用戶(hù)就必須更改元件或夾具單元。
安裝后的工件，刀具的運(yùn)動(dòng)是在CAM系統(tǒng)中，根據(jù)模擬生成的刀具路徑。對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，穩(wěn)固，動(dòng)態(tài)，優(yōu)越的三維圖形允許刀具運(yùn)動(dòng)在屏幕上可視化的表現(xiàn)出來(lái)。因此，模擬刀具路徑允許用戶(hù)關(guān)閉檢查，如果發(fā)生的干擾，并提供干擾信息。
Ⅵ.建議制度的執(zhí)行情況與個(gè)案研究
A. 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)接口
為了裝備最后的部分，夾具設(shè)計(jì)工程師用一個(gè)自然界面來(lái)實(shí)現(xiàn)更有效的設(shè)計(jì)。在圖形用戶(hù)界面參考了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)軟件，通過(guò)隱藏窗口的大多數(shù)內(nèi)容來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的。在圖形用戶(hù)界面（圖7）包括虛擬現(xiàn)實(shí)顯示一個(gè)主窗口，一個(gè)右手組成工具欄和狀態(tài)欄底部的輸出按鈕。系統(tǒng)和用戶(hù)之間的交互鼠標(biāo)和鍵盤(pán)輸入通過(guò)實(shí)現(xiàn)。該工具欄為開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)提供的所有的功能。
圖七.圖形用戶(hù)界面組合夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)
B 研究案例
在模塊化夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用一個(gè)個(gè)例完美的闡述。工件加工過(guò)程如圖 6。面銑刀在頂面執(zhí)行，隨后就完成了來(lái)那個(gè)臺(tái)階孔。為了工件步驟和指導(dǎo)步驟，用戶(hù)設(shè)計(jì)了這是一個(gè)模塊化的夾具系統(tǒng)。該夾具規(guī)劃模塊已應(yīng)用于一個(gè)可行的設(shè)計(jì)方案。在這個(gè)模塊中，定位，夾緊和支持的面，以及定位，支持和夾緊點(diǎn)，則取決于相應(yīng)的的知識(shí)基礎(chǔ)和夾具啟發(fā)式規(guī)則。
在此之后，用戶(hù)在元素存放區(qū)探索并選擇適當(dāng)?shù)膴A具元件完成夾具上各點(diǎn)的空間要求。當(dāng)完成后，用戶(hù)移動(dòng)到裝配設(shè)計(jì)區(qū)域，把選定的元素放在在書(shū)桌上，如圖所示 8（a）。下一個(gè)的任務(wù)是選定元件來(lái)完成夾具結(jié)構(gòu)分布。在虛擬環(huán)境中，用戶(hù)可以自然的方式裝配夾具元件。如圖所示圖。 8（b）項(xiàng)，例如模塊化的夾具系統(tǒng)的最后配置，工件的形成。
當(dāng)夾具配置完成后，下一階段是加工推理的模擬檢測(cè)。如圖9（a）和圖9（b）項(xiàng)所示，夾具系統(tǒng)的構(gòu)建安裝在一臺(tái)數(shù)控機(jī)床并且模擬了刀具路徑執(zhí)行情況。
Ⅶ.結(jié)論
對(duì)于組合夾具的設(shè)計(jì)制造，我們已經(jīng)提出并制定了桌面虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境 。提供了該建議的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，即裝配設(shè)計(jì)環(huán)境和加工仿真環(huán)境的設(shè)計(jì)。通過(guò)分析組合夾具結(jié)構(gòu)，層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模塊，以及XML提出了基礎(chǔ)夾具元件。從而準(zhǔn)確在虛擬現(xiàn)實(shí)模型中操作，實(shí)現(xiàn)組合夾具設(shè)計(jì)和裝配。此外，還要總結(jié)夾具元件之間的裝配關(guān)系和描述在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的裝配操作過(guò)程的。加工制造業(yè)的模擬檢查中，使用該方法。最后一個(gè)案例研究的提出，用來(lái)說(shuō)明我們的集成系統(tǒng)。
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