基于特征集成的夹具设计模型及其应用研究*

唐耀红，何翠群

（1.漳州职业技术学院机械与自动化工程系，福建漳州 363000；2.南昌工程学院机械与电气工程学院，南昌 330029）

基于特征集成的夹具设计模型及其应用研究*

唐耀红1，何翠群2

（1.漳州职业技术学院机械与自动化工程系，福建漳州 363000；2.南昌工程学院机械与电气工程学院，南昌 330029）

针对CAD/CAM/CAPP/CAFD的集成技术进行了简要总结，分析了采用基于特征进行系统集成的优势。对零件设计特征—制造特征—夹具特征的特征描述及其映射过程进行了研究，指出了根据特征映射获得夹具设计信息的特点及关键；建立了基于特征集成的夹具设计信息模型，提出了集成环境下夹具设计的功能模型与体系结构。根据夹具设计的功能模型与体系结构，开发了用于汽车同步器零件制造的计算机辅助夹具设计应用系统，并用一个具体设计实例验证了夹具设计模型的实用性与有效性。

特征集成；特征映射；夹具设计模型；CAFD系统

0 引言

在当今激烈竞争的市场中，快速响应市场，制造出满足用户需求的产品，是企业生存和发展的关键。据统计，产品生产准备周期一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，因而，作为制造规划的一部分，夹具设计的效率直接影响到生产准备时间和产品成本［1-2］。随着制造业信息化的应用和深入，以CAD/CAM/CAPP/CAFD集成为核心的企业制造系统集成是企业在战略上和技术上的最终选择。过去对夹具设计的研究多集中在把其作为一个独立的系统，缺乏与其他设计、制造支持系统的联系。本文提出基于CAD/CAM/CAPP/CAFD特征集成技术，通过特征映射得到夹具设计信息，建立基于特征集成的夹具设计信息模型，规划集成环境下夹具设计的功能要求与体系结构，开发具体的计算机辅助夹具设计系统，为能够进一步开发通用型夹具CAD系统提供参考。

1 CAD/CAM/CAPP/CAFD系统集成技术

以CAD/CAM为典型的CAX集成系统早已比较成熟，其商用应用软件得到了普遍应用。但是，将更多的单个CAX系统集成在一起，形成以CAD/CAM/CAPP/CAFD集成系统为核心的CAD/CAM/CAPP/CAFD/CAX企业制造集成系统，还有很长的路要走。目前，用于实现CAD/CAM/CAPP/CAFD集成的主要技术有基于STEP标准的集成技术、基于PDM的集成技术和基于特征的集成技术［3］。

1.1 基于STEP标准的集成技术

这种集成技术采用统一的产品数据模型，并对产品数据进行统一管理。各CAX系统之间可直接进行信息交换，而不是将产品信息转换数据，再通过文件来交换，这有利于提高系统的集成性。但是STEP标准只是提供一种不依赖于具体CAX系统的中性机制，其实质还是通过文件的方式来交换信息，具有丢失CAD设计意图的局限性，并不能满足真正意义上的集成需求。

1.2 基于PDM的集成技术

PDM以产品数据管理为核心，以数据库技术和计算机网路技术为支持，将与产品相关的信息与过程如研发计划、产品模型、工程图样、技术文档、工艺文件、数控代码、设计过程、制造过程、企业资源等等进行集成管理，并将多种功能软件集中在一个统一平台上。基于PDM的CAD/CAM/CAPP/CAFD集成方式可以实现数据跨平台传输分布处理。然而，这种集成技术的实质是对产品数据进行集中管理，CAX单系统之间在交换信息时，会丢失各CAX单系统表达的本质意图，也不能满足真正意义上的集成需求。

1.3 基于特征的集成技术

特征是用于完整表达产品信息的集合单元，是一定形状、语义和工程属性的集合。在定义特征时，不针对具体的系统是CAD、CAPP还是CAFD，只依照特征本身的数据结构进行描述，这就使得特征成为独立于具体应用系统的单元。当将特征应用于CAD、CAM、CAPP、CAFD建模时，他们就具有了统一的产品数据模型，系统彼此之间完全兼容。特征模型不仅支持设计与制造各阶段所需的产品定义信息（设计信息、制造信息），而且还提供符合人们思维方式的高层次工程描述单元体——特征，并能表达工程师的设计与制造意图。因而，特征技术就成为了CAD/CAM/CAPP/CAFD集成的最关键技术，即基于特征的集成技术是最有前途、最有效的CAD/CAM/CAPP/CAFD集成技术，能够实现CAD/CAM/CAPP/CAFD的真正集成。

2 夹具设计中的特征描述

特征具有多视域（设计域、制造域等等）特性，不同视域间的特征既有区别又有联系，特征在不同视域间的转换过程就是特征映射。在不同视域中，对特征的具体描述与表达是不完全相同的。为了求得不同视域内的求解问题描述域和对应的问题解答域，我们将涉及到夹具设计域的特征进行分类与描述，以方便夹具设计中的特征映射的实现。

2.1 特征的类型及描述

夹具设计域与零件设计域和零件制造域高度关联。本文将涉及到夹具设计域的特征分为设计特征、制造特征和夹具特征。

（1）设计特征

设计特征是构成零件的设计单元，封装了零件该单元的管理信息（如特征名、特征编号、设计意图等）、技术信息（如特征的技术要求等）、材料热处理信息（如材料性能、热处理方式、硬度值等）、精度信息（如形位公差、表面粗糙度等）和形状信息。设计特征用数学方法可描述为：

式中：D表示零件设计特征；DF1表示零件形状特征，是零件设计特征的核心；DF2表示对形状特征的约束特征。

在式（2）中，di表示单个形状特征，如槽、凸台、倒角等；在式（3）中fi表示管理特征、技术特征、材料特征、精度特征等，这些特征被形状特征所引用。

（2）制造特征

将某一工艺过程或其组成部分直接操作的对象称为制造特征［4］，是一组反映工艺约束条件，具有确切加工形状的特征信息集合。制造特征从设计特征而来，它除了继承设计特征的所有属性外，还封装了零件该部分直接操作对象的工艺方法，如车削、铣削、镗削、调质处理等等。制造特征用数学方法可描述为：

在式（5）中，mi表示单个零件加工形状特征，它从设计特征映射而来；在式（6）中gi表示该制造特征的某工艺方法。

（3）夹具特征

在夹具设计中工件上那些用于定位、夹紧和支撑的形状特征称为夹具特征。夹具特征更关注该特征的几何形状、表面质量和设计意图，来源于设计特征和制造特征。夹具特征用数学方法可描述为：

2.2 夹具特征映射

在夹具设计域中，如何将零件的设计特征和制造特征转换成夹具特征是关键。夹具特征映射过程比较复杂，对于较为简单的制造特征如平面、孔特征可直接映射为夹具特征。而对于大多数制造特征因与夹具特征无共同之处，为可靠地实现夹具特征映射，必须采用基于中性特征的映射方法［5］。

定义：包含制造域和夹具设计域所有信息的、从制造特征分解而来的与视域无关的面特征集合，称为中性特征。

基于中性特征的夹具特征映射过程是，首先根据工件设计特征和制造特征，找出可用于装夹规划的所有制造特征，并将他们分解成构成中性特征的面特征，最后将中性特征按照映射规则转换成夹具特征。

3 夹具设计模型

夹具设计的核心问题是根据零件的设计特征和制造特征获得夹具设计所需要的信息。夹具设计过程可概况为：根据获得的夹具设计信息建立夹具设计信息模型、进行夹具设计功能需求分析、规划装夹方案，最后完成夹具的技术与构形设计。

3.1 夹具设计信息模型

对于夹具设计人员，最为关心的问题是设计夹具究竟需要什么样的信息，这些信息对设计夹具有些什么影响？为此，本文建立了如图1所示的基于特征的夹具设计信息模型，帮助夹具设计人员在开发或利用夹具CAD系统进行自动或半自动夹具设计时，有针对性地获得夹具设计所需要的知识、资源、规则等信息，编制自动夹具设计应用程序集，以提高夹具设计效率。

图1 基于特征的夹具设计信息模型

图1中，夹具特征涵盖了零件设计域和制造域的全部信息，如零件的材料、结构、工艺方法等，是夹具设计的依据；夹具事例包括已有夹具组成的夹具实例库、夹具元件或装置库、夹具知识规则库、夹具设计手册等，它们是夹具设计的支持和基础；夹具设计技术是指用于夹具设计的特征设计技术、参数化设计技术、成组技术、基于实例推理的技术等使能技术；夹具设计工具是计算机工具的集合。

3.2 夹具设计功能模型

夹具应满足定位稳定性、定位惟一性、夹紧稳定性和总体约束4个功能需求［6］。夹具设计时一个重要任务就是将夹具的功能要求向夹具构形转化，所以对夹具进行功能需求分析的重点集中在满足上述功能方面。夹具在功能和结构上都具有分级特性，可用层次分解的方法对夹具功能进行层层分解，形成夹具功能结构模型，如图2所示。

图2 夹具功能结构模型

图3 夹具设计体系结构

3.3 夹具设计体系结构

在基于特征集成的环境下，产品（零件）设计（CAD）、工艺设计（CAPP）和夹具设计（CAFD）并行进行。CAD和CAPP从CAFD系统中获得支持与评价产品设计及工艺设计的约束信息，如对零件可装夹性、定位精度等进行评价反馈，这些约束信息是避免零件设计及其工艺规划出现大的失误和返工的必要条件。而CAFD又从CAD和CAPP系统中获得夹具设计所需的已知信息，实现从夹具的概念设计到构形设计，最后得到夹具装配模型和工程图纸。夹具设计的结果，如夹具的材料、结构、精度、数量、技术要求等决定着夹具的制造方法和夹具维护的组织方式方法。为此，本文提出如图3所示的基于特征集成环境的夹具设计体系结构。其中信息域自动获取夹具设计信息，构成夹具信息模型和功能模型，在此基础上，生成夹具装夹方案，是夹具设计的基础域；结构域对夹具进行构形设计，形成夹具装配模型，并最终生成工程图，是夹具设计的核心域；支持域生成夹具的虚拟模型并进行各种仿真与计算，从而对夹具性能进行测试、对制造过程进行验证，是夹具设计的检验域，向CAD、CAPP进行反馈约束的关键；现实域用来完成夹具物理模型的试制、制造和生产过程管理，是把夹具设计结果从虚拟三维模型变为实物夹具的部分，并对夹具进行管理。

4 应用实例

本文在上述夹具设计模型的基础上，以现有的三维CAD系统Solidworks为平台，以Visual Basic6.0和SQL Server为开发工具，通过对Solidwork进行二次开发，研究开发了基于特征集成的用于汽车同步器制造的CAFD系统。

系统结构框架如图4所示，它由夹具设计子系统和夹具管理子系统组成。利用Solidworks里面提供的自定义宏功能来添加菜单或工具按钮，将系统无缝集成于Solidworks平台上，参考程序如下：

利用该系统设计的汽车同步器齿套倒角工序所用夹具（倒角夹具）如图5所示。

图4 CAFD系统结构框架

图5 倒角夹具设计结果

5 结束语

夹具设计是一项针对性极强的创造性设计活动，CAFD系统将继续朝着集成化、标准化、并行化、智能化和实用化方向发展，同时各方向间相互交叉、相互促进是CAFD系统发展的必然方向。本文针对夹具设计系统与CAD、CAPP集成度不足的情况，提出的基于特征集成的思想对今后的CAFD系统进一步研究具有一定的理论指导作用；提出并建立的夹具设计模型对夹具设计的自动化和智能化发展研究也具有一定的参考价值。但是，从夹具设计模型到夹具构形设计及装配模型的自动化过程仍然有很长的路要走，有待于今后做进一步地深入研究。

［1］Tien Chien Chang，Richard A Wysk，Hsu Pin Wang.计算机辅助制造［M］.北京：清华大学出版社，2007.

［2］吴卫东，廖文和.基于特征的夹具设计信息模型及其应用研究［J］.组合机床与自动化加工技术，2013（5）：94-97.

［3］郜勇.面向CAPP/CAFD集成的智能化夹具设计方法研究［D］.济南：山东大学，2005.

［4］冯培恩，刘伟平，马友才，等.机械制造工艺对称性的概念体系及其应用思路［J］.工程设计学报，2010，17（3）：161-167.

［5］沈跷红，李广云.从制造特征到夹具特征间接映射的中性特征模型研究［J］.机械科学与技术，2004，23（2）：130-133.

［6］刘长安，杨志宏，郜勇，等.基于功能特征结构映射的夹具设计模型与方法［J］.计算机集成制造系统，2006，12（8）：1192-1197.

（编辑 赵蓉）（编辑 赵蓉）

Research on Fixture Design Model and its Application Based on Feature Integration

TANG Yao-hong1，HE Cui-qun2
（1.Department of Mechanical and Automation Engineering，Zhangzhou Institute of Technology，Zhangzhou Fujian 363000，China；2.School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nachang 330029，China）

In the light of brief summary of integration technology of CAD/CAM/CAPP/CAFD，the advantages of system integration based on feature is analyzed.with research on feature description and its mapping process of part design feature-manufacturing feature-fixture feature，the characteristic and key of acquisition for fixture design information in feature mapping is pointed out，the fixture design information model based on feature is setup，and function model and system structure of fixture design on integration surroundings is put up.According to the function model and system structure of fixture design，a CAFD system applied to manufacturing of the automobile synchronizer has been developed.In the end of the paper，a design example of fixture illustrates practicability and availability of the fixture design model.

feature integration；feature mapping；fixture design model；CAFD system

TH122；TG65

A

1001-2265（2015）04-0142-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.04.038

2014-07-30

江西省科技厅自然科学基金资助项目（20122BAB206036）

唐耀红（1967—），男，湖北咸丰人，漳州职业技术学院副教授，硕士，研究方向为CAD/CAM/CAPP/CAFD、数控技术，（E-mail）tyh_1967 @163.com。