机械工程学术报告

****大学研究生学术报告题目关于组合夹具CAD系统的探讨类别博士□硕士□所属学院机械工程学院学科专业机械工程研究方向制造业信息化导师姓名学号姓名第1次报告2013年9月22日****大学研究生学术报告报告内容：一、组合夹具的研究意义组合夹具是由一整套预先定制好的不同形状、不同规格的标准元件及合件，根据组合化原理和工件的加工要求组装而成的各类专用夹具，具有标准化、精密化、柔性化的特点。组合夹具元件数目众多，组合方式多样，其装配对技术性及经验性要求较高，实际装配时需要经过多次调试，装配周期较长。在此背景下计算机辅助夹具设计(computeraidedfixturedesign,CAFD)关于组合夹具的研究成为了热点。计算机辅助夹具设计CAFD需要夹具元件库的支持，三维组合夹具元件库是计算机辅助工艺过程设计(computeraidedprocessplanning,CAPP)系统的一个重要组成部分。元件库的建立还可以使用户很方便地浏览所需的组合夹具元件，并直接插入到当前图形中，它不仅是CAFD的一个不可缺少的组成部分，而且可以单独使用，直接为组合夹具站在组装夹具时应用。目前绝大多数CAD系统软件，比如UG,CATIA,Pro/E,SolidWorks等，虽然提供了一些常用的标准件库，但是都没有提供面向组合夹具设计的参数化、用户可方便自扩充的元件库和构件库。这样对于组合夹具设计人员，就常常因为没有组合夹具元件库和构件库，而要进行很多不必要的重复绘图工作，大大降低了设计人员的工作效率。为此国内有对基于以上软件开发的组合夹具三维图库的研究，例西安工业大学万宏强等人研究的组合夹具三维图库Pro/ENGINEER版、SolidWorks版、UG版。但很多元件库系统都只能在特定的CAD平台下运行。二、当前CAFD面临的主要问题国内外对于CAFD的研究针对不同侧重点展开了针对多角度多方位运用多种方法（造型，模型分析等软件的应用，基于人工智能包括知识和专家系统的应用，算法，推理及功能分析方法等的应用）的计算机辅助夹具设计研究，为夹具CAD的研究提供了更多借鉴和参考，也使夹具设计系统的自动化程度大大提高。现有CAFD系统研究存在的主要问题有:夹具设计和装配手段仍未从计算机辅助工程中得到更多的受益，它仍是现代制造系统的瓶颈之一。CAFD应向着集成化、知识化、智能化和实用化方向发展。对于夹具构形设计当中针对不同CAD平台间夹具系统的信息传输和数据共享方面研究则更加缺乏。一个有效的夹具设计系统应该便于在不同操作平台上进行数据传输，能够与其它制造系统交互并且为了达到最优设计应具备一定的柔性，使夹具设计及拼装系统的应用不再依附于某一特定平台，最终实现异构平台之间的数据转换和夹具CAD系统的重用。可扩展标记语言为解决信息交换问题提供了一个崭新的视野。三、关于组合夹具的简单介绍按元件定位联接形式不同，当前国内外组合夹具分成槽系组合夹具和孔系组合夹具两大类型。槽系组合夹具元件之间定位联接是采用高精度的槽、键定位，螺栓紧固。孔系组合夹具元件之问的定位联接是采用高精度的孔、销定位，螺栓紧固。组合夹具元件按其用途不同，可分为八大类:基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、合件和其它件。无论是槽系还是孔系组合夹具，其结构要素均已系列化，标准化。两系相比各有优点，目前制造业中为槽系和孔系并存的局面。MFS6.0系统中的组合夹具属于槽系组合夹具，分为数控配套大型、中型和数控三大系列，每一系列都可分为基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、合件、通用件和其它件。其中合件是指几个元件组合在一起的活动件，在夹紧工件时其形状和位置随工件形状变化。工人在长期组装过程中总结出完成某一种或几种独立功能的夹具元件优先组合形式，主要包括基础、支柱、定位、夹紧、导向、分度、扳度、折合、滑动等数种。此外为了处理方便，把各类组合件按其完成的功能也分到各类典型结构中（一般情况下，组合件的主要功能是定位和夹紧）。优先组合形式连同三大系列中的组合件一起统称为典型结构。在实际中，每种典型结构，按其应用的不同场合又可分为若干类，如定位类典型结构可分为V型块定位、V型支承板定位，定位销定位，三爪支承定位等等。四、XML在机械CAD系统中的应用XML(ExtensibleMarkupLanguage，可扩展标记语言)是由互联网联合组织(WorldWideWebConsortium)于1998年2月发布的一种标记语言标准，它定义了一种如同HTML(HyperTextMarkupLanguage，超文本标记语言)一样的文件格式，用于保存数据和相关信息。利用XML可以使数据信息在不同的操作系统及网络系统之间无障碍地传递和共享，并且不会丢失信息。由于这种平台无关性，数据文件小，便于网络传输等特性使它具有独特的优点，如扩展性、独立性、数据抽象性等，同时XML的语法极其灵活，允许用户根据需要修改格式，添加所需的各种类型的信息，这些优点使XML适用于描述与夹具相关的文档信息。XML文件包括三部分:XML声明、处理指示(可选)、XML元素。形式良好的XML文档的开始必须是XML声明；含有数据的元素必须有起始标记和结束标记；不含数据并且仅使用一个标记的元素必须以/结束；文档只能包含一个能够包含全部其他元素的元素；元素只能嵌套不能重叠；属性值必须加引号。XML在机械CAD系统中的应用：基于XML的远程CAD交互系统；基于XML的CAD图形数据库开发及应用；基于XML的三维参数化标准件库系统；基于XML的图形数据接口；XML在基于STEP的产品数据表达。五、三维实体建模三维实体建模在计算机内部的表达方式有多种，常用的是构造实体表示法CSG（ConstructiveSolidGeometry），边界表示法B-rep，混合模式B-rep+CSG和空间单元表示法。图形库中的夹具图形较规则且都可以分解成若干个体素对象集合，非常适用于CSG的构造实体的方式。当今主流的CAD软件都提供基于CSG的实体造型方法，并且各个CAD软件对基于CSG的实体造型的处理相似。所以拟采用构造实体几何表示法(CSG)作为夹具图形的建模方法。CSG是一种通过正则布尔运算(并，交，差)把基本几何形体(通常称为体素，例如立方体、球、圆柱、圆锥等)按一定位置关系叠加在一起，从而构造出复杂三维实体的表示方法。六、XML文档与基于CSG模型的图形数据的映射CSG的构造方法可以看作一棵有序的二叉树，称为CSG树，可以将CSG的树型结构映射到XML的层次结构中。首先分析夹具图形，夹具元件均可以分解为体素和特征两部分。体素包含二维体素(如直线、圆弧等)和三维体素(立方体、长方体、圆柱体等)，特征包括孔、槽、长孔等。然后将体素映射成XML中的体元素，体元素中包含属性，文本数据，子元素。其中坐标，半径，标识符ID和基点位置信息映射成元素的属性，形状数据映射成元素的子元素。最后从体素中选定一个作为根体素，对应成为XML的根元素。这个根元素将包含其他体素。然后按照CSG建模方法将构成模型的体素及特征表达成XML元素，其中对特征的定义有以下几种:U型键槽、T型槽、通孔、螺纹孔、盲孔、沉头孔、长圆孔、长圆沉头孔等。图4为内六角螺钉的体素和特征与XML文档相映射的实例图4内六角螺钉XML的映射示例XML图形信息构建过程如下：夹具元件基于XML的跨平台数据交换，来实现XML文件生成CAD平台下的实体图形，该过程涉及到XML文件的解析，图形数据的转换，以及图形的生成三个部分。其流程如下：目前CAD/CAM系统的开发主要可分为三种方式:完全自主版权的开发，一切夹具图形CSG实体模型XML层次结构XMLXML解析器图形数据结构CAD系统二次开发包实体图形数据结构需从底层做起；基于某个通用CAD系统的二次开发，如基于AutoCAD软件的二次开发；基于CAD/CAM软件平台的开发，此类开发界于前两种方式之间，较二次开发可以更深入核心层，具有开发周期短、见效快、系统稳定性好和功能强等特点。因此，这一类是进行自主版权CAD/CAM软件研发较为理想的一种方式。目前，较流行的图形内核平台有ACIS,PARASOLID,OpenGL,HOOPS,CAS.CADE等。图形内核的研发是一项复杂的系统工程，任何一个图形平台都很难做到功能完备。例如：ACIS具有丰富的几何造型功能，但是在可视化操作与交互方面能力不足；PARASOLID造型与图形交互功能都很出色，但是由于数据结构不清楚，对于复杂模型的数据管理存在缺陷；OpenGL的图形显示与交互功能强大，但是缺少专业的几何工具库；HOOPS的图形显示、交互和数据结构方面具有显著优势，但是造型功能欠缺。因此，立足于单一图形平台的系统开发难以满足高端要求，若基于双重平台则可以取长补短，提高研发效率。目前国内自主开发的组合夹具设计软较少，即使有也往往由于采用组合夹具的简化形式，使得设计不够直观。并且由于当时计算机速度的限制及我们开发技术不够成熟，使得开发出来的软件使用起来并不理想。当前开发的各种计算机辅助组合夹具设计软件，往往采用二维环境下进行设计，这是由于当时计算机水平和软件的限制所至，现在由于三维软件的崛起，使得我们得以进行三维环境下的组合夹具设计，这样设计更加直观。