摘要：論述了機床夾具CAD系統(tǒng)MF-CAD（MachineToolFixtureCADSystem）的方案設(shè)計，提出了基于特征技術(shù)的零件工藝模型表示方法。應(yīng)用特征技術(shù)建立面向特征工藝的夾具設(shè)計模型，實現(xiàn)了一種基于特征工藝設(shè)計與夾具設(shè)計為一體的集成模式。
　　
　　1引言
　　
　　如何應(yīng)用CAD這一*工具和手段服務(wù)于工裝設(shè)計，實現(xiàn)產(chǎn)品的高質(zhì)量、低本錢、短生產(chǎn)周期，近年來受到普遍的關(guān)注。采用基于特征技術(shù)實現(xiàn)支持整個工藝設(shè)計過程的計算機輔助夾具設(shè)計系統(tǒng)的研究，已成為該技術(shù)領(lǐng)域研究的熱門題目之一，是實現(xiàn)工藝裝備設(shè)計自動化的重要方法和手段。
　　
　　近年來在夾具CAD技術(shù)的研究中取得了很大的進展。由于夾具方案設(shè)計經(jīng)驗性很強，其中需要考慮的題目很多，目前在國內(nèi)外有很多的夾具方案設(shè)計方法，其中有的已成功地應(yīng)用到了生產(chǎn)實踐中，有的尚處于研究階段。但這些系統(tǒng)大都側(cè)重于特定設(shè)計功能的實現(xiàn)，缺乏對整個設(shè)計過程及數(shù)據(jù)模型的研究。本文將討論如何利用特征技術(shù)，實現(xiàn)支持整個設(shè)計過程的夾具CAD系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)及相關(guān)的設(shè)計方法。
　　
　　2機床夾具CAD系統(tǒng)方案設(shè)計
　　
　　機床夾具CAD系統(tǒng)是面向夾具設(shè)計職員的參數(shù)化圖形信息治理系統(tǒng)，它融程序庫和參數(shù)化圖形系統(tǒng)于一體。本文所設(shè)計的夾具CAD系統(tǒng)是建立在基于三維特征模型CAD基礎(chǔ)之上，整個系統(tǒng)設(shè)計過程由被加工零件設(shè)計、工藝方案輔助設(shè)計、定位夾緊方案分析（包括定位誤差分析計算、夾緊力大小計算等）、夾具元件設(shè)計和夾具裝配設(shè)計等五個部分組成。
　　
　　被加工零件設(shè)計即設(shè)計被加工零件，并輸進零件各部分與加工和設(shè)計夾具有關(guān)的信息，例如零件的尺寸大小、加工精度、材料種類、技術(shù)要求以及用戶對夾具設(shè)計的具體要求等。
　　
　　工藝方案輔助設(shè)計即用被加工零件的設(shè)計信息與工藝知識庫中的信息進行比較，經(jīng)過設(shè)計者的修改，得出公道的零件加工工藝后，再交互選取設(shè)計夾具的工序。
　　
　　定位夾緊方案分析即確定定位夾緊方案，選擇定位元件和夾緊元件，利用程序庫中的相應(yīng)程序，進行定位元件結(jié)構(gòu)尺寸計算和定位誤差分析以及夾緊力的計算，完成定位夾緊系統(tǒng)的設(shè)計。
　　
　　夾具元件設(shè)計即根據(jù)前面的定位夾緊方案，對所需的夾具元件進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并從圖形庫中調(diào)用標準的參數(shù)化夾具元件，如定位元件、支承元件等。
　　
　　夾具的總體裝配利用交互式設(shè)計和圖形庫對夾具的裝配進行設(shè)計。
　　
　　3基于特征技術(shù)的零件工藝模型
　　
　　工藝模型的描述是根據(jù)工藝設(shè)計方案天生的工藝設(shè)計過程信息，應(yīng)用特征技術(shù)，從夾具設(shè)計角度，描述零件從毛坯到成品之間變換過程的特征信息，支持整個夾具設(shè)計過程。工藝模型通常從三個層次上表達加工的序列。用工序表示在一臺機床上的加工，用安裝和工位表示一次裝夾的加工位置，以工步表示一個特征的加工。因此，整個加工工藝過程由若干排列的工序組成，每一個工序又是由安裝工位和工步組成。由于我們的目標是應(yīng)用于夾具設(shè)計，所以，工藝模型的建立以工序為單位，按裝夾要求來描述零件特征和工序內(nèi)容。
　　
　　基于特征的零件工藝模型結(jié)構(gòu)。工序1中工件的裝夾特征表示零件毛坯的初始狀態(tài)，用毛坯特征表達，以后各工序中零件的裝夾特征表示在原毛坯特征的基礎(chǔ)上若干特征的增加。工序1對毛坯進行了兩個特征的加工，因此，工序2中工件的裝夾特征表示在原毛坯特征的基礎(chǔ)上的增加，即除了繼續(xù)原有的毛坯特征外，還增加了兩個特征。在工序2中，僅加工特征1的狀態(tài)發(fā)生變化（如擴孔加工產(chǎn)生的孔徑變化）。因此，工序3中工件的裝夾特征僅表示加工特征1狀態(tài)的變化，即除了繼續(xù)工序2中的裝夾特征外，還增加了特征1狀態(tài)的變化。可以說，工件在任一工序中的裝夾特征都表示毛坯特征、加工特征和狀態(tài)，每一次工件的裝夾特征都是上一次工件裝夾特征狀態(tài)的變化或新特征的加進。
　　
　　毛坯特征零件的設(shè)計特征，其內(nèi)容和結(jié)構(gòu)與毛坯設(shè)計相關(guān)。加工特征是在編制加工工藝過程中所產(chǎn)生的描述加工工藝及工件外形的單元，其內(nèi)容包括工件加工表面的幾何外形、加工表面的方位、加工精度、粗糙度和加工設(shè)備等信息。
　　
　　4基于特征工藝的夾具CAD系統(tǒng)模型與功能
　　
　　針對工藝設(shè)計與夾具設(shè)計的關(guān)系，本文提出一種基于加工特征的工藝設(shè)計與夾具設(shè)計為一體的集成模式，利用特征技術(shù)建立面向CAPP的工藝模型和面向夾具方案設(shè)計的裝夾特征模型，實現(xiàn)工藝設(shè)計與夾具設(shè)計的集成。
　　
　　（1）系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
　　
　　本系統(tǒng)在功能上包括兩個子系統(tǒng)：CAD/CAPP集成子系統(tǒng)和機床夾具CAD（FM-CAD）子系統(tǒng)。
　　
　　從三維CAD系統(tǒng)（本文中采用的是MDT）傳來的信息，經(jīng)特征提取后得到有關(guān)加工工藝信息和工裝夾具的設(shè)計信息，天生工藝模型，再將夾具設(shè)計信息傳給FM-CAD子系統(tǒng)。FM-CAD子系統(tǒng)根據(jù)工藝模型提取裝夾特征信息天生裝夾特征模型，按照系統(tǒng)設(shè)計的推理方法zui后得到工藝設(shè)計文件和夾具設(shè)計模型。
　　
　　在整個設(shè)計過程中，系統(tǒng)不僅要接受和處理大量的設(shè)計信息，而且還要實現(xiàn)從加工特征的提取、工藝過程設(shè)計、夾具設(shè)計到裝配等大量信息和功能的集成。建立工藝設(shè)計和夾具設(shè)計的數(shù)據(jù)模型，將工藝設(shè)計和夾具設(shè)計中的信息通過零件信息模型、工藝模型和夾具設(shè)計模型集成起來，由網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫提供有力的支持。
　　
　　（2）系統(tǒng)功能
　　
　　CAD/CAPP的功能：首先實現(xiàn)零件的三維特征造型，并通過零件特征信息的輸進，識別零件結(jié)構(gòu)要素并檢索其加工特征，由專家系統(tǒng)推理完成零件結(jié)構(gòu)要素的工藝設(shè)計、機床刀具選擇、夾具類型選擇，確定加工工藝路線和工序內(nèi)容，天生工藝設(shè)計文件，同時建立可向夾具設(shè)計提供信息的工藝模型。
　　
　　FM-CAD的功能：
　　
　　程序庫：主要存放方案設(shè)計中各種設(shè)計計算程序，如方案設(shè)計中定位誤差分析計算程序、夾緊力計算與校核程序等。
　　
　　數(shù)據(jù)庫：用于存儲夾具設(shè)計所需的各種數(shù)據(jù)，包括夾具元件的結(jié)構(gòu)尺寸、方案設(shè)計使用的各種表格數(shù)據(jù)、公式及圖形數(shù)據(jù)以及保存夾具設(shè)計過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)等。
　　
　　參數(shù)化圖庫：存放夾具設(shè)計所需的各種參數(shù)化夾具元件、組件、標準件、非標件和夾具設(shè)計時用到的各種符號、格式等。
　　
　　裝夾特征信息庫：用于存儲夾具方案設(shè)計的特征信息。應(yīng)用特征建模技術(shù)建立裝夾特征模型、表達方案設(shè)計信息，作為夾具元件選擇與裝配的依據(jù)。根據(jù)工藝特征模型提供的夾具設(shè)計信息，提取夾具方案設(shè)計的裝夾特征信息，zui后完成夾具方案設(shè)計（包括夾具定位結(jié)構(gòu)設(shè)計、定位夾緊機構(gòu)設(shè)計、導(dǎo)向裝置設(shè)計、誤差分析等），用裝配模型模擬夾具的裝配。夾具方案設(shè)計可以按常規(guī)夾具設(shè)計順序，分為夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計，定位方案設(shè)計、定位誤差計算、定位機構(gòu)設(shè)計、夾緊方案設(shè)計、夾緊力分析計算、夾緊機構(gòu)設(shè)計、導(dǎo)向?qū)Φ斗桨冈O(shè)計、導(dǎo)向?qū)Φ墩`差計算、導(dǎo)向?qū)Φ稒C構(gòu)方案設(shè)計、夾緊元件、定位元件等的選擇設(shè)計和其它夾具元件設(shè)計等。