基于UG_KF的飞机结构件数控夹具设计技术研究及应用_11_15

南京航空航天大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 计算机辅助夹具 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 概述 计算机辅助夹具设计(Computer Aided Fixture Design, CAFD)是改变传统夹 具设计手工劳动性质，促使夹具设计快速化和自动化的有效途径。CAFD 已经 发展成为 CAD/CAM 集成技术的一个重要组成部分[1]，并且成为 CAPP 的一个 重要方面，是 CIMS 环境下设计和制造之间的连接纽带。随着 CAD/CAM 系统 在工业中的建立，CAFD 很自然地应用到了夹具设计当中，而且由于夹具对制 造成本和制造周期的影响非常大，研究人员开始注意到 CAFD 的重要作用，并 把缩短加工准备周期作为 CAFD 的一个重要目标。与传统的夹具设计相比，计 算机辅助夹具设计有以下特点： (1) 把设计者从繁琐的劳动中解放出来，提高了设计的效率和设计质量， 使设计者把更多的注意力放在创新性开发上面； (2) 可以把夹具设计人员的经验和知识存入计算机构成知识库，经过知识 的推理来实现夹具设计，有利于夹具设计知识的重用，并实现夹具设计的自动 化； (3) 由于计算机辅助夹具设计采用了统一的系统程序，可以获得相对统一 的设计与优化结果，有利于实现夹具设计的通用化、 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化、系列化。 广义地说，CAFD 是属于新兴的计算机辅助工艺装备(Computer Aided Tooling, CAT)范畴。CAD/CAM 系统中，CAFD 以其本身特点是相对独立的一 部分，并和其他部分尤其是和 CAPP 紧密连接，与通用 CAD/CAM/CAPP 平台 相比，CAFD 系统具有以下特点： (1) 针对夹具设计过程的标准化 CAFD 可以根据特定行业或企业的设计标准，将设计过程和行业或企业的 零件和部件设计标准相融合，大大提高设计的效率和准确性，缩短产品的设计 和生产周期，降低产品的成本。 (2) 更有效的夹具数据集成 通用 CAD 系统只能支持有限的标准件，并且为了系统的安全性和 PDM 考 虑，在动态扩充性能方面没有提供更好的接口，导致企业应用中产生种种不便。 基于 UG/KF 的飞机结构件数控夹具设计技术研究及应用 2 CAFD 系统则可以跨越这些樊篱，从行业甚至企业的层面上扩充标准化零件和 组合件库，保证设计人员摆脱许多重复劳动[2]。 (3) 面向夹具设计过程的智能向导 工程向导融合了夹具设计中特有的过程知识，把夹具设计中复杂的因素连 接到了自动过程当中，夹具设计向导极大地改进夹具设计的效率。 (4) 夹具设计知识集成 通用的 CAD 平台只是提供了人机交互的平台，产品的设计完全依靠设计 者的知识和经验来进行，且无法使用以往的成功设计实例，而 CAFD 系统则不 同，不仅提供了夹具设计的智能向导，而且通过应用知识工程等技术，可以将 夹具设计各阶段中的知识无缝地集成到系统中来，提供各种辅助设计工具，减 轻设计者的劳动量，提高夹具设计质量。 实现夹具设计的自动化是 CAFD 的发展方向和目的，而自动化的基础是智 能化和知识的集成，从而基于知识的 CAFD 系统成为了当前的研究热点和主要 研究方向[3]。这是因为夹具设计是一种创造性活动，需要综合运用许多学科的 专门知识和丰富的经验，经过思考和推理，才能得到正确合理的设计。 1.2 基于知识的计算机辅助夹具设计研究现状 知识驱动的计算机辅助夹具设计系统，将夹具设计的有关知识用事实和规 则表示存贮于知识库中，通过对知识库中知识的推理，引导用户完成夹具的方 案设计、结构设计、结构分析、性能 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 等全过程，最终完成一套夹具的设计。 夹具设计涉及多学科的知识和经验，包括许多方面的内容，如定位 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 确 定、夹紧元件选择、精度分析、刚度校核、夹具结构设计等，而且加工零件多 样，加工工艺过程的复杂，从而导致了夹具设计的复杂性。朱耀翔、融亦鸣和 罗振璧在对 CAFD 研究的基础之上[4-9]，将 CAFD 分为四个步骤：(1) 安装规划， (2) 夹具规划，(3) 夹具结构设计，(4) 性能评价。安装规划的目的是决定需要 的安装次数，每次安装中工件的方位和要求加工的表面。夹具规划主要用来决 定工件上定位支撑的面和点，以及各夹紧点。夹具结构设计的任务是选择夹具 元件并把它们装配成最终的夹具布局和结构。性能评价的目的是对已设计完成 的夹具，按要求选项对有关性能进行评价和估算。针对基于知识的计算机辅助 夹具设计的研究就集中在这几个步骤上。 南京航空航天大学硕士学位论文 3 在国外学者的研究中，文献[10-13]介绍了夹具设计中应用专家系统的方法。 Nee[14]使用启发式规则库，生成一系列的夹具供选择：夹具设计的输入的是产 品模型，工件的最大横截面作为主定位面，第二定位面垂直主定位面。Bausch[15] 描述了基于规则的专家系统，研究了确定旋转体零件夹具的定位件和夹紧件。 Gandhi[16]讨论了在专家框架下使用组合夹具完成夹具设计，Nee[14]和 Sun[17]研 究了基于实例的推理在夹具设计中的应用。其他的研究工作还有 Cecil[18-21]、 Kumar[22]等。 国内的学者也对基于知识的计算机辅助夹具设计进行了大量研究，浙江大 学的陈德伟[23]采用产生式规则表示夹具设计的架知识，采用类框架表示夹具设 计的体知识，解决了夹具设计过程中复杂知识的表示方法问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ；南京航空航天 大学的黄翔[24]、李迎光[25]以开发型号工程为目的，将知识应用到机床夹具设计 中，取得了较好的效果；哈尔滨理工大学的戴鸿滨[26]提出了基于实例和知识的 焊接夹具方案总体设计策略，研究了智能 CAD 系统中实例库的设计；哈尔滨 工业大学的孙中华[27]提出了箱体类零件夹具定位机构设计的一种智能化方法， 设计了夹具定位机构智能化设计的总体结构；天津大学的许红静、王风崎等[28] 提出了一种以矩阵和向量结合作为计算机辅助夹具设计的知识表示方法。这些 研究都促进了计算机辅助夹具设计的发展和智能化。 虽然针对 CAFD 已经做了大量的研究，然而在实际生产过程中，夹具设计 依然是一个瓶颈和难点[6]，这是因为以下原因： (1) 夹具设计需要大量的知识，而且情况各异，虽然 CAFD 针对某一方面 或某一步骤做了一些考虑，但是很难将所有的知识和情况容纳进去； (2) 没有一个夹具设计的通用平台，各种研究基于不同的平台和使用不同 的工具，在以前的研究中，是基于二维平台对 CAFD 进行研究，随着 CAD 的 发展，当前则是使用三维平台； (3) 专用化是 CAFD 发展的方向，专用化能满足特定用户的需要，但相对 于其它的用户，则总是有不同的需求； (4) CAFD 的专用化是指针对某一特定产品或特定环境下夹具设计的特定 步骤或特定方面所作的计算机辅助工作，由于专用化，CAFD 有大量的工作需 要去做； (5) 当前的研究没有考虑 CAFD 与产品设计和制造的完全集成，并对并行 环境下夹具设计的研究很少，使 CAFD 能够发挥更大的作用。 基于 UG/KF 的飞机结构件数控夹具设计技术研究及应用 4 更重要的原因是缺少一个能够将夹具设计知识与 CAD 模型完全集成的工 具，因为 CAFD 的发展使得人工智能必然被引入进来，人工智能技术的引入促 进了 CAFD 研究的进一步深入，然而也暴露出了许多缺陷：缺乏对众多基于知 识的工程及领域知识的集成；缺乏对多种任务和功能的集成，因而设计对象的 规模和复杂性都受到限制。UG/KF 提供了一个解决这些问题的方法，将 UG/KF 技术应用到 CAFD 中，能够实现夹具设计知识与 CAD 模型的集成，加快夹具 设计速度。 1.3 项目来源及研究内容 1.3.1 项目来源 结构件构成了飞机结构体的主要部分，是飞机机体骨架和气动外形的重要 组成部分，是其它零部件及设备的载体。与一般机械零件相比，飞机结构件加 工难度大，制造水平要求高。结构件加工的质量与效率直接影响飞机的制造周 期与性能，随着数控技术的发展及飞机战术技术要求的不断提高，飞机结构件 的发展趋势是广泛采用整体结构件[29]，使用数控加工。成飞公司所生产的新一 代战斗机中，有 75%以上属于数控加工件[30]。这些数控加工件中涉及的零件主 要有框、梁、肋、壁板、接头结构等各种机型典型的飞机结构件，具有加工周 期长、数量大、技术难度高的特点。 数控夹具是在数控机床上用以装夹工序件的一种装置，其主要功能是使工 件相对于机床或刀具有一个正确的位置，并在加工过程中使这个位置保持不变。 由于飞机结构件数量巨大、品种繁多、形状复杂、材料各异，使得飞机结构件 在加工过程中需要大量的专用数控夹具。据统计，苏－27 飞机全机采用工艺装 备总数约 61881 项，而生产用工装 61194 项，在生产用的工艺装配中，零件加 工工艺装备约 59689 项。飞机结构件的加工中存在如此大数量的数控夹具，因 此设计和制造要占用很多人力和很长周期(飞机工装一般约占飞机研制周期的 1/3)，但是当生产机型改变时，需要重新设计和制造夹具，因此，能否快速的 设计出符合质量的数控夹具，不仅影响结构件的加工质量和效率，也决定了飞 机的制造周期。 本课题来源于与成都飞机工业（集团）有限责任公司合作的“飞机结构件 数控工装研究”项目。飞机工艺装备对保证飞机产品质量和批量生产起着重要 南京航空航天大学硕士学位论文 5 作用，飞机零件数量很大，结构复杂、要求高、相互间又有协调关系。因此， 在设计制造工艺装备时要占用很多人力和很长周期，一般约占飞机研制周期的 三分之一，要耗费大量资金。在西方国家歼击机机体的研制过程中，工艺装备 的费用占总研制经费的 16.5~19.5%。我国某型歼击机的制造，采用标准样件工 作法，其工装总数为 20700 项，其中标准工装 640 项，装配工装 660 项，零件 工装 17750 项，拼装夹具 1650 项，工艺装备的设计、制造周期约为 1.5 年[31]。 因此，快速的设计出高质量的夹具对于飞机制造有着非常重要的意义。然 而在该公司的夹具产品设计中，基本上还是采取手工设计的方式，CAD 只是作 为辅助绘图的工具，使设计人员劳动量大，设计效率低下；夹具设计依靠个人 经验，当有经验的设计人员工作岗位变化或离退休，而年轻的设计人员又不能 迅速的继承和发扬他们宝贵的经验知识，造成设计质量的不稳定；由于设计人 员习惯的不同，设计出来的夹具风格各异，规范性差。为了缩短飞机研制周期， 提高夹具设计质量，实现夹具设计知识的重用，结合“飞机结构件数控工装研 究”项目，提出了基于 UG/KF 的夹具设计方法。 基于 UG/KF 的夹具设计利用 UG/KF 技术，通过对飞机结构件数控加工夹 具的归纳、总结，建立典型夹具库和夹具元件标准件库，通过在建模时把设计 知识融合到夹具模型中去，对典型夹具进行适当的修改，从而快速完成夹具设 计。并通过计算切削力对夹具进行优化设计：切削力决定了夹紧件的夹紧力， 从而可以计算出夹紧件的几何尺寸，当夹紧件大于或小于这个尺寸时，进行夹 紧件的自动替换。在进行夹具设计时，有经验的设计师通常都搜索和想象过去 设计过的类似的夹具，通过对已有夹具的修改而完成夹具的设计。在制造业中 根据统计，超过 70%的夹具设计都来源于对现有的相似夹具修改而成[32]。因此， 通过使用 UG/KF 技术，融合设计知识(规则)到夹具结构，通过知识的推理对夹 具进行修改，从而能够快速完成夹具设计。 1.3.2 研究内容 根据计算机辅助数控夹具设计技术的研究现状，结合成都飞机工业（集团） 有限责任公司飞机结构件典型数控夹具的实际应用特点，本文主要进行了以下 几项内容的研究： (1) 基于 UG/KF 的夹具元件建模研究 传统的 CAD 软件通过交互方式所建立的夹具元件的三维几何模型，虽然