摘要：論述了機床夾具CAD系統(tǒng)MF-CAD（MachineToolFixtureCADSystem）的方案設計，提出了基于特征技術的零件工藝模型表示方法。應用特征技術建立面向特征工藝的夾具設計模型，實現(xiàn)了一種基于特征工藝設計與夾具設計為一體的集成模式。
　　
　　1引言
　　
　　如何應用CAD這一*工具和手段服務于工裝設計，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注。采用基于特征技術實現(xiàn)支持整個工藝設計過程的計算機輔助夾具設計系統(tǒng)的研究，已成為該技術領域研究的熱門題目之一，是實現(xiàn)工藝裝備設計自動化的重要方法和手段。
　　
　　近年來在夾具CAD技術的研究中取得了很大的進展。由于夾具方案設計經(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計方法，其中有的已成功地應用到了生產(chǎn)實踐中，有的尚處于研究階段。但這些系統(tǒng)大都側(cè)重于特定設計功能的實現(xiàn)，缺乏對整個設計過程及數(shù)據(jù)模型的研究。本文將討論如何利用特征技術，實現(xiàn)支持整個設計過程的夾具CAD系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)及相關的設計方法。
　　
　　2機床夾具CAD系統(tǒng)方案設計
　　
　　機床夾具CAD系統(tǒng)是面向夾具設計職員的參數(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。本文所設計的夾具CAD系統(tǒng)是建立在基于三維特征模型CAD基礎之上，整個系統(tǒng)設計過程由被加工零件設計、工藝方案輔助設計、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）、夾具元件設計和夾具裝配設計等五個部分組成。
　　
　　被加工零件設計即設計被加工零件，并輸進零件各部分與加工和設計夾具有關的信息，例如零件的尺寸大小、加工精度、材料種類、技術要求以及用戶對夾具設計的具體要求等。
　　
　　工藝方案輔助設計即用被加工零件的設計信息與工藝知識庫中的信息進行比較，經(jīng)過設計者的修改，得出公道的零件加工工藝后，再交互選取設計夾具的工序。
　　
　　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)的設計。
　　
　　夾具元件設計即根據(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計和圖形庫對夾具的裝配進行設計。
　　
　　3基于特征技術的零件工藝模型
　　
　　工藝模型的描述是根據(jù)工藝設計方案天生的工藝設計過程信息，應用特征技術，從夾具設計角度，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用于夾具設計，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?？梢哉f，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。
　　
　　毛坯特征零件的設計特征，其內(nèi)容和結(jié)構(gòu)與毛坯設計相關。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
　　
　　針對工藝設計與夾具設計的關系，本文提出一種基于加工特征的工藝設計與夾具設計為一體的集成模式，利用特征技術建立面向CAPP的工藝模型和面向夾具方案設計的裝夾特征模型，實現(xiàn)工藝設計與夾具設計的集成。
　　
　　（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加工工藝信息和工裝夾具的設計信息，天生工藝模型，再將夾具設計信息傳給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)設計的推理方法zui后得到工藝設計文件和夾具設計模型。
　　
　　在整個設計過程中，系統(tǒng)不僅要接受和處理大量的設計信息，而且還要實現(xiàn)從加工特征的提取、工藝過程設計、夾具設計到裝配等大量信息和功能的集成。建立工藝設計和夾具設計的數(shù)據(jù)模型，將工藝設計和夾具設計中的信息通過零件信息模型、工藝模型和夾具設計模型集成起來，由網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)庫提供有力的支持。
　　
　?。?）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，天生工藝設計文件，同時建立可向夾具設計提供信息的工藝模型。
　　
　　FM-CAD的功能：
　　
　　程序庫：主要存放方案設計中各種設計計算程序，如方案設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計的特征信息。應用特征建模技術建立裝夾特征模型、表達方案設計信息，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計信息，提取夾具方案設計的裝夾特征信息，zui后完成夾具方案設計（包括夾具定位結(jié)構(gòu)設計、定位夾緊機構(gòu)設計、導向裝置設計、誤差分析等），用裝配模型模擬夾具的裝配。夾具方案設計可以按常規(guī)夾具設計順序，分為夾具結(jié)構(gòu)設計，定位方案設計、定位誤差計算、定位機構(gòu)設計、夾緊方案設計、夾緊力分析計算、夾緊機構(gòu)設計、導向?qū)Φ斗桨冈O計、導向?qū)Φ墩`差計算、導向?qū)Φ稒C構(gòu)方案設計、夾緊元件、定位元件等的選擇設計和其它夾具元件設計等。