加強板零件的加工工藝及夾具設計,加強,零件,加工,工藝,夾具,設計 中國.北京.2006.10.9-15 2006年電氣和電子工程師協(xié)會/型鋼的會議錄 討論智能機器人和操作系統(tǒng)的國際會議 新穎的夾具設計和基于虛擬現(xiàn)實的裝配系統(tǒng) 彭高亮 劉文建 哈爾濱工業(yè)大學機械電子工程學院 中國.哈爾濱150001.pg17782@hit.edu.cn 摘要—模塊化的裝配是工業(yè)制造中很重要的一個方面，這篇論文討論的是桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)對模塊化裝配設計的作用。對于虛擬環(huán)境設計，論文提出了設計方法，這種方法可以幫助設計師，使他們的設計可行有效。論文在層次數(shù)據(jù)模型的基礎上，提出了組合夾具裝配的方法。在這些結構的基礎上，在虛擬環(huán)境中，用戶可以在設計和裝配過程中操縱虛擬模型。此外，人們正在討論如何實施在加工仿真生產經行檢測，最后，案例研究證明了該系統(tǒng)的功能。與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)相比，論文中還為模塊化裝配提出了一個合理的便攜式解決方案設計。 指數(shù)計算—組合夾具，桌面虛擬現(xiàn)實，裝配設計，加工模擬結果一覽表 Ⅰ.介 紹 模塊化裝配是工業(yè)制造的一個重要方面，準確的設計夾具對確保產品質量，精度，準確性，以及完成部分加工是非常重要的。組合夾具是在安全，準確位置，為交匯處和高標準組件提供支持的一種系統(tǒng)，并支持整個加工過程中的工件【1】。一般來講，夾具設計者通過經驗或反復試驗的方法就能確定夾具計劃是不是合適。隨著計算機技術，計算機輔助設計的出現(xiàn)，計算機已在組合夾具設計領域普遍應用。 一般情況下，與夾具設計相關的活動，即裝配刨，夾具元件設計，夾具布局設計，是在機床發(fā)展的下游才會去考慮。這些古老的做法對銜接設計和制造都是很不利的。例如，很少有系統(tǒng)能合并機械檢測的一系列功能。這就導致了在夾具設計和制造之間產生了一個缺口，這個缺口使得人們不能在設計階段【2】考慮刀具路徑。因此，在制造設計中，人們重新設計也無法避免刀具被夾具元件妨礙的問題。所以，為了把機系列夾具領入柔性制造的舞臺，更系統(tǒng)，更自然的設計環(huán)境是人們必須去研究的。 一個綜合的，立體的，互動的環(huán)境通常由計算機來實現(xiàn)。在數(shù)十年之內【4】，虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)都是能起到很大作用的人機接口。在制造業(yè)中，虛擬現(xiàn)實也有很大的應用潛力，它可以在實際生產之前解決很多問題，從而避免出現(xiàn)一些代價高昂的錯誤。在過去的十年，虛擬現(xiàn)實技術的進步，為虛擬現(xiàn)實技術在不同的工程中的應用提供了推動作用，例如產品設計【5】，裝配【6】，加工仿真【7】，培訓【8】。本文的目的要闡述如何建立一個基于虛擬現(xiàn)實的模塊化夾具設計系統(tǒng)（VMJFDS）。第一步就是為模塊化設計裝置制定一個綜合的，擬真的環(huán)境。這種應用程序在運用了自然和啟發(fā)性的方式，這種方式在設計夾具方面是有優(yōu)勢的，它可以在使用條件，縮短交貨時間，提高夾具生產力和經濟性等諸多方面形成良好的匹配。 Ⅱ.擬議系統(tǒng)的概敘 擬議的桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的結構體系是基于系統(tǒng)功能要求的模塊，由圖1所示。在系統(tǒng)水平上，有3個擬議模塊的設計，即圖形界面（GUI），虛擬環(huán)境（VE）和文獻數(shù)據(jù)庫模塊。對于任何一個模塊，某種功能要求由一組對象來實現(xiàn)。在這篇論文中，詳細的對象設計和實施都省略了。相反，這三個模塊的概簡要說明如下： 1） 圖形界面（GUI）：大體上說圖形用戶界面是一個友好界面，它用于整合虛擬環(huán)境，組合夾具設計。 2） 虛擬環(huán)境（VE）：虛擬環(huán)境用三維模型把組合夾具系統(tǒng)、虛擬環(huán)境及其組成部分的導航和操作步驟顯示給用戶，如圖所示1，虛擬環(huán)境模塊包括兩部分，即裝配設計環(huán)境和加工仿真環(huán)境。用戶選擇適當?shù)脑堰@些元件寫在裝配設計方面的辦公區(qū)域內，然后，用執(zhí)導系統(tǒng)把最終的夾具系統(tǒng)建立起來，人們就能把選中的元件逐個的組合起來。 圖1，概述基于組合夾具設計系統(tǒng)的桌面虛擬現(xiàn)實 3） 數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫存放著所有模型的環(huán)境和夾具模塊元件以及該領域的知識和一些典型的例子。如圖1所示，顯示了5個數(shù)據(jù)庫，其中知識和規(guī)則單元是該系統(tǒng)最重要的地方，它管轄著所有夾具設計的原則。 Ⅲ. 程序化組合夾具設計 在本節(jié)中，作者提出了在虛擬環(huán)境中有啟發(fā)性的組合夾具設計程序。除了三維技術的深入，用戶擁有和真實世界一樣的操作感覺，這個過程還有情報功能。在設計過程中，采用智能推理的方法把一些典型的案件和建議提供給用戶作參考，如實例推理（CBR）和常規(guī)推理（RBR）。此外，相關知識和規(guī)則作為幫助頁面展現(xiàn)給用戶，用戶就可以在設計過程中輕松瀏覽了。 概述組合夾具設計過程總結，如圖2。虛擬環(huán)境之后就是草簽和工件加載，第一步是夾具規(guī)劃。在這個步驟中，首先用戶決定了夾具計劃，即指定交互夾具要面臨的工件。 為了幫助用戶成功決策，一些有用的個案，以及他們的夾具計劃將通過自動推理檢索方法提供給用戶。一旦選定了要使用的夾具，用戶到就能指定的夾具點。在這這項任務中，計算機還給出了一些建議和規(guī)則。 夾具規(guī)劃后，下一步就是夾具元件選擇、設計階段。在這個階段，用戶可以選擇合適的夾具元件和組裝成夾具需要的特殊部分。根據(jù)該夾具點的空間信息與基本夾具和工件的關系，一些典型的夾具元件的選擇和建議可以自動提交給用戶，這些都將有助于為用戶服務。經過規(guī)劃和夾具元件選擇這個設計階段后，下一階段就是把選擇的夾具元件連接到基板上經行交互裝配設計。 當外形裝配完成，在加工范圍內對結果進行檢查和評估。在這種環(huán)境中執(zhí)行的任務包括裝配規(guī)劃，加工仿真和夾具評價。裝配規(guī)劃是用于獲得最佳的裝配順序和得到裝配各組件準確的路徑。加工仿真負責制造時的交互檢測。夾具評價是將檢查和評估設計的結果。最后，整個設計過程是在很自然的方式下進行，這都得益于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。此外，展示的內容和知識可以告訴用戶怎樣才能選擇最好的設計決策。 Ⅳ. 組合夾具建模 a. 組合夾具結構分析 夾具元件組合起來的一個功能是為了在基板和工件【11】之間創(chuàng)造連接點。一般來說，根據(jù)其結構的基本特征，組合夾具結構可分為3個功能單元，即定位裝置，夾緊裝置，和支持單位。許多夾具元件可能由一個或多個元件組成，其中只有一個元件作為一個定位器，支持器或夾鉗。組合夾具裝配的主要任務是選擇的支持，定位，夾緊及附件生成夾具，使他們能夠將工件連接到基板。 通過分析模塊化裝置的實際應用，人們發(fā)現(xiàn)，模塊化裝置通過選擇合適的夾具元件構造成夾具，然后把這些夾具安裝到基板上。因此，這些夾具可視為組合夾具系統(tǒng)的部件。此外，組合夾具系統(tǒng)的層次結構在結構圖3中表現(xiàn)出來。 圖 2，擬議組合夾具系統(tǒng)程序設計 b.在虛擬現(xiàn)實中，用分層數(shù)據(jù)結構模型代表組合夾具 相應的虛擬環(huán)境可能含有數(shù)以百萬計的幾何多邊形圖元，這是很正常的。在過去的幾年中，若干個模型計劃，例如作為BSP樹[10]和八叉樹，已提議組成多邊形模型。然而，模塊化設計的應用，相互作用的影響,現(xiàn)場也是動態(tài)變化。例如，在設計過程中，部分模塊可能改變其空間位置，方向和裝配關系。 圖3.模塊化夾具系統(tǒng)的分層結構 這表明一個靜態(tài)的畫面，如BSP樹，是不夠的。此外，上述模型只能在系統(tǒng)組件的水平上表現(xiàn)夾具布局結構。然而，關于夾具元件之間的裝配關系，是指裝配特征之間的嚙合關系，這些都不會去關注。在本節(jié)中，為了描繪組合夾具系統(tǒng)，我們提出一個層次化結構和基于約束的數(shù)據(jù)模型，實時可視化和精確的3D操縱的虛擬環(huán)境。 圖4所示，在高級別的元件模型用于涉及交互式裝配的拆散操作。它證明了拓撲結構和鏈接組件之間的關系。以高級別模型為代表的信息可分為兩種類型，即組件對象和裝配關系。組件對象可以是一個組件或一個部分。一個組件包括各個部分之間的零件和他們的組裝的關系。 圖. 4層次結構數(shù)據(jù)模型的虛擬環(huán)境 中層基礎模型特征的是建立功能和限制功能。在一般的情況下，在裝配中，裝配關系往往被視為交配關系。因此，基礎特征模型用來描述裝配關系，在裝配操作中，為精確的空間關系提供必要的信息。在這個模型中，只考慮兩個不同元件之間的特征關系。下面專題討論，在夾具元件模塊化建模在一個元素之間的功能關系。 低級別的多邊形基礎模型對應以上兩個級別的模型：實時可視化和層次模型。它描述了以一個相互聯(lián)系的三角曲面網格作為整個表面，更多關于如何將一個元素組織成多邊形，將在下一節(jié)討論，。 C.夾具元件模塊化建模 眾所周知，在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中，夾具元件模塊化建模只是表示為多邊形的數(shù)目。將CAD系統(tǒng)模型轉換到VR系統(tǒng)中，拓撲關系和參數(shù)信息中的結果將會丟失。為了避免這些問題出現(xiàn)，本節(jié)我們將討論夾具元件建模的計劃。 夾具元件模塊化是以標準尺寸為依據(jù)預先制造的部件。計劃夾具設計完之后，接下來的任務是選擇合適標準的元件，裝配這些元件以形成一個可行的夾具系統(tǒng)。因此，在建議的制度下，需要考慮夾具元件裝配功能。 在這篇論文中，裝配特征是作為一個夾具的屬性，這個屬性提供相關的確切信息來保證夾具的模塊化設計和組裝/拆卸。以下八個功能被定義為組合夾具元件的裝配特征：支持面，被支持面，定位孔，擴孔孔，螺紋孔，固定槽，和螺栓。除了類型和尺寸等特征信息外，其他參數(shù)，如相對位置，元素在局部坐標系統(tǒng)中的定位特征等，在夾具元件的數(shù)據(jù)庫中都用幾何模型記錄下來。當一個元件和另一個元件組裝起來時候的，檢索出來的交配功能信息可以決定兩個元件的空間關系。更多關于裝配特征及其交配關系的資料進行了討論參考詳情[11]。 D.在虛擬環(huán)境中以約束為基礎的夾具裝配 1）夾具元件之間的裝配關系 交配關系是在裝配現(xiàn)場組裝是被定義的。根據(jù)上一節(jié)總結的裝配特征，交配夾具元件有五種關系類型。即依賴關系，擬合關系，螺紋嚙合，交叉關系，和 T型槽配合關系，如圖 5所示?；谶@些交配關系，我們可以推斷，任何兩個元件夾具可能的裝配關系。 2）裝配關系的推理 一般來說，兩個組裝零件的裝配關系是代表著它們的組裝交配功能。上面的部分，我們定義了夾具元件之間五個基本交配關系。因此，通過可能出現(xiàn)的裝配關系決定啟用那種可能的交配特征。為了在下一階段的裝配，把這些可能的夾具裝配關系存放在關系數(shù)據(jù)庫中（ARDB）。 然而，當夾具復雜，復合夾具元件的數(shù)量多時，要花費很多時間來推斷和處理這些可能的裝配關系。為了避免這種情況，首先我們要確定可能的組裝元件對。但是為了避免推理夾具和底板的之間的裝配關系，我們絕對不能將他們組裝在一起。在這個階段，人們利用一些規(guī)則來尋找可能的元件組裝對。組裝的推理算法類似于在文獻[12]中討論的。因此，詳細的算法描述在這篇論文中被忽略了。 3）基于約束的夾具裝配 進行裝配關系推理的之后，所有被選擇的可能的裝配關系都建立在ARDB中，并被保存起來。在這些關系的基礎上，人們可以把單個零件組裝成夾具系統(tǒng)。這部分是討論關于在虛擬環(huán)境中互動裝配的操作。單一的裝配過程如圖5所示，并介紹了兩個簡單的部件裝配如圖6所示。 一般來說，裝配操作過程分為三個步驟，即裝配關系的認識， 約束的分析和應用，基于約束的議案。 首先，技師選擇一個元件，將它移動給組裝組件。在移動過程中，一旦推理組裝和組裝組件的被檢測到，推斷特征就能選中了。如果這兩個特征是在ARDB數(shù)據(jù)庫中的儲存的裝配關系之一，他們將突出顯示，并等待用戶確認。一旦被用戶確認，這種被確認的裝配關系將運用約束理論來分析和解決問題，這是為了平移調整組裝元件的方向，以滿足這兩個組件的位置關系，以及應用新的約束來組裝元件。當應用了新的約束，對裝配元件的運動將被映射到一個約束空間。這樣做的目的，可以通過3D移動數(shù)據(jù)，把物體的輸入裝置轉換成允許的移動?；诩s束的運動不但保證了組件的可獲得確切位置，而且還保證了在將來的運動中，現(xiàn)有的約束不會受到侵犯。繼續(xù)運用確認和約束的裝配關系，這種裝配元件將能到達最終的位置。 Ⅴ.加工仿真 a. 制造的相互影響 在加工過程中，與夾具有關的有多種類型的制造交互作用都有可能發(fā)生。這些相互作用可以分為兩大類別如下圖所示，即靜態(tài)的相互作用和動態(tài)的相互作用。 1）靜態(tài)的相互作用是指夾具部件之間的干擾、夾具組件和機器工具之間的干涉、在工件安裝中夾具元件和機械加工工件之間的干擾. 2）動態(tài)交互是指參考夾具的相互作用，它發(fā)生在一個單一的工具和操作時的夾具用在切割過程中操作可能會發(fā)生碰撞。 一般來說，加工過程和刀具路徑等方面是沒有考慮在夾具設計階段的。因此，這些相互作用可能常常發(fā)生在實際制造過程中。所以，機械師們必須花很多時間去查明和解決這些相互作用, 它往往導致夾具系統(tǒng)修改或重新設計，這是繁瑣和昂貴工程。 b. 干擾檢測 但是目前的商業(yè)軟件，如VERICUT軟件，在實際加工 工件之前，這些軟件可以模擬數(shù)控加工來檢測刀具路徑錯誤和低效率的運動。在部分編程階段，它可用于避免一些錯誤，如損壞燈具，打斷刀具，或撞毀機器等. 然而，這些軟件價格昂貴，而且面向數(shù)控編程，不適合的夾具設計。在夾具的設計階段，應確保避免相關的夾具之間的相互作用。在這個 系統(tǒng)中，當夾具配置齊全后，加工仿真模塊是提交給用戶 識別，讓用戶來解決他們之間的相互作用。在加工仿真環(huán)境中，提供了機床的三維數(shù)字模型。人們可在工作臺上組裝工件和安裝夾具組件，正如加工工程師做的實際的網站上一樣。在安裝過程，組件和夾具工件移動到它們的裝配位置。干擾檢查模塊被執(zhí)行。如果發(fā)生干擾，推斷的對象將被顯現(xiàn)。它 可以調整裝配順序或裝配路徑這樣可避免的干擾。但是，如果不能避免干擾，用戶就必須更改元件或夾具單元。 安裝后的工件，刀具的運動是在CAM系統(tǒng)中，根據(jù)模擬生成的刀具路徑。對于虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，穩(wěn)固，動態(tài)，優(yōu)越的三維圖形允許刀具運動在屏幕上可視化的表現(xiàn)出來。因此，模擬刀具路徑允許用戶關閉檢查，如果發(fā)生的干擾，并提供干擾信息。 Ⅵ.建議制度的執(zhí)行情況與個案研究 A. 桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)接口 為了裝備最后的部分，夾具設計工程師用一個自然界面來實現(xiàn)更有效的設計。在圖形用戶界面參考了虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)軟件，通過隱藏窗口的大多數(shù)內容來實現(xiàn)設計的。在圖形用戶界面（圖7）包括虛擬現(xiàn)實顯示一個主窗口，一個右手組成工具欄和狀態(tài)欄底部的輸出按鈕。系統(tǒng)和用戶之間的交互鼠標和鍵盤輸入通過實現(xiàn)。該工具欄為開發(fā)的系統(tǒng)提供的所有的功能。 圖七.圖形用戶界面組合夾具設計系統(tǒng) B　研究案例 在模塊化夾具設計系統(tǒng)的基礎上開發(fā)出桌面虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)用一個個例完美的闡述。工件加工過程如圖 6。面銑刀在頂面執(zhí)行，隨后就完成了來那個臺階孔。為了工件步驟和指導步驟，用戶設計了這是一個模塊化的夾具系統(tǒng)。該夾具規(guī)劃模塊已應用于一個可行的設計方案。在這個模塊中，定位，夾緊和支持的面，以及定位，支持和夾緊點，則取決于相應的的知識基礎和夾具啟發(fā)式規(guī)則。 在此之后，用戶在元素存放區(qū)探索并選擇適當?shù)膴A具元件完成夾具上各點的空間要求。當完成后，用戶移動到裝配設計區(qū)域，把選定的元素放在在書桌上，如圖所示 8（a）。下一個的任務是選定元件來完成夾具結構分布。在虛擬環(huán)境中，用戶可以自然的方式裝配夾具元件。如圖所示圖。 8（b）項，例如模塊化的夾具系統(tǒng)的最后配置，工件的形成。 當夾具配置完成后，下一階段是加工推理的模擬檢測。如圖9（a）和圖9（b）項所示，夾具系統(tǒng)的構建安裝在一臺數(shù)控機床并且模擬了刀具路徑執(zhí)行情況。 Ⅶ.結論 對于組合夾具的設計制造，我們已經提出并制定了桌面虛擬現(xiàn)實的環(huán)境 。提供了該建議的系統(tǒng)結構和虛擬現(xiàn)實環(huán)境，即裝配設計環(huán)境和加工仿真環(huán)境的設計。通過分析組合夾具結構，層次結構數(shù)據(jù)模塊，以及XML提出了基礎夾具元件。從而準確在虛擬現(xiàn)實模型中操作，實現(xiàn)組合夾具設計和裝配。此外，還要總結夾具元件之間的裝配關系和描述在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中的裝配操作過程的。加工制造業(yè)的模擬檢查中，使用該方法。最后一個案例研究的提出，用來說明我們的集成系統(tǒng)。 參考文獻 【1】 候江亮，特拉皮猶太委員會，“計算機輔助夾具設計系統(tǒng)”，詮釋。39（16），2001年，第3703 – 3725頁。 【2】 A.Senthi l庫馬爾，J.Y.H.Fuh，T.S.Kow，“一個自動化的設計和對無干擾的組合夾具設計”，計算機輔助設計32（2000）第583-596頁。 【3】 JRDai，AYCNee，JY H FUH 和A Senthil Kumar,“模塊化設計和組裝夾具的自動化方法”，代理機械工程師，1997年第211卷，第509 – 521頁。 【4】 Burdea GC，Coiffet P，虛擬現(xiàn)實技術。威利，新澤西州， 2003。 【5】 Kan H.Y, Duffy V.G，“互聯(lián)網的虛擬現(xiàn)實協(xié)同產品設計的效益”，“在工業(yè)計算機。v 45，n2，2001年6月， 第197-213頁。 【6】 Jayaram Sankar,，“VADE：虛擬裝配設計環(huán)境”，IEEE計算機圖形和應用，6（19），1999年，第44 - 50頁。 【7】 Maiteh Bilal Y， Leu，Ming C， Blackmore Denis ，劉光裕，, Abdel-Malek Layek，“計算機的虛擬現(xiàn)實在數(shù)控加工仿真中的應用，“美國機械學會工程師，物流部，磁流體，v5，1999，第3-10頁。 【8】 Q.H.王，J.R.黎，“桌面虛擬現(xiàn)實在工業(yè)中應用，“虛擬實境”，第一卷。七，2004年，187 - 197頁。 【9】 Zhong Y. 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