计算机辅助夹具设计：近期研究和发展趋势.doc

计算机辅助夹具设计:近期研究和发展趋势
Hui Wang, Yiming (Kevin) Rong, Hua Li, Price Shaun
Department of Precision Instruments and Mechanology, Tsinghua University, Beijing, 100084, China
Computer Aided Manufacturing Laboratory, Worcester Polytechnic Institute, MA, 01609, USA
摘要:
制造中广泛使用的夹具对产品的制造质量有很大的影响。人们花费了许多生产力和成本在计算机辅助设计的研究上并在这一领域取得了很大的成果。
该文提到了过去十年中的计算机辅助夹具设计和自动化的文献调查。首先,该文介绍了夹具在工业上的应用。接着介绍在计算机辅助夹具设计领域中一些重要成果,并提到了他们的方法、要求和工作原理。最后,文中描述了一些未来的发展趋势。
简介
夹具是制造过程中用于固定工件在机床正确的位置上,并在加工过程中支撑它的机构。夹具对产品的质量、生产率和成本有很大的影响,在制造中被广泛使用。一般来说,与夹具设计和制造相关的成本占总制造系统成本的10%-20%。大约40%的不合格产品是由于劣质的夹具设计所造成的误差。夹具设计工作是繁琐及费时的。它很大程度上需要依赖夹具设计工程师的经验和知识,一般来说设计合格的夹具需要10年以上的生产实践。传统上,人们利用夹具设计的经验完成一个夹具的设计制造需要花费好几天甚至更多的实践。而且通常一个好的夹具设计需要设计者的经验,对产品的理解和一个不断尝试失败的过程。
因而,随着日益激烈的市场竞争,工业制造商们尽力提高产品的质量,缩短生产周期,降低制造成本来保证产品的竞争力,并将新产品投入市场。人们对利用较低成本进行更有效率的夹具设计有着强烈的愿望。过去十年计算机辅助设计技术的发展使这一目标有了实现的可能。
作为制造中的重要领域,夹具设计的研究和应用在过去十年中得到了更多的关注。人们在这一领域中发表了许多学术和应用文献。该文中,我们将集中于调查过去十年中的计算机辅助夹具设计的研究。下面的版块中,我们会给出关于这些研究技术的调查,并描述了一些研究方向的结论。

夹具是设计用来定位和固定一个或多个工件的,它有很多的规格。它被广泛应用于制造过程中,如:加工(包括车削、铣削、磨削、钻孔等)、焊接、装配、检测和试验。下面图1到9是一些真实的夹具设计案例。夹具可以通过不同的原理来分类。然而,与机床夹具领域发表的有关计算机辅助夹具设计的研究相比,只有小部分(6-16)集中在其他重要的制造领域,例如,装配夹具和焊接夹具。

焊接对制造业中包括国防工业等占很大比重的行业具有重要意义。根据美国焊接协会和爱迪生焊接协会2001年6月发布的“焊接重工业的生产和经济影响”的报告,。这个数字代表着这些企业1999年总支出的7%。因而焊接夹具设计系统的开发和部署有着重大的技术和商业优势。
图1. 机加工夹具
图2. 飞机端盖轴承的机加工夹具

图4. 组装夹具用于定位橱柜装配中的架子
图5. 凹耳框架上的汽车焊接夹具螺
机加工夹具设计和焊接夹具的设计有很大的不同,如下所列:
焊接过程的工件通常是由几个部件装配而成的,而机加工过程中的工件通常只有一个部件
通常焊接过程的精度要求要比机加工低
焊接过程一般来说夹紧力和加工力要比机加工的小
焊接过程需要充分考虑热反应
再者,焊接夹具设计案例中还要考虑下面的问题:
导电性对焊接稳定性是十分重要的
除了导热性之外,夹具材料的选择还要考虑热膨胀性。
精确的焊接波形要求具有优化的焊接电路可以保持短电弧的长度同时减少喷涂、硬物、电弧光斑和电弧中断,使运行速度最大
更复杂的应用需要一个专用夹具。专用夹具的设计和安装包括安装路由线路和气动或液压线
在过去的十年中,在焊接领域只报道了有限的计算机辅助夹具设计的研究和应用。在该领域,根据焊接钣金装配在汽车、航天等行业的重要性,钣金的焊接和装配将得到一些特殊的关注。焊接夹具通常开发用来减少每个工件由于加热和焊接中的残余应力所产生的变形,以此来减少装配的尺寸变化。因而,一些离线或在线的变形分析方法被开发出来加强夹具对变形控制的能力。在钣金激光焊接夹具的装配红,也要保证一个配合的表面,以保证正常的激光焊接操作和激光焊接质量。结果,一个传统的“3-2-1”定位方案扩展到混合定位方案“焊接的总定位和直接定位”。总定位用来定位整个装配,而直接定位用来定位焊