综 述柔性夹具与计算机辅助夹具设计技术的进展北京机械工业学院 朱耀祥 美国吴士脱工学院(WPI) 融亦鸣
本世纪制造业的主导生产模式是标准产品的大批大量生产,专用夹具在其中起过关键性的作用。自70年代以后,随着NC机床和加工中心在生产中的普遍使用,80年代柔性制造系统(FMS)的兴起,计算机集成制造系统(CIMS)的提出,多品种中小批生产日益受到重视。但早在80年代后期有的文献就谈到美国65%的FMS只能加工同族的2～10个品种,而其余1/3只能加工一种产品,主要原因之一就是仍沿用专用夹具,因而夹具就成为制造系统实现真正柔性的瓶颈。随着柔性已作为一个和质量、成本、生产率等量齐观考虑的问题,柔性夹具理所当然成为开发的重点。90年代以后制造业中的竞争空前加剧。能实现快速生产准备的计算机辅助夹具设计(CAFD)技术成为国际上竞相研究的热点,但由于其复杂和困难,至今只有我们研究的夹具规划和结构生成的Fix-Des孔系组合夹具设计系统已开发成为唯一的初步的商品化软件,并在美国工业中使用。1 夹具功能的演变 传统夹具以专用夹具为代表,主要有4种功能,即定位、夹紧、导向和对刀。由于NC系统的准确控制功能和精密机床传动中小摩擦零间隙的实现,以及传统转塔车床工艺中钻孔的方法,不用导向钻套,也得到了很高的孔位置精度。此外,加工中心还具备有触头和测量的功能。铣刀的对刀在编程中就能轻而易举地得到解决。可见,在NC机床、加工中心上使用的夹具,只需要具备定位和夹紧两种功能就能满足要求。“夹具”一词在英文中用“Jig”和“Fixture”两个词来表示,前者指钻模,现在已经用不到了,当前在夹具文献中也只看到“Fixture”或“Fixturing”一词了。夹具中取消了导向和对刀功能就使夹具种类减少,结构简化,这些都有利于CAFD系统的实现。由于加工中心在复杂零件加工中的广泛应用,机加工工艺过程中更多地采用工序集中而摒弃分散。大多数复杂的箱体或基体零件,在普通机床上完成基准加工后,不需超过3次安装就可在加工中心上完成高质量的加工,其中少数工序也可能仍要用到普通机床。因此普通机床和加工中心的混合使用和工序的高度集中将是当代机加工工艺的大势所趋。这也是CAPP和CAFD共同的工艺基础。
2 柔性夹具的研究与开发 一般说来,柔性夹具是指工件的形状和尺寸有一定变化后,夹具还能适应继续使用的应变能力。但是工件变化可以在小范围,即在相似的形状和尺寸变动不大的范围内,也可在大范围,即零件形状完全不同,尺寸变化也很大。所以,柔性夹具还是含糊的,没有明确的定义和界限。笼统地说,就是指与NC机床、加工中心配合使用的、具有夹持多种不同工件能力的夹具。自80年代后柔性夹具的研究开发主要沿以下两大方向发展。2.1 原理和结构均有创新的柔性夹具这类柔性夹具有三类:(1)相变和伪相变式柔性夹具。利用材料物理性质从液相到固相,再变回液相,相变的机制一般是效应或电感应。所用材料有铋基低熔点合金,聚丙烯腈类高分子聚合物等。相变机制必须易于控制,相变材料必须对工件和人无害。这类夹具通常都有一个充满相变材料的容器,当材料液相时将工件埋入液体中,然后改变条件(如升温或降温),在液相变成固相时,将零件夹持并固定,然后进行加工。加工结束后再将材料恢复成液相,就可将工件取出。由于升降温容易引起工件的热变形而影响精度。因此,现正研究用电场控制相变的高分子材料。图1为用叶片曲面定位加工叶片根部榫头的封装块式柔性夹具。图中先将叶片用相变材料在模具中安装并固化,然后从模具中取出工件封装块,将封装块安装在夹具中加工叶片根部榫头。最后再通过介质相变图1 封装块式相变材料夹具
・5・《制造技术与机床》 2000年第8期后,取出加工完毕的叶片。为了避免热致相变的负面效果,又研究出伪相变材料,这是用颗粒流态床来模拟相变材料的双相性质。其基本原理来自真空密封袋装咖啡。图2为流态床式夹具,床中布图2 流态床式夹具 满细小金属颗粒,床底有一多孔板,板下为进气口。床中放入标准夹具元件,元件埋在颗粒中,当关闭进气口时,由于重力颗粒形成块状图3 多叶适应性虎钳 固体并辅以液压板压紧有如夯实。将工件定位夹紧后就可加工工件,加工后打开进气口,压缩空气进入并松开液压板,颗粒恢复成松散状就可取出工件。此类夹具,目前只能用于曲面定位或加工力轻微的精加工等少数情况,许多问题尚待研究。(2)适应性夹具。所谓适应性夹具是指夹紧元件能自动适应工件形状的夹具,是一种被动式的装置,当夹紧时能改变形状以适应工件的变化。图3为带有多叶片的虎钳,一个钳口是固定的,另一个钳口由穿在转轴上的多叶片组成,当其他运动受限制时叶片可绕转轴自由转动以适应工件形状。(3)模块化程控式夹具。这类夹具实质上是将定位元件和夹紧元件装在双向可移动的导轨上,然后通过传动和程序控制作出多种不同布局。总之,近20多年来对柔性夹具国际上作过多种研究和探索,但尚没有找到结构上、经济上、实用性上能与传统夹具中已具柔性的一些夹具相匹敌的新型夹具。2.2 传统夹具的创新传统夹具中,可调整夹具可以适应小范围内的柔性,而组合夹具能符合大范围内柔性夹具的要求。可调整夹具由于受到成组生产组织形式和产品品种市场需求不确定性的约束,因而应用受到限制。传统的槽系组合夹具因材料贵、加工精度高、配套元件多、初置费用高而在市场上逐步受到冷落。自80年代以来,原理相同只是元件结构和组装方式不同的孔系组合夹具,因其材料价廉、加工方便、配套元件少、成本低、性能好而受到国内外市场的青睐,成为和加工中心、FMS配套的主要夹具,一跃成为当代柔性夹具的主流。图4为孔系组合夹具的结构和组装方式。孔系组合夹具的组装需要知识广博、经验丰富和技术熟练的人员,这正是当前工厂最缺少的,不仅我国如此,国外更稀缺。此外,在焊接生产中也在推广焊接组合夹具,坐标测量机需要测量组合夹具,新一代轻巧、灵活连接方便的夹具液压装置也已推出,说明传统夹具创新仍是现代柔性夹具的主流。
图4 孔系组合夹具(天津组合夹具厂制造)3 计算机辅助夹具设计(CAFD)系统和技术 CAFD以其本身的特点和其他部分的紧密连接是CAD/CAM系统中一个独立的部分,CAFD更广义地说是属于新兴的计算机辅助工艺装备CAT(ComputerAidedTooling)范畴。现在准确地说是CAPP和CAFD共同构成CAD和CAM间的接口,而CAPP和CAFD又是彼此相互提供信息和作出决策的两个独立系统。3.1 第三代CAFD系统与80年代初CAD软件的水平相配合,第一代CAFD系统是交互式设计系统(Ⅰ-CAFD)。设计人员简单应用CAD软件的图形功能,建立一个标准夹具元件数据库,用以在计算机屏幕上装配成夹具图。后来加上了定位方法选择,工件信息检索,元件选择,元件安装等模块,成为一个独立的系统。由于现代商品化CAD软件在屏幕上针对夹具几何图形的操作还是费时的,所以Ⅰ-CAFD在工业上应用还是有价值的。80年代中期后,根据变异式和生成式两种不同的方法产生了基于成组技术(GT)和基于知识的两类CAFD系统,这是第二代CAFD。基于GT的CAFD有一个夹具设计信息的编码系统,系统中应包含零件几何形状的信息,零件装夹信息,即定位、夹紧等和工艺操作的信息等。由夹具编码系统在典型夹具图形库中检索出相似夹具,经手工修改成合乎需要的夹具。在我们研究开发的基于GT的CAFD中,由于装夹信息十分复杂,我们将这部分代码由线性码结构改成矩阵码结构,其次对如何评价夹具间相似性定义了相似系数,以便检索出库中最相似的夹具,作最少的修改。基于知识的CAFD,主要是搜集人类夹具专家的知识整理成知识库中的各种规则,然后通过专家系统推理机得到各种决策。这类系统主要解决定位、夹紧方法的选择,位置的确定。有的系统已经搜集和整理了上千条的规则,但
・6・《制造技术与机床》 2000年第8期因工件的多样性,夹具设计的复杂性也只能设计工件形状极简单的夹具。90年代后的第三代CAFD,总结经验认为夹具设计最终必须要得到夹具结构图,而过去的系统只是解决安装、定位、夹紧等问题或检索类似的结构,不能获得合乎工件实际应用的结构图。因此,必须开发出以产生夹具结构为目的,实际生产应用为导向的商品化夹具设计软件。为此我们研制了可用于FMS和CIMS的孔系组合夹具设计系统。此系统大体参考人工设计夹具的过程,同时照顾到计算机处理问题的特点。系统分成4个部分:(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。这部分也可以是CAPP的一个子集,也是CAFD和CAPP集成的交互接口。性能评价也是一个相对独立的软件,其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,如精度、刚度等。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。我们已开发出Fix-planning系统。此系统通过一个商品化CAD软件包和我们已开发成功的自动夹具结构设计系统Fix-Des集成。CAD作为平台提供夹具规划所需图5 Fix-Des系统输出的夹具三维视图信息,Fix-Des使用夹具规划的输出产生组合夹具结构。图5为由此系统输出的三维夹具结构图,由CAD软件的功能同样也能产生二维的三视图。3.2 系统中的关键技术(1)夹具规划的策略 夹具规划受到工件几何形状和公差,安装规划中的特征和刀具,每次安装中加工开始和终了的工件状态,能用的夹具元件的限制。夹具规划过程大体可分为5个阶段:输入、分析、规划、确认和输出。输入限制夹具规划的各种信息。分析是从候选的装夹特征中提取有关的精度和表面可及性信息。规划的任务是在当前安装步骤中自动决定主定位方向及选择理想的定位/夹紧表面和点。确认是验证规划的正确性。输出是指夹具规划的一种格式输出,用作Fix-Des的输入。图6为夹具规划的系统流程图。(2)夹具结构分析和元件装配关系推理 组合夹具结构能被分解成:功能单元、元件和功能表面等3个层次。应用集合论,夹具总体可分解为夹具元件的集合。通过对组合夹具应用实例的调查,各种夹具中有一些通用的基本结构,因此研究元件和提取元件基本组装结构单元是自动夹具结构设计的一条捷径。事实上组合夹具元件之间的装配关系并非任意自由,一种夹具元件只能用于一种或几图6 夹具规划流程图
种结构单元。确定定位方案和定位/夹紧表面后,通过这种装配关系之间的推理程序,选择元件组成单元,再将单元安装到基础板上就产生出夹具结构。图7为夹具结构自动生成流程图。
图7 自动夹具结构设计系统图(3)夹具功能检查和性能评价 不论是夹具规划还是结构生成部分,都需要检查某些功能。如夹具规划时,要检查刀具加工轨迹包络面是否和夹具元件产生干涉。此外,从Fix-Des输出装配图后,重要的夹具还要对其性能进行评价,有加工精度、刚度和变形、各夹紧点夹紧力作用下的工件稳定性等。如薄壁工件在加工时,如夹紧点的数量和位置不合适,容易产生较大的变形,因此夹具设计完成后要作评价。
