基于IDEF0的计算机辅助夹具设计功能建模

基于IDEF0的计算机辅助夹具设计功能建模1.题目背景及意义机床夹具是金属切削机床上能迅速地把工件固定在准确位置，同时能确定加工工具位置的一种辅助装置，在制造业中占有重要地位。随着计算机技术的飞速发展，能实现快速生产准备的计算机辅助夹具设计（CAFD）技术成为新的研究热点。计算机辅助夹具设计(computer-aidedfixturedesign，CAFD)技术从20世纪70年代发展至今，已经成为CAD/CAM集成技术的一个重要组成部分。由于组合夹具应变能力强、设计和制造周期短、成本低、适应产品更新换代的要求，提高了企业的竞争力，所以日益受到厂家的青睐。应用组合夹具的一项关键技术就是CAFD技术。我国从20世纪80年代中期就已经开始研究这项技术，并对如何将人工智能的理论应用到组合夹具计算机辅助设计(CAD)过程进行了探索。但由于组合夹具设计取决于被加工工件，而被加工工件又千变万化，造成组合夹具CAD难以实现智能化。经过30多年国内外众多学者的不懈努力，工作虽有进展，但离生产实际应用还有很大距离。但是如何进行开发才能使CAFD系统高效地运行，且数据具有一致性和无冗余，是建立计算机辅助夹具设计系统的关键问题。本文从系统建模的角度，采用IDEF0方法建立CAFD系统的功能模型，从而为高效地建立计算机辅助夹具设计系统提供了实现方法。2.国内外计算机辅助夹具设计系统发展现状2.1国外ＣＡＦＤ技术研究现状和成果早在20世纪70年代，俄罗斯学者就开始了夹具CAD的研究工作，由于计算机硬件和软件的落后，进一步发展受到很大的阻碍。20世纪80年代，欧美学者投入这一工作。国外开发的部分系统主要有：(1)P.MGrippo等开发的一个槽系组合夹具CAD系统。系统原理基于成组技术交互生成夹具装配图。系统主要包括绘制零件图部分，检索商用夹具元件库部分和夹具和零件图形库部分。(2)W.Ma，Z.Lei，Y.Rong等人研制的计算机辅助标准夹具构型设计系统。当定义了几何模型和夹具元素功能够，最终输出夹具装配图。(3)vallapuzha.S等人研制的夹具设计系统。其中最主要的特点是通过对夹具最优化布局方法的研究，采用了将遗传算法和连续插补的两种方法结合的方法来有效的实现最优化布局。2.2国内ＣＡＦＤ技术研究现状和成果80年代中期以后我国也开始研究夹具CAD系统，以下是国内开发的部分系统概述。（1）黄永强、刘文剑等人开发面向生产的计算机辅助组合夹具设计系统。包括自动选件、元件数据库以及图形库管理、元件交互组装三部分。元件图形库以及交互组装是基Aut0CAD环境建立的。元件自动选择利用了专家系统技术，选件的依据是工件的加工工艺信息、工件形状、尺寸以及夹具总体结构设计。在夹具设计过程中，用户需要首先进行夹具的概念设计，即确定夹具总体结构，夹具的定位夹紧方式，定位夹紧点等，然后才能选择夹具元件。（2）朱耀祥教授主持开发的、基于成组技术的检索变异式系统。它以AutoCAD和DBASE为支撑软件。系统构造了一个带有夹具设计信息的编码系统KJBM，并用编码作为系统输入。这种编码方式为夹具设计提供了简单的、规范化、实用性强和易于检索处理的信息描述方式。系统嵌入了一个组装专家系统，向设计者推荐适当的组装定位方案和可选用的基础件。(3)王明强、范牧昌等针对上海仪器总厂组合夹具室开发的系统。是计算机绘图与检索变异式算法的结合。系统由零件编码，加上工件绘制、夹具查询、拼装等五个模块组成，分别与加工件库、夹具元件库、夹具拼装图形库相连接，实现了计算机辅助拼装与组合夹具咨询管理功能的有机结合。(4)北京理工大学开发的夹具设计系统。主要包括夹具检索、夹具设计、夹具分析、夹具输出、夹具库管理、文件管理等模块。该系统利用I-DEAS作为三维图形支撑软件，构造了一个带有夹具设计信息的编码系统，首先用编码作为系统输入，到范例库中搜索相似解，然后对这些信息进行归纳整理，生成夹具设计所需要的定位特征和夹紧特征，根据规则给出修改建议。其次到I-DEAS集成环境下进行装配，最后输出夹具设计的三维图形及夹具元件清单和装配数据。3.计算机辅助夹具设计系统的IDEF0模型在开始建模之前，首先要明确功能模型的建模目的。对CAFD系统功能模型而言，要从其运行系统的角度，确定模型的立足点。本CAFD系统的核心任务是完成零件专用夹具的结构设计与装配建模。CAFD系统要依据导入的零件图，按照技术要求依据设计经验和方法，完成夹具的设计。根据以上所述建立如图1所示的CAFD系统A-0图，然后对A-0功能图进行细化，完成A0图的建立。根据系统总的功能要求，将系统分成建立零件加工模型、定位设计、刀具导引设计、夹紧设计、总体结构设计5个子模块，建立的A0功能如图2所示。各模块具体说明如下：(1)零件加工模型模块。该模块考虑到导入的零件模型是最终的零件图，有时需要把零件修改为待加工的毛坯件。(2)定位设计模块。根据加工零件的模型确定工件的定位方式，选择或设计定位元件，计算定位误差。(3)刀具导引设计模块。确定刀具的导引方式选择或设计导引元件。(4)夹紧设计模块。确定工件的夹紧方式，选择或设计夹紧机构。(5)总体结构设计模块。选择合理的夹具方案，确定夹具的结构形式，完成夹具的总结构设计。图1A-0图2A0图从图2中可以看到：CAFD系统的功能模型不仅描述了系统功能，而且指出了所包含的各子系统之间的关系及其所需的输入，得到的输出。此外，该系统的功能模型还清楚地显示了各子系统的功能活动，以及它们所需的控制和约束。4.系统总体结构由于该CAFD系统是在UG平台的基础上开发的根据上述对CAFD系统功能模型的分析，在进行系统总体结构设计过程中，应首先考虑到CAFD系统与软件系统UG平台的集成问题，即CAFD系统与UG的体系结构之间的关系；其次要考虑到CAFD系统本身的结构及内部各模块之间的数据流。基于这两方面的考虑建立了CAFD系统总体结构如图3所示。由于CAFD系统是基于UG的三维夹具设计系统，因此在进行夹具设计之前应利用UG的三维实体建模功能把输入UG系统的工程图转换为UG的三维模型，或者通过各种数据转换标准（如iges、step等）把其它CAD系统生成的零件三维模型转化为UG的三维格式。由于CAFD系统与UG无缝集成，系统产生的数据通过UG统一数据库进行管理，这个统一的数据库也是UG本身各个模块实现集成的关键和基础。CAFD数据库采用UG/OPEN建立，主要是针对夹具设计的规则、经验、方法和夹具设计中标准件的。其目的就是使夹具设计标准化，以提高夹具设计的效率和质量，并使夹具设计过程实现一定的智能化和自动化。CAFD系统完成夹具设计之后，产生的数据模型通过UG统一数据库进入UG/Drafting模块完成夹具零部件及装配的工程图。图3CAFD系统总体结构5.结束语利用IDEF0方法建立CAFD系统的功能模型，能够准确地把握组成系统的功能活动及相互关系，将夹具的整个设计过程有序地系统化，直观地描述系统功能信息，并按照自顶向下的方式进行分解，从而有效地控制了系统的复杂性，提高了建立系统的效率，为保证CAFD系统的实现提供了重要手段。6.参考文献[1]李晓燕.快速成形网络化制造系统的IDEF0建模.机械制造[2]陈慰芳,欧志球,姜澄宇,等.CAFD中的夹具快速装配技术研究。机械科学与技术[3]刘琼,唐虹.计算机辅助组合夹具管理系统.航空科学与技术[4]徐雷,基于知识的计算机辅助夹具设计支持技术研究.成都,四川大学学报二、本次大作业心得及自我评价：通过这次大作业的作业过程，了解了IDEF0这种先进的建模方法，在生活中看似无章可循的现象其实都是有一定的规律的,比如排队模型在不同场合下的应用,同样,IDEF0功能建模不仅在工业生产中应用还可以在生活中运用.通过IDEF0的建模方法清晰的得到事物的各种功能和它的工作过程，而且也能明显的看出如何从哪些方面来改进它。同时，我也发现了我很多的不足，对很多的知识还不了解，在完成作业的过程中遇到了很多困难,通过网络查询资料都一一克服了。