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夹具敏捷设计若干关键技术研究

陈蔚芳  
【摘要】: 夹具是一种重要的工艺装备,直接影响产品的质量和研制周期。在当今航空制造业中,大多是单件小批和定制生产模式,在这种模式下,夹具设计与制造的工作量相当大,由于夹具准备不及时导致产品延迟交付和由于装夹不当导致工件变形的现象时有发生,造成巨大的经济损失,因此夹具的快速优化设计成为迫切需要解决的问题。本文在对夹具敏捷设计系统结构和流程分析的基础上,从并行设计、资源柔性管理、结构变异、夹具优化、快速装配等方面深入研究了夹具敏捷设计问题,取得了以下主要成果: 建立了基于产品数据管理(product data management, PDM)的夹具并行设计集成框架。分析了基于特征的工件集成模型,重点研究了装夹特征模型、装夹特征提取流程、约束特征识别方法和特征映射方法。采用XML描述了工件集成模型信息,实现了异构环境的信息集成。详细讨论了夹具结构管理、配置管理、夹具设计过程管理功能,并实现了夹具敏捷设计与PDM的集成,使PDM强大的数据管理功能得到了延伸。 为了实现夹具设计资源的柔性管理和有效共享,建立了基于夹具结构树和特征网的夹具模型,以及支持夹具设计全过程的设计资源模型。采用事物特性表对元组件、夹具等关键设计资源特性进行了描述,对元件、组件、夹具等关键设计资源的自动几何建模方法进行了研究,在元件建模基础上实现了组件和夹具级的尺寸驱动和自动几何建模。 将实例推理方法应用于夹具设计全过程,在方案设计、优化设计、详细设计、装配设计等阶段实现了设计重用。重点分析了分层检索机制、推理机制、修改机制、实例存储策略。针对夹具实例修改难题,研究了夹具模板构建、基于模板的变异分类、变异知识获取与表达、变异流程等关键问题,实现了元组件规格和位置的变异。 夹具优化设计是精密薄壁件夹具敏捷设计的关键,为此,建立了以最小工件变形和最均匀变形度为目标函数的夹具布局和夹紧力多目标同步优化模型,基于遗传算法和有限元法实现了夹具多目标同步优化设计过程。在建立有限元模型时,综合考虑了接触力、摩擦力、切削力、夹紧力、切屑的影响,使模型更为合理、更贴近实际。提出了基于优化布局,采用变夹紧力进一步控制工件变形的方法,分析了基于有限元法和遗传算法的动态夹紧力求解模型和求解方法。通过实例进行了验证,夹具布局和夹紧力多目标优化和变夹紧力优化可以减小工件变形。 为了减少模型的复杂性,将装配模型分成了节点层和特征层,在节点层引入了有效路径;在特征层引入了有效特征面和有效作用距离,使装配模型更趋合理。研究了基于有效路径和装配特征面的装配策略,实现了夹具的快速装配。 最后,完成了基于PDM和SolidWorks平台的夹具敏捷设计原型系统的开发,有效集成了SolidWorks、MATLAB、ANSYS等软件系统,集成了设计、分析、管理等功能模块。原型系统的部分模块已取得了良好的应用效果。


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