快速可重构夹具设计
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摘要
二十一世纪的制造业面临着顾客需求驱动、不可预测、快速多变和来自全球不断增加的市场竞争，而且竞争不断加剧。市场的不断变化要求制造系统加工的产品品种能够快速变换以满足市场需求。近来的制造业发展表明，兼具自动化生产流水线和柔性制造系统二者优点的快速可重构制造系统已成为未来制造业发展的方向，它能比较好的满足上述要求并符合我国国情。作为制造系统重要组成部分的夹具设计部分，制造系统对其提出了新的要求。因此，可重构制造系统用可重构夹具的设计成为一个值得研究的问题，本文对此进行了一系列的探索和研究。
本论文综述了制造系统和夹具的发展，在可重构性的研究基础上提出适应可重构制造系统的快速可重构夹具的概念，分析了它和以往夹具的联系和区别，研究了它的元件和组件的具体分类。
根据可重构制造系统的特点及其对夹具的要求，将可重构制造系统的夹具的设计过程分为三个部分：基于工件制造特征定位和夹紧的夹具规划；在概念设计中进行夹具组件的设计；在详细设计中进行夹具的装配设计。
建立以功能组件模块为核心的可重构夹具组件库。并在此基础上开发了交互式可重构夹具设计系统。该系统以Solid Works实体造型软件与Visual Basic软件为基础，用户可以在进行产品设计的同时进行夹具组件／元件的重构、排列和设计。该系统可以也可根据实际需要对夹具库进行必要的添加、删除、修改等工作。参数化的功能使所开发的夹具元件模型能同时表示多个外形相似、尺寸不同的夹具元件。
最后，通过理论论证和程序运行结果表明，论文所采取的理论和方法是正确可行的。
Manufacturing companies in the 21s' century will face unpredictable,
high-frequency market changes driven by global competition. The continuous changes of market require a rapid change of product varieties in order to meet the market demands. Recent surveys have showed that, rapid reconfigurable manufacturing systems(RRMS) whose components are reconfigurable machines and reconfigurable controllers, are the cornerstones of this new manufacturing paradigm. RRMS is also suitable to our country. After reconfiguration manufacturing system puts new requirements on fixture design, an important component of the traditional manufacturing system, so that the fixture design becomes a key problem in RMS. In this paper a series of solutions have been proposed for the fixture design.
The development of manufacturing systems and fixtures has been described. The concept of the "fixture" based on the research of reconfiguability and suitable for RMS has been presented. The relation and the difference between a fixture in RMS and conventional fixture has been analyzed. The category of fixture element and fixture unit for RMS has also been studied.
According to the performance of RMS and its demand on fixture, a general fixture design process of RMS can be divided into three phases: fixture planning (including locating and clamping) based on the features of work-piece ; fixture unit design in concept design and fixture configuration in detailed design.
Groupware Module is the core and base of Reconfigurable Fixture Component/Element Library. A interactive reconfigurable fixture design system has been developed based on this buding of a fixture elements library. SolidWorks and Visual Basic are software platforms for this system. The elements can be reconfigure, reform and design as soon as the product be designing. Users can append ,delete and modify the fixture element library according to specific demands. The parametrization function enables the model to represent more than one fixture elements which have similar shapes but different sizes.
At last, the demonstrating of theory and the result of my program, the principle and methods are true and feasible for RRMS.
本论文综述了制造系统和夹具的发展，在可重构性的研究基础上提出适应可重构制造系统的快速可重构夹具的概念，分析了它和以往夹具的联系和区别，研究了它的元件和组件的具体分类。
根据可重构制造系统的特点及其对夹具的要求，将可重构制造系统的夹具的设计过程分为三个部分：基于工件制造特征定位和夹紧的夹具规划；在概念设计中进行夹具组件的设计；在详细设计中进行夹具的装配设计。
建立以功能组件模块为核心的可重构夹具组件库。并在此基础上开发了交互式可重构夹具设计系统。该系统以Solid Works实体造型软件与Visual Basic软件为基础，用户可以在进行产品设计的同时进行夹具组件／元件的重构、排列和设计。该系统可以也可根据实际需要对夹具库进行必要的添加、删除、修改等工作。参数化的功能使所开发的夹具元件模型能同时表示多个外形相似、尺寸不同的夹具元件。
最后，通过理论论证和程序运行结果表明，论文所采取的理论和方法是正确可行的。
Manufacturing companies in the 21s' century will face unpredictable,
high-frequency market changes driven by global competition. The continuous changes of market require a rapid change of product varieties in order to meet the market demands. Recent surveys have showed that, rapid reconfigurable manufacturing systems(RRMS) whose components are reconfigurable machines and reconfigurable controllers, are the cornerstones of this new manufacturing paradigm. RRMS is also suitable to our country. After reconfiguration manufacturing system puts new requirements on fixture design, an important component of the traditional manufacturing system, so that the fixture design becomes a key problem in RMS. In this paper a series of solutions have been proposed for the fixture design.
The development of manufacturing systems and fixtures has been described. The concept of the "fixture" based on the research of reconfiguability and suitable for RMS has been presented. The relation and the difference between a fixture in RMS and conventional fixture has been analyzed. The category of fixture element and fixture unit for RMS has also been studied.
According to the performance of RMS and its demand on fixture, a general fixture design process of RMS can be divided into three phases: fixture planning (including locating and clamping) based on the features of work-piece ; fixture unit design in concept design and fixture configuration in detailed design.
Groupware Module is the core and base of Reconfigurable Fixture Component/Element Library. A interactive reconfigurable fixture design system has been developed based on this buding of a fixture elements library. SolidWorks and Visual Basic are software platforms for this system. The elements can be reconfigure, reform and design as soon as the product be designing. Users can append ,delete and modify the fixture element library according to specific demands. The parametrization function enables the model to represent more than one fixture elements which have similar shapes but different sizes.
At last, the demonstrating of theory and the result of my program, the principle and methods are true and feasible for RRMS.
引文
1．王战春，贾振元，张永顺《面向可重构制造系统的敏捷夹具设计》……《机械设计与制造》
2．贾振元，金岩《成组技术在可重构制造系统CAPP中的应用》……《机械设计与制造》
3．朱耀祥 组装夹具—组装·应用·理论—机械工业出版社
4．罗振壁，盛伯浩，赵晓波等《快速重组制造系统》……《中国机械工程》VOL．11 No3 2000
5．盛伯浩 罗振璧等《快速重组制造系统的动态建模和结构体系》中国机械工程 1999．9
6．朱耀祥融亦呜《柔性夹具与计算机辅助夹具设计技术的发展》……《制造技术与机床》2000年第8期
7．朱耀祥，融亦鸣，朱剑，白勇，罗振壁《计算机辅助组合夹具设计系统的研究》……《机械工程学报》1994年第5期
8．邵明，谢存禧，黄威，龚文涛《可重组自动装配夹具编码及职能规划专家系统的研究》…《中国机械工程》1998年第9卷第4期
9．盛伯浩，罗振璧等《快速重组制造系统的构造原理及其应用》……《工业工程与管理》2001年底1期
10．唐成 成晔 蔡复之《柔性夹具及其设计方法研究》……《工艺与检测》1999年第二期
11．陈蔚芳 范炳炎 谭彪等《柔性夹具设计方法与技术》……《航空精密制造技术》第34卷第5期1998年
12．武建德，何曙辉，孔为民等《对孔系组合夹具CAD进行二次开发》……《机床夹具》2000年第2期
13．张清，薄晓鸣《夹具CAD系统中夹紧机构及夹紧库的设计》……《山西机械》2001年12月第4期
14．杜江，李原，史琦，杨成海《夹具方案设计的混合推理方法研究》……《西北工业大学学报》第19卷第3期2001年8月
15．孙丽媛，张钦《成组夹具的设计及应用》……《广西机械》1996年第4期
16．兰诗涛，王文，戴晓华，秦兴，陈子辰《基于模块化思想的可重构数控系统初步研究》……《机电工程》第18卷第5期2001年
17．游有鹏，张晓峰，王珉，朱剑英《可重构机床的模块化设计》……《机械科学与技术》第20卷第6期2001年11月
18．唐寅，易红《可重构生产系统》……《制造业自动化》第22卷第6期2000年6月
19．张晓峰，游有鹏，朱剑英《可重构制造系统控制结构和实现技术基础研究》……《中国机械工程》第13卷第一期2002年1月
20．王成恩《制造系统的可重构性》……《计算机集成制造技术》第6卷第4期2000年8月
21．孔宪泽，马丽敏《计算机绘图与计算机辅助设计》……大连理工大学出版社 1994
22．张培忠《柔性制造系统》……机械工业出版社 1998
23．陈璐，蒋丹东，蔡建国《可拆卸性设计中的面向对象建模技术研究》……《中国机械工程》2000．9
24．刘新亚《先进制造技术在组合机床制造中的应用》……99中国国际机床展先进制造技术专稿
25．张伯鹏，孟威，赵大泉等《新型可重组机器人化机床的研究开发》……《中国机械工程》2000．2
26．蔡力钢，李培根，李伟 等《敏捷夹具计算机辅助构型设计》……《高技术通讯》1999．5
27．徐洁磬，马玉书，范明《知识库系统导论》……科学出版社 2000
28．曹文君《知识库系统原理及其应用》……复旦大学出版社 1995
29．金闻瑞，李伟，蔡力钢《装夹特征的分类与定义》……《机械工艺师》2001年第2期
30．宋玉明，《以螺纹为基准的夹具定位误差测量》……《江汉大学学报》第17卷第6期2000年12月
31．朱晓婵《基于MDT的夹具CAD系统》……《航空标准化与质量》2000年第1期
32．李梦群，裴葆青，刘春美《夹具图库系统开发与设计》……《工程建设与设计》1999年第1期
33．屈大伟，胡长禧，周济《机床夹具CAD图形库开发技术》……《计算机工程与应用》1995年1月
34．闫志中，刘先梅《计算机辅助夹具设计方法及发展趋势》……《内蒙古林学院学报》第3期1996年9月
35．覃庆泽《装焊夹具柔性设计及改造的几点体会》……《广西机械》2000年第四期
36．陈德伟，程耀东，《夹具职能CAD环境研究》……《机电工程》1995年第3期
37．田锡天《机床夹具智能化设计系统》……《机械科学与技术》1997年5月
38．黄威，谢存禧《可重组柔顺夹具定位及夹紧元件的设计研究》……《广东机械学院学报》1996年12
39．林国重，冯淑华《FMS中刀具与夹具运动干涉仿真研究》……北京理工大学机械工程系
40．陈蔚芳，黄勇，范炳炎《夹具设计专家系统中自动布局的实现与协调》
41．钟康民，郭培全，董书艺《液体相变固紧夹具》(上)
42．周凯《一种新的制造技术—无夹具制造》……机械工程学报，1997年2月
43．费琼州《机床对定位误差的计算》……合肥工业大学学报，1997年8月
44．赵立刚《加工中心夹具的设计》……工厂建设与设计
45.Computer-aided fixture design.Yiming(Kevin) Rong, Yaoxiang(Stephens) Zhu New York:Marcel Dekker.INC 1999
46.Advanced fixture design for FMS Nee,K.Whybrew,A. Senthil kumar.New York:Spring-Verlag.1995
47.Model-based control for reconfigurable manufacturing systems:Author Affiliation:Industrial Electron.and Syst.Lab., Mitsubishi Electric Corp.Source: Proceedings-IEEE International Conference on Robotics and Automation v 1 May 21-26 2001 2001 Sponsored by:IEEE p 553-558 1050-4729 In English
48.Design for diagnosability of rapidly reeonfigurable manufacturing system Author Affiliation:Tsinghua Univ Source:Qinghua Daxue Xuebao/Journal of Tsinghua University 40 8 Aug 2000 p 14-17 1000-0054 In Chinese
49.Reconfigurable manufacturing systems Author Affiliation:Univ of Michigan Source:CIRP Annals-Manufacturing Technology 48 2 1999 Hallwag Publ Ltd p 527-540 0007-8506 In English
50.Optimal work routing policy in reconfigurable flexible manufacturing systems
Author Affiliation: Tsinghua Univ Source: Qinghua Daxue Xuebao/Journal of Tsinghua University 39 8 Aug 1999 p 41-44 1000-0054 In Chinese
51.Dynamic analysis of reconfigurable fixture construction by a manipulator Author Affiliation:Department of Mechanical Engineering,Monash University Source: Robotics and Computer-Integrated Manufacturing v 17 n 5 October 2001 p 367-377 0736-5845 In English
52.CAD-based design and analysis system for reconfigurable fixtures in robotic assembly Author Affiliation: CSIRO Div of Manufacturing Technology Source: Computing & Control Engineering Journal v 5 n 1 Feb 1994 p 41-46 0956-3385 in English
53.Research and design of reconfigurable compliant fixture used in robotic flexible assembly Author Affiliation: South China Univ of Technology Source: Zhongguo Jixie Gongcheng/China Mechanical Engineering 7 6 Dec 1996 China Mechanical Engineering p 77-79 1004-132X In Chinese, English
54.Issues in the design of the reconfigurahle fixture modules for robotic assembly Author Affiliation: CSIRO Div of Manufacturing Technology Source: Journal of Manufacturing Systems v 12 n 1 1993 p 1-14 0278-6125 In English
55.CAD-based hierarchical approach to interference detection among fixture modules in a reconfigurable fixturing system Author Affiliation: Monash Univ Source: Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 12 1 Mar 1996 Pergamon Press Inc p 41-53 0736-5845 In English
2．贾振元，金岩《成组技术在可重构制造系统CAPP中的应用》……《机械设计与制造》
3．朱耀祥 组装夹具—组装·应用·理论—机械工业出版社
4．罗振壁，盛伯浩，赵晓波等《快速重组制造系统》……《中国机械工程》VOL．11 No3 2000
5．盛伯浩 罗振璧等《快速重组制造系统的动态建模和结构体系》中国机械工程 1999．9
6．朱耀祥融亦呜《柔性夹具与计算机辅助夹具设计技术的发展》……《制造技术与机床》2000年第8期
7．朱耀祥，融亦鸣，朱剑，白勇，罗振壁《计算机辅助组合夹具设计系统的研究》……《机械工程学报》1994年第5期
8．邵明，谢存禧，黄威，龚文涛《可重组自动装配夹具编码及职能规划专家系统的研究》…《中国机械工程》1998年第9卷第4期
9．盛伯浩，罗振璧等《快速重组制造系统的构造原理及其应用》……《工业工程与管理》2001年底1期
10．唐成 成晔 蔡复之《柔性夹具及其设计方法研究》……《工艺与检测》1999年第二期
11．陈蔚芳 范炳炎 谭彪等《柔性夹具设计方法与技术》……《航空精密制造技术》第34卷第5期1998年
12．武建德，何曙辉，孔为民等《对孔系组合夹具CAD进行二次开发》……《机床夹具》2000年第2期
13．张清，薄晓鸣《夹具CAD系统中夹紧机构及夹紧库的设计》……《山西机械》2001年12月第4期
14．杜江，李原，史琦，杨成海《夹具方案设计的混合推理方法研究》……《西北工业大学学报》第19卷第3期2001年8月
15．孙丽媛，张钦《成组夹具的设计及应用》……《广西机械》1996年第4期
16．兰诗涛，王文，戴晓华，秦兴，陈子辰《基于模块化思想的可重构数控系统初步研究》……《机电工程》第18卷第5期2001年
17．游有鹏，张晓峰，王珉，朱剑英《可重构机床的模块化设计》……《机械科学与技术》第20卷第6期2001年11月
18．唐寅，易红《可重构生产系统》……《制造业自动化》第22卷第6期2000年6月
19．张晓峰，游有鹏，朱剑英《可重构制造系统控制结构和实现技术基础研究》……《中国机械工程》第13卷第一期2002年1月
20．王成恩《制造系统的可重构性》……《计算机集成制造技术》第6卷第4期2000年8月
21．孔宪泽，马丽敏《计算机绘图与计算机辅助设计》……大连理工大学出版社 1994
22．张培忠《柔性制造系统》……机械工业出版社 1998
23．陈璐，蒋丹东，蔡建国《可拆卸性设计中的面向对象建模技术研究》……《中国机械工程》2000．9
24．刘新亚《先进制造技术在组合机床制造中的应用》……99中国国际机床展先进制造技术专稿
25．张伯鹏，孟威，赵大泉等《新型可重组机器人化机床的研究开发》……《中国机械工程》2000．2
26．蔡力钢，李培根，李伟 等《敏捷夹具计算机辅助构型设计》……《高技术通讯》1999．5
27．徐洁磬，马玉书，范明《知识库系统导论》……科学出版社 2000
28．曹文君《知识库系统原理及其应用》……复旦大学出版社 1995
29．金闻瑞，李伟，蔡力钢《装夹特征的分类与定义》……《机械工艺师》2001年第2期
30．宋玉明，《以螺纹为基准的夹具定位误差测量》……《江汉大学学报》第17卷第6期2000年12月
31．朱晓婵《基于MDT的夹具CAD系统》……《航空标准化与质量》2000年第1期
32．李梦群，裴葆青，刘春美《夹具图库系统开发与设计》……《工程建设与设计》1999年第1期
33．屈大伟，胡长禧，周济《机床夹具CAD图形库开发技术》……《计算机工程与应用》1995年1月
34．闫志中，刘先梅《计算机辅助夹具设计方法及发展趋势》……《内蒙古林学院学报》第3期1996年9月
35．覃庆泽《装焊夹具柔性设计及改造的几点体会》……《广西机械》2000年第四期
36．陈德伟，程耀东，《夹具职能CAD环境研究》……《机电工程》1995年第3期
37．田锡天《机床夹具智能化设计系统》……《机械科学与技术》1997年5月
38．黄威，谢存禧《可重组柔顺夹具定位及夹紧元件的设计研究》……《广东机械学院学报》1996年12
39．林国重，冯淑华《FMS中刀具与夹具运动干涉仿真研究》……北京理工大学机械工程系
40．陈蔚芳，黄勇，范炳炎《夹具设计专家系统中自动布局的实现与协调》
41．钟康民，郭培全，董书艺《液体相变固紧夹具》(上)
42．周凯《一种新的制造技术—无夹具制造》……机械工程学报，1997年2月
43．费琼州《机床对定位误差的计算》……合肥工业大学学报，1997年8月
44．赵立刚《加工中心夹具的设计》……工厂建设与设计
45.Computer-aided fixture design.Yiming(Kevin) Rong, Yaoxiang(Stephens) Zhu New York:Marcel Dekker.INC 1999
46.Advanced fixture design for FMS Nee,K.Whybrew,A. Senthil kumar.New York:Spring-Verlag.1995
47.Model-based control for reconfigurable manufacturing systems:Author Affiliation:Industrial Electron.and Syst.Lab., Mitsubishi Electric Corp.Source: Proceedings-IEEE International Conference on Robotics and Automation v 1 May 21-26 2001 2001 Sponsored by:IEEE p 553-558 1050-4729 In English
48.Design for diagnosability of rapidly reeonfigurable manufacturing system Author Affiliation:Tsinghua Univ Source:Qinghua Daxue Xuebao/Journal of Tsinghua University 40 8 Aug 2000 p 14-17 1000-0054 In Chinese
49.Reconfigurable manufacturing systems Author Affiliation:Univ of Michigan Source:CIRP Annals-Manufacturing Technology 48 2 1999 Hallwag Publ Ltd p 527-540 0007-8506 In English
50.Optimal work routing policy in reconfigurable flexible manufacturing systems
Author Affiliation: Tsinghua Univ Source: Qinghua Daxue Xuebao/Journal of Tsinghua University 39 8 Aug 1999 p 41-44 1000-0054 In Chinese
51.Dynamic analysis of reconfigurable fixture construction by a manipulator Author Affiliation:Department of Mechanical Engineering,Monash University Source: Robotics and Computer-Integrated Manufacturing v 17 n 5 October 2001 p 367-377 0736-5845 In English
52.CAD-based design and analysis system for reconfigurable fixtures in robotic assembly Author Affiliation: CSIRO Div of Manufacturing Technology Source: Computing & Control Engineering Journal v 5 n 1 Feb 1994 p 41-46 0956-3385 in English
53.Research and design of reconfigurable compliant fixture used in robotic flexible assembly Author Affiliation: South China Univ of Technology Source: Zhongguo Jixie Gongcheng/China Mechanical Engineering 7 6 Dec 1996 China Mechanical Engineering p 77-79 1004-132X In Chinese, English
54.Issues in the design of the reconfigurahle fixture modules for robotic assembly Author Affiliation: CSIRO Div of Manufacturing Technology Source: Journal of Manufacturing Systems v 12 n 1 1993 p 1-14 0278-6125 In English
55.CAD-based hierarchical approach to interference detection among fixture modules in a reconfigurable fixturing system Author Affiliation: Monash Univ Source: Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 12 1 Mar 1996 Pergamon Press Inc p 41-53 0736-5845 In English