歐彥江 沈德章 劉志暉 羅 婷

（成都工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610034）

0 引言

組合夾具是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度高的工藝裝備，是一種由大量不同的標(biāo)準(zhǔn)件組成的、可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)拆裝的夾具系統(tǒng)。傳統(tǒng)的拼裝設(shè)計(jì)過程存在耗時(shí)、費(fèi)力、效率不高等問題，新手無(wú)法勝任該項(xiàng)工作，且新手培養(yǎng)周期長(zhǎng)，拼裝經(jīng)驗(yàn)無(wú)法具象化、傳承困難等。

為了解決上述問題，使用計(jì)算機(jī)技術(shù)來構(gòu)建組合夾具計(jì)算機(jī)輔助拼裝系統(tǒng)是一種常見的策略。近年來，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)組合夾具計(jì)算機(jī)輔助拼裝系統(tǒng)進(jìn)行大量研究，并取得不少成果。組合夾具的計(jì)算機(jī)輔助拼裝系統(tǒng)的研究主要涉及3個(gè)方面。①計(jì)算機(jī)輔助拼裝智能化。目前，該領(lǐng)域的研究成果有基于專家系統(tǒng)的組合夾具智能系統(tǒng)［1］，基于廣義映射原理開發(fā)的組合夾具拼裝系統(tǒng)［2］，吳玉光［3］針對(duì)棱柱形零件提出一些新的定位和夾緊方案，基于常用工業(yè)軟件（如SolidWorks［4］、Pro-E［5］等）進(jìn)行組合夾具參數(shù)化設(shè)計(jì)，以及在組合夾具自動(dòng)化拼裝系統(tǒng)中運(yùn)用基于實(shí)例推理、基于規(guī)則推理、模糊決策等［6-9］。此外，還有一些涉及組合夾具輔助拼裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［10-12］、組合夾具拼裝方案改進(jìn)［13-14］等研究。但從已有文獻(xiàn)來看，上述研究多集中在理論和方法研究層面，距離真正實(shí)現(xiàn)拼裝方案的自動(dòng)匹配還有不小的差距。②拼裝方案的存儲(chǔ)。每一個(gè)經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證的拼裝方案都是寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為以后的拼裝設(shè)計(jì)提供思路，提高設(shè)計(jì)效率。隨著組合夾具輔助拼裝系統(tǒng)使用時(shí)長(zhǎng)的增加，要存儲(chǔ)的拼裝方案越來越多，對(duì)系統(tǒng)造成的壓力也越來越大。如何有效減少拼裝方案存儲(chǔ)所需空間，同時(shí)提高方案的調(diào)用效率，是輔助拼裝系統(tǒng)最終實(shí)用效果的關(guān)鍵。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于這方面的研究相對(duì)較少，吳斌［15］提出的典型路徑存儲(chǔ)方法和盧文軒［16］采用的零件族表法建模構(gòu)建的多層實(shí)例庫(kù)方法。③拼裝方案的誤差計(jì)算。在使用組合夾具進(jìn)行工件加工時(shí)，不同的組合夾具拼裝方案會(huì)產(chǎn)生不同的加工精度。傳統(tǒng)的組合夾具在進(jìn)行拼裝方案設(shè)計(jì)時(shí)，要將設(shè)計(jì)好的組合夾具方案在線下拼裝好，安裝到機(jī)床上進(jìn)行試加工，對(duì)試加工后的工件進(jìn)行檢測(cè)，才能確定該拼裝方案能否滿足加工精度要求。目前，暫時(shí)沒有這方面的研究成果發(fā)表。

綜上所述，本研究基于PRO/E Wildfire5.0軟件來構(gòu)建槽系組合夾具標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)，并使用VC6.0結(jié)合Pro/Toolkit進(jìn)行二次開發(fā)，采用ProductView Express構(gòu)建元件和拼裝方案預(yù)覽窗口的方法來建立組合夾具輔助拼裝系統(tǒng)，提出一種基于節(jié)點(diǎn)樹的拼裝方案存儲(chǔ)方法，并建立拼裝方案參數(shù)化存儲(chǔ)模型，同時(shí)將夾具的誤差計(jì)算引入到組合夾具的計(jì)算機(jī)輔助拼裝中，從而提高拼裝設(shè)計(jì)的效率。

1 組合夾具拼裝方案描述與拼裝方案存儲(chǔ)

1.1 拼裝方案問題描述

設(shè)計(jì)人員根據(jù)零件的加工要求，運(yùn)用不同的組合夾具元件來搭建適合該零件加工的專用夾具方案。拼裝方案應(yīng)滿足加工精度的要求。組合夾具拼裝實(shí)例表達(dá)涉及問題的描述、拼裝經(jīng)驗(yàn)及拼裝結(jié)果等［13］。

1.2 拼裝方案的存儲(chǔ)

在系統(tǒng)中存儲(chǔ)大量成熟拼裝方案可提高組合夾具計(jì)算機(jī)輔助拼裝系統(tǒng)的拼裝效率，存儲(chǔ)的成熟拼裝方案越多，設(shè)計(jì)人員可參考的思路就越多，拼裝方案的設(shè)計(jì)效率也就越高。

在組合夾具計(jì)算機(jī)輔助拼裝系統(tǒng)中，所有的組合夾具元件是通過三維建模，以實(shí)體的形式進(jìn)行存儲(chǔ)。組合夾具的拼裝方案是由若干元件構(gòu)成，存儲(chǔ)時(shí)會(huì)將所有涉及到的元件三維模型再存儲(chǔ)一次，造成存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)。系統(tǒng)使用時(shí)間越長(zhǎng)，存儲(chǔ)的拼裝方案就越多，系統(tǒng)存儲(chǔ)空間被浪費(fèi)的就越多。

為了解決上述問題，本研究提出一種基于節(jié)點(diǎn)樹的拼裝方案存儲(chǔ)法。在Access中建立了組合夾具標(biāo)準(zhǔn)元件數(shù)據(jù)庫(kù)，包括一個(gè)數(shù)據(jù)表（含有七個(gè)字段）。在存儲(chǔ)拼裝方案時(shí)，只用存儲(chǔ)拼裝方案中的每一個(gè)元件的參數(shù)信息和拼裝信息，每一個(gè)元件的拼裝信息都包括其對(duì)下一級(jí)元件和上一級(jí)元件的指向信息，每一個(gè)元件就是一個(gè)節(jié)點(diǎn)，依據(jù)上級(jí)信息和本級(jí)信息對(duì)其進(jìn)行定義，通過指向下一級(jí)的信息進(jìn)行生長(zhǎng)。由此，所有的拼裝元件信息以節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)構(gòu)成一個(gè)樹狀的有向圖（即節(jié)點(diǎn)樹）。每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都包含上級(jí)、本級(jí)和下級(jí)的信息，上級(jí)和下級(jí)的指向信息可以是多維的，所有的指向信息都在元件的裝配特征中。

節(jié)點(diǎn)樹的搜索有兩步，即根節(jié)點(diǎn)的選擇和節(jié)點(diǎn)樹的生長(zhǎng)。①根節(jié)點(diǎn)的選擇。節(jié)點(diǎn)樹的根節(jié)點(diǎn)是節(jié)點(diǎn)樹生長(zhǎng)的基礎(chǔ)，是節(jié)點(diǎn)樹的起點(diǎn)，選擇拼裝方案的最底層元件作為節(jié)點(diǎn)樹的根節(jié)點(diǎn)，即沒有父項(xiàng)裝配信息的元件。②節(jié)點(diǎn)樹生長(zhǎng)。選擇好根節(jié)點(diǎn)后，判斷當(dāng)前節(jié)點(diǎn)是否為終端節(jié)點(diǎn)。如果是，則節(jié)點(diǎn)樹生長(zhǎng)結(jié)束；如果不是，則選擇下一節(jié)點(diǎn)，使節(jié)點(diǎn)樹繼續(xù)生長(zhǎng)。下一節(jié)點(diǎn)的搜索空間限定在該元件的鄰接元件中。遍歷所有以本節(jié)點(diǎn)為父項(xiàng)裝配信息的元件，將其作為節(jié)點(diǎn)樹的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。然后再依次遍歷所有以第二層樹節(jié)點(diǎn)為父項(xiàng)裝配信息的元件，作為節(jié)點(diǎn)樹的第三層樹節(jié)點(diǎn)，以此類推，直到完成所有節(jié)點(diǎn)的選擇。

搜索完成的節(jié)點(diǎn)樹以數(shù)據(jù)表的形式存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。在調(diào)用該拼裝實(shí)例時(shí)，系統(tǒng)依照節(jié)點(diǎn)參數(shù)調(diào)用元件來進(jìn)行裝配，可減小對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的負(fù)擔(dān)。圖1為節(jié)點(diǎn)樹搜索案例，圖中標(biāo)號(hào)為各元件裝配的順序。

圖1 節(jié)點(diǎn)樹搜索案例

2 誤差分析

本研究將一種組合夾具綜合誤差分析的計(jì)算模塊引入計(jì)算機(jī)輔助拼裝系統(tǒng)中，將該模塊作為組合夾具計(jì)算機(jī)輔助拼裝系統(tǒng)精度的檢測(cè)環(huán)節(jié)。該模塊能根據(jù)工件加工方式的不同，對(duì)拼裝方案的加工誤差進(jìn)行計(jì)算和分析，最終得出該拼裝方案可能達(dá)到的加工精度，并將其作為拼裝方案是否合格的判斷依據(jù)。

組合夾具拼裝方案的誤差分析有工件的定位誤差分析、組裝誤差分析、刀具誤差分析等。應(yīng)用組合夾具對(duì)零件進(jìn)行加工時(shí)，上述誤差會(huì)在不同程度上對(duì)零件的最終加工精度產(chǎn)生影響，設(shè)置每個(gè)分項(xiàng)誤差的權(quán)重并進(jìn)行計(jì)算，即可得到組合夾具拼裝方案的綜合誤差，對(duì)比加工精度要求和計(jì)算得到的綜合誤差，即可知拼裝方案是否滿足要求。

2.1 工件的定位誤差

定位誤差是由工件在組合夾具中定位不準(zhǔn)造成的，其主要受定位方式和加工基準(zhǔn)的影響。本研究以槽系組合夾具的鉆夾為例，將定位方式分為以平面為定位基準(zhǔn)、以外圓柱面為定位基準(zhǔn)、以內(nèi)圓柱面為定位基準(zhǔn)、以外圓柱面和平面為定位基準(zhǔn)等方式，每種定位方式還可細(xì)分為不同的定位方式。根據(jù)定位方式的不同，選擇不同的加工基準(zhǔn)要求和加工參數(shù)要求，從而計(jì)算出工件的定位誤差。

2.2 組裝誤差

組裝誤差是指由組合夾具自身精度引起的、在組裝過程中產(chǎn)生的累積誤差。按照對(duì)應(yīng)的加工方式和精度要求將組裝誤差分為5種。根據(jù)不同的分類來輸入不同的加工參數(shù)，則可得到組裝誤差的計(jì)算結(jié)果。

2.3 刀具誤差

刀具誤差是指鉆削加工中因?qū)Φ镀睢⒌毒吣p以及刀具軸線相對(duì)于導(dǎo)套孔偏斜所引起的誤差，其會(huì)對(duì)工件最終的加工精度產(chǎn)生影響。本研究的刀具誤差是指刀具軸線相對(duì)于導(dǎo)套孔的偏斜所引起的誤差，計(jì)算過程中要考慮刀具的參數(shù)和導(dǎo)套的各種尺寸。

2.4 綜合誤差計(jì)算

在完成上述誤差計(jì)算后，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的分項(xiàng)誤差權(quán)重，計(jì)算得到綜合誤差，并和本道工序的加工精度要求進(jìn)行比較，即可得到綜合誤差是否滿足要求。

3 應(yīng)用實(shí)例

本研究以PRO/E Wildfire5.0軟件為基礎(chǔ)，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB 3930-85構(gòu)建槽系組合夾具標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)，并使用VC6.0結(jié)合Pro/Toolkit進(jìn)行二次開發(fā)，建立組合夾具輔助拼裝系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)拼裝方案的節(jié)點(diǎn)樹存儲(chǔ)和綜合誤差計(jì)算。

拼裝設(shè)計(jì)過程示例見圖2、圖3。經(jīng)過交互式拼裝設(shè)計(jì)，得到圖2所示的拼裝方案。拼裝方案按照節(jié)點(diǎn)樹方式進(jìn)行存儲(chǔ)。同時(shí)，計(jì)算拼裝方案的定位誤差、組裝誤差、刀具誤差，得到拼裝方案的綜合誤差。經(jīng)過比對(duì)，計(jì)算所得的綜合誤差小于本道工序所允許的公差，得出本次拼裝方案滿足要求的結(jié)論（見圖3）。

圖2 拼裝方案結(jié)果

圖3 綜合誤差計(jì)算

4 結(jié)語(yǔ)

為了能有效減少組合夾具拼裝實(shí)例對(duì)計(jì)算機(jī)輔助拼裝系統(tǒng)存儲(chǔ)空間的需求，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，提出一種基于節(jié)點(diǎn)樹的實(shí)例存儲(chǔ)方法。存儲(chǔ)時(shí)只要將節(jié)點(diǎn)樹的參數(shù)化信息進(jìn)行存儲(chǔ)，不用存儲(chǔ)拼裝實(shí)例中的元件模型，減少對(duì)存儲(chǔ)空間的需求。為實(shí)現(xiàn)對(duì)拼裝方案加工精度的實(shí)時(shí)評(píng)估，本研究將誤差分析模塊引入系統(tǒng)，不用線下試加工就可評(píng)估拼裝方案的精度，從而提高工作效率。最后基于PRO/E Wildfire5.0開發(fā)了組合夾具輔助拼裝系統(tǒng)，驗(yàn)證了存儲(chǔ)方法和誤差分析計(jì)算的可行性。