組合夾具拼裝系統(tǒng)的存儲方案和誤差計算研究

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

組合夾具是一種標準化、系列化、通用化程度高的工藝裝備，是一種由大量不同的標準件組成的、可實現(xiàn)實時拆裝的夾具系統(tǒng)。傳統(tǒng)的拼裝設(shè)計過程存在耗時、費力、效率不高等問題，新手無法勝任該項工作，且新手培養(yǎng)周期長，拼裝經(jīng)驗無法具象化、傳承困難等。

為了解決上述問題，使用計算機技術(shù)來構(gòu)建組合夾具計算機輔助拼裝系統(tǒng)是一種常見的策略。近年來，國內(nèi)外研究者對組合夾具計算機輔助拼裝系統(tǒng)進行大量研究，并取得不少成果。組合夾具的計算機輔助拼裝系統(tǒng)的研究主要涉及3個方面。①計算機輔助拼裝智能化。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）進行組合夾具參數(shù)化設(shè)計，以及在組合夾具自動化拼裝系統(tǒng)中運用基于實例推理、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)實現(xiàn)［10-12］、組合夾具拼裝方案改進［13-14］等研究。但從已有文獻來看，上述研究多集中在理論和方法研究層面，距離真正實現(xiàn)拼裝方案的自動匹配還有不小的差距。②拼裝方案的存儲。每一個經(jīng)過實踐驗證的拼裝方案都是寶貴的經(jīng)驗，為以后的拼裝設(shè)計提供思路，提高設(shè)計效率。隨著組合夾具輔助拼裝系統(tǒng)使用時長的增加，要存儲的拼裝方案越來越多，對系統(tǒng)造成的壓力也越來越大。如何有效減少拼裝方案存儲所需空間，同時提高方案的調(diào)用效率，是輔助拼裝系統(tǒng)最終實用效果的關(guān)鍵。目前，國內(nèi)外關(guān)于這方面的研究相對較少，吳斌［15］提出的典型路徑存儲方法和盧文軒［16］采用的零件族表法建模構(gòu)建的多層實例庫方法。③拼裝方案的誤差計算。在使用組合夾具進行工件加工時，不同的組合夾具拼裝方案會產(chǎn)生不同的加工精度。傳統(tǒng)的組合夾具在進行拼裝方案設(shè)計時，要將設(shè)計好的組合夾具方案在線下拼裝好，安裝到機床上進行試加工，對試加工后的工件進行檢測，才能確定該拼裝方案能否滿足加工精度要求。目前，暫時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)建槽系組合夾具標準元件庫，并使用VC6.0結(jié)合Pro/Toolkit進行二次開發(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)點樹的拼裝方案存儲方法，并建立拼裝方案參數(shù)化存儲模型，同時將夾具的誤差計算引入到組合夾具的計算機輔助拼裝中，從而提高拼裝設(shè)計的效率。

1 組合夾具拼裝方案描述與拼裝方案存儲

1.1 拼裝方案問題描述

設(shè)計人員根據(jù)零件的加工要求，運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。組合夾具拼裝實例表達涉及問題的描述、拼裝經(jīng)驗及拼裝結(jié)果等［13］。

1.2 拼裝方案的存儲

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

在組合夾具計算機輔助拼裝系統(tǒng)中，所有的組合夾具元件是通過三維建模，以實體的形式進行存儲。組合夾具的拼裝方案是由若干元件構(gòu)成，存儲時會將所有涉及到的元件三維模型再存儲一次，造成存儲空間的浪費。系統(tǒng)使用時間越長，存儲的拼裝方案就越多，系統(tǒng)存儲空間被浪費的就越多。

為了解決上述問題，本研究提出一種基于節(jié)點樹的拼裝方案存儲法。在Access中建立了組合夾具標準元件數(shù)據(jù)庫，包括一個數(shù)據(jù)表（含有七個字段）。在存儲拼裝方案時，只用存儲拼裝方案中的每一個元件的參數(shù)信息和拼裝信息，每一個元件的拼裝信息都包括其對下一級元件和上一級元件的指向信息，每一個元件就是一個節(jié)點，依據(jù)上級信息和本級信息對其進行定義，通過指向下一級的信息進行生長。由此，所有的拼裝元件信息以節(jié)點為基礎(chǔ)構(gòu)成一個樹狀的有向圖（即節(jié)點樹）。每一個節(jié)點都包含上級、本級和下級的信息，上級和下級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)點樹的搜索有兩步，即根節(jié)點的選擇和節(jié)點樹的生長。①根節(jié)點的選擇。節(jié)點樹的根節(jié)點是節(jié)點樹生長的基礎(chǔ)，是節(jié)點樹的起點，選擇拼裝方案的最底層元件作為節(jié)點樹的根節(jié)點，即沒有父項裝配信息的元件。②節(jié)點樹生長。選擇好根節(jié)點后，判斷當前節(jié)點是否為終端節(jié)點。如果是，則節(jié)點樹生長結(jié)束；如果不是，則選擇下一節(jié)點，使節(jié)點樹繼續(xù)生長。下一節(jié)點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)點為父項裝配信息的元件，將其作為節(jié)點樹的下一個節(jié)點。然后再依次遍歷所有以第二層樹節(jié)點為父項裝配信息的元件，作為節(jié)點樹的第三層樹節(jié)點，以此類推，直到完成所有節(jié)點的選擇。

搜索完成的節(jié)點樹以數(shù)據(jù)表的形式存入數(shù)據(jù)庫中。在調(diào)用該拼裝實例時，系統(tǒng)依照節(jié)點參數(shù)調(diào)用元件來進行裝配，可減小對系統(tǒng)存儲空間的負擔。圖1為節(jié)點樹搜索案例，圖中標號為各元件裝配的順序。

圖1 節(jié)點樹搜索案例

2 誤差分析

本研究將一種組合夾具綜合誤差分析的計算模塊引入計算機輔助拼裝系統(tǒng)中，將該模塊作為組合夾具計算機輔助拼裝系統(tǒng)精度的檢測環(huán)節(jié)。該模塊能根據(jù)工件加工方式的不同，對拼裝方案的加工誤差進行計算和分析，最終得出該拼裝方案可能達到的加工精度，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)用組合夾具對零件進行加工時，上述誤差會在不同程度上對零件的最終加工精度產(chǎn)生影響，設(shè)置每個分項誤差的權(quán)重并進行計算，即可得到組合夾具拼裝方案的綜合誤差，對比加工精度要求和計算得到的綜合誤差，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造成的，其主要受定位方式和加工基準的影響。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、以外圓柱面為定位基準、以內(nèi)圓柱面為定位基準、以外圓柱面和平面為定位基準等方式，每種定位方式還可細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要求和加工參數(shù)要求，從而計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?、刀具磨損以及刀具軸線相對于導(dǎo)套孔偏斜所引起的誤差，其會對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于導(dǎo)套孔的偏斜所引起的誤差，計算過程中要考慮刀具的參數(shù)和導(dǎo)套的各種尺寸。

2.4 綜合誤差計算

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

3 應(yīng)用實例

本研究以PRO/E Wildfire5.0軟件為基礎(chǔ)，按照行業(yè)標準JB 3930-85構(gòu)建槽系組合夾具標準元件庫，并使用VC6.0結(jié)合Pro/Toolkit進行二次開發(fā)，建立組合夾具輔助拼裝系統(tǒng)，實現(xiàn)對拼裝方案的節(jié)點樹存儲和綜合誤差計算。

拼裝設(shè)計過程示例見圖2、圖3。經(jīng)過交互式拼裝設(shè)計，得到圖2所示的拼裝方案。拼裝方案按照節(jié)點樹方式進行存儲。同時，計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，計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 綜合誤差計算

4 結(jié)語

為了能有效減少組合夾具拼裝實例對計算機輔助拼裝系統(tǒng)存儲空間的需求，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可擴展性，提出一種基于節(jié)點樹的實例存儲方法。存儲時只要將節(jié)點樹的參數(shù)化信息進行存儲，不用存儲拼裝實例中的元件模型，減少對存儲空間的需求。為實現(xiàn)對拼裝方案加工精度的實時評估，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)，驗證了存儲方法和誤差分析計算的可行性。