計算機輔助夾具設計CAD系統的思考

韓震宇　計正寅

摘 要：夾具是制造業重要的組成部分，而傳統的夾具制造方法已經跟不上時代發展的步伐，企業面臨著如何提高夾具設計的效率問題，經過人們的研究，計算機輔助夾具設計應運而生。本文介紹了CAD技術的發展歷程與計算機輔助夾具設計系統的作用，論述了不同設計方法對計算機輔助夾具設計CAD系統的影響，最后介紹了組合夾具快速裝配的方法。

關鍵詞：計算機輔助夾具；CAD技術；夾具裝配方法

1 CAD技術的研究與發展

1.1 CAD技術的發展

CAD技術（Computer Aided Design，計算機輔助設計）是指設計人員在計算機上運用專業知識進行產品的繪圖、分析等的總成。CAD對人和計算機都有一定的專業性要求，人主要是發展思維。進行創造，設計方案；計算機主要負責繪圖、計算、搜集資料、存儲數據等。

CAD技術在上世紀五十年代開始被人所利用，到如今共經歷了以下幾個階段：

（1）六十年代：CAD主要作用是繪圖，可繪制直線、圓弧等圖形。

（2）七十年代：CAD能夠完成自由曲線曲面生長計算和表面造型計算。

（3）八十年代：CAD主要負責實體模型建立，邊界表示法與幾何表示法得到了開發應用。

（4）九十年代以來：CAD是以參數化造型和變量化造型為理論，開發出了實體建模技術。

1.2 CAD技術的特點

（1）CAD技術可縮短設計時間，節約勞動力，減少資金投入，且設計效率要比傳統的方法高出3～5倍。

（2）提高產品質量。計算機可以存儲大量的數據與技術知識，設計人員如果能夠合理利用，將會使產品設計更合理，結構更標準化。

（3）CAD可節約設計人員的工作時間，將繪圖變得更簡單，與傳統繪圖工作相比縮短了大約60%的時間。

1.3 CAD技術的發展趨勢

（1）標準化

CAD軟件被應用到了不同的行業中，為了能夠使CAD更好地實現跨平臺操作，就應該使用標準化技術使CAD成為一個開發系統。

（2）開放性

為了使用戶能夠自定義CAD系統使其更具針對性，CAD的平臺具有開放性，目前的2000/NT平臺、UNIX平臺都可以實現CAD的二次開發。

（3）集成化

與CAPP、CAM、CAQ、CAE、ERP系統的集成將會使未來的發展方向，可以幫助企業建造生產管理一體化平臺。

（4）智能化

人類社會的發展越來越智能化，這也是CAD技術發展的方向，目前的CAD還無法模擬人的思維，因此在將來的發展中需要加深對設計思維的研究，建立起思維模型，使CAD系統能夠表達和模擬設計人員的思維，工作更高效。

2 系統設計的設計目的與總體框架

從實際應用的角度開發系統，主要設計目的有：

（1）減輕設計人員的工作量，避免大量重復數據的運算，使設計人員能夠將工作重點放到系統的創新設計上。

（2）設計人員能夠簡單、快速地實現自己的設計方案，從而設計出符合標準的夾具。

（3）系統中可搜索到設計所需的各種數據，不再需要設計人員去記憶紛繁龐雜的設計知識，降低了對設計人員工作經驗的要求。

（4）保證工件的加工精度

夾具能夠保證加工工件位置的精確度，不再需要人工調節。

（5）提高生產效率，降低成本

量化生產中，高效的計算機輔助夾具設計CAD系統能夠提供多件夾緊、聯動夾緊等功能，大大縮短了工作時間。

（6）擴大機床工藝范圍

夾具設計系統能夠簡化工作步驟，并且增加了機床的功能，使機床的綜合性更強。

3 夾具設計的工作流程

工序模型是組合夾具設計的基礎，在此基礎上選擇合適的定位方式、定位面以及夾緊方法。夾具設計分為不同的階段，針對不同階段選擇不同的夾具元件，并將這些元件組裝成所需的夾具。一套完整的組合夾具設計模塊應包括初始方案選擇、定位設計、夾緊設計、元件選擇、元件組裝、后期修改等。

4 計算機輔助夾具支撐理論

4.1 計算機輔助夾具的快速設計

快速設計是使用一流的設計方法、工具在較短時間內制定出可行方案并加以實行，達到快速完成客戶需求設計的目的。快速設計的最終目的是縮短設計時間，提高設計質量，滿足客戶要求，快速設計的重點工作在于總體結構與設計方案。

4.2 計算機輔助夾具的并行協同設計

計算機輔助夾具的設計包含了不同設計人員的意見，這些設計人員甚至來自于不同的領域，而在設計過程中他們又需要經常見留一件，因此使得設計過程充滿了復雜性、沖突性，這就需要建設一個能夠對設計過程中所涉及到的信息整理并統一描述的模型，使設計過程更整齊劃一。

并行協同設計中，計算機輔助設計是重要的組成部分，它能夠在設計初期對產品能否制造做出評價，能夠發現設計中的缺陷并及時改正，防止后期返工。另外，當產品最終定型后，計算機輔助系統還可以利用CAD信息、CAPP信息規劃處夾具的設計方案、夾具結構、選擇夾具元件等。

5 計算機輔助夾具設計CAD系統中應用的技術

想要使夾具設計更高效就必須引入先進的設備與技術，目前應用較多的技術有如下幾種：

5.1參數化技術

參數化技術就是設置好各種具有代表性的形狀，這些形狀尺寸數值可以自由改動，與傳統自由建模相比，參數化技術增強了建模的約束性，例如設計者想要改變產品的形狀只需改變尺寸就能夠達到目的。隨著CAD技術的成熟，參數化技術推動了計算機輔助夾具系統的發展，其在實際應用中有以下作用：

（1）如今的設計中，夾具元件庫中的元件已經被分成了若干系列，一個系列中的元件形狀相同，大小不同。利用參數化技術就可以簡化元件庫存儲的數據，減少了數據所占硬盤容量，提高了設計效率。

（2）在實際生產中，除了有技術規定的標準件外還有設計人員自己常用的元件，這些原件也可以利用參數化技術設計成內部的標準件。

5.2產品數據管理技術

產品數據管理技術是通過軟件對產品信息進行管理，在夾具的設計中使用數據管理技術有一定的優勢：可以用數據管理技術管理夾具設計的每一個環節的數據，實現夾具從設計、制造、使用、報廢整個過程的數據的組織，加強了企業管理，提高了夾具質量，是企業在市場中更具競爭力。

5.3數據庫技術及網絡技術

（1）數據庫技術

數據庫技術在夾具的設計中有兩方面作用：①保存夾具設計所使用的所有數據；②保存設計過程中產生的數據，包括元件的尺寸與使用到的公式等。

（2）網絡技術

隨著網絡技術的發展，Web受到了原來越多人的青睞，web技術支持數據共享，操作簡單，將其融合到數據庫系統中可以實現對CAD、CAPP等數據的快速檢索。

5.4計算機輔助夾具設計CAD系統模型的研究

（1）計算機輔助夾具設計CAD系統體系結構

（2）計算機輔助夾具設計CAD系統外部信息流程

在設計夾具時，不僅要處理集成系統內的信息，還需要跟系統的其他組成部分之間互相聯系，如CAPP、CAD等，如圖2所示：

其中QMS為質量管理系統，MAS為制造自動化系統。

6 結語

綜上所述，計算機輔助夾具設計CAD系統使夾具的設計工作更高效，質量更高。并且計算機輔助夾具設計CAD系統所包含的幾何信息、加工信息也使夾具的工藝設計、數控編程、數據管理能夠統一處理，加強了企業的管理，促進生產，提高經濟效益。

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