柔性夹具自动化装配技术的研究

柔性夹具自动化装配技术的研究

张旭罗晓明

(天津航空机电有限公司天津300300)

摘要：随着柔性制造在变化商业环境中的不断发展，夹具的生产设计也由传统单一的夹具变成了结构复杂多变的柔性夹具，极大降低了装夹费用和生产准备时间，而柔性夹具在装配过程中存在步骤繁多、效率低下的问题。在这种情况下，研究计算机自动化装配具有重要的理论意义和实用价值，并且已经成为计算机集成制造系统的关键技术之一。针对当前计算机辅助夹具设计（ComputerAidedFixtureDesign，简称CAFD）发展方向和对存在的问题的分析，本论文围绕如何将柔性夹具装配自动化性能的提升，在夹具CAD软件UNIGRAPHICSNX中展开。

关键词：柔性夹具；自动化装配；元件库

前言：从长期以来使用柔性夹具的情况来看，在很多方面都具有一定的优势。与传统夹具的生产相对比，柔性夹具从设计到绘制，到准备生产，再到加工制造到使用再到停产报废，柔性夹具节省了长达90%的装配与拆卸入库时间。同时，柔性夹具个使用过程中的消耗更少，传统夹具所需材料按11kg计算，柔性夹具每次使用的磨损量比专用夹具要小很多，这使得金属材料得到了最大限度的节省。其次，柔性夹具的占地面积比专用夹具小很多，管理起来也更加方便。再次，柔性夹具可以减少生产加工制造时所需的人力与资源。最后，使用柔性夹具可以使艺装备系数提升，对提高劳动生产率，确保产品质量，平衡生成，减少工作量和增加企业效益都有很大的帮助。总之，柔性夹具是夹具行业的未来走向。

一、柔性夹具标准件类型

柔性夹具是由预先制造出来的不同形状、大小和功能的系列化标准零件组合构成。柔性夹具的元件具有很高的互换性和耐磨性。利用这些元件与合件，根据工件的不同要求，可以组装成车、铣、钻、磨、镗等各种不同的机床夹具。柔性夹具一般由基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、其它件和合件八部分组成。

二、自动装配模块程序设计

（一）装配术语

装配模块程序设计之前首先需要了解各种术语，只有了解了各种术语之后才能够实现科学设计。这是设计的重要前提。在实际工作过程中需要了解原型、事例、工作部件以及显示部件等概念及术语。装配关系判定的构想是提取所选对像的特征进行识别，自动选取其对应的装配关系进行装配。其识别功能可分为零件的形状特征识别与技术特征的识别，两种识别功能配合使用，让装配功能更加自动化。

在UNIGRAPHICSNX/OPENAPI中，组件间相对位置通常是由变换矩阵和坐标系矩阵决定的。实际工作过程中函数的输入和输出函数，通常是要用坐标系矩阵和变化矩阵来代替的。这样的设置具有非常重要的作用。在UNIGRAPHICSNX/OPENAPI中，定义了两个术语。

空间（space）：这主要指的创建组件过程中所需要占用的空间，也就是组件绝对坐标系对应空间。装配空间（assemblyspace）：当组件被加入到装配后，组件所处的空间。在UNIGRAPHICSNX/OPENAPI中，函数UF_ASSEM_ask_transform_of_occ（）和UF_ASSEM_ask_component_data（）的主要作用就是为了获得装配空间，确切地说是要获得指定组件的装配空间。这也是要分成具体情况来进行分析的，当输入参数为部件事例标识的时候，装配空间则会被认为是拥有装配绝对坐标系。如果UF_ASSEM_ask_component_data（）的输入参数是实例标识，装配空间则是组件的直接父装配的绝对坐标系。组件的坐标系矩阵包含6个实型数，组件的坐标系原点包含3个实型数。在调用函数UF_ASSEM_add_part_to_assembly向装配中增加组件时，或在装配中重定位组件调用函数UF_ASSEM_reposition_instance（）时，都需要使用坐标系矩阵，以指定组件的X轴和y轴向量。Z轴向量可以利用X轴和Y轴向量叉乘得到。组件转换矩阵的主要目的就是为了描述模型空间到装配空间的变换，该矩阵通常是实数矩阵。组件转换矩阵如式所示。

tr[0][0]=csys[0]，tr[0][1]=csys[3]，tr[0][2]=csys[6]，tr[0][3]=orig[0]

tr[1][0]=csys[1]，tr[1][1]=csys[4]，tr[1][2]=csys[7]，tr[1][3]=orig[1]

tr[2][0]=csys[2]，tr[2][1]=csys[5]，tr[2][2]=csys[8]，.tr[2][3]=orig[2]

tr[3J[03=unused，tr[3][1]=unused，tr[3J[2]=unused，tr[3][3J=scale=l

部件的原点保存在tr[0][3]、tr[1][3]和tr[2][3]中。tr[0][3]=orig[0]=原点的X坐标；tr[1][3]=orig[1]=原点的Y坐标；tr[2][3]=orig[2]=原点的Z坐标；坐标系矩阵中从tr[O][0]到tr[2][2]是列向量，这里：csys[0]，csys[1]，csys[2]是X向量的i，j，k成员；csys[3]，csys[4]，csys[5]是Y向量的i，J，k成员；csys[6]，csys[7]，csys[8]是Z向量的i，J，k成员；tr[3][0]到tr[3][3]未使用，tr[3][3]代表比例，永远为1。

（二）特征识别

自动装配模块要想实现，必须要获取特征。通常情况下装配顺序是以链表的形式存在的。在操作过程中工作人员必须要按照装配顺序来选择零件，链表中每个结点都对应一个零件，选择过程中选择了N零件的时候，链表中N结点就会有指针指向该零件。首先通过UF_OBJ_cycle_objs_in_part得到部件标志，通过UF_MODL_ask_body_faces将实体各个表面标志取出与数据中的特征进行对比判断，得到其所对应的装配关系，通常情况下装配关系中结构体的数据结构是包含每个零件装配信息的。这一点从下文中就可看出：Structnode{intnumber；tag_tpointer；informationmate；node*next；}其中，尾结点的结构和其他的结点不同，它是链表的结束标志。利用UNIGRAPHICSNX/OPENAPI提供的结构UF_ASSEM_constraint，该结构中既有配合类型又有零件特征等成员，实际工作过程中必须要把相关信息传送给相应的成员。这样才能够保证系统的正常运行。

为了保证系统能够正常运行，在实际工作过程中还需要求解约束，通过求解约束来获得相关信息。工作过程中还需要把相关零件变换成所需要的变换矩阵，变换矩阵之后再利用函数UF_ASSEM_apply_mc_data（），把约束放到模型中。这样就能够实现零件的空间重定位了。最后再通过UF_MODL_update将部件重新定位，更新模型。

结语：综上所述，由于计算机技术的飞速发展，带动机械行业尤其是夹具行业，正在不断的发展、提高，而夹具的行业标准也初步形成，这使得在未来的几十年里，夹具将进入一个全新的发现阶段，使它能在机械行业中站一席之地。

参考文献：

[1]融亦鸣，朱耀祥，罗振璧.计算机辅助夹具设计[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]童秉枢.现代CAD技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[3]周卿.基于UNIGRAPHICSNX/OPEN的虚拟装配系统开发及应用研究[Z].2016.