基于事物特性表的組合夾具建模方法研究

蔡 瑾，姚 濤，許紅靜

（河北工業大學 機械工程學院，天津 300130）

組合夾具元件庫系統異構CAD平臺的應用是計算機輔助夾具構形設計的一個重要方面，對于CAFD的研究雖然在世界范圍內一直在進行當中，在CAFD的不同方面也有很多最新的進展，但研究大多都集中在以下幾個方面：夾具規劃中對組合夾具的精度，夾緊力及可及性規劃[1]，夾裝點的自動確定且刀具與夾具無碰撞干涉的夾具設計方案研究[2]；夾具構形設計中的可重構夾具系統[3]；夾具布局設計方案的優化[4]；夾具自動構形設計方面的Fix-Des系統[5]；夾具性能評價中對夾具的定位性能、加工表面精度、穩定性及表面可及性方面的性能分析[6]等等.而對于夾具CAD系統異構平臺應用的研究還相對較少[7].在已有組合夾具元件庫及組裝系統的基礎上，用事物特性表對組合夾具建模，為實現組合夾具CAD系統在異構平臺的應用提供了數據模型.

由于目前夾具CAD系統的開發大多是基于某一特定平臺下的二次開發，夾具元件的幾何模型一般存為特定CAD平臺下的圖形文件，其數據信息用數據庫進行簡單的信息描述和管理，數據管理方式簡單分散，不便于與其它系統之間進行數據交換，大大限制了夾具CAD系統在不同CAD平臺下的應用.針對以上問題，對已有的組合夾具系統異構平臺的研究分階段進行，首先就如何實現其異構平臺的前期工作—基于事物特性表的數據庫建模展開研究，而基于XML的組合夾具系統異構平臺的實現可參考文獻[8-9].

由于建立事物特性表的主要目的是構建能夠進行變型的模塊化系統，支持有效的檢索和變型設計[10]，所以事物特性表越來越多地被用于產品配置當中，通過改變產品結構中的模塊組成，實現滿足用戶需求的配置產品.將事物特性表用于夾具元件數據建模，也同樣秉承了事物特性表的應用原則和宗旨，通過對夾具元件及其構成體素和特征的事物特性建模，可實現基于事物特性表的組合夾具零部件的構形設計要求，為夾具的數據描述、檢索和查詢提供了便利，也為后續實現基于XML的組合夾具異構平臺應用奠定了基礎.

1 事物特性表技術

1.1 事物特性表技術的起源及應用

事物特性表（Tabular Layouts of Article Characteristics，TLAC）技術起源于德國，其德文表示為 Sachmerk Leisten（簡稱為SML）.德國于1981年制定了相應的工業標準DIN4000/1-81，我國于1995年頒布了事物特性表的等效標準GB/T10091.1-95《事物特性表定義和原理》.事物特性表定義了從對象組中表征和區分某個對象的決定性特性，規定了特性數據的表示格式，使零部件的特性數據能夠方便地在不同的系統之間交換.一個合理的事物特性表，不僅可方便地進行產品的變型設計，且能有效地實現下游過程的變型響應[10].將事物特性及特性值存入事物特性數據庫中，然后根據需要通過庫管理系統檢索和輸出所需數據，是建立事物特性數據庫的目的.

事物特性表所描述的內容是應用最頻繁、最關心和最突出的主要特性.所謂事物特性，就是指零部件的幾何特性、功能特性和制造特性等的信息集合.通過這些特性，可以對一個產品、部件和零件進行描述.

將零部件的幾何模型與相應的事物特性表相結合，便構成了零部件的主模型.零部件主模型的主要應用是利用一些關鍵參數來描述零部件外型以及各尺寸之間的聯系，使得變型設計時，在主模型中輸入一組數值，即可自動派生出零部件的一個變型.一個完整的產品變型開發設計過程包括3個階段：產品信息模型分析，產品信息模型構建，產品實例生成[11].

1.2 組合夾具元件事物特性的確定方法

對產品信息模型分析階段中的參數分析進行重點研究.參數分析主要對產品模型的尺寸進行分類，一般產品的幾何尺寸可分成4類：定制尺寸—由用戶需求直接確定的尺寸；功能性尺寸—根據客戶定制的產品功能來確定；關聯性尺寸—這類尺寸與前兩類尺寸存在一定約束關系；非變動尺寸—這類尺寸基本確定不變[11].對于組合夾具元件庫中的夾具元件來說，夾具元件幾何模型中的尺寸主要包括定制尺寸和非變動尺寸，而在夾具元件的體素分解中，要涉及到關聯尺寸，即用戶需要的定制尺寸與所構成的體素尺寸有直接關聯.

針對以往標準件庫在描述格式上無統一標準，包括信息不完整，不能進行信息交換.基于事物特性表的標準件庫采用了統一的描述格式，不同系統開發的標準件庫可以進行信息交換，對于典型零件的建庫完全可以參照事物特性表的方法[12].因此，將基于事物特表技術應用于組合夾具元件庫不但可行，而且可大大提高組合夾具元件庫的資源重用效率.

夾具元件主要涉及到尺寸信息及裝配信息，將其定制尺寸和裝配特性（組合夾具中的合件和典型結構具有裝配特性）作為事物特性表中的主特性，而材料的信息由于與構型和裝配關系不大而未被列入夾具元件的特性當中（由于庫具有擴充性，如需要，材料功能等特性的添加非常便利）.

圖1 組合夾具元件庫結構圖Fig.1 Structure diagram of modular fixture components base

2 組合夾具事物特性表的構建方法

組合夾具元件圖形庫系統中包括三大系列（即數控配套大型系列，中型系列和數控系列）的夾具元件，每一系列又由若干元件組成（基礎件，支承件，定位件，壓緊件等），屬于零件層次，如圖1所示.圖庫中還包括合件和典型結構，是由不同元件組成的基本單元，可以完成特定的裝夾功能，屬于部件層次.需要對不同層次的組合夾具分別建立主模型.

2.1 基于部件層次的主模型

按照對象的不同，將部件的主模型分成3個層次：形狀特征主模型；零件主模型；部件主模型.形狀信息是設計制造的最基本單元，描述了零件中基本的幾何和拓樸信息，形狀特征主要包括夾具元件上的孔和槽，在形狀信息基礎上，可構建零件主模型和部件主模型[10].圖2中的部件層為典型結構中導向件中的平鍵導向鉆模板結構，該結構由縱向鉆模板（MB），二豎槽正方形支撐（ZC），平壓板（YB），帶肩螺母（LM）組成.零件層以縱向鉆模板為例，特征層包括孔特征中的通孔，長圓孔和槽.其中槽未在圖中畫出.

圖2 基于部件層次的組合夾具主模型Fig.2 Modular fixture master model based on parts hierarchies

如果用于描述零部件的信息，圖2的方式已經足夠清楚，但是對于XML文檔來說，它需要為其提供夾具元件的體素信息，即該夾具元件由哪些基本形體組成，以及這些形體之間的方位關系，運算關系等.本文工作目的是為下一步生成XML文檔做準備，所以在夾具元件信息描述中充分考慮到了XML文檔層次結構需求，下面重點說明夾具元件SML及體素SML的構造方法.

2.2 基于CSG的零件層次主模型

圖3 體素數據結構圖Fig.3 Elements data structure

CSG（Constructed Solid Geometry）是最常用的實體造型方法表示形式之一.它通過正則布爾運算（交、并、差）把基本幾何形體（通常稱為體素），例如立方體，球，圓柱體等像“堆積木”一樣按照一定位置關系疊加在一起，從而構造出復雜三維實體的表示方法.對于較規則的三維形體，可以利用CSG方法來建模.由于組合夾具元件相對來說都是比較規則的三維實體，用CSG方法描述組合夾具元件不但簡單易行，而且對于后續研究中夾具元件信息的異構平臺的提取和描述非常有利.

對每一夾具元件進行體素分析，確定組成夾具元件的基本體素：圓錐體，圓柱體，立方體，長方體，球體，拉伸體，旋轉體及一些二維體素信息.體素的數據結構如圖3所示.除了體素的幾何形狀信息，要把這些體素組合成對象實體，還需確定它們在空間的位置.位置信息由兩部分數據組成：一部分是初始位置信息，另一部分是實際位置信息.初始位置信息描述了體素在組合成實體前的狀態.所有體素的初始位置都是基于西南等軸測視圖，所有體素的基點都在坐標系的原點，實際位置信息則描述了體素在組合后的狀態.

除了體素外，還要分析夾具元件中有哪些孔特征（通孔，長孔，沉孔，長圓孔等）和槽特征（鍵槽和T型槽），槽孔特征同樣涉及到尺寸和坐標，其建表過程與體素建表過程類似.

體素和特征的幾何和位置信息確定后，還需要確定CSG實體模型的布爾運算信息，即組成夾具元件的各體素之間的布爾運算類型，布爾運算類型包括交、并、差.將體素之間的布爾運算關系在夾具元件SML中描述， 1表示差運算；1表示交運算；2表示并運算.

夾具元件事物特性表構建步驟：

1）分類.在對元件進行幾何形狀分析的基礎上，根據夾具類別和形狀特征進行分類，將具有相似形狀特征的夾具元件用同一個事物特性表描述.可以減少夾具種類，提高客戶響應速度.

2）參數分析.根據夾具元件的幾何模型特性，將用戶關心的定制尺寸反映到事物特性表的列中，而一些非變動尺寸則不進行體現.

3）建立體素和特征SML.為各類體素和特征分別建立事物特性表.建表主要遵循XML文件片段的描述規則，即體素和特征SML與對應體素的XML文件描述相一致，用以后續體素SML數據與XML文檔層次結構映射之用.

4）建立用戶夾具元件事物特性表.體素和特征SML建立后，根據不同體素和特征參與構造夾具元件的情況，構造夾具元件事物特性表.這些體素和特征SML以及由體素和特征組成的夾具元件SML對用戶是屏蔽的，而用戶層次的夾具元件SML反應的是用戶需求的定制尺寸，該事物特性表由程序動態生成，并不在數據庫中存儲，這樣既可以節省數據庫空間，也可減少建表工作量.

3 夾具元件事物特性表三層建模結構示例

圖4 基于事物特性表的偏心鍵三層建模結構Fig.4 Three-tier modeling structure of eccentric key based on SML

按照夾具元件在數據庫中的存儲方式來分，可分為3層.上層為用戶層，是用戶進入系統后可以查詢到的內容，并可以根據需要進行添加，修改和刪除等數據操作，在用戶層中，除了有三維模型信息，還有二維圖紙信息.中層為夾具元件層，存放著參與構造實體模型的體素ID和特征ID，以及體素之間所進行的布爾運算類型值.下層為體素和特征層，存放著體素SML和特征SML.中層和下層對用戶屏蔽.下面以組合夾具庫中型系列定位件中的偏心鍵為例，將其事物特性表和主模型的建模過程結合圖4做如下描述.

1）確定用戶SML中的組成特性.從組合夾具圖形庫中選擇平鍵，提取用戶定制尺寸，如圖4上層用戶SML中的A，B，C，FE.4代表特征中沉孔的ID，用戶SML由系統動態生成.

2）體素分析.對偏心鍵按照CSG造型方法進行體素分析，其由一個長方體體素和一個沉孔特征組成.在長方體體素SML中可實時添加和更新事物特性表的定制參數，對沉孔特征建立SML，由體素SML和特征SML即可進一步構建中層夾具元件SML，例如，對于ID值為Z307005的偏心鍵來說，它是由體素SML中ID為“1”的長方體體素所組成，并在造型過程中調用ID為“001”的沉孔特征.在中層的夾具元件SML中，如果該夾具元件不僅僅是由一個體素所構成，則還需要在做布爾運算的體素后面增加相應的布爾運算信息.

3）構形設計的實現.該主模型建立完成后，不僅可以供用戶進行瀏覽和查詢數據庫中已有數據，而且還可以對庫進行擴充，通過用戶界面的數據操作模塊和用戶設計需要，實現構形設計要求.

中層的夾具元件SML和上層的用戶SML雖然都是對夾具元件事物特性的描述，但其建立角度和應用目的有所區別：在夾具元件SML中只反映有哪些體素參與了 CSG造型過程，重在反應參與造型的體素信息，而用戶SML則側重于方便用戶定制尺寸的操作和瀏覽庫中已經存在的夾具元件.

仍以圖2為例，通過調用部件層中事物特性表不同的行，即不同的ID值，即可實現夾具典型結構的構形設計，構形設計結果如圖5所示.

圖5 組合夾具構形設計的實現Fig.5 Realization of modular fixture configuration design

4 結論

針對目前組合夾具CAD中對于夾具元件庫都是基于某一特定平臺，不能在異構平臺應用的缺點，提出了通過XML進行異構平臺之間傳輸時所需要的夾具元件庫數據管理和存儲的一種新的方式，即通過事物特性表技術建立夾具元件的主模型，實現夾具元件的描述和管理，通過建立不同層次之間表和子表的映射關系，實現系統實時擴充和夾具元件的構形設計要求.重點在于將事物特性表技術引入了組合夾具CAD系統當中，對于夾具的管理和描述來說無疑是一個全新的角度，為下一步基于XML的組合夾具元件庫及夾具組裝CAD系統的異構臺應用做好了數據準備.

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