基于事物特性表的组合夹具建模方法研究

蔡 瑾，姚 涛，许红静

（河北工业大学 机械工程学院，天津 300130）

组合夹具元件库系统异构CAD平台的应用是计算机辅助夹具构形设计的一个重要方面，对于CAFD的研究虽然在世界范围内一直在进行当中，在CAFD的不同方面也有很多最新的进展，但研究大多都集中在以下几个方面：夹具规划中对组合夹具的精度，夹紧力及可及性规划[1]，夹装点的自动确定且刀具与夹具无碰撞干涉的夹具设计方案研究[2]；夹具构形设计中的可重构夹具系统[3]；夹具布局设计方案的优化[4]；夹具自动构形设计方面的Fix-Des系统[5]；夹具性能评价中对夹具的定位性能、加工表面精度、稳定性及表面可及性方面的性能分析[6]等等.而对于夹具CAD系统异构平台应用的研究还相对较少[7].在已有组合夹具元件库及组装系统的基础上，用事物特性表对组合夹具建模，为实现组合夹具CAD系统在异构平台的应用提供了数据模型.

由于目前夹具CAD系统的开发大多是基于某一特定平台下的二次开发，夹具元件的几何模型一般存为特定CAD平台下的图形文件，其数据信息用数据库进行简单的信息描述和管理，数据管理方式简单分散，不便于与其它系统之间进行数据交换，大大限制了夹具CAD系统在不同CAD平台下的应用.针对以上问题，对已有的组合夹具系统异构平台的研究分阶段进行，首先就如何实现其异构平台的前期工作—基于事物特性表的数据库建模展开研究，而基于XML的组合夹具系统异构平台的实现可参考文献[8-9].

由于建立事物特性表的主要目的是构建能够进行变型的模块化系统，支持有效的检索和变型设计[10]，所以事物特性表越来越多地被用于产品配置当中，通过改变产品结构中的模块组成，实现满足用户需求的配置产品.将事物特性表用于夹具元件数据建模，也同样秉承了事物特性表的应用原则和宗旨，通过对夹具元件及其构成体素和特征的事物特性建模，可实现基于事物特性表的组合夹具零部件的构形设计要求，为夹具的数据描述、检索和查询提供了便利，也为后续实现基于XML的组合夹具异构平台应用奠定了基础.

1 事物特性表技术

1.1 事物特性表技术的起源及应用

事物特性表（Tabular Layouts of Article Characteristics，TLAC）技术起源于德国，其德文表示为 Sachmerk Leisten（简称为SML）.德国于1981年制定了相应的工业标准DIN4000/1-81，我国于1995年颁布了事物特性表的等效标准GB/T10091.1-95《事物特性表定义和原理》.事物特性表定义了从对象组中表征和区分某个对象的决定性特性，规定了特性数据的表示格式，使零部件的特性数据能够方便地在不同的系统之间交换.一个合理的事物特性表，不仅可方便地进行产品的变型设计，且能有效地实现下游过程的变型响应[10].将事物特性及特性值存入事物特性数据库中，然后根据需要通过库管理系统检索和输出所需数据，是建立事物特性数据库的目的.

事物特性表所描述的内容是应用最频繁、最关心和最突出的主要特性.所谓事物特性，就是指零部件的几何特性、功能特性和制造特性等的信息集合.通过这些特性，可以对一个产品、部件和零件进行描述.

将零部件的几何模型与相应的事物特性表相结合，便构成了零部件的主模型.零部件主模型的主要应用是利用一些关键参数来描述零部件外型以及各尺寸之间的联系，使得变型设计时，在主模型中输入一组数值，即可自动派生出零部件的一个变型.一个完整的产品变型开发设计过程包括3个阶段：产品信息模型分析，产品信息模型构建，产品实例生成[11].

1.2 组合夹具元件事物特性的确定方法

对产品信息模型分析阶段中的参数分析进行重点研究.参数分析主要对产品模型的尺寸进行分类，一般产品的几何尺寸可分成4类：定制尺寸—由用户需求直接确定的尺寸；功能性尺寸—根据客户定制的产品功能来确定；关联性尺寸—这类尺寸与前两类尺寸存在一定约束关系；非变动尺寸—这类尺寸基本确定不变[11].对于组合夹具元件库中的夹具元件来说，夹具元件几何模型中的尺寸主要包括定制尺寸和非变动尺寸，而在夹具元件的体素分解中，要涉及到关联尺寸，即用户需要的定制尺寸与所构成的体素尺寸有直接关联.

针对以往标准件库在描述格式上无统一标准，包括信息不完整，不能进行信息交换.基于事物特性表的标准件库采用了统一的描述格式，不同系统开发的标准件库可以进行信息交换，对于典型零件的建库完全可以参照事物特性表的方法[12].因此，将基于事物特表技术应用于组合夹具元件库不但可行，而且可大大提高组合夹具元件库的资源重用效率.

夹具元件主要涉及到尺寸信息及装配信息，将其定制尺寸和装配特性（组合夹具中的合件和典型结构具有装配特性）作为事物特性表中的主特性，而材料的信息由于与构型和装配关系不大而未被列入夹具元件的特性当中（由于库具有扩充性，如需要，材料功能等特性的添加非常便利）.

图1 组合夹具元件库结构图Fig.1 Structure diagram of modular fixture components base

2 组合夹具事物特性表的构建方法

组合夹具元件图形库系统中包括三大系列（即数控配套大型系列，中型系列和数控系列）的夹具元件，每一系列又由若干元件组成（基础件，支承件，定位件，压紧件等），属于零件层次，如图1所示.图库中还包括合件和典型结构，是由不同元件组成的基本单元，可以完成特定的装夹功能，属于部件层次.需要对不同层次的组合夹具分别建立主模型.

2.1 基于部件层次的主模型

按照对象的不同，将部件的主模型分成3个层次：形状特征主模型；零件主模型；部件主模型.形状信息是设计制造的最基本单元，描述了零件中基本的几何和拓朴信息，形状特征主要包括夹具元件上的孔和槽，在形状信息基础上，可构建零件主模型和部件主模型[10].图2中的部件层为典型结构中导向件中的平键导向钻模板结构，该结构由纵向钻模板（MB），二竖槽正方形支撑（ZC），平压板（YB），带肩螺母（LM）组成.零件层以纵向钻模板为例，特征层包括孔特征中的通孔，长圆孔和槽.其中槽未在图中画出.

图2 基于部件层次的组合夹具主模型Fig.2 Modular fixture master model based on parts hierarchies

如果用于描述零部件的信息，图2的方式已经足够清楚，但是对于XML文档来说，它需要为其提供夹具元件的体素信息，即该夹具元件由哪些基本形体组成，以及这些形体之间的方位关系，运算关系等.本文工作目的是为下一步生成XML文档做准备，所以在夹具元件信息描述中充分考虑到了XML文档层次结构需求，下面重点说明夹具元件SML及体素SML的构造方法.

2.2 基于CSG的零件层次主模型

图3 体素数据结构图Fig.3 Elements data structure

CSG（Constructed Solid Geometry）是最常用的实体造型方法表示形式之一.它通过正则布尔运算（交、并、差）把基本几何形体（通常称为体素），例如立方体，球，圆柱体等像“堆积木”一样按照一定位置关系叠加在一起，从而构造出复杂三维实体的表示方法.对于较规则的三维形体，可以利用CSG方法来建模.由于组合夹具元件相对来说都是比较规则的三维实体，用CSG方法描述组合夹具元件不但简单易行，而且对于后续研究中夹具元件信息的异构平台的提取和描述非常有利.

对每一夹具元件进行体素分析，确定组成夹具元件的基本体素：圆锥体，圆柱体，立方体，长方体，球体，拉伸体，旋转体及一些二维体素信息.体素的数据结构如图3所示.除了体素的几何形状信息，要把这些体素组合成对象实体，还需确定它们在空间的位置.位置信息由两部分数据组成：一部分是初始位置信息，另一部分是实际位置信息.初始位置信息描述了体素在组合成实体前的状态.所有体素的初始位置都是基于西南等轴测视图，所有体素的基点都在坐标系的原点，实际位置信息则描述了体素在组合后的状态.

除了体素外，还要分析夹具元件中有哪些孔特征（通孔，长孔，沉孔，长圆孔等）和槽特征（键槽和T型槽），槽孔特征同样涉及到尺寸和坐标，其建表过程与体素建表过程类似.

体素和特征的几何和位置信息确定后，还需要确定CSG实体模型的布尔运算信息，即组成夹具元件的各体素之间的布尔运算类型，布尔运算类型包括交、并、差.将体素之间的布尔运算关系在夹具元件SML中描述， 1表示差运算；1表示交运算；2表示并运算.

夹具元件事物特性表构建步骤：

1）分类.在对元件进行几何形状分析的基础上，根据夹具类别和形状特征进行分类，将具有相似形状特征的夹具元件用同一个事物特性表描述.可以减少夹具种类，提高客户响应速度.

2）参数分析.根据夹具元件的几何模型特性，将用户关心的定制尺寸反映到事物特性表的列中，而一些非变动尺寸则不进行体现.

3）建立体素和特征SML.为各类体素和特征分别建立事物特性表.建表主要遵循XML文件片段的描述规则，即体素和特征SML与对应体素的XML文件描述相一致，用以后续体素SML数据与XML文档层次结构映射之用.

4）建立用户夹具元件事物特性表.体素和特征SML建立后，根据不同体素和特征参与构造夹具元件的情况，构造夹具元件事物特性表.这些体素和特征SML以及由体素和特征组成的夹具元件SML对用户是屏蔽的，而用户层次的夹具元件SML反应的是用户需求的定制尺寸，该事物特性表由程序动态生成，并不在数据库中存储，这样既可以节省数据库空间，也可减少建表工作量.

3 夹具元件事物特性表三层建模结构示例

图4 基于事物特性表的偏心键三层建模结构Fig.4 Three-tier modeling structure of eccentric key based on SML

按照夹具元件在数据库中的存储方式来分，可分为3层.上层为用户层，是用户进入系统后可以查询到的内容，并可以根据需要进行添加，修改和删除等数据操作，在用户层中，除了有三维模型信息，还有二维图纸信息.中层为夹具元件层，存放着参与构造实体模型的体素ID和特征ID，以及体素之间所进行的布尔运算类型值.下层为体素和特征层，存放着体素SML和特征SML.中层和下层对用户屏蔽.下面以组合夹具库中型系列定位件中的偏心键为例，将其事物特性表和主模型的建模过程结合图4做如下描述.

1）确定用户SML中的组成特性.从组合夹具图形库中选择平键，提取用户定制尺寸，如图4上层用户SML中的A，B，C，FE.4代表特征中沉孔的ID，用户SML由系统动态生成.

2）体素分析.对偏心键按照CSG造型方法进行体素分析，其由一个长方体体素和一个沉孔特征组成.在长方体体素SML中可实时添加和更新事物特性表的定制参数，对沉孔特征建立SML，由体素SML和特征SML即可进一步构建中层夹具元件SML，例如，对于ID值为Z307005的偏心键来说，它是由体素SML中ID为“1”的长方体体素所组成，并在造型过程中调用ID为“001”的沉孔特征.在中层的夹具元件SML中，如果该夹具元件不仅仅是由一个体素所构成，则还需要在做布尔运算的体素后面增加相应的布尔运算信息.

3）构形设计的实现.该主模型建立完成后，不仅可以供用户进行浏览和查询数据库中已有数据，而且还可以对库进行扩充，通过用户界面的数据操作模块和用户设计需要，实现构形设计要求.

中层的夹具元件SML和上层的用户SML虽然都是对夹具元件事物特性的描述，但其建立角度和应用目的有所区别：在夹具元件SML中只反映有哪些体素参与了 CSG造型过程，重在反应参与造型的体素信息，而用户SML则侧重于方便用户定制尺寸的操作和浏览库中已经存在的夹具元件.

仍以图2为例，通过调用部件层中事物特性表不同的行，即不同的ID值，即可实现夹具典型结构的构形设计，构形设计结果如图5所示.

图5 组合夹具构形设计的实现Fig.5 Realization of modular fixture configuration design

4 结论

针对目前组合夹具CAD中对于夹具元件库都是基于某一特定平台，不能在异构平台应用的缺点，提出了通过XML进行异构平台之间传输时所需要的夹具元件库数据管理和存储的一种新的方式，即通过事物特性表技术建立夹具元件的主模型，实现夹具元件的描述和管理，通过建立不同层次之间表和子表的映射关系，实现系统实时扩充和夹具元件的构形设计要求.重点在于将事物特性表技术引入了组合夹具CAD系统当中，对于夹具的管理和描述来说无疑是一个全新的角度，为下一步基于XML的组合夹具元件库及夹具组装CAD系统的异构台应用做好了数据准备.

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