敏捷夹具RRS系统研究

敏捷夹具RRS系统研究
摘要：在制造系统中作为制造设备的夹具的敏捷性严重地影响着制造业的发展本学位论文结合河南省自然科学基金项目敏捷夹具制造技术应用基础研究对敏捷夹具RRS(Reconfigurable , Reusable & Scalable)系统的原理及实现技术进行了深入研究分析了现有夹具系统存在的问题即可重构性不足开放性差启动时间长等缺点本文以敏捷夹具的RRS系统为主线对敏捷夹具RRS系统原理和技术进行了研究与探讨其主要工作如下1对敏捷夹具RRS系统的基础理论进行了研究主要包括定位装夹特征映射集合关系代数和完备性理论2研究了夹具资源重构的数学模型利用优化理论中的遗传算法解决夹具资源重构问题将夹具进行功能分解并给出了功构映射矩阵及其重构算法3深入究了夹具重用理论给出了夹具重用的定义将重用分为广义重用可狭义重用提出了夹具重用的数学模型及重用层次4探讨了敏捷夹具的开放性和可扩充性将夹具系统的可扩充性分为软件级和硬件级扩充提出了基于CORBA总线的软件级扩充并将其分为系统级模块级和数据库级三级结构并给出了扩充的算法5开发出了敏捷夹具RRS系统的原型并讨论了运行环境和相关的支持技术本论文中运用了大量的实例验证了所提出理论与技术的正确性与可行性。

关键词：敏捷夹具可重构可重用可扩充特征映射
目录
1 学位论文的课题概述 (4)
1.1 课题的目的和意义 (5)
2 敏捷夹具RRS系统的发展概况和研究现状 (5)
2.1 敏捷夹具的研究和设计准则 (5)
2.2 敏捷夹具RRS设计内容 (6)
3 敏捷夹具RRS系统基本理论 (6)
3.1 定位夹紧原理 (6)
3.2 工件的自由度 (6)
3.3 工件的夹紧 (6)
致谢 (7)
参考文献 (8)
1 学位论文的课题概述
1.1课题的目的和意义
敏捷夹具是敏捷设备的重要组成部分，所谓的敏捷夹具是指具有敏捷特性的夹具，是捷制造系统，FMS，加工中心计算机集成制造系统中的一个重要基础部件，它是为了适应敏捷制造而产生的一种新的夹具理念和装夹系统，是传统组合夹具柔性夹具的延伸和发展，敏捷化是其核心敏捷化(Agility)的基本思想就是通过把虚拟组织机构(Virtual Organization)中先进的制造技术和高素质的人才进行高度全面的集成，形成一个可重构(Reconfigurable)可重用(Reusable)和可扩充(Scalable)的系统，来从容应付快速响应市场变化[14]。

它不需要通过直接壮大自己，而能做更大的事业是一个共同赢的概念，所以敏捷夹具的敏捷性体现在适应性快速性虚拟性信息集成资源共享和协作性等方面，由此可见敏捷化工程并不意味着改变所有过去的生产过程和结构而是强调如何利用旧的，可靠的生产过程和生产要素构成新的系统生产更多的产品因此研究敏捷夹具的RRS系统，不仅是对现有夹具设计是一次革命，而且也是实现敏捷制造的重要途径之一。

在这种思想的指导下，许多国家对产品与制造过程的信息表达，高层的组织和管理以及其他一些生产环节进行了敏捷化的研究和改造，而敏捷设备特别是敏捷夹具是实现企业制造敏捷化的硬件条件，根据具体生产任务的需要快速组合的资源配置组成先进技术系统，着重于可快速重组和柔性能力使制造系统能够迅速地响应产品的变化满足多变的市场需求。

在敏捷制造的深入发展过程中，以加工设备为基础的敏捷制造单元的理论已得到一定的发展，已经取得了一些理论成果和技术如图1-1所示的德国Demmeler的焊接设备，但作为敏捷制造系统的重要组成部分夹具却没有进行相应的发展，因此必须研究开发一种与之相融合适应敏捷制造环境的夹具系统敏捷夹具RRS系统。

近几年来，随着敏捷制造研究的不断深人敏捷夹具已成为敏捷制造系统中的一个重要内容，世界上很多国家都对夹具(特别是组合夹具柔性夹具)的设计和组装进行了大量的工作，希望制造出适应现代制造业发展的装夹系统以期缩短夹具设计时间降低设计和制造成本提高产品质量[6]
但是根据RockDove提出的敏捷系统评价准则柔性夹具和组合夹具在当今的敏捷制造环境中存在以下不足[6,7]
(1)可重构性不足，主要体现在夹具构成设计方面没有很好体现封装集成系统的思想，置换兼容性较差不同的夹具具有不同的构成元素也就有不同的组合夹具构成元素的装配关系图
(2)可扩充性小，可扩充性要求夹具具有一定的伸缩范围，冗余单元和可扩充的框架体系结构装夹系统通过增加或减少一定的单元而改变其工作范围扩大其适应新产品的能力，具有可扩充性的敏捷夹具可以很方便地安装到不同的工作环境中达到最大限度的敏捷性，现有的组合夹具和柔性夹具即使有一定的扩充性也不能满足敏捷设计与制造的需要。

(3)开放性差，现有组合夹具和柔性夹具设计系统很难实现与CADCAPP/CAM以及生产调度等应用系统的集成
(4)现有夹具启动时间长，对于不同的产品类型有较长的转换时间柔性程度和响应速度都不适应以迅捷为特征的现代制造系统发展的需要，可见夹具系统方面的非敏捷性已成为制约敏捷制造全面深入发展的瓶颈，要达到高度的协调一致集成化和敏捷化必须研究开发一种与敏捷系统相融合适应敏捷制造环境的夹具系统可重构可重用和可扩充
的夹具系统。

本课题主要进行敏捷夹具RRS应用理论技术研究以及夹具结构的静态和动态的分析工作，使敏捷夹具系统具有很好的可重构性可重用性可扩充性和开放性，并在一定程度上实现敏捷夹具系统模型，为建立敏捷夹具系统进行基础理论与相关实现技术的研究，这样就可以消除夹具在整个制造系统敏捷化过程中的瓶颈制约完成作为制造领域重要装配的夹具的全面敏捷化，它不仅可以大大缩短夹具的设计和制造时间降低生产成本，而且可以使整个生产系统快速流畅地进行产品的制造为企业赢得竞争创造有利的条件，从长远来看这对于提高我国机械制造水平提高机械产品在国际上的竞争能力使我国的制造装备在二十一世纪接近或赶上发达国家水平均具有一定的意义。

2 敏捷夹具RRS系统的发展概况和研究现状
2.1 敏捷夹具的研究和设计准则
所谓敏捷夹具系统，是指在敏捷制造环境中，满足敏捷制造系统的要求(RRS)具有内部组合和外部扩充能力、的可重构的、可重用的、可扩充的和开放的夹具系统，它可以缩短夹具设计的时间，降低设计和制造成本提高产品质量消除夹具在敏捷制造中的限制作用，使整个制造系统达到敏捷化的性能要求。

敏捷夹具系统与现有夹具各种性能的比较如图1-2所示[10]主要针对通用夹具、组合夹具、可调夹具和专用夹具的可重构性不足，可扩充性小开放性差和启动时间长等缺点提出的具有以下鲜明的特点：
(1)可重构性(Reconfigurablity)好，敏捷夹具系统由封装集成的单元模块组成，不同模块之间具有标准的接口，可以根据不同的工件加工类型所用机床设备和刀具等信息改进，某些模块而重组敏捷夹具此外由敏捷夹具构成的，系统可直接获取CAD/CAPP/CAM 系统的信息，自动构成适应不同类型产品的系统，所以敏捷夹具的可重构程度和范围都大大超过其它的夹具系统。

(2)可扩充性(Scalablity)好，因为敏捷夹具系统与计算机技术的集成，可根据生产需要，通过软件实现夹具的组成元、件结构与性能迅速扩充。

提供开放式的人机接口，可方便快捷地扩充，更新夹具元件或单元以及相关夹具构成知识。

(3)开放性好，能直接与CAD、CAPP、CAM系统，生产调度系统以及其它应用系统集成，具有高度柔性的外部接口(机电液接口)可用于任何类型的设备
(4)适应性(Adaptablity)强，通过相应单元和组成模块的修改，可以适应任何类型的产品或零件，即与产品或零件类型无关。

(5)系统响应新产品和重构的速度快，启动时间短费，用低效率高
敏捷夹具具有以上特点，很好地符合了敏捷设备的要求，对于实现制造系统的全面敏捷化具有十分重要的现实意义。

2.2 敏捷夹具RRS设计内容
RRS是指Reconfigurable(可重构)，Reusable(可重用)和scalable(可扩充)。

它们一同构成了敏捷性。

讨论敏捷性问题，实质上都是在讨论系统的设计准则。

夹具的敏捷性、适应性取决于系统的设计准则，根据以往的经验可总结出如下几条设计准则[8,9] 1可重构设计准则
(1)单元模块的封装集成性：封装集成的单元模块间强调系统各单元之间的独立性和作为一个独立系统功能上的完整性
(2)置换兼容性：夹具中不同子单元采用标准、通用的接口(标准的、通用的人机、接口电、液的接口)
(3)辅助工具的可置换性：夹具中的某个子单元可以被方便地置换而不改变其它子单元(不同元件模块参数等)。

2可重用设计准则
(1)跨层次对话性：夹具组装过程中，各种模块要便于通过程序联系交流
(2)动态滞后联编性：把尽可能多的设定元件在安装时，按照用户的要求来进行。

所有各种元件的联系都被处理成临时的，不同单元之间的直接和固定的其联系方式最后确定
(3)单元分布位置的记忆性：各单元对局部位置、动作、状态要会自动记录，装配完毕后还能恢复
(4) 自治关系性：要有动态规划结构原则和开放式体系结构，实时地适应被加工工件的变化
3可扩充设计准则
(1)范围的伸缩性：一个单元内的构成元件数目无限制，可以根据需要增加或减少，可以组合成一个大的工作单元
(2)单元冗余性：有一些重复的夹具单元，以便需要时可以迅速扩大夹具适应被加工工件的变化能力。

对电、气、水有同样接口，可以方便地移动和安装到不同的夹具系统上
(3)夹具体系结构的可扩展性：有一个开放式的集成环境和体系结构，不同夹具间采用共同的集成框架，在尽可能长的时间内保持同样的结构。

3 敏捷夹具RRS系统基本理论
敏捷夹具虽然是在敏捷制造思想下的一种柔性化夹具，具有可重构性、开放性、启动快速等敏捷通用的特点，但从基本的夹具设计理论方面来看，敏捷夹具仍然遵循传统夹具设计中的一些设计思想、方法和原理，如定位夹紧理论，定位方案等。

但是，为了达到夹具的敏捷性要求和便于计算机处理，这些设计理论的研究方法、角度和表达的形式与传统夹具都有一些差别。

本章就敏捷夹具与传统夹具的异同，论述针对于敏捷夹具的定位夹紧、特征映射、完备性等基本理论。

3.1 定位夹紧原理
工件的定位与夹紧是两个不同的概念。

定位是使工件在某些条件下具有确定的位置，对于每一个工件具有重复性、互换性，但却不能保证工件在受到外力时也不脱离定位位置而发生移动(或转动)。

夹紧则实现了定位的稳定性，使工件在定位条件下，受外力的影响而不破坏定位。

从本质而言，定位与夹紧都是一种接触。

这种工件与定位支承或夹紧元件间的接触保证了对工件的外形(定位)封闭和外力(夹紧)封闭[7,11] 所谓外形封闭就是靠定位支承的几何外形(面线点)全面封闭工件使工件在与这些外形接触的条件下消除了自身的自由度并在受到外力的情况下也不改变其定位状态外力封闭则在定位夹紧元件与工件接触而产生的摩擦力作用而不是几何外形的作用下
使工件在加工过程中不被破坏既定的位置达到受力平衡状态相对于前者外力封闭需要较少的夹具元件在实际应用中也更为普遍
3.2 工件的自由度
一个在空间完全没有约束的物体，在直角坐标系中是自由的，它一共具有6个自由度3个线性移动自由度：(xyz)和3个转动自由度绕x轴y轴和z轴旋转[12]。

如图2-1 所示的物体就是完全无约束的，有6个自由度任何在空间中的工件也同样具有以上6个自由度。

3.3 工件的夹紧
工件的定位和夹紧是两个相互联系、关系密切的工作过程。

工件定位后，必须采用一定的元件和装置把工件压紧夹牢在定位元件上，使工件在加工过程中不会因为切削力、工件重力、离心力或惯性力等的作用而发生位置的变化或产生振动，使工件在夹具中保持静态稳定，以保证加工精度和安全生产[7,16]。

结论致谢：
本论文是在老师悉心指导下完成的，老师广博的知识、正直的人格、高尚的品质、严谨的作风和朴素的生活以及在教学上表现出的一丝不苟的态度，是我永远学习的榜样，在学习上更是给予了我全力的支持、精心的指导、真诚的帮助和谆谆的教诲，力求对所遇到的问题都有一个明确的解答在，论文审稿过程中仔细审阅逐字推敲无不反映出他高度的责任感和严谨的治学态度。

本论文的最终完成不仅仅是沉甸甸的收获它更是自己老师和许许多多对自己热心帮助支持的老师和朋友们辛勤劳动的结晶
向所有关心支持我的人致以崇高的敬意和衷心的感谢
参考文献：
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焦作工学院2001
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