计算机辅助夹具设计(Computer-aided fixture design，CAFD)技术从20世纪70年代发展至今，已经成为CAD/CAM集成技术的一个重要组成部分。文中从CAFD技术所包含的4个研究方面(安装规划，装夹规划，夹具构形设计，夹具性能评价)入手，对国内外CAFD技术的发展(主要对近10几年内的发展成果)进行了回顾，并对CAFD的未来发展趋势进行了分析。
随着制造技术的发展，产品的设计周期缩短，更新换代增快。传统的大批量生产模式逐步被中小批量生产模式所取代。机械制造业欲适应这种变化须具备较高的柔性，国外已把柔性制造系统作为开发新产品的有效手段，并将其作为机械制造业的主要发展方向。柔性化的着眼点主要在机床和工装两个方面，而夹具又是工装柔性化的重点。组合夹具的平均设计和组装时间是专用夹具所花时间的5%—20%，可以认为组合夹具就是柔性夹具的代名词。由于组合夹具应变能力强、设计和制造周期短、成本低、适应产品更新换代的要求，提高了企业的竞争力，所以日益受到厂家的青睐。应用组合夹具的一项关键技术就是CAFD技术。我国从20世纪80年代中期就已经开始研究这项技术，并对如何将人工智能的理论应用到组合夹具计算机辅助设计(CAD)过程进行了探索。但由于组合夹具设计取决于被加工工件，而被加工工
件又千变万化，造成组合夹具CAD难以实现智能化。经过30多年国内外众多学者的不懈努力，工作虽有进展，但离生产实际应用还有很大距离。
1 CAFD技术概述
从20世纪70年代开始夹具CAD研究至今，CAFD技术已经发展成为CAD/CAM集成技术的一个重要组成部分。目前，围绕CAFD技术所展开的研究主要包括4方面内容：安装规划，装央规划，夹具构形设计和夹具性能评价：
(1) 安装规划。
安装规划的任务是确定加工时所需的安装次数，每次安装中工件的方位及加工面。这部分也可以是CAPP(Computer-aided process planning)的一个子集，也是CAFD和CAPP集成的交互接口。安装规划的框架包括制造特征描述和特征库的开发、装夹特征的定义和定位表面的选择、安装规划算法、以及夹具设计和验证。安装规划由于与CAPP联系更为紧密，大多数CAFD领域内的研究都集中在装夹规划，夹具构形设计和夹具性能评价3方面，但目前在夹具构形设计中对夹具自动构形设计的研究仍然较少。
(2) 装夹规划。
装夹规划主要用来决定在某一特定安装条件下工件上的定位支撑面，支撑点以及夹紧点。装夹规划所考虑的主要问题包括：工件上可以选作为装夹表面的表面类型;装夹表面相对于刀具轴线的方位;候选装夹表面的精度要求;候选装夹表面的组合情况;装夹稳定性和装夹表面的可及性等。
(3) 夹具构形设计。
夹具构形设计的任务是选择夹具元件，构造夹具结构，并把它们装配成最终的夹具构形来夹持工件。CAFD中夹具构形设计的主要问题包括：夹具元件的选择如与工件直接接触的定位支承与压板等的选择;确定夹具组件的高度;夹具组件在基础板上的摆放;夹具元件之间的连接;夹具、工件及加工面之问的干涉检查等。
(4) 夹具性能评价。
夹具性能评价是对已经设计完成的夹具的有关性能进行评价和分析，定义、测量并对夹具设计进行优化处理，用以保证夹具设计的质量。性能评价的内容包括定位精度，加工表面
精度，夹紧和加工稳定性，抵抗夹具元件变形的刚度，刀具路径的干涉检查，表面可及性等。
2 国内外CAFD技术研究现状和成果
文献[5]对CAFD从最初的起步到20世纪后的发展趋势作了回顾，这其中既包括最初的Latombe，Ingrand(1980)对于自动夹具推理的努力，也包括Markus(1984)和Miller(1985)开发一种半自动化的方法对给定的工件产生一种夹具设计的尝试，这种方法虽非自动，但提供了交互选择夹紧点，定位点和支撑点等功能，Chou等人(1989)基于工件稳定性和全约束要求的双重标准，重点研究了夹具设计中的夹紧过程。随着开发CAFD的剪要性被越来越多的学者所认可，人工智能和专家系统在夹具设计当中的应用也越来越多地被提出来，包括Davishi等人(1988)的开发专家系统的知识库表示，Nee等人(1992)基于特征的夹具分类模式，以及Pham等人(1990)的夹具CAD系统的开发等。
纵观CAFD发展历程，其历经交互式计算机辅助夹具设计系统(I—CAFD)，基于成组技术和知识的CAFD系统及20世纪90年代后的第3代CAFD系统3个阶段。而按照自动化程度划分，夹具设计系统又可分为交互，半自动和自动系统。20世纪90年代后，总结经验后认为，
CAFD最终必须要生成夹具结构，而过去的系统只解决安装、定位、夹紧等问题或检索类似的结构，不能获得合乎工件实际应用的结构图，而且分析也不全面。所以，必须开发出以产生夹具结构为目的，实际生产为导向的商品化夹具设计软件上。
下面着重对最近10几年来CAFD方面较新的研究进展和存在问题给予关注和总结。
2.1 国外CAFD技术研究现状和成果
国外CAFD研究内容在装夹规划，夹具构形设计及夹具性能评价等方面的研究如下：
装央规划方面：Rong等人基于快速夹具构形设计系统研究了定位方法在自动组合装夹规划系统中对夹具元件和工件的几何关系进行了分析，对自动组合装夹规划中的夹装精度，夹紧规划，夹具可及性及夹紧稳定性进行了研究，一旦装夹规划确定了，分析结果会应用到夹具设计的性能评价中;除了机械加工用的组合夹具外，Wang等人将基于案例推理的方法(CBR)应用到了焊接夹具的研究中，提出了一种用于夹具设计信息表示的数据提取方法，在此方法基础上，提出了用于焊接夹具设计的多级CBR方法;Perremans开发了可以进行装夹规划如输入定位，夹紧，支撑表面等的专家系统，并可通过专家系统实现组合夹具
kara组合图片元件的组装;Mervyn等人利用进化搜索算法提出了一种自动组合夹具分析方法;Varadarajan等人到为六轴定位和装夹精度设计了动力学模型和硬度模型。
夹具构形设计方面：Rong等人从装夹规划到夹具构形设计，对CAFD进行了深入而广泛的研究，开发了基于孔系的自动组合夹具构形设计系统。在快速反应制造中开发了自动定制夹具构形设计系统;在夹具可重构方面，Kong等人将基于夹具工作区的结构合成及快速夹具校验的可视化分析应用于快速可重构组装夹具系统中;Shen等人纠以滑动副作为可重构夹具的基本结构，提出了用于可重构夹具系统的4种类型的机构;Ryll等人提出了一种快速可重构方法以及工件一夹具在智能装夹系统中的定位，可重构中应用了面向对象的方法来确保无需改变控制软件而保证夹具在不同的安装下工作;Culpepper，Varadarajan等人基于压力激励和弯曲轴承提出了一种双重目的的定位夹具(DPF)和偏心的球一轴夹具，用以弥补夹具元件的公差和轴承磨损，但并未涉及到工件公差对相关工件定位的影响;Ibrahim等人在综合考虑工件材料，工件表面粗糙度，夹具元件粗糙度，法向载荷等影响条件，通过实验方法确定工件、夹具元件接触表面之间的摩擦系数，通过静态方法来减少实验误差，以确保实验结果的可信度。结果对夹具构形设计至关重要;Martin等人针对夹具设计中应用专家知识所引起的不精确及不确定性等缺点，提出了模糊推理(fuzzy reasoning)的方法来支持来源于不
同知识语义的造型;Surendra等人Ⅲo开发了用于棱柱形工件的自动夹具生成系统，该自动夹具构形设计系统可以自动选择夹具元件并按照符合需要的组装关系放置在合适的位置;Hunter等人利用知识模板的重用，可以实现不同知识族中所定义知识的重用，并与模型结合起来，基于IDEFO和UML的功能方法表示夹具设计过程。
夹具性能评价方面：Kulankara等人对工件尺寸和精度有较大影响的夹具布局过程进行了研究，提出了一种基于遗传算法(GA)的夹具布局优化技术，可以减少由于夹紧力和切削力所引起的加工表面的变形;Pelinescu等人基于多质量标准确定夹具布局设计并对所接受的夹具设计方案进行评估，选择一个最优的夹具设计方案来平衡多性能需求，文中给出了3个性能目标，即定位工件的精度，定位接触力的降低和定位接触力的平衡;Siebenaler等人重点研究了利用有限元方法分析预测工件变形的影响因素，仿真结果表明，基于表面对表面的工件一夹具接触模型可以对工件和反应力做出预测;Satyanarayana等人用有限元方法对不同边界条件导致的工件弹性变形和反作用力的预测进行了分析，并通过实验进行了性能评价;Amaral等人同样用有限元方法在夹具设计系统中对夹具设计进行了性能评价和优化;Song等人在确定定位状态的基础上，进一步分析和研究了非确定定位方案，用一种算法来检测几何约束状态，该算法可以识别欠约束状态并指出工件的非约束运动，也可以识别
过约束状态及不必要的定位，这种信息可以帮助设计者分析和改善已有的定位方案;Subranmanian提出了一种基于遗传算法(GA)的优化方法，利用空间坐标来表示夹具元件的位置，集成了遗传算法中很多诸如实数编码，突变及共享等重要概念;Kaya也将GAs应用于夹具结构优化设计中，并利用有限元方法进行目标函数值的计算;Varadarajan等人对六轴定位原理和装夹精度进行了特性分析和评价;Kang提出了对夹具的定位性能、加工表面精度，稳定性及表面可及性等方面进行验证;Hurtado等人提出了一种用于优化柔性夹具设计的模型，该模型用于发现最优活动销的数目，所用算法目的在于获得夹具一工件的一致性和保持工件刚体运动稳定平衡，使夹具弹性变形保持在或低于用户指定的值;Ratchev等人基于FEA方法，提出了一种有效的性能评价方法，即用一种创新的仿真方法来预测夹具一工件系统中的动态行为，并兼容于任何商业化FEA平台;Wang和Kayaml提出了基于约束和遗传算法的定位和夹紧布局优化。
2.2 国内CAFD技术研究现状和成果
国内夹具CAD的研究起源于20世纪80年代中期，中国航空技术进出口公司应欧洲客户要求，设计了一套二维计算机辅助组装软件，拉开了我国开发夹具CAD系统的帷幕。从20世
纪80年代中期开始，我国先后有lO余所高校对组合夹具CAD系统作了探索，但能长期坚持研究开发的有北京机械工业学院、河北工业大学、南京航空航天大学、西北工业大学和哈尔滨工业大学等。目前，对夹具CAD研究的内容越来越深入和具体，参与研究的学术单位和团体也越来越多，除上述单位外，四川大学、大连理工大学、天津大学、河海大学等众多的高校与研究机构参与到了夹具CAD的研究当中来，包括一些高校在ACIS。，Solid·work，Pro—E，UG等不同CAD平台上进行的夹具CAD系统的研发和不同平台下的夹具元件建库工作。
近年来，国内夹具CAD研究的主要内容大部分集中在装夹规划和夹具构形设计(包括计算机辅助夹具系统的研究和开发)方面，部分对夹具性能评价的研究穿插于上述两方面。
装夹规划方面：唐东等人将ANN算法(即Hopfield algorithm)用于自动装夹规划(automatic fixtureplanning)中，同时通过利用定位夹紧面的选择规则和确定工件定位的评估矩阵对定位和夹紧表面的选择进行了研究，并开发了从数据库中选择定位和夹紧元件进行夹具的组装方法;吴玉光，张坤明旧叫。针对孔系组合夹具采用了工件外轮廓规约化方法，确定工件可行夹紧点方案集合，对夹紧方案的自动规划方法进行了研究;吴玉光等人还就最优夹紧方
案评价及定位方案的自动确定方法进行了研究，并利用关联(Linkage)机制进行工件定位候选点的识别，在评估可及性和装夹性的算法中采用了诸如IRC(instantaneousrotational center)三角形及定位可见圆锥等新概念;Zheng等人”副针对以往组合夹具装夹研究重点集中在2D和3D规则几何形状的对象方面，为3D复杂对象或者以任意位置放置的需要定位的对象夹具建立了数学模型，对3D组合夹具进行了系统研究。
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