这种强大的工具可以帮助行业降低成本并优化生产线开发
所有夹具的设计都是为了在制造过程中将工件牢固、准确地固定到位。一家公司购买了一台机床并使用了 15 到 20 年，除了处理不同工件所需的编程更改外，没有进行太多更改或重新设计。而夹具是制造工程师（实际上甚至是产品和生产开发工程师）在日常生产中必须处理的工装部件（包括刀具、冷却液、检测工具等），以达到生产质量、最低生产成本、和最佳效率。巧妙执行的夹具设计对产品质量、缩短周期时间和最低生产成本有显着贡献。
不同的车间可能使用不同类型的夹具。一般来说，专用夹具是专门为高效作业而设计，使用d 在批量生产线上。标准夹具组件/设备（例如虎钳、卡盘和夹具）在车间中用于生产各种产品而无需准备特殊夹具，即使可能需要机上调整时间以确保工件质量。模块化夹具是最实用的柔性夹具，使用标准组件为不同的工作构建不同的配置。模块化夹具主要用于柔性制造系统、小批量生产和新产品/生产开发过程。为了在灵活性和高效率之间取得平衡，已经为零件系列开发了模块化夹具。
如今，高效的夹具设计在很大程度上取决于经验。一方面，夹具设计对质量和运营效率非常重要。另一方面，夹具设计并不完全基于科学原理，也不一定创造出独特的解决方案，尤其是当考虑了操作要求，例如易于操作。
随着 CAD/CAM 技术的发展，制造工程师寻求使用计算机技术来辅助夹具设计。目前，CAD 技术已广泛应用于许多行业，用于多种用途，包括夹具设计。但一般的 CAD 功能最喜欢帮助工程制图、实体模型生成和数据管理，包括创建夹具组件的 CAD 模型，这些通常由夹具供应商提供。市场上没有特定于夹具的设计知识，也没有用于夹具设计的特殊软件包。
计算机辅助夹具设计 (CAFD) 的概念首先由 McDonnell-Douglas（圣路易斯）公司提出) engineer in 1983, fixturecomponent database and customized CAD interface manual等简单的功能，基本上是为了省时省力进行夹具设计。从那时起，CAFD 已经发展成为相当全面的技术技术，包括
- 用于在生产特定零件时确定设置的夹具规划和在设置中定位基准选择；
- 基于 CAD 的夹具配置设计用于设计夹具结构，使用fixture-component数据库，将元器件组装成治具；
- 夹具分析以验证夹具设计的质量，例如通过确定定位精度和夹具稳定性。
尤其是，CAFD 技术经历了数次显着的发展开发阶段，例如基于组技术 (GT) 和基于知识（规则）的 CAFD，通过使用相似性和运动学分析来重用先前夹具设计中嵌入的知识来确定和优化夹具位置。此外，还出现了基于 CAD 的设计自动化、基于案例的推理 (CBR) 技术和可变夹具设计。目前大多数关于 CAFD 的研究都是针对机加工操作的模块化夹具设计。
虽然有几个虽然在学术界已经发展出几代 CAFD 技术和系统，并在许多出版物中有所介绍，但 CAFD 的工业应用非常有限。一般来说，行业需要CAFD。
CAFD背后的驱动力应该来自商业运营和技术发展，而不是学术研究。然而，至少部分由于经济衰退、制造外包和大多数工业运营的成本削减，对 CAFD 应用的投资相当低。尽管如此，在工业中使用 CAFD 的潜在好处是巨大的。
但是，夹具设计不仅影响夹具，还影响制造系统设计。例如，每年都会设计和实施许多新的生产线，为汽车行业的新车型制造零部件。在设计生产线时，夹具在周期时间规划和过程质量验证中都起着至关重要的作用。优化优化生产线设计，可能需要生成许多备选解决方案并相互比较。
设置设计是否可行或是否最优很可能取决于高效夹具设计的实现。它可能涉及基于定位基准选择的公差叠加分析、根据工件布局在工作站之间平衡工作量的周期时间估计，以及工艺参数确定。在工艺参数确定中，应考虑概念夹具设计和夹具刚度，根据夹具设计评估加工工具的可及性，并分析切削力下和相对于夹具配置的工件变形。因此，夹具设计以及相关的分析功能对于开发高质量的生产系统非常重要。
如果 CAFD 技术得到全面实施，在生产计划阶段执行此类评估工作会容易得多, 并产生在启动新的生产系统之前，可以大大缩短系统开发时间。也有可能 CAFD 技术已经足够成熟，可以在量产爬坡阶段取代测试夹具的使用，这肯定会带来显着的经济效益。
特别是在基于全球供应的制造中在链条中，生产计划通常在一个地点进行，而生产线在另一个地点运行。在这种情况下，计算机模拟就变得很有必要，以确保生产系统开发的最佳结果。夹具设计是生产线设计的一部分，应在生产计划的早期阶段以数字方式完成。如果在早期阶段可以发现任何潜在的错误，与在生产阶段后期发现错误相比，这将节省大量成本。
但是，通常的做法是，夹具设计通常由二线或三线供应商完成。日生产线开发商，即一级供应商，需要向治具设计公司明确治具设计要求。但可能没有任何科学的方法可以帮助他们，只能依靠以前的经验。另一方面，夹具设计师可能需要分析或模拟结果来让客户相信他们的设计质量，并避免因生产中的任何质量问题而受到指责。为了避免出现问题，过度设计在夹具设计中很常见。 CAFD 技术可以帮助供应商和 OEM 优化夹具设计和生产线设计。
基于供应商的制造中的另一种工业实践是报价。 CAFD技术可能有助于快速生成概念生产线设计（包括概念夹具设计），对生产周期时间和成本进行相对准确的估计，同时满足质量要求。这种概念层面的快速生产系统设计很有用在业务报价阶段，在进入成本更高的流程细节之前。
夹具设计也是制造流程开发的一部分。在一家大型航空航天工程公司，分别开发了一个相当精确的加工过程模型和机床结构动力学模型。然而，在进行实际加工测试时，实验数据与计算机模拟得出的数据大不相同。原因是固定刚度是系统中最薄弱的环节。如果尚未设计和建造，夹具结构无法在规划阶段建模。更令人惊讶的是，固定刚度可能会在不同的紧固力下发生变化。同样，CAFD 技术可以帮助建模和分析夹具刚度以优化制造过程。可访问性是过程验证的另一个领域，其中仿真应与夹具设计模型集成以检测可能的干扰.
夹具设计分析与设计本身一样重要。使用 CAFD 技术设计夹具后，需要对其质量进行评估。学术界对夹具设计分析进行了大量研究。研究开发了以下功能。
1．已开发出用于
- 夹具约束分析的几何模型。当从设计中确定或提取夹具接触点时，可以通过简单地计算定位矩阵的等级来检查定位特性。因此，可以识别完全约束以及定位不足或定位过度。此外，如果夹具定位不足或定位过度，也可以确定有问题的方向。
- 夹具精度分析。当在夹具设计中为每个定位器给出定位点变化（公差）时，可以根据公差定义（例如平行度和 t）评估公差叠加对加工特征的影响遗憾的位置。相反，如果给定了特定特征的加工精度，则可以根据公差叠加分析中的灵敏度分析来确定每个定位器的定位公差要求。需要注意的是，公差分配问题没有唯一解，可以应用一些规则，例如经济精度等级的概念。
2．已开发用于
- 夹紧稳定性分析的力学模型。这是为了确定不当的夹紧设计是否会在施加夹紧力时损坏定位触点。当考虑摩擦力时，计算可能不像通常预期的那样容易和直接，并且在大多数夹具情况下不能忽略摩擦力。
- 动态稳定性分析。已经开发了准静态模型来检查加工过程中的夹具稳定性。当刀具路径和切削力信息作为时间的函数给出时，t定位反作用力被评估为非负解。带有夹具的加工系统的动态响应一直不是很多研究的主题。一个挑战是估计夹具的动态刚度，这已成为一个单独的研究课题。
3.针对
- 夹具表面可达性分析评估了夹具可达性。当使用 CAFD 选择工件表面作为定位或夹紧表面时，有必要检查定位器或夹具是否可以放置在表面上，以及这有多容易。开发了一种基于 CAD 的评估方法，以定量识别不同夹具功能的可达区域和障碍物。
- 装卸可达性分析。将工件装入夹具和从夹具中取出的难易程度如何？一种基于 CAD 的模拟方法用于评估将工件加载到夹具中所需的时间，如果修复结构设计多样。
4.研究了夹具刚度对夹紧力和加工力作用下工件变形的影响。
- 夹具设计提供了边界条件，用于估计工件在加工力作用下的变形。结果可用于定位/夹紧位置优化。
- 夹具结构刚度。由于夹具部件和工件之间的接触界面，夹具刚度是高度非线性的。基于假设的接触刚度和间隙元素建立了 FEA 模型，并开发了一种实验方法来识别法向和切向接触刚度。希望在使用 CAFD 设计夹具时能够以数字方式获得夹具刚度信息，以便在生产开始之前进行工艺验证。
操作要求很难在 CAFD 中建模.这样的要求很重要夹具设计质量的衡量标准，CAFD 要求用户将要求制定为数学目标函数、基于知识的规则和/或要实施的设计指南。
在工业实践中可以给出许多示例，例如作为预定位、防切屑脱落、防错和最小夹紧时间的要求。在不同的应用中可能很难获得通用的结果。
CAFD 技术尚未在工业中得到广泛应用。解决以下挑战可能有助于克服 CAFD 广泛工业应用的障碍
- 通过更多内置的夹具设计知识、CAD 操作工具和用户友好的界面增强 CAFD 的功能。
- 将 CAFD 与产品设计和生产信息管理系统集成，以服务于生产计划和过程验证活动，特别是在生产线开发中。
- 将 CAFD 从主要用于机加工扩展其他工艺的操作，例如焊接、装配、检查、成型，甚至热处理工艺。从机械产品生产扩展到其他工业应用，如电子产品生产。将研究从强调模块化夹具设计扩展到更专用的夹具功能。
- 开发可行的商业模式，将 CAFD 投入商业运营，包括劳动力培训。
CAFD 不是一个新主题，但在 CAD/CAM 应用程序中仍然是一个缺失的环节。
