一种自动化夹具设计方法课程毕业设计外文文献翻译@机械夹具外文翻译@中英文翻译

中国地质大学长城学院 本科毕业设计外文资料翻译 系 别： 工程技术系 专 业： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 刘子健 学 号： 05211641 2015年 4 月 28日 外文资料翻译译文 一种自动化夹具设计方法 塞西尔 美国，拉斯克鲁塞斯，新墨西哥州立大学，工业工程系 ， 虚拟企业工程实验室（ VEEL） 在这篇论文里， 描述了一种新的 计算机 辅助夹具设计方法。对于一个给定的工件，这种夹具设计方法包含了识别加紧表面和夹紧位置点。通过使用一种定位设计方法去夹紧和支撑工件，并且当机器正在运行的时候，可以根据刀具来正确定位工件。 该论文还给出了自动化夹具设计的详细步骤。 几何推理技术被用来确定可行的 夹紧 面和 位置。要识别所完成工件和定位点就 还 需 要一些输入量 包括 CAD 模型的 技术要求、特征。 关键词 ：夹紧； 夹具设计 1.动机和目标 夹具设计是连接设计与制造间的一项重要任务。自动化夹具设计和计算机辅助夹具设计开发（夹具 CAD）是下一代制造系统成功实现目标的关键。在这片论文里， 讨论了一种夹具设计的方法，这种方法有利于在目前环境下夹具设计的自动化。 夹具设计方法 的研究 已 成为 国内多家科研工作的重点。 作者：周 在 1中 对工件的稳定和总需求约束 了 双重标准，突出重点的工作。 在夹具设计中广泛的运用了人工智能（ AI）以及专家系统。 部分 CAD 模型几何信息也被用 于 夹具设计。 Bidanda 4描述了一个基于规则的专家系统，以确定回转体零件的定位和夹紧。夹紧机制同时 用于 执行定位和夹紧功能。 其他研究者（如 DeVor 等 ， 5,6）分析了切削力钻井 机械和建筑模型 及 其他金属切削加工。 康有为等 在 2中定义 了 装配约束建模的模块化 与 夹具元件之间的空间关系。 一些 研究人员采用模块化夹具设计原则 ，用 以生成 2,7-11， 另一些 夹具设计工作 者 已经报告了 1,3,9,12-23。 可以 在 21,24中找到 夹具设计相关的 大量 的审查工作。 在第二节中， 对 夹 具 设计任务 中 各种步骤进行了概述。 在 第 3节 和第四节中 描述 了工件的 加工过程， 要 夹紧工件 表面 ，否则将面临工件 的全面自动测定 。 第 5节讨论了对工件的夹紧点的 测定 。 2.夹具设计的整体方法 在本节中，描述 了 整体夹紧 的 设计方法。 通常 对较 理想的位置的 那 一部分 进行夹紧 ，并 减低 切削力的影响 。 夹紧 的位置 和夹具设计中定位的 位置 是高度相关的。 通常，夹紧和定位可以通过同样的 方法 来完成。 但是，不明白这两个是夹具设计中不同的方面，可能导致夹具设计的失败。 多数人 的 在 规划 过程中 首先解决定位问题 ， 这样可以使 开发的定位与设计 的定位相契合。 不过 ，整体定位及设计方法 不在本文讨论范文内。 除了 零件的设计（ 为此 夹具 设计有待开发 ），公差规格，过程序列，定位点和设计等因素外， 还应投入 CAD 模型到夹具设计方法 中 。 这样的夹具可以夹紧并支撑定位器。 指导使用的主要内容应尽量不 抵制切割或加工过程和中所涉及的操作。相反，应定位夹具，使切削力在正确的方向，这将有助于保持在一个特定的部分加工操作安全。通过引导对定位器的切割力量，部分（或工件）被固定，固定定位点，因此不能移动的定位器。 在这里讨论 的 夹 具 的设计方法必须 在 整体夹具设计方法的范围内。在此之前进行定位器 /支 撑 和夹具设计 的 初步阶段，涉及 到 的分析和识别的功能 、 相关的公差和其他规范是必要的。 根据 初步的评估和测定，定位 /支 撑 设计与夹具设计结果的 在此 基础 上 可以 同时进行。 本文 对 所描述 夹具设计 的 方法 讨论基于定位器 /支 撑 设计 与 先前已经确定的假设 （包括适当的定位和支持测定一个工件的定位，以及识别和夹具，如 V元素的支持面块，基础板，定位销等）。 2.1 夹具设计的输入 输入包括对特定产品的设计翼边模型，公差信息，提取的特征，过程顺序和部分在给定的每一个设计的相关特性的加工方向，面向的位置和定位装置，以及加工过程中的各种工序，须出示每个相应的功能。 2.2 夹具设计的方法 图一是自动化夹具设计主要步骤总结图。 对这些步骤概述如下： 第 1步 ： 设置配置清单以及相关的 进程 _功能 条目。 第 2 步 ： 确定方向和夹紧 力 。 输入 必 要的加工方向向量 mdv1， mdv2mdvn ，面对nvs的支持 力 ，并确定法向量。 如果加工方向向下（对应的方向向量 0， 0， -1），和面的支持向量平行于加工方向，那么 ， 夹紧 力 方向平行向下加工方向 0， 0， -1。 如果必需要侧面夹紧并没有可夹紧的地方，那么在其中放置一个夹具夹紧下调，然后边钳方向计算如下。 让 sv和 tv辅助常规的向量代替次要的和三级定位孔。然后，使用夹紧机构夹紧一个方向，例如， av应平行于这两个法向量，即，正常向量应分别与每块表面的 sv和 tv向量平行。 侧面夹紧面应该是一 对 分别 平行 于 面 sv 和 tv的 平 面孔。 第三步：从列表中选出最大有效加工力。这样能够有效的平衡各加工力。 第四步： 利用计算出的最高有效加工力，才能确定用来支撑工件加工的面积 的夹具尺寸 （例如，一个带夹子可以作为一个夹紧机构使用）。 第五步： 确定给定工件的夹紧面。这一步在第 4步中 所述 过 。 第六步： 该夹具的夹紧面的实际位置自动在第 5节中确定。 考虑接下来的步骤并返回第一步。 图 1 夹具设计方法图 3.判断夹具尺寸 在这项工作中所用到的夹具都来自一个系列。夹具的原理与图二相同。在这一节里，描述了一个自动化夹具。 锁模 力所需的有关螺杆的螺纹装置大小或保存到位钳。 夹紧力平衡加工工件 使工件 保持恰当的位置。 让锁模力为 W和螺杆直径 为 D。 各种螺丝夹紧力大小，可以按以下方式确定 ： 最初，极限拉伸强度（抗拉强度） 和 该夹具 的 材料（供应情况而定）可以从数据检索库 检索 。各种材料有不同的拉伸强度。该夹具材料的选择，也可直接采用启发式规则进行。例如，如果部分材料是低碳钢，那么钳材料可低碳钢或机器钢。为了确定设计应力，抗拉强度值 应 除以安全系数（如 4或 5）。 根区的螺丝格 A1（如一个螺丝钳）可以被确定 ： 锁模力 /设计应力 。随后，螺栓截面全面积可以计算 为等于 格 A1 /（ 65）， （因为螺丝的地方可能会发生根切面积约为 65螺栓的总面积） 。螺钉的直径 D 可以被确定等同 于 （ D2的 3.14 / 4）。另一项涉及可用于方程有关的宽度 B，高度 H和跨度的钳L的螺丝直径为 D（ B， H和 L可以为不同的值计算 D）： d2= 4/3 BH2/L. 图 2 皮带夹 4.判断夹紧表面 确定夹具经常出现的相关参数包括了产品的 CAD模型，提取的特征信息，特征尺寸，定位面和定位器的选择。 考虑所有潜在的加紧面，如图 3。 最关键的是夹紧表面不应重叠或与该面相交，如图 4 所示。夹紧面积 是 与 工件表面（或 PCF）接触的是一个二维轮廓线段组成的（见图 6）。 利用线段相交测试，可以测定在给定的光子晶体光纤的任何范围内是否可能有接触面夹紧面重叠。 夹紧面的确定可以如下 所示： 图 3 潜在的夹紧力和功能介绍 图 4 潜在的夹紧和夹钳箱轮廓 第 1 步 ： 鉴别平行于二级和三级定位面（ lf1 和 lf2）是分别到 lf1 和 tcj 最远的距离的面。 如下所示： (a)鉴别面 tci,tcj,使面 tci和 tcj平行 lf1和 tcj平行 lf2。 (b)在 TCF中列出面对 tci的面 。 (c)通过检查所有 TCF 中面对 tci 的面 ，确定的面对 tci 和 tcj 的面是到 lf1 和 lf2分别最远的面，并舍弃所有其他 TCF中的面。 第 2步 ： 鉴别平行面的位置，除了不相邻的附加面。 最好是选择一个不与其他定位面垂直相邻的面。 这一步如下所示： (a) 考虑 TCF列表中的 tci面，获得与每个 tci面垂直或相邻的面然后，在 FCF列表中插入每个 fci面。 (b) 检查每个 FCI 面，并执行以下测试：如果 FCI是相邻、垂直于 lf1或 lf2，然后从列表中舍弃它并插入 NTCF列表中。 第 3步 :确定加紧面都在有效的加紧面上，如下所述夹紧面： 例 1:如果没 有条目在列表 NTCF 中 ， 就 使用 TCF 中的面 并继续执行步骤 4。如果任何面发现，垂直于第二，第三位置的面孔 lf1和 lf2，这将要面临的是下次选择可行的夹具。在这种情况下，唯一剩下的选择是重新审视在列表 NTCF的面。 例 2： 如果列表中 NTCF条目数为 1时，可行夹紧面为 FCI。与 TCI 的法向量垂直相邻的相应轴是夹紧轴。 例 3： 如果在列表 NTCF项数大于 1，确定最大的 TCI加紧面再进行步骤 4。 例 4： :夹紧 力 的方向可以是 1， 0， 0或 0， 1， 0，可以 夹紧 TCI 面 的中心位置 。 在其他几何位置可确定使用零件几何形状 和拓扑信息，这在下一节中描述。 图 5 测定夹具外形尺寸 5.判断夹紧表面上的夹紧点 确定夹紧面后，必须确定实际夹紧位置。输入夹具侧面积，沿着 x， Y， Z和潜在的夹紧面 CF方向。 容下使用 CF几何获得夹具侧面积 ： 第一步是确定一个箱体的大小，这是用来测试它是否包含在它里面的任何 部分 。 相交测试也可以在前面介绍的方法使用。 如果相交测试返回一个负的结果，那么有部分箱体与夹具相交，如图 4所示 。 如果相交测试返回一个 正 的结果，可以执行下列步骤： 1.划分成更小的矩形大小条（ 1 W）夹框轮廓 (图 5和图 6)。 2.执 行指定与功能配置文件出现在 CF面的零件设计的相交测试 。 3.没有功能相交的条形区域，都是可行夹紧区域。如果有一个以上的长方形候选面，矩 形配置文件，向中沿轴夹紧 CF面点的是夹紧配置文件（夹点）。 如果没有 发现 配置文件，夹具宽度可减少一半，夹具数 可以 增加两个。使用这些修改过的夹具尺寸，执行前面描述的特征相交测试。如果此测试也失败了，那么可以用相邻的面作为夹紧面用于执行端夹紧。 这 面 可以重复进行 PCF和功能相交测试。 图 6 配置文件夹的功能和区域的相交测试 5.1 试验曲线的交点 输入需要的二 维轮廓 P1、 P2，使用下列方法可以自动确定该配置文件的交集。每一个输入的资料组成一个封闭环。 此配置文件测试的步骤如下： (T1) 考虑 P1线段 中 的 L（ i， 1） 和 P2线段 中 的 L（ 2， j）。 (T2) 采用 L（ i， 1） 线段和 L（ 2， j） 线段的相交段。 如果边缘相交测试返回一个正值，那么特征面和潜在面相交。如果它返回一个负值，继续执行步骤 3。 （ T3）重复与步骤（ T1）相同的部分或者缓慢走过其余 P1 中的 (Li,1)段 直到 P2 中的(L2,j+1) till j=n-1段。 (T4) 其余部分边和 P1中的 L12、 L13 L1n段重复（ T1）和（ T2）步骤。 如果特征面与夹紧面重复，线相交测试将决定该事件。相交的边可以进行自动检测两个面是否相互交叉。 输入所需的边 L12连接 (x1, y1) 和 (x2, y2)和 L34连接 (x3, y3) 和 (x4, y4)。 L12型方程的可表示为： F(x,y) = 0 (1) L34型方程的可表示为： H(x,y) = 0 (2) 第一步：使用等式（ 1）计算 R3 F(x3, y3)，用 X和 Y取代 X3和 Y3;计算 R4 F(x4, y4)，用 X和 Y取代 X4和 Y4。 第二步：如果 R3和 R4都与 0不相等，但 R3与 R4结果相同（ R1与 R2在相同的一边），则边 L12与 L34不相交。如果这样不满足条件，那么进行第三步。 第三步：使用等式（ 2）计算 R1 H(x1, y1)。接着，计算 R2 G(x2, y2)再进行第四步。 第四步：如果 R1与 R2都不等于 0，且 R1与 R2的结果相同，那么把 R1与 R2放在相同的一边并输入不相交。如果，这个也不满足条件，那么进行第五步。 图 7 示例夹具设计其中一部分方法 第五步：给定相交线段。 这样就完成了测试。 考虑如图 7 所示的一部分样品。 将要生产 一个盲孔 。起初， 完成 定位设计。 定位器的（或主要定位器）是一个基盘（放在 F4面 ）和二级和三级定位器 面临 F6和 F5（对应到定位面 lf1和 lf2在第 4节中讨论）。 一个辅助定位器也被使用，这是一个 V型块（对 F3和 F5 面 辅助定位），如图 8 所示。 在前面讨论的夹具设计方法中所述的步骤的基础上，候选面 孔 （这是平行的，并在从 lf1和 lf2最遥远的距离）是面对 F3和 F5面 。 没有面孔，这是平行到定位面，但他们不相邻 。在这种情况下使用的优先权规则（如步骤 3 第 4 步 讨论），剩余的候选 面 面对的是 F2 面 。 夹具 方向 向下 的 V型块径向定位器和其他与对工件夹紧底 面提供 所需位置。 图 8 关于图 7 夹具设计的一部分样品 根据第五步选择夹具的位置。如果没有功能发生在面 F2 上，那么也没有必要进行相交测试确定夹具优美加紧。 夹具位置应远离 V型定位器（这是辅助定位位置）的夹紧面毗邻辅助定位面（这确保了更好的快速夹紧）。最终位置和夹具的设计如图 8所示。 本文讨论的方法，毫不逊色 于 其他夹具设计文献中讨论的方法 。本文 所讨论的方法的独特性是零件的夹紧面 的几何形状，拓扑和功能发生了被加工为基础的系统鉴定。 其他方法都没有利用了定位器的位置，该方法使用定位器在对持有一级，二级和三级定位器加工的工件。这种方法的另一个好处是在可行的候选面上确定在面上用夹具面交点测试（如前所述），并迅速和有效地确定潜在的下游过程中可能出现问题，夹紧和加工的功能检测。 6.总结 在这 篇论文 中， 对在 一个夹具设计方法的总体框架内 进行了 夹具设计方面 的 讨论。 设计 定位器， 规范 零件设计，和其他 相关 被 用来 确定夹紧面和 夹紧 方向。 并讨论了各种自动化步骤。 外文原文 A Clamping Design Approach for Automated Fixture Design J. Cecil Virtual Enterprise Engineering Lab (VEEL), Industrial Engineering Department, New Mexico State University, Las Cruces, U In this paper, an innovative clamping design approach is described in the context of computer-aided fixture design activi-ties. The clamping design approach involves identification of clamping surfaces and clamp points on a given workpiece. This approach can be applied in conjunction with a locator design approach to hold and support the workpiece during machining and to position the workpiece correctly with respect to the cutting tool. Detailed steps are given for automated clamp design. Geometric reasoning techniques are used to determine feasible clamp faces and positions. The required inputs include CAD model specifications, features identified on the finished workpiece, locator points and elements. Keywords: Clamping; Fixture de 1.Motivation and Objectives Fixture design is an important task, which is an integration link between design and manufacturing activities. The automation of fixture design activities and the development of computer-aided fixture design (CAFD) methodologies are key objectives to be addressed for the successful realisation of next generation manufacturing systems. In this paper, a clamp design approach is discussed, which facilitates automation in the context of an integrated fixture design methodology .Clamp design approaches have been the focus of several research efforts. The work of Chou 1 focused on the twin criteria of workpiece stability and total restraint requirement. The use of artificial intelligence (AI) approaches as well as expert system applications in fixture design has been widely reported 2,3. Part geometry information from a CAD model has also been used to drive the fixture design task. Bidanda 4 described a rule-based expert system to identify the locating and clamping faces for rotational parts. The clamping mech-anism is used to perform both the locating and clamping functions. Other researchers (e.g. DeVor et al. 5,6) have analysed the cutting forces and built mechanistic models for drilling, and other metal cutting processes. Kang et al. 2 defined assembly constraints to model spatial relationships between modular fixture elements. Several researchers have employed modular fixturing principles to generate fixture designs 2,711. Other fixture design efforts have been reported in 1,3,9,1223. An extensive review of fixture design related work can be found in 21,24 In Section 2, the various steps in the overall approach to automate the clamping design task are outlined. Section 3 describes the determination of the clamp size to hold a work-piece during machining and in Section 4, the automatic determi-nation of the clamping surface or face region on a workpiece is detailed. Section 5 discusses the determination of the clamp-ing points on a workpiece. 2. Overall Approach to Clamp Design In this section, the overall clamping design approach is described. Clamping is usually carried out to hold the part in a desired position and to resist the effects of cutting forces. Clamping and locating problems in fixture design are highly related. Often, the clamping and locating can be accomplished by the same mechanism. However, failure to understand that these two tasks are separate aspects of fixture design may lead to infeasible fixture designs. Human process planners generally resolve the locating problem first. The approach developed can work in conjunction with a locator design strategy. However, the overall locator and support design approach is beyond the scope of this paper. CAD models of the part design (for which the clamp design has to be developed), the tolerance specifications, process sequence, locator points and design, among other factors, are the inputs to the clamp design approach. The purpose of clamping is to hold the parts against locators and supports. The guiding theme used is to try not to resist the cutting or machining forces involved during a machining operation. Rather, the clamps should be positioned such that the cutting forces are in the direction that will assist in holding the part securely during a specific machining operation. By directing the cutting forces towards the locators, the part (or workpiece) is forced against solid, fixed locating points and so cannot move away from the locators. The clamp design approach discussed here must be viewed in the context of the overall fixture design approach. Prior to performing locator/support and clamp design, a prelimi-nary phase involving analysis and identification of features, associated tolerances and other specifications is necessary. Based on the outcome of this preliminary evaluation and determination, the locator/support design and clamp design can be carried out. The clamp design approach described in this paper is discussed based on the assumption that locator/support design attributes have been determined earlier (this includes determination of appropriate locator and support faces on a workpiece as well as identification of locator and support fixturing elements such as V-blocks, base plates, locating pins, etc). 2.1Inputs to Clamp Design The inputs include the winged-edge model of the given product design, the tolerance information, the extracted features, the process sequence and the machining directions for each of the associated features in the given part design, the location faces and locator devices, and the machining forces for the various processes required to produce each corresponding feature. 2.2Clamp Design Strategy The main steps in the automation of the clamping design task are summarised in Fig. 1. An overview of these steps is as follows: Step 1. Consider the set-up SUi in the set-up configuration list along with the associated process feature entries. Step 2. Identify the direction and type of clamping. The inputs required are the machining direction vectors mdv1,mdv2,. . .,mdvn and identified normal vectors of support face nvs. If the machining directions are downward (which correspond to the direction vector 0, 0, 1), and the normal vector of the support face is parallel to the machining direction, then the direction of clamping is parallel to the downward machining direction 0, 0, 1. If sideways clamping is required, and if there are no feasible regions at which to position a clamp for downward clamping, then a side-clamp direction is obtained as follows. Let sv and tv be the normal vectors of the secondary (sv) and tertiary (tv) locating faces. Then, the direction of clamping used by a side-clamping mechanism such as a v-block should be parallel to both these normal vectors, i.e. the normal vectors of the each of the v-surfaces in the v-block will be parallel to sv and tv, respectively. The side clamping face should be a pair of faces parallel to the faces sv and tv, respectively. Step 3. Determine the highest machining force from the mach-ining forces list (for each feature) MFi (i1, . . .,n). This will be the effective force FE that must be balanced while designing the clamp for this set-up SUi. Step 4. Using the value of the calculated highest machining force FE, the dimensions of the clamp to be used to hold the workpiece can be determined (for example, a strap clamp can be used as a clamping mechanism). The approach for this task is explained in Section 3. Step 5. Determine the clamping face on a given workpiece. This step can be automated as described in Section 4. Step 6. The actual position of the clamp on the clamping face is determined in an automated manner as explained in Section 5. Consider next set-up SU(i 1) and proceed to step 1. Fig. 1. The clamp design activities. 3. Determination of the Clamp Size In this work, the clamps used belong to the family of clamps referred to as strap clamps. A strap clamp is based on the same principle as that of the lever (see Fig. 2). In this section, the automated design of a strap clamp is described. The clamping force required is related to the size of the screw or a threaded device that holds the clamp in place. The clamping force should balance the machining force to hold the workpiece in position. Let the clamping force be W and the screw diameter be d. The dimensions of the various screw sizes for various clamping forces can be determined in the following manner. Initially, the ultimate tensile strength (UTS) of the material of the clamp (depending on availability) can be retrieved from a data library. Various materials have different tensile strengths. The selection of the clamp material can also be performed directly using heuristic rules. For example, if the part material is mild steel, then the clamp material can be low carbon steel or machine steel. To determine the design stress, the UTS value can be divided by a safety factor (such as 4 or 5). The root area A1 of the screw (for a clamp such as a screw clamp) can then be determined: Clamping force required/Design Stress DS. Subsequently, the full area FA of the bolt cross-section can be computed as equal to A1/(65%) (since the root area of the screw where shearing can occur is approximately 65% of the total area of the bolt). The diameter of the screw d can then be determined by equating FA to (3.14 d2/4). Another equation which can be used involves relating the width B, height H and span L of the clamp to the screw diameter d (B, H, and L can be computed for various values of d): d2 BH2/L. Fig. 2. The strap clamp 4.The Determination of the Clamping Face The required inputs to determine the clamping region include the CAD model of the product, the extracted features infor-mation, the feature dimensions and faces on which they occur, the locating faces and locators selected. Consider a potential clamping face PCF as shown in Fig. 3. The crucial criterion to be satisfied is that the clamping surface should not overlap or intersect with the features on that face, as shown in Fig. 4. The clamping surface area, which is in contact with the workpiece surface (or PCF) is a 2D profile consisting of line segments (see Fig. 6). By using line segment intersection tests, it can be determined whether the potential clamping area of contact overlaps any of the features on the given PCF. The determination of clamping faces can be automated as fol-lows: Fig. 3. Potential clamping face and feature profiles. Fig. 4. Potential clamping face and clamp box profile. Step 1. Identify faces that are parallel to the secondary and tertiary locator faces (lf1 and lf2) and at the farthest distance from lf1 and tcj, respectively. This is performed as shown below: (a) Identify faces tci, tcj such that tci is parallel to lf1 and tcj is parallel to lf2. (b) Insert candidate faces tci in list TCF. (c) By examining all faces tci listed in TCF, determine faces tci and tcj that are farthest from face lf1 and lf2, respect-ively, and discard all other faces from list TCF. Step 2. Identify the face that is parallel to the location faces but not adjacent to the additional locator faces. It is preferable to select a clamp face that does not have to share the adjacent perpendicular face with a locator. This step can be automated as shown below: (a) Consider each face tci in list TCF and obtain corresponding faces fci that are adjacent and perpendicular to each tci. Then, insert each face fci in list FCF. (b) Examine each fci and perform the following test:If fci is adjacent, perpendicular to lf1 or lf2,then discard it from list FCF and insert it in list NTCF. Step 3. Determine the clamping faces, based on the availability of pote