（机械工程专业论文）基于proe的机床夹具虚拟设计技术研究.pdf

基于p r o e 的机床夹具虚拟设计技： 摘要 机床夹具在机械加工起着重要的作用，它直接影响着机械加工的质量， 生产效率和成本，企业在长期的机床夹具设计过程中积累了丰富的设计经 验，迫切需要一种高效可行的方法来重复利用这些已有的设计经验以提高 机床夹具设计的质量和效率。本文针对这一企业需求，对基于c a d 软件 p r o e 的机床夹具快速没计理论和系统的开发方法进行了研究，主要研究内 容和成果如下： 1 对机床夹具零件库的自动建模原理和关键技术进行了详细的研究，创 建了机床夹具零件和部件信息模型，实现了机床专用夹具零件和部件的柔 性建库。 2 在零件和部件信息模型基础上，建立了统一的机床专用夹具对象装配 模型，创建了机床专用夹具对象装配规则，引入了机床专用夹具分层次装 配策略和有效路径装配策略，提出了装配路径快速生成算法。 3 在对机床专用夹具实例结构分析的基础上，采用了基于典型实例的机 床专用夹具设计方法，重点研究了机床专用夹具检索模型和实例存储策略， 研究了基于p r o e 的机床专用夹具快速没计系统。 关键词：机床夹具零件库，机床夹具部件库，实例推理，p r o e 浙江t 业人学硕i j 学位沦义 r e s e a r c ho fm a c hin et o o lfix t u r evir t u a ld e sig n t e c h n o l o g yb a s e do np r o e a b s t r a c t m a c h i n et o o lf i x t u r ei sv e r yi m p o r t a n te q u i p m e n ti np r o c e s so f m a c h i n em a n u f a c t u r i n gb e c a u s ei tc a nd i r e c t l ya f f e c tt h eq u a l i t yo f p r o d u c t sa n dp r o d u e ti v it ya n dc o s t ，m a n u f a c t u r i n gc o r p o r a ti o n sh a v e a c c u m u l a t e da b u n d a n tf i x t u r ed e s i g ne x p e r i e n c e si nt h el o n gt i m eo f p r a c t i c e ，a n da na v a i l a b l ea n de f f e c t i v em e t h o di sn e e d e du r g e n t l y t ob ee s t a b l i s h e db yu s i n gt h ev a l u a b l ek n o w l e d g ei no r d e rt oi m p r o v e m a c h i n et o o lf i x t u r ed e s i g n i n gl e v e l i no r d e rt os a t i s f yt h i s r e q u i r e m e n t ，m a c h i n et o o lf i x t u r er a p i dd e s i g n t h e o r ya n ds y s t e m d e v e l o p m e n tm e t h o d s ，b a s e do nc a ds o f t w a r e ：p r o e ，a r es t u d i e d t h e m a i nr e s e a r c hc o n t e n d t sa n da c h i e v e m e n t sa r ea sf o ll o w s 1 、t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e sd e e p l yt h et h e o r ya n dk e yt e c h n i q u e s o fm a c h i n et o o lf i x t u r ee l e m e n ta u t o m a t i cm o d e l i n gb a s e do np r o e m a c h i n et o o lf i x t u r ee l e m e n ta n dc o m p o n e n ti n f o r m a t i o nm o d e li s p r o p o s e d m a c h i n et o o lf i x t u r ee l e m e n ta n dc o m p o n e n t 1i b r a r yis c a r r ie do u t 2 、b a s e do nt h ei n f o r m a ti o nm o d e lo fm a c h i n et o o lf i x t u r ee l e m e n t a n d c o m p o n e n t ，m a c h i n e t o o lf i x t u r eo b j e c t a s s e m b l y m o d e lis e s t a b li s h e d ，m a c h i n et o o lf i x t u r eo b j e c ta s s e m b l yr u l ei sp r o p o s e d ， 浙江t 业人学硕i j 学位论文 m a c h i n et o o lf i x t u r eo b j e c ta s s e m b l yt a c t i c sa c c o r d i n gt o h i e r a r c h y a n de f f e c t i v ea s s e m b l yp a t ha r ei n t r o d u c e d ，a l g o r i t h mf o rr a p i d l y c r e a t i n ga s s e m b l yp a t hi sb u i l tu p 3 、o nt h ef o u n d a ti o no fm a c h i n et o o lf i x t u r ei n s t a n c es t r u c t u r e a n a l y s i s ，m a c h i n et o o lf i x t u r ed e s i g nt h e o r ya n dr e a li z a t i o nb a s e d o nt y p i c a li n s t a n c ei sp r o p o s e d m a c h i n et o o lf i x t u r es e a r c h i n gm o d e l a n di n s t a n c es t o r a g et a c t i c sa r es t u d i e dd e e p l y c o m p u t e ra i d e d m a c h i n et o o lf i x t u r er a p i dd e s i g ns y s t e mb a s e do np r o ei sd e v e l o p e d k e yw o r d s ：m a c h i n et o o lf i x t u r e e l e m e n t1i b r a r y ，m a c h i n et o o l f i x t u r ec o m p o n e n t1i b r a r y ，a s s e m b l ym o d e l ，c a s e b a s e dr e a s o n i n g ， p r o e 浙江t 业人学硕i ：学位论文 摘 目录 a b s t r a c t 一i i 目霭乏一一一一一一一一 第一章绪论1 1 1 项目研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 论文研究内容与章1 ，组织4 1 4 本章小结5 第二章机床夹具设计过程与实例分析6 2 1 机械制造过科6 2 2 机械加l ：l ：艺系统7 2 3 机床夹具的分类8 2 4 机床夹具的组成一8 2 5 机床夹具设计实例及分析9 2 6 设计计算过程9 2 6 1 定位方案和定位装置的设计1 0 2 , 6 2 导向方案的设计。1 3 2 , 6 3 夹紧方案_ 1 4 2 6 4 分度方案1 6 2 6 5 夹具体的设计1 7 2 6 6 斜孔钻模上i ：艺孔的计算1 9 2 , 6 7 夹具总图上的尺寸、公差及技术要求的标注1 9 2 6 8l ：件的加i ：精度分析2 0 2 7 本章小结2 3 第三章基于p r o e 的机床夹具零件参数化设计及建库技术2 4 3 1 引言2 4 3 2 机床专用夹具零件参数化建模常川方法2 4 3 3 机床专川夹具零件参数化建模的关键技术2 6 3 3 1 机床专刚夹具零件的白动几何建模原理2 6 3 3 2 机床专用夹具零1 ：，l ：模板建立2 6 3 3 3 机床专用夹具零件尺寸驱动参数名称提取2 7 3 3 4 机床专川夹具零1 ：，l ：参数驱动2 8 3 4 机床专用夹具部什几何建模的关键技术2 9 3 4 1 机床专川夹具部1 i ，l ：的臼动儿何建模原理2 9 3 4 2 部件模板建立3 0 3 5 面向快速设计的机床专川夹具零1 i ，| ：和部件信息模型3 0 3 6 加i ：托架斜孔的分度钻模夹具零什设计示例：3 2 3 6 1 待加i ：仲的参数化造，弘过样3 2 3 6 2 变1 7 距弹簧设计过程3 4 3 6 3 螺栓参数化设计的方法。3 5 3 7 机j 未夹j 己零部1 ；，| ：数据库的建妒4 0 3 7 1 建立夹具零部f ，| 的图形库4 0 3 7 2 建立夹具零部r l ：的ii 徉信息库：4 l i v 浙江r 业人学坝l j 学位论义 3 7 3i ：群信息库与图形库的映射4 l 3 7 4 夹， l 零部件库的管理4 1 3 8 本章小结4 3 第四章机床专用夹具快速虚拟装配技术研究4 4 4 1 引言4 4 4 2 机床专用夹具对象装配模型4 5 4 3 加i ：托架斜孔的分度钻模零 ，l ：成库后的装配过稃4 6 4 4 干涉分析5 5 4 5 装配斤的分解视图。5 6 4 6 本幸小结5 6 第五章实例推理机床夹具设计方法与设计系统的研究5 7 5 1 引言5 7 5 1 1 基tp r o e 的实例推理原理5 7 5 1 2 基tp r o e 的实例推理思想的特点5 9 5 2 基丁实例推理的检索模型与推理机制5 9 5 3 基丁典型实例的机床专用夹具设计6 1 5 3 1 机床专川夹具实例库索引机制6 l 5 3 2 机床专用夹具实例库组织方法6 2 5 3 3 机床专刚夹具检索算法6 4 5 3 4 机床专用夹具实例6 5 5 4 基tp r o e 的机床专刚夹具快速设计系统开发6 7 5 4 1 引言6 7 5 4 2 机床专用夹具快速设计系统结构设计6 7 5 5 机床专用夹具快速没计系统数据结构没计6 9 5 6 本章小结一7 0 第六章总结与展望7 1 6 1 总结7 l 6 2 展! i 目! 7 2 参考文献7 3 附录：7 6 一、加l ：托架斜孔钻床专刚夹具零件库及虚拟装配- 7 6 二、加l ：液压泵上体二个阶梯孔的乍床夹具零件库及虚拟装配8 3 致谢8 8 攻读学位期间的主要研究成果8 9 浙江t 业人学硕l ：学位论文 1 1 项目研究背景和意义 第一章绪论 随着全球经济一体化的进程加快以及信息技术的迅猛发展，现代制造企业环境发生 了巨大的变化，其变化的主要特征为：产品生命周期缩短；交货期成为主要竞争因素； 大市场和大竞争已基本形成；用户需求个性化、多品种小批量生产比例增大。为了赢得产 品的上市时间，各个企业不断增加人力和物力来加快产品的设计和生产速度。与此同时， 产品快速设计的课题也成为了各个研究机构的研究热点。为了适应这一新变化，制造业 正在朝着信息化的方向发展。对制造企业而言，信息化的核心是产品设计、制造和工装 以及相关信息的数字化。c a d 技术在企业数字化、信息化过程中起着重要作用。但c a d 技术长期以来以通用化为标准，过分强调系统的通用化程度，造成了目前c a d 技术只 是作为一种通用画图的工具，而没有结合相关行业的专业知识，成为一种真f 的计算机 辅助设计技术。因此，研究面向各种行业的c a d 系统就成了目前国内外研究丌发c a d 的热点和重点，这对c a d 系统的发展将产生重要深远的影响，在这种背景下计算机辅 助夹具设计( c o m p u t e ra i d e df i x t u r ed e s i g n ，c a f d ) 研究逐渐成为一个热点。 根据有关资料统计，我国现有工业水平，生产准备周期一般要占整个产品研制周期 的5 0 7 0 ，而工艺装备的设计制造周期又占生产准备周期的5 0 - - - 7 0 ，其中工艺装 备的准备阶段中有7 0 - 8 0 的时问用于夹具的设计和制造。在现在制造企业中，机床 央具是保证产品质量，实现全面质量管理的重要手段。所以机床夹具设计的周期长短对 于产品的开发周期有重大的影响。为了适应多品种、小批量生产类型对央具快速设计的 需要，以及随着数控机床的广泛应用，越来越多的机械制造企业采用机床专用夹具。在 加工前，根据工件要求，所采用的机床和央具的设计原则，选取标准零件，确定所选零 件之问的位置关系，设计制造装配出满足要求的央具。由于机床专用央具批量的生产要 求，可以大幅度提高了企业的竞争力，所以r 益受到制造企业的青睐。经过对巨化集团、 衢州凿岩机厂等单位的调研得知，目前机床专用央具设计基本上还是滞留在手工阶段， 主要依靠机床夹具设计人员的经验进行直接设计、选件和组装，就会带来以下几个问题： 1 设计周期长、工作效率低、制造成本高； 2 设计的质量在很大程度上受到设计人员的经验和水平所限制： 3 设计人员的经验在机床号用夹具设计中重刚率低。 计算机辅助机床号片j 火具虚拟设计的研究试图解决i ：述在机床专用火具设计中存 l 浙江下业人学帧l ：学位论文 在的问题。此项研究主要从机床专用央具可重构性的角度出发，对机床专用央具零件、 部件和典型机床专用央具实例进行合理的虚拟建模和装配，从而对机床专用央其设计过 程产生重大的改进。设计的基本原理足充分有效利用现有机床专用夹具设计经验，在建 立典型央具参数化零部件的基础上进行推理、变型，快速地设计和组装出满足工艺要求 的机床专用央具，以缩短央具设计与准备的时间，满足快速响应客户需求的目标。因此 该项研究对于提高机械产品的市场竞争力具有重要的意义。 1 2 国内外研究现状 随着数控机床的广泛应用，机床专用夹具在制造企业中发挥了越来越重要的作用， 与其相关的设计过程和设计方法、经验等方面的管理技术和相应的计算机辅助技术研究 越来越受到固内外学术领域的重视，产生一系列计算机辅助央具设计的方法，并且研制 了相应的设计系统。从文献上可见，前苏联学者在2 0 世纪7 0 年代丌始了夹具c a d 的 工作，由于当时计算机硬件和软件的原因，进一步的研究受到了很大的阻碍。2 0 世纪8 0 ： 年代欧洲学者也对此产生了浓厚的兴趣，8 0 年代中期以后我国也丌始进行此项课题的 研究。最早的夹具自动化设计系统是由匈牙利的a m a r k u s 在1 9 8 4 年用p r o l o g 语言 设计的针对箱体零件的专家系统，该系统不能确定定位夹紧点，而着重于机床专用夹具 的组装，是一个部分自动化的央具设计系统。此后这类仅适用于一类零件的系统不断出 现，其中有f i n g r a d 和j c l a t o m b e 设计了一个命名为s e r f 专家系统，该系统仅使 用于形状比较简单的棱柱形工件。j c t r a p p e y 和c r l i u 在1 9 9 3 年利用投影位置排 列来自动确定工件的定位央紧点。这种方法对较为复杂的工件，由于方格数量大，计算 工作量非常之大。p m f e r r e i r a 等提出了一种叫a i f i x 的夹具设计系统。该系统也只 是适用于由平面构成的简单零件。w o r c e s tu n i v e r s i t y 的wm a 等人丌发了夹具自动 布局系统，该系统自动选择标准夹具部件，确定各个部件在夹具装配中的位置，并对初 始央具设计方案按表面接触性、加工精度及央具稳定性进行评估。新加坡国立大学的 n e e 等提出了面向对象、基于规则的央具设计专家系统框架。该系统从实体模型中提取 几何和文本信息，并采用基于规则推理的设计方法和数学分析法，确定定位、支承和央 紧的面、点，最终实现央具的装配顺序规划。美国p u r d u eu n i v e r s i t y 的c h o u 等对 央具中非p l 转类零件，分析了切削力、定位设计、夹紧设计、央紧力等的数学模型，提 出了央具自动化总体设计中的几何模型。美国w o r c e s t e rp o l y t e c h n i ci n s t i t u t e 机 械工- f i 十：1 系教授融办鸣研究了适用于f m s 和c 1 m s 的孔系机床号用火具设计系统。此系统 浙江f ：业入学坝卜孚1 证论j ( 在性能评价和与其他系统集成方面做出了很大的努力。同时他结合自己最近几年来时机 床专用央具的研究，出版了计算机辅助央具设计一书，其中对央具辅助设计提出了 不少较有价值的观点，包括基于成组技术的计算机辅助央具设计方法，基于约束的装配 建模和机床专用央具稳定性分析等理论。国内方面由于研究起步较晚，所以与国外有一 定的差距，但是目自才随着广大科技工作者的刻苦钻研：与国外的差距正在逐渐减小。北 京机械工业学院朱耀祥教授等人研究开发的b m f c a d x 槽系机床专用央具c a d 系统主要是 以二维图形为主，此系统有一个带有夹具和工艺信息的编码系统，编码作为输入信息用 做检索和选择相似央具。系统向设计人员提供组装结构思路，并且可以自动生成零件清 单。华东船舶工学院范牧昌、王明强等人开发了槽系机床专用夹具计算机辅助拼装系统 s m f c a d ，较好地解决了机床专用央具拼装过程中的随机性、继承性、保留性，缩短了 组装时问和工艺准备时间。西北工业大学研制的专用夹具设计原型s f d s 系统中运用人 工智能技术建立了适用于回转类零件的央具方案设计决策系统，可以完成定位方案，夹 紧方案的设计。华中理工大学的杨志新等人在基于人工智能和几何推理的制造自动化技 术研究中开发出了零件的装央规划自动生成系统。南京航空航天大学的廖文和等人开发+ 了型号工程知识驱动的央具系统。此系统中提供了大量的央具设计工具和丰富的基础零 件图形库。在理论研究方面，浙江大学的吴玉光研究探讨了孔系机床专用夹具设计方法， 利用连杆机构原理自动确定由直线和圆弧组成定位边界的零件全部候选定方案；华中科 技大学的李伟等提出了基于实例推理( c a s e b a s e dr e a s o n i n g ，c b r ) 的敏捷央具设计 的设想，研究了基于实例的夹具设计基本模型；李敏波等提出了基于w e b 的分布式夹 具方案设计方法，采用基于w e b 的三层网络体系结构，使用特征方法描述零件装央信息， 同时提出了零件定位特征确定的算法，央紧特征和夹具零件的选择原则。哈尔滨工业大 学的刘文剑等人对央具的组装技术进行了深入的研究，提出了面向对象的夹具装配模 型。总之，这些系统和理论研究具有一定的理论水平和实际意义。但是由于央具安装规 划涉及特征建模，工艺决策，央具零件正确安放，定位精度，央紧稳定性等多方面的问 题，目前仍然处于理论研究的前期阶段，离实际应用有很大一段距离。在基础机床专用 央具建库研究方面，缺乏对机床专用夹具部件层的参数化建库技术研究，使得满足一定 功能的典型央具结构设计经验得不到很好的重复利用；目前国内外的机床专用央具零 件建库和部件建库研究，还是停留在几何模型上，没有从构建机床专用央具快速设计系 统角度出发，建立相应的机床专用央具零件和部件信息模型，为有效实现快速装配等功 能提供统一的基础信息；在基于实例的机床专用央具设计系统研究中，实例修改方法 研究较少，实例修改很人程度_ l ：依靠人 ：修改，降低了系统的效率。 1 浙江t 业人学埘! i j ! 学化论义 1 3 论文研究内容与章节组织 本文在企业需求和对文献存在问题分析的基础上，以加工托架斜孔分度钻模等机床 专用央具为研究对象，以三维c a d 软件p r o e 为平台，研究基于实例的机床专用央具 快速设计方法，并完成机床专用央具虚拟设计系统的丌发，达到缩短机床专用央具设计 时间，减少工程设计人员工作强度，提高机床夹具设计质量的目的。主要的研究内容是： 1 以加工托架斜孔分度钻模的机床专用央具为例阐述了机床专用央具的设计过程， 利用三维c a d 软件p r o e 根据三维参数化造型中的尺寸驱动原理，创建参数化零部件 进而研究包括基本信息、几何信息、可装配表面信息和参数驱动数据在内的机床专用央 具零件和部件信息模型建模方法，形成机床专用夹具参数化零部件数据库，主要是加工 托架斜孔分度钻模、自定心央紧钻床央具、加工车床尾座顶尖套筒的铣床专用夹具、加 工液压泵上体三个阶梯孔的车床专用夹具参数化零部件数据库。 2 研究基于统一机床专用央具对象装配模型的机床专用夹具快速虚拟装配算法，进 行了统一机床专用夹具对象装配模型、机床专用夹具装配几何特征装配策略和装配路径j ： 快速生成算法的研究，进而对加工托架斜孔分度钻模等机床专用夹具进行了虚拟装配技 术研究，并进行了干涉分析，形成了机床专用夹具的三维爆炸视图，达到快速的虚拟装 配目的，应用于生产实践发提高了机床专用夹具的设计质量和水平。 3 研究了基于实例推理的机床专用央具设计方法，重点研究基于机床专用央具实例 的检索机制和支持实例变异设计的调整规则，进行了应用实践，并对基于实例的机床专 用夹具计算机辅助设计系统进行了初步分析和讨论，探讨了系统的功能结构和数据库方 案。 论文各章节内容安排如下： 第一章介绍了本课题的目的和意义，比较全面地概括了当今国内外对c a f d 的研究现 状。并针对目前机床专用央具辅助设计研究中存在的问题，给出了课题的主要研究内容 和章节安排。 第二章介绍了机床专用央具在机械制造过程中的作用，并用实例分析了机床专用夹 具的设计过程，并进行了精度分析，为进一步机床专用夹具辅助设计研究创造了条件。 第三章分析了目前常用的机床专用央具建库技术，针对目前参数化零件建库技术中 出现的问题做出了一定的研究，并且在此基础上，针对部件参数化建库的难点进行了深 入地研究，实现了基于装配方程式的部件参数化建库。最后针对机床专用央具快速设计 的特点，定义了机床专用央具零件和部 ；，i ：的信息模删。 4 浙江t 业人字帧卜享： t 论义 第四章构建了由装配对象、装配特征、装配表面和装配表面之i 日j 的装配约束组成 的机床专用央具装配关系模型，重点研究了机床专用央具分层次装配策略、特征匹配和 合并策略、装配有效路径策略，提出了有效路径快速生成算法，并给出了实例，经验证 能满足三维装配图快速生成要求，为基于c a d 平台的三维机床专用央具快速虚拟装配 提供了一种新的方法。 第五章介绍了基于实例推理的原理和其中的关键技术。针对机床专用央具设计的 特点，研究了实例库索引技术，实例搜索算法以及在一定规则下的实例修改推理算法等 关键模块。在上述分析和研究的基础上，完成了机床专用夹具虚拟设计系统框架、功能 模型和信息模型设计。最后实现了系统的开发并给出了基于机床专用央具虚拟设计系统 的机床专用央具设计的实例。 第六章对本文的主要工作与研究成果进行了总结，并提出了下一步研究的重点。 1 4 本章小结 本章作为全文的绪论，主要综述了课题的来源、方向、研究现状以及重点。先介 绍了夹具设计问题的背景以及本课题的来源，然后详细分析问题的国内外研究现状，提 出了央具设计问题的综合解决思路，最后确定了本文的研究重点和章节安排。 浙江t 业人学坝i j 学位论文 第二章机床夹具设计过程与实例分析 2 1 机械制造过程 机器是由零件、组件、部件等组成的，一台机器的制造过程包含了从零件、部件加 工到整机装配的全过程，这一过程可以用图2 - 1 所示的系统图来表示。 首先，从图中可以看出机器中的组成单元是一个个的零件，它们都足由毛坯经过相 应的机械加工工艺过程加变为合格零件的，在这一过程中要根据零件的设计信息制订每 一个零件适当的加工方法，加工成在形状、尺寸、表面质量等各方面都符合使用要求的 合格零件。 其次，要根据机器的结构和技术要求，把某些零件装配成部件，部件是由若干组件、 套件和零件在一个基准零件上装配而成的，部件在整个机器中能完成一定的、完整的功 能，这种把零件和组件、套件装配成部件的过程称为部装过程。部装过程是依据部件装 配工艺，应用相应的装配工具和技术完成的，部件装配的质量直接影响整个机器的性能： 和质量。 最后在一个基准零部件上把各个部件、零件装配成一个完整的机器，我们把零件和 部件装配成最终机械产品的过程为总装过程，总装过程是依据总装工艺文件进行的，在 产品总装后，还要经过检验、试车、喷漆、包装等一系列辅助过程最终形成合格的产品。 如一辆汽车就是经过这样机械制造过程而生产出来的。 图2 1机械制造过转! 的构成 6 浙 _ i - 业人学颂i j 学位论文 2 2 机械加工工艺系统 从机械制造的整个过程来看，机器的最基本组成单元为零件，也就是首先要制造出 合格的零件，然后组装成部件，再由零、部件装配成机器，因此制造出符合要求的各种 零件是机械加工的主要目的，而机械加工中绝大部分材料是会属材料，故机械加工主要 是对各种金属进行切削加工。 零件的表面通常是几种简单表面如平面、圆柱面、圆锥面、球面、成形表面等的组 合，而零件的表面是通过各种切削加工方法得到的，其中在会属切削机床上利用工件和 刀具彼此i 日j 协调的相对运动切除被加工零件多余的材料，获得在形状、尺寸和表面质量 都符合要求的这种加工方法称为余属切削加工。 金属切削加工常作为零件的最终加工方法，它需要用金属切削刀具直接对零件进行 加工，它们之f 、日j 要有确定的相对运动和承受很大的切削力，通常需在金属切削机床上进 行加工，零件和刀具需通过机床央具和刀架与机床进行可靠的联接，带动它们做相对的 运动，实现切削加工，这种由金属切削机床、刀具、夹具和工件( 被加工零件的总称) j 。 构成的机械加工封闭系统称为机械加工工艺系统( 如图2 2 所示) ，其中金属切削机床 是加工机械零件的工作机械，起支承和提供动力作用；刀具起直接对零件进行切削加工 作用；机床夹具用来对零件定位和夹紧，使之有正确的加工位置。本章就围绕机械加工 工艺系统中的机床夹具设计过程进行分析，阐述机械零件加工过程。 图2 - 2 机械加i ：i ：艺系统 工件在机床上进行切削加工时，为保证加工精度和提高生产效率，必须使工件在机 床上相对刀具占有正确的加工位置，我们把机械加工过程中用以确定工件相对刀具和机 床的正确位置并使这个位置在加工过程中不因外力的影响而变动的工艺装备，称为机床 夹具。 浙江i ：业人学坝i j 学位论文 2 3 机床夹具的分类 机床央具的种类繁多，可以从不h 的角度对机床的央具进行分类。 1 按央具的使用特点分类 ( 1 ) 通用央具 能装央两种或两种以上工件的央具称为通用央具。如自定心卡盘、单动卡盘、顶尖 及中心架等。通用夹具主要适用于单件小批生产。 ( 2 ) 专用夹具 专门为某一工件的某一工序设计的央具称为专用央具。专用夹具常用中大批零件生 产中。 ( 3 ) 组合夹具 由预先制造好的标准化零件组装而成的央具称为组合央具。组合夹具主要用于新产 品试制和单件小批生产中。 2 按使用机床分类 夹具按使用机床可分为车床央具、铣床央具、钻床夹具、镗床夹具、齿轮机床央具、 数控机床央具、自动机床央具、自动线随行夹具以及其他机床央具等。 3 按夹紧的动力源分类 央具按央紧的动力源可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液增力夹具、电磁 夹具以及真空夹具等。 2 4 机床夹具的组成 机床央具的种类和结构虽然繁多，但他们的组成均可概括为下面几个部分： 1 定位装置：用于保证工件在夹具中占有正确的加工位置， 2 央紧装置：它用于工件定位后将其固定，确保工件在加工过程中在各种力的作用下 保持证确的位置始终不变。 3 央具体：是整个央具的骨架，用于装央央具各个装置使之成为一个整体。 4 对刀或导向装置：在铣床和钻床上用f 确定铣刀和麻花钻等刀具的位置并引导它们 进行加工。 5 连接零件其他装胃或零件：用r 央具和机床定f 讧连接作用。 浙江t 业人学坝i j 学位论文 2 5 机床夹具设计实例及分析 如图2 - 3 为托架工序图，工件的材料为铸铁，年产1 0 0 0 件，已加工面为3 3 h 7 孔及其阴端面a 、c 和距离为4 4 m m 的两侧面b 。本工序加工两个m 12 m m 的底孔1 0 1 m m ， 试设计加工托架斜孔的分度钻模。 图2 3托架平面图 课题分析： 工件的加工要求： 1 ) 1 0 1 m m 孔轴线与3 3 1 - 1 7 孔轴线的夹角为2 5 。2 0 2 ) 1 0 1 m m 孔到3 3 h 7 孔轴线的距离为8 8 5 0 1 5 m m 。 3 ) 两加工孔对两个r 1 8m m 轴线组成的中心面对称( 未注公差) 。 此外，1 0 5 m m 的尺寸是为了方便斜孔钻模的设计和计算而必须标注的工艺尺寸。 为了满足1 0 1 m m 孔轴线与3 3 h 7 孔轴线的央角为2 5 。+ 2 0 和1 0 1 m m 孔到 3 3 h 7 孔轴线的距离为8 8 5 0 1 5 r a m 的两项要求，工序基准为q 3 3 h 7 孔、a 面及两个 r 1 8m m 的中间平面。 其它一些需要考虑的问题：为了保证钻套及加工孔轴线垂直于钻床工作面，主要 限位基准必须倾斜，主要限位基准相对钻套轴线倾斜的钻模称为斜孔钻模；设计斜孔 钻模时，需设置工艺孔；两个1 0 1 m m 孔需要在一次装夹中加工，因此钻模应设置分 度装置；另外，工件加工部位刚度较差，故设计时应考虑加强刚度。 2 6 设计计算过程 所设的生产条件为年产1 0 0 0 件，属i 成批生产中的中批，产，一。般采用工序集 中的原则柬设计此- 火具。现在先对此托架斜彳l 分度钻模进行结构设计如- f ： 9 浙江t 业人学颂l j 学位论文 2 6 1 定位方案和定位装置的设计 所谓的定位就是使同一工序中的一批工件都能在央具中占据i f 确的位置。它的基 本任务有以下三项： 1 ) 理论上讲就是如何使同一批工件在央具中占据f 确的位置； 2 ) 选择或设计合理的定位方案及定位装置； 3 ) 保证有足够的定位精度。即工件在央具中虽有一定的误差，但仍能保证工件 的加工误差。 它的基本原理是六点定位规则，即用合理分布的六个支承点限制工件六个自由度 的规则。但实际中还存在着过定位和欠定位。其中欠定位保证不了加工精度，所以是 绝不允许发生的，而过定位由于央具上的定位零件同时重复限制了工件的一个或几个 自由度，将造成工件定位不稳定，降低了加工精度；使工件或定位零件产生变形，甚 至无法安装和加工，故应尽量避免采用。首先应选择确定工件上的定位基准表面，确 定的原则为： 1 ) 使工件的定位基准与工序基准( 标定加工面位置的面、线、点) 重合，以避 免产生基准不符误差。但当两基准重合后，会使央具结构复杂或工件定位不稳定时， 则应另选定位基准，此时必须计算和控制基准不符误差。 2 ) 用精基准作为定位基准，以保证有足够的定位基准。不当得不采用毛坯面作 定位基准时，应尽量只用一次，而且应选用误差较小、较光洁、余量小的表面或与加 工面有直接关系的表面，以利于保证加工要求。 3 ) 工件安装稳定，使在加工过程中因切削力或央紧力而引起的变形最小。 4 ) 遵守基准统一原则，以减少设计和制造夹具的时间和费用。但如因此而造成 央具结构复杂时，则不必强求定位基准统一。 5 ) 使工件定位方便，央具可靠，便于操作，央具结构简单。 综上所述，再结合分析托架工序图，因为此工件的已加工面3 3 h 7 孔及其两端面 a 、c 和距离为4 4 m m 的两侧面b 。又因为侧面b 根本起不到定位作用。故我们选内孔 o ，3 3 h 7 、a 侧面或c 侧面、r 1 8 台阶面为定位基准。从而可得出以下两种方案： ( 1 ) 第一种方案：选工序基准3 3 h 7 孔、a 面及r 1 8f i l m 作定位基面。如图2 4 a 所示，以端面a 限制x 、y 、z 方向的三个位置自由度和心轴4 限制x 、y 两个位置自 由度和和x 、y 、两个角度自由度，这罩属于可用重复定位。最后在r 1 8 m m 处用活动v 形块l 限制一个角度自由度z 。由此可见此方案满足了六点定则( 详见下表2 - 1 ) 。因 1 0 浙江t 业人掌顺i j 学位论义 为两端是悬臂，刚性差；当加工孔1 0 1 m m 时轴向切削力将得不到支承。为了解决这 个问题，应在悬臂加工处设置支承，若用匝l 定支承；属于不可用重复定位，有可能破 坏中i 日j 的定位。故设置两个辅助支承钉2 ，来提高工件的刚度。进一步分析，此方案 由于基准完全重合故定位误差小，但其不足之处是夹紧装置和导向装置有可能互相干 扰，而且这样整个结构将较大，工件装卸也将不方便。 表2 - 1 ：第一种方案定位分析 图2 4 a 第一种定位方案 定何基准定位零件限制自由度数目方法 内孔m 3 3 h 7圆柱心轴x 、y 位置及其角度自 由度 4 可用 a 侧面台阶面x 、y 、z 位置自由度 3 重复 定位 r 1 8 台阶面活动v 形块z 角度自由度 1 ( 2 ) 第二种方案：选3 3 h 7 孔、c 面及r 1 8m m 作定位基面。如图2 4 b 所示， 本工序为了加工中3 3 h 7 孔，考虑到减少冈配合| 目j 隙而造成的工件倾斜，故应以孔和端 面联合定位。定位零件选用圆柱心轴，以端面c 限制z 一个位置自由度和心轴4 限制 x 、y 两个位置自由度和x 、y 、两个角度自由度，这罩同样也出现了x 、y 两个位置自 由度被重复定位，但工件孔与端面的垂直度误差很小，故应属于町用重复定位。最后 将要限制一个角度自由度z 。因本 j 序要加工两个1 0 1 m m 的底孔，所以应在r 1 8 m m 半圆柱由i 处用一个定位件，根据经验得i l ，当工件以外圆杜嘶定位时，一般用v 形块 l l 浙江r 业人掌坝i ：掌位论义 定位。这罩我们选用了活动v 形块，它限制一个角度自由度z 。此方案用合理布置的 六个支承点限制了工件的六个自由度，考虑到两端是悬臂，刚性差，故设置两个辅助 支承，来提高工件的刚度。为了在加工时，两臂的斜面能得到很好的固定，这掣我们 在加工孔下方采用了两个斜锲作辅助支承( 详见下表2 - 2 ) 。进一步分析，此方案虽工 序基准a 和定位基准c 不重合，但由于尺寸1 0 5 m m 精度要求不高，所以影响不大。 其最大的优势是其结构紧凑，同时工件的装卸非常方便。 表2 2 ：第二种方案定位分析 图2 - 4 b 第二种定位方案 定位基准定能零什限制白由度数目 方法 内孔$ 3 3 h 7圆柱心轴x 、y 位置及角度自 4 完全 由度定位 c 面 台阶面 z 位置自由度 l r 1 8 台阶面活动v 形块 z 角度自由度 l 综上所述，为了使结构设计方便和符合定位基准的选择原则，我们选用第二种方 案。即选用平面c 为第一定位基准，3 3 h 7 孔为第二定位基准，r 1 8 m m 为第三定位基 准。 根据以上选定的基准，我们设计出相应定位零件有定位轴( 图2 2 a ) 与活动v 形块( 详见图2 2 b ) ；其中连接零件螺钉、销钉以及弹簧都用标准件。其中一侧由活 动v 形块与辅助支承装在一起，活动v 形块用弹簧与小长销来进行实现控制；辅助支 承用一个螺钉进行调整崮定。两个辅助支承部件都用两个对角的螺钉和两个对角的圆 锥销与分度盘连接。 1 2 浙j r t ：业人学顺l 学位论文 操作原理：将工件的3 3 h 7 内孔装在定位轴的中3 3 9 6 外圆柱单，限制四个自由 度；同时定位轴的0 4 0 台阶面项在工件的c 面上，限制一个自由度；然后在弹簧力的 作用下，使活动v 形块卡在r 1 8 m m 的圆弧面上，限制了工件绕轴线的自由度，从而实 现了完全定位。 2 6 2 导向方案的设计 钻套和钻模板是钻床央具的特殊零件。钻套装配在钻模板上或央具体上，而钻 模板则以各种形式与央具体或支架连接。钻套的作用是确定被加工工件上孔的位置， 引导钻头扩孔或铰刀，并防止其在加工过程中发生偏斜。 分析工序图可知：由于两个要加工的孔是螺纹底孔，故可直接钻出；又因为年产 量不大，故选用固定钻套，为了便于在钻套端面作轴向定距，选有台肩的固定钻套( 即 b 型固定钻套) ，且以h 7 n 6 压在钻