（机械设计及理论专业论文）基于知识的钻夹头设计支持系统研究及应用.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 目前，随着机械制造业的高速发展，钻夹头产品的市场需求量也越来越大， 而国内企业主要采用传统的设计方法，设计分析手段较为落后，市场响应能力较 差。结合浙江省制造业信息化工程项目“支持知识产权管理的产品创新与均衡生 产管理系统研究及其在机床附件行业中的应用”( 编号：2 0 0 4 c 1 1 0 1 5 ) 的需要， 本文对中国三鸥集团多种类型的钻夹头进行了系统分析，深入研究了钻夹头设计 方法，包括钻夹头主要性能指标的计算、钻夹头产品的全新设计和配置设计的过 程与方法以及a u t o d e s ki n v e n t o r 环境下钻夹头零件的参数化特征建模与参数化 零件库创建的方法，并在此基础上开发了钻夹头设计支持系统平台。为实现钻夹 头产品的快速设计和全面提升中国三鸥集团在机床附件行业中的世界竞争力创 造了条件。 首先，在对钻夹头产品工作原理和主要零部件的结构特点分析的基础上，对 其夹紧力、传递力矩比、夹持范围上限等产品主要性能指标的计算方法进行了研 究，建立了相应的计算模型。 其次，重点从全新设计和配置设计两方面对钻夹头设计的过程与方法进行了 研究。在对专利重要性认识的基础上，提出了基于专利知识的产品设计和侵权检 查分析的方法，实现了基于专利知识产权管理的产品全新设计；在对产品配置设 计技术研究的基础上，提出了基于规则和实例的混合推理求解策略，设计了配置 规则的表达模型和数据结构，并建立了钻夹头产品实例库，实现了基于规则和实 例的产品配置设计。 再次，研究了参数化特征造型技术和基于i n v e n t o r 环境下零件参数化特征建 模的方法，在此基础上建立了基于i n v e n t o r 的钻夹头零部件参数化特征模型库。 最后，研究了钻夹头设计支持系统的框架，以a u t o d e s ki n v e n t o r 和a u t o c a d m e c h a n i c a l 为支撑平台，采用v i s u a lb a s i c n e t 开发了此系统；同时，以具体钻 夹头产品设计为例验证了本文所提出的钻夹头设计方法的可行性和整个系统的 有效性。 关键词：钻夹头；创新设计；专利知识；知识利用；配置设计；配置规则；参数 化设计 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t n o w a d a y s ，a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a im a n u f a c t u r i n g 。 t h em a r k e t sr e q u i r e m e n to fd r i l ic h u c k sh a sb e c o m el a r g e ra n dl a r g e r h o w e v e r , m o s to ft h ee n t e r p r i s e sm a i n l yd e s i g nt h e mi nt r a d i t i o n a im e t h o d s 。 t h em e t h o d so fd e s i g n i n ga n da n a l y z i n ga r eo u to fd a t e a n dt h er e s p o n s e a b i l i t yt ot h em a r k e ti st o ob a d a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h e n o 2 0 0 4 c 1 1 0 1 5p r o j e c tn a m e dr e s e a r c ho np r o d u c ti n n o v a t i o nd e s i g na n d e q u u i b d ap r o d u c t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do ni n t e i l e c t u a ip r o p e r t y r i g h tf i p r ) m a n a g e m e n ta n di t sa p p l i c a t i o n si nm a c h i n et o o la c c e s s o r y i n d u s t r y , t h es y s t e m i ca n a l y s i so ft h ev a r i o u sd d l ic h u c k si nc h i n as a n o u g r o u pi s r e a l i z e d a n dt h em e t h o d so fd r i l ic h u c k sd e s i g na r es t u d i e d i n d u d i n gt h ec a l c u l a t k ) nm e t h o d so ft h em a i np e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s t h e p r o c e s s e so ft h ed d l ic h u c k s n e wd e s i g na n dc o n f i g u r a t i o nd e s i g n p a r a m e t r i c f e a t u r em o d e l i n go fd r i l ic h u c k s p a r t sa n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ep a r a m e t r i c p a r td a t a b a s ei na u t o d e s ki n v e n t o r i na d d i t i o n as u p p o r t i n gs y s t e mp l a t f o r m f o rd d l ic h u c k sd e s i g ni sd e v e l o p e d s ot h a ti tp r o v i d e st h eq u a l i f i c a t i o n sf o r d r i l ic h u c k s r a p i dd e s i g na n di m p r o v i n gt h ec o m p e t i t i v ea b i l i t yo fs a n o ug r o u p f i r s t l y , b a s e do nt h ea n a l y z i n go fd r i l ic h u c k s w o r k i n gp r i n c i p l ea n d s t r u c t u r e 。t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so ft h ed r i l ic h u c k s m a i np e r f o r m a n c e i n d i c a t o r sa r es t u d i e d t h ei n d i c a t o r si n c l u d ec l a m pc a p a b i l i t y , r a t e so fm o m e n t t r a n s f e r r i n g ，m a x i m u mo fc l a m pr a n g ea n ds oo n a c c o r d i n gt ot h i sr e s e a r c h ， t h ec a l c u l a t i o nm o d e l so fe v e r yt y p eo fd r i l lc h u c k sa r ee s t a b l i s h e d s e c o n d l y , t h em e t h o d so fd r u ic h u c k s n e wd e s i g na n dc o n f i g u r a t i o nd e s i g n a r em a i n l ys t u d i e d a c c o r d i n gt ot h ei m p o r t e n c eo ft h ep a t e n t s t h ep r o d u c t d e s i g nm e t h o db a s e do np a t e n tk n o w l e d g ea n dp a t e n ti n f r - n g e m e n tc h e c k - u p a p p r o a c ha r ep r e s e n t e d a sar e s u l t 。an e wd e s i g nm e t h o db a s e do nt h ei p r m a n a g e m e n ti sr e a l i z e da n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot h ed r i l ic h u c k s n e w d e s i g n i na d d i t i o n as o l v i n gs t a t e g yb a s e do nb o t hr u l ea n dc a s ei sp r e s e n t e d t h er e p r e s e n t a t i o nm o d e ia n dt h ed a t as t r u c t u r eo fc o n f i g u r a t i o nr u l e sa r e d e s i g n e da n dt h ed r i l ic h u c k s c a s ed a t a b a s ei se s t a b l i s h e d a ti a s t t h e p r o d u c tc o n f i g u r a t i o nd e s i g nm e t h o db a s e do nr u l ea n dc a s er e a s o n i n gi sa l s o r e a l i z e d t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho nt h ep a r a m e t r i cf e a t u r em o d e l i n g t e c h n o l o g ya n dt h em e t h o d so ft h ep a r tm o d e l i n gw i t hi t i n i n v e n t o r , d r i l i c h u c k s p a r a m e t r i cf e a t u r em o d e id a t a b a s ei ni n v e n t o ri se s t a b l i s h e d f i n a l l y , t h ef r a m e w o r ks t r u c t u r eo ft h es u p p o r t i n gs y s t e mf o rd d l ic h u c k s d e s i g nj ss t u d i e d a n dt a k i n gc a ds o f t w a r ea u t o d e s ki n v e n t o ra n da u t o c a d m e c h a n i c a la ss u p p o r tp l a t f o r m ad r i l ic h u c k sd e s i g ns y s t e mi sd e v e l o p e dw i t h v i s u a ib a s i c n e t a ti a s t t h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d sa n dt h ev a l i d i t yo ft h e s y s t e mi nt h i sp a p e ra r ev a l i d a t e db yt h er e s p e c t i v ee x a m p l e s k e yw o r d s ：d r i l lc h u c k s ，i n n o v a t i o nd e s i g n ，p a t e n tk n o w l e d g e k n o w l e d g e u t i l i z i n g ，c o n f i g u r a t i o nd e s i g n c o n f i g u r a t i o nr u l e ，p a r a m e t r i cd e s i g n n 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘姿盘望或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名：立萝| c 平签字日期：c l “年月，乒日 学位论文版权使用授权书 ，本学位论文作者完全了解逝堑盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盘江盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 宝批辱 导师签名： 卯惰垒 签字日期：“年6 月，够日 签字日期： 护6 年月e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 浙江失学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 【摘要】在阅读了大量文献的基础上，综述了参数化设计、产品配置设计和创新设计方法的 研究现状，介绍了钻夹头设计的研究现状。并结合课题的研究背景和意义提出了论文的研究 内容和方向。 1 1 参数化设计方法研究现状 参数化设计( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺 寸、或修改已定义好的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现 对图形的驱动【1 】。参数化设计极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性， 在概念设计、动态设计、实体造型、优化设计等领域发挥着越来越大的作用。 基于参数化设计技术，国内外学者相继做了大量的研究隆4 1 。其中，国外对 参数化技术研究较早，首先是s u t h e r l a n d 的s k e t c h p a d 系统，他提出并利用了有 关几何约束的一些思想。接着到7 0 年代末，m i t 的d c g r o s s a r d 教授提出了变 量几何概念。然后到1 9 8 7 年底p a r a m e t r i ct e c h n o l o g y 公司推出以参数化、特征 技术为基础的新一代实体造型技术。但这些思想和方法仍处于研究的初步阶段， 尚不够成熟。r o l l e r d ，s c h o n e k fa n d v e r r o t k s t 提出了基于尺寸参数的参数化设计 系统，又称尺寸驱动c a d 系统。该系统在进行参数化设计时只是单一地靠尺寸 参数来驱动实现，对于复杂的对象，实现起来较麻烦，未能把几何约束和图形驱 动的思想引入到参数化设计方法当中。 国内对参数化研究较晚，但在参数化软件和理论方面均取得了较大的进展。 参数化软件有华中科技大学的天喻c a d 软件和北京航空航天大学的金银花f a d 软件等。这些c a d 软件在一定范围内可以较好的解决一些产品的参数化设计，然 而对于复杂的产品参数化设计，需要对软件进行二次开发和有关应用程序接口设 计时，软件的功能显得有些单一，因此未能得到大范围的推广。参数化的理论有 李海峰等【5 j 提出了用辅助线实现参数化绘图的方法，对于简单的图形参数化绘图 时，运用该方法实现起束较方便，但随着对象的复杂程度提高，如何更好的添加 辅助线仍需要更多的理论指导；高曙明等 6 1 提出了面向特征造型的参数化设计， 该方法的特点在于将参数化设计与特征造型技术结合在一起，但对于参数化特征 造型的方法仍需进一步研究；吴睿等 7 1 和浙江大学潘双夏、张帅、冯培恩等眇1 1 】 提出的基于工程约束的参数化设计，该方法将参数化设计从几何层面提高到了工 程领域，使之真正面向工程设计，但该设计方法是在特定的工程背景或研究对象 ( 如挖掘机) 下进行的，但随着工程背景的不同，如何确定工程约束成为最主要 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 的问题。另外，徐有忠、潘双夏等【i2 】提出了面向广义优化的参数化设计，该方 法的优点在于提出了模型优化的思想，但对于研究对象的不同，其模型优化一般 策略和方法仍需研究。 由上述研究发现，参数化设计作为c a d 技术中的关键技术己逐步得到了研究 和发展，但同时也存在着一定的问题【l p ”l ，主要表现在： ( 1 ) 以往的参数化系统不能很好的解决几何模型与参数模型、视图等信息 的全关联问题。同时参数化系统需要把参数化技术与变量化技术结合起来实现产 品设计过程的参数化。结合本文的研究对象钻央头产品，可以先建立钻夹头零部 件三维参数化特征模型时，再生成相应的工程图或二维图；再建立零部件特征参 数的表格，通过修改表格中的特征值来实现零部件的参数化设计。 ( 2 ) 参数化设计过程中需解决欠约束问题并与设计知识的集成。在设计过 程能够有效解决欠约束问题便可以在概念设计阶段实现约束图的参数化设计，同 时产品的设计要求因行业的不同而不同，将参数化设计与不同领域的设计知识集 成相联系具有重要的意义。例如在进行钻夹头零部件参数化设计时需在零部件参 数化建模过程中合理使用约束，并结合钻夹头本身的设计标准、产品造型的理论 和方法、产品结构变型的方案等知识。 ( 3 ) 很多产品在建立参数化模型时未能面向选变型设计、配置设计等产 品设计的全过程，未能提供统一的参数化特征模型。本文在对钻夹头产品设计方 法进行研究时，就需要考虑这样的问题。 1 2 配置设计方法研究现状 自上世纪七十年代末，随着大规模定制生产方式的发展、人工智能技术突破 与i n t e r a c t 技术的兴起，产品配置便一直受到了学术界广泛的关注。各位学者根 据其研究的领域的不同，对产品配置的定义也有所不同，因此，对于产品配置至 今还没有一个共同认可的定义。 针对配置设计理论与方法的研究，各位学者取得了一定的研究成果【1 6 2 0 l 。顾 新建1 2 1 1 研究了一种新的网上通用产品配置设计工具，提出了面向结构和面向功 能这两种型配置的方法，但采用该方法实现的产品配置系统仍无法完全满足用户 需求多样化的要求。董建华1 2 2 1 研究了产品族结构模型基础上的产品配置设计， 该方法的特点在于利用g b o m 模型表达产品配置模型，采用基于约束和事物特 性表的配置推理求解策略，将产品配置模型与配置器分离，从而提高了配置器的 通用性。阴向阳等【2 3 】研究了面向大规模定制的产品配置设计方法，其中重点研 究了约束表的达与求解、产品配置和产品结构之间的联系与区别，该方法主要利 用事物特性表结合变量的方法来表达约束，但未能将产品配置模型与配置器分 2 浙江走学硕士学住论文第1 章绪论 离，系统通用性并不高。李澍2 4 1 等提出了基于产品特征分离的b o m 结构和产品 功能结构b o m 与配置产品b o m 分离策略的模型实现方法，然而该方法适用于 产品结构和功能相对单一的产品配置设计，当对于结构和功能相对复杂的产品， 结构和功能无法完全分离时，该方法将面临b o m 如何正确表达的难题。 对于配置系统的开发，国内外均已做了大量的工作，但到目前为止仍没有一 个商用的产品配置软件能够满足各种用户的需求。最早的产品配置的商用知识库 系统是d e c 公司用于计算机配置的x c o n l 2 4 2 5 1 。仅到1 9 8 9 年，x c o n 的知识 库中的就约有3 1 0 0 0 个部件和1 7 5 0 0 条规则，并以每年4 0 的速度更新，需花费 大量的人力和财力对系统进行维护和修改。x c o n 采用分级问题求解方法把问题 分为阶段级和子任务级，阶段级的求解模仿专家思路，采用一个固定的求解顺序 进行。子任务级则采取p r o p o s e a n d b a c k t r a c k 问题求解方法【2 5 捌。x c o n 的使用 暴露了基于规则的知识库难于维护的诟病。因此，配置系统开发的难点在于运用 何种方法学、何种知识库构建框架、何种知识表达方法，采用何种p s m ( p r o b l e m s o l v i n gm e t h o d , 问题求解方法) 构建有良好的伸缩性和可维护性的配置系统知 识库，同时这也逐渐成为广大研究者关注的焦点和研究的热点。 产品配置是许多领域中广泛存在的问题，通过大量的研究已得到了一定发 展，但仍不够成熟，接下来应该继续研究配置问题的求解，如高效的配置问题求 解方法及推理技术、配置问题求解方法的可行性、配置结果的评价策略等。此外， 针对某一产品( 如钻夹头产品) ，如何定义较为全面的配置规则、配置知识的维 护、配置系统软件的开发等问题也是研究的重点。 1 3 产品创新设计方法研究现状 创新设计是科技进步和经济发展的源泉，是知识经济的核心，是科学技术和 经济结合并转换为生产力的关键，是缓解人口、资源、环境压力的有效途径，是 提高综合国力和国际竞争力的重要保障网。 创新设计的基本特点是要求实现前人未曾实现过的功能，或者要求更新现有 产品的工作原理、主要结构、材料及工艺，以提高该产品的竞争能力阱8 洲。 常用的创新设计方法有1 3 2 7 1 ：智暴法、德尔菲法、6 3 5 法、5 w 2 h 法、设问探 求法、特性列举法、联想类比法、复合应用法等。然而，这些方法大多数是为解 决非技术性问题而建议出来的，具有一定随意性，对于特定背景需要解决某种技 术性问题时，仅仅靠这些方法是不够的。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 1 创新设计知识获取的研究现状 对于创新设计知识的获取方法，国外学者展开了研究，如j o s e p hf o n g 和 s h i m i n gh u a n g 研究了专家数据库系统e d s ( e x p e r td a t a b a s es y s t e m ) 1 2 7 郐】。系统 利用框架模型获取和存储知识，以类、属性、方法和约束来组织表达知识，它可 实时地从应用中提取e s 规则和d b s 数据并对其进行分类，但对于如何建立完 整的框架模型仍缺乏理论指导。 国内的研究尚出于起步阶段。例如，西北工业大学建立了自己的c a i d 技术 体系，并在产品风格分类、创新技法等方面进行了一定研究。现代设计与集成制 造教育部重点实验室在国家自然基金的资助下，进行了基于美学家人脑模型的产 品外观创新设计的研究，构建了可用于产品外观创新设计的人脑模型，并在此基 础士研究了产品构成知识的生成技术 2 8 , 3 0 l 。华南理工大学研究了面向w e b 文本 的机械知识获取方法和基于实例归纳的工艺设计知识获取方法【3 l 翊。 由上述研究发现，创新设计知识获取的方法都较为困难，而且创新设计知识 的获取只是创新设计的前期工作，如果大量的时间都花在创新设计知识的获取 上，也就一定程度上延长了创新设计的周期。因此，作者认为首先应该研究创新 设计知识的来源问题，也就是说哪里含有大量的创新设计知识，再寻找获取知识 的有效途径，从而创新设计知识的获取研究就会更加具有针对性。同时，创新设 计知识的获取的最终目的在于知识的利用，所以创新设计知识的获取应与知识利 用有机地集合在一起。 1 3 2 专利知识的研究现状 专利中蕴涵了解决问题的方法，能最迅速、最全面系统地反映相关学科的技 术发展。如今，全世界约有9 0 - 9 5 的最新发明创造信息都是首先来源于专利 信息1 3 们。可见，专利是我们进行产品创新的重要信息资料来源。 目前，对专利知识的研究主要集中在专利知识的手工整理、分级和初步利用 的设想上，但未能提供将获取的专利知识有效利用到产品概念设计( 或方案设计) 中并进行设计结果侵权分析的方法。 利用专利知识进行产品创新的主要代表为以t r i z 理论为基础的c a i 软件。 t r i z ( t h e o r yo f i n v e n f i v ep r o b l e ms o l v i n g ) 的创立，花费了数十年时间查阅并研究 了世界各国近2 5 0 万件发明专利，从中总结出人类在进行发明创造、解决技术问 题的过程中所遵循的科学原理和法则1 37 哪l 。此外，亿维讯( i w i n t ) 集团开发的 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 计算机辅助创新平台p r o i n n o v a t o r 是将t r i g 理论、本体论、现代设计方法与计 算机软件技术等融为一体的新一代c a i 工具。它借助强大的综合分析工具和源 于世界优秀专利而创建的创新方案库，不同工程领域的技术人员在面临每一技术 难题时，可以打破思维定势、拓宽思路，以全新的视角和思路分析问题m l 。 上述两种c a i 软件从某种程度上说，只是提供了创新设计的工具，难点在于 如何正确描述问题的矛盾，因此对于使用系统的用户本身的知识要求较高。同时 系统提供的创新方案都是一般性的原理和方法，仍需要结合一定的工程背景进行 衍生。另外，软件高昂的价格也令像生产钻夹头产品的中小型企业无法承受。 随着创新设计技术的发展，专利知识越来越受到重视和广泛地利用，呈现两 个方面的发展趋势 3 4 - 3 9 , 4 5 ，4 6 1 ： ( 1 ) 从宏观的角度上加强对专利信息的战略性研究，包括国家专利制度的 制定和企业专利应对策略的制定； ( 2 ) 从微观角度上加强基于专利知识库的专利创新研究，主要包括基于专 利深度知识的产品创新研究与特定专利产品的创新研究。 本文正是从微观角度，结合钻夹头产品的专利，研究钻夹头专利知识的内容、 基于专利知识的产品设计与侵权分析方法以及辅助创新设计系统的开发。 1 4 钻夹头设计研究现状 钻夹头是一种自定心夹具，一般只有钻体、螺母、夹爪、外套等几个零件组 成，其结构如图i i 所示。 卜钻体2 一外套3 一螺母4 一夹爪5 一扳轮 图1 i 钻夹头结构示意图 钻夹头广泛应用于电动工具和车、铣、钻等通用机床以及中小型的加工中心， 其优劣程度严重关系到被加工产品的性能和质量【4 7 l 。随着机械制造业的高速发 展，尤其在中国加入w t o 之后，国内机床和电动工具类产品也呈现出良好的发 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 展趋势，出口量逐年迅速递增，钻夹头的市场需求量也越来越大闱。同时，用 户对钻夹头的加工工艺、技术指标的要求也越来越高。 在钻夹头设计上，国内最早的行业标准是由烟台机床附件研究所起草制定的 部标j b l 5 5 8 7 5 三爪钻夹头基本参数和尺寸，当时标准中只规定了锥孔联接 的锥度号等技术参数，尚没有对钻夹头外径尺寸、螺纹联接方式等作规定。目前 在行业中普遍采用的主要是在此基础上不断修订的g b t 6 0 8 7 9 3 或 g b t 6 0 8 7 2 0 0 3 扳手三爪钻夹头标准。 国外标准中的d i n i s o1 0 8 8 7 2 0 0 3 ( k e y t y p e t h r e e - j a w d r i l le h u e k s 是比较 全面和先进的钻夹头标准。这个标准将钻夹头分为三种型式：p 型重型钻夹 头，主要用于钻床；m 型中型钻夹头，主要用于手持式工业用电钻；l 型一 一轻型钻夹头，主要用于家用钻具【4 9 】。 对钻夹头的研究大部分是集中于开发新的工艺和生产方法上面，而很少涉足 于对钻夹头的设计计算和结构设计，在夹紧原理上并没有新的突破【4 5 l 。另外， 目前对于如何进行钻夹头的计算机辅助设计及其系统的开发以便快速设计开发 钻夹头产品，提高钻夹头产品生产企业的市场响应能力方面仍是空白。 1 5 课题的提出 中国三鸥集团为国内主要的钻夹头、卡盘、钻铣床专业制造商，其中机床和 电动工具类钻夹头为公司的主导产品，年产能力达三千万件以上。在钻夹头行业 中，处龙头地位的国内主要是该公司和山东威达机械股份有限公司，在国际上主 要是美国的j a e o b s 公司、德国的r o h m 公司、法国的l f a 公司等。国内企业主 要以中、低档传统产品为主，包括扳手钻夹头、手紧钻夹头、自紧钻夹头三大系 列，主要为电动工具及台式机床配套。 目前钻夹头产品的市场需求朝着多品种、快速化、低成本、高可靠的方向发 展，而企业仍采用传统的设计方法，以仿型设计和经验设计为主，对其结构方案 的创新设计、整体精度、夹紧力等性能指标的分析和评价，尚缺乏完善和成熟的 专业支持技术。另外，钻夹头的设计常需要反复进行“设计建模一分析一评价” 的过程，对于重复进行的再建模，存在着大量的重复性工作，已不能适应企业快 速发展的需求。为此，本文基于浙江省制造业信息化工程项目支持知识产 权管理的产品创新与均衡生产管理系统研究及其在机床附件行业中的应用( 编 号：2 0 0 4 c 1 1 0 1 5 ) 引出了作者的研究课题基于知识的钻夹头设计支持系统 研究及应用。 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 6 本文的主要工作 本论文在总结以上的研究成果和不足的基础上，结合钻夹头产品，主要致力 于产品的计算机辅助设计方法的研究与系统开发，通过开发研制，利用a u t o d e s k i n v e n t o r 平台的商品化可加载应用模块，建立完备的钻夹头参数化零件库、配置 规则库，开发产品选变型设计、配置设计和基于专利知识产权管理的钻夹头产 品全新设计系统。 具体来说，本文主要从事以下几个方面的研究工作： ( 1 ) 通过了解钻夹头产品产品工作原理和主要零部件的结构特点，研究产 品的主要性能指标与结构部件之间的关系，建立相应的计算模型； ( 2 ) 以钻夹头产品为例，系统分析专利文献中可供创新设计参考的专利技 术知识，提出基于专利知识的产品设计和专利侵权检查的方法。并在此基础上开 发基于专利知识产权管理的产品全新设计系统； ( 3 ) 通过对钻夹头产品的配置设计进行研究，定义配置所需的各类规则， 建立便于管理的“动态规则库”，提出基于规则和实例的配置求解策略，并基于 此开发一种向导式的钻夹头产品配置设计系统； ( 4 ) 结合参数化技术和特征造型技术，并基于i n v e n t o r 环境下，研究面向 产品选变型设计和配置设计的钻夹头零部件三维参数化特征模型建立的过程与 方法； ( 5 ) 通过对钻夹头主要零部件进行类别的划分，提取零件类特征模型，建 立钻夹头参数化零件库，实现对钻夹头零部件参数化特征模型的管理，并在以上 研究的基础上，结合企业的实际情况，开发满足用户需求的钻夹头产品选变型 设计系统。 7 浙江大学硕士学位论文 第2 章钻夹头结构类型与计算模型 第2 章钻夹头结构类型与计算模型 【摘要】根据钻夹头产品的结构类型和t 作原理的不同，分别对各类型钻夹头的夹爪进行了 受力分析，并确定了钻夹头零部件的几何尺寸。结合夹爪的受力分析和钻夹头零部件的几何 尺寸，分别对手紧式和扳手式钻夹头以及自紧式钻夹头的夹紧力、传递力矩比等产品性能指 标进行了计算，建立了钻夹头的计算模型。 2 1 钻夹头结构类型 2 1 1 钻夹头工作原理 钻夹头按结构型式和夹紧力不同可以分为：手紧式、扳手式和自紧式三种， 其结构对比如图2 1 所示。手紧式和扳手式钻夹头的主要零部件为钻体、螺母、 夹爪和外套( 前套、后套) ，自紧式钻夹头的主要零部件为钻体、外套、夹爪、 导向螺杆、连接体、压盖、滚花套。 ( a ) 手紧钻夹头 ( b ) 扳手钻夹头( c ) 自紧钻夹头 卜钻体2 一外套3 一螺母4 夹爪5 一导向螺杆6 一连接体7 一钢珠8 一压盖9 一滚花套 图2 1 三种类型的钻夹头结构示意图 手紧式和扳手式钻夹头的工作原理相似，都是在钻体作为支撑下，通过手旋 转或专用伞齿扳手来扳动外套；外套与螺母之间是过盈配合，外套的旋转带动螺 母的旋转；螺母与夹爪之间是螺纹连接，从而螺母的旋转又带动了三个夹爪的上 下伸缩运动；通过调整三个夹爪的伸缩量和夹爪之间的间隙实现对钻头的定心夹 8 浙江大学硕士学位论文 第2 章钻夹头结构类型与计算模型 紧，如图2 1 中( a ) 、( b ) 所示。自紧式钻夹头的工作原理与前两种钻夹头的工 作原理有些不同，它主要通过外力( 手或专用工具) 作用于滚花套和钻体上，形 成两者的相对旋转运动；滚花套与连接体通过螺钉固定连接，滚花套的旋转带动 连接体的旋转，再通过连接体与导向螺杆的螺纹传动带动导向螺杆的上下运动； 夹爪受到导向螺杆推力或拉力作用而沿着前套锥面向下或向上运动，从而实现夹 紧的功能，如图2 1 中( c ) 所示。因为连接体与导向螺杆之问的螺旋方向与钻 夹头实际工作的转向相反，所以在工作中具有自紧的功能。 2 1 2 钻夹头主要零部件结构特点 ( 1 ) 钻体 钻体是一种回转体结构，是整个钻夹头的支撑和骨架，其加工质量直接影响 到整个产品的同轴度、夹紧力平衡等性能，所以钻体必须具有足够的刚度，并保 证一定的加工精度。钻体后端部与电钻或机床相连，具有螺纹连接和锥孔连接两 种连接方式。 ( 2 ) 夹爪 夹爪主要有棒状和片状结构两种，如图2 2 所示。棒状结构夹爪是由圆柱体 切削而成，夹爪的螺纹采用锯齿形螺纹，其优点是对中性好，传动效率高，螺纹 间隙大，便于贮存润滑油，螺纹牙根较厚，强度高 4 7 1 。片状夹爪是自紧钻夹头 的主要零件，多用于加工中心上夹持直径稍大的钻具，固采用机械性能好的不锈 钢材料加工。片状夹爪上没有螺纹，但上下表面各有一道槽，便于固定和移动。 i 5 ：l ( a ) 棒状夹爪 ( b ) 片状夹爪 图2 2 夹爪结构图 ( 3 ) 螺母 螺母也是一种回转体结构，分为手紧螺母和扳手螺母两种。螺母的外表面为 圆柱面，内表面为圆锥面并附有螺纹。螺母与棒状夹爪相配合，实现螺纹传动， 所以螺母的螺纹规格与夹爪的螺纹规格相同。 9 浙江大学硕士擘位论文第2 章钻夹头结构类型与计算模型 ( 4 ) 外套 根据外套的作用不同，外套的加工材料、结构型式也不同。手紧式钻夹头的 外套包括前套和后套，主要起装饰、保护和传递手力的作用，通常采用硬质塑料 加工而成。由于扳手外套需承受较大的扳手力，自紧外套需承受较大的支撑力， 所以这两种外套通常采用钢材料加工而成。 ( 5 ) 其他零件 钻夹头上其他的零件如钢珠、螺钉、螺帽等在所有钻夹头中占的比重较少， 且多为标准件，本文在此不再加以详细介绍。 2 2 钻夹头计算模型 2 2 1 夹紧力和传递力矩比 夹紧功能是钻夹头产品的主要功能，通过对钻夹头结构和受力的分析，进行 夹紧力和传递力矩比的计算，具有理论和实际的意义。 手紧钻夹头和扳手钻夹头的夹紧原理类似，均是通过螺母与夹爪之间的锥螺 纹传动实现夹紧，而自紧钻夹头的夹紧力来源于连接体与导向螺杆之间的螺纹预 紧，所以本文根据夹爪形状和受力的不同分别进行夹爪的受力分析和夹紧力与传 递力矩比的计算。将手紧式和扳手式钻夹头的分析计算归为一类，自紧式钻夹头 单独列为一类。 2 2 1 1 手紧式和扳手式钻夹头夹紧力与传递力矩比的计算 文献 4 7 对扳手式钻夹头的夹紧力和输入、输出力矩进行过相关分析和计 算，本文基于此基础上对手紧式和扳手式钻夹头的夹爪受力分析作了统一，并提 供更加合理的分析、说明和计算。 钻夹头在夹紧钻头时受力较复杂，夹紧力和传递力矩比是通过对扳手或手紧 式钻体内夹爪的受力分析来计算的。当钻夹头夹紧钻头时，夹爪的几何尺寸、位 置和受力1 47 】如图2 3 所示。 l o 浙江失擘硕士学住论丈 第2 章钻夹头结构类型与计算模型 f 赛盛1 一w 图2 3 棒状夹爪的几何尺寸和受力 其中： r 、f 一夹爪螺纹工作面的正压力和摩擦力； f r 一夹爪螺纹工作面的全反力，作用点( 0 点) 在螺纹中径位置； f mf 旷- f 。的两个垂直分力，其中f r ，位于与钻体轴线垂直的平面内： f n 。、f l ； f 。、f 2 _ 夹爪上、下端的正压力和摩擦力； f 一夹紧力( 理论条件下夹紧力位于夹紧线的中点) ： f o 一夹爪夹紧线处的摩擦力； d 旷一钻头直径； 卜夹爪直径； l 一夹爪有效长度； l 。一夹爪背长度； l - l 一夹爪夹紧线沿夹爪柱体轴线投影长度； d 一夹爪柱体轴线上有效长度所在锥面大端圆的直径； c 广夹爪日u 端台阶长度； h 一夹爪螺纹中线齿高； h 2 一夹爪螺纹齿厚； d o 一夹爪柱体轴线所在锥面与齿圈螺纹中间正截面相交圆的直径； b 一作用点到夹爪柱体轴线的距离； c 一夫爪下端沿夹爪柱体轴线方向的外伸长度( 理论条件下为夹爪前端台阶 长度的一半) ； 吨作用点到夹爪上端边线的距离； a 一夹爪螺纹工作面升角( 通常取n = 5 。) ； b - - f 。作用线与夹爪柱体轴线的夹角； 巾一螺纹工作面的摩擦角； y 钻体的锥孔锥面角( 通常取y = 1 5 。) ； po - 钻头与夹爪之间的摩擦系数； 浙江大学硕士学位论文第2 章钻夹头结构类型与计算模型 i l 。一螺母与夹爪之间的摩擦系数； | i2 _ 钻体与夹爪之间的摩擦系数。 若给定某一型号的钻夹头或要求设计的钻夹头，则最大夹持直径和钻夹头主 要零部件的所有尺寸参数均可知，即以上参数中d 、l 、l 。、l - l l 、c o 、h 。、h 2 已知； 根据目前钻夹头设计标准，一般取a - = 5 。，y = 1 5 。；钻头直径d 。通常取钻夹 头的最大夹持直径，根据参数之间的关系可得： n，1 d 1 = 矗+ 2 x 厶x s i n y + d x c o s r ；b = 也一q 一等；c = 寻。 二二 由于作用点( 0 点) 的位置涉及到夹爪、齿圈( 或螺母) 、钻体上多个参数与 零件之间的位置关系，并随夹持钻头直径动态变化，理想条件下通常取作用点( 0 点) 为夹爪螺纹有效长度的中点位置，则： r 一， p = 孚：d o = d - l x s i n y + c o x s i n y 。 二 u ”i l 。、u 。可以查机械设计手册得，一般夹爪和钻体材料为4 5 钢， 1 1o = i l2 = 0 1 5 ；p i = 0 0 6 ；西= a r c t g 6 - = 3 4 3 4 。 理论条件下，输入力矩由三个夹爪上等值的力矩组成，即： 入= 3 晶( 譬+ b c o s t ) ( 1 ) 根据图2 1 所示得： = 最2 t a n ( 口+ p 所以得： 最：= 贾瓦忑磊忑2 m 万m 气x i i 再丽 夹爪在工作平面( 过夹爪柱体轴线的平面) 内的平衡：6 - 程为： 面= o ，即f n l 一一f , e c o s 7 + f 艘s i i 咿+ _ f o s i n v = 0 y f 轴a = 0 ，即f , + f 2 + f s s i n r 一c o s 肘f o c o s 7 = o z m a = 。，即f h - ( l c ) 一f , d - f 妻( ； 二c o s i 7 + 厶c 。s y ) 岷 ( 争b ) c o s 胂叶惮尸。 又由笔骢) 将方程( 4 ) 和( 5 ) 联立，解得夹紧力为： 氓2 k 最z 一岛五 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) ( 7 ) 浙江大学硕士学位论文第2 章钻夹头结构类型与计算模型 k l ：竺：竺竺竺：竺= ! = 竺型肇至：竺型 = 旦专手一 ( 8 ) ( t - c - 鸬d ) ( 8 1 n ，一鸬。8 ，) + 2 他( i ，_ 昙+ 厶c 0 8 力 砭：堡竺业迪塑竺塑萼字! 翌，一 ( 9 ) ( l - c 一如d ) ( s i n y - 鲍c o s ，) + 2 鸬( i 云+ & o o s ，) 。一耻一c 一删k 劬- 一坤k 一，协如卢历一巩壑；+ b ) 一p 牺叫一五c 嚣+ 驷s 田 ( o ) k = 1 r t 士二二二l 二= = = 一 3 巩卜( 茜+ 驷s 力+ 血刁川。飓咧瞒嗍五蛳+ 鸬如 一力 由式( 8 ) 和( 1 0 ) 可知，当6 = o 时，k 。最大，f o 最小。 理论条件下，输出夹紧力矩等于钻头的最大静摩擦力矩，即 肘输出= 3 ( f o ) 。鲁_ 3 胁氓鲁= 兰笋氓 ( 1 1 ) 通过上述相关量的计算和所得的公式，最后进行力矩传递比的计算。 传递力矩比s ：竺! 盘( 1 2 ) 将式( 3 ) 、( 6 ) 、( 7 ) 和( 1 1 ) 代入得： s=法=亚圣3。d甄。xf夹= 瑞端， 利用上述公式，对型号为j 3 3 1 3 y b d 、j 3 5 1 3 p 、j 3 5 1 0 p 、j 2 5 1 3 p 和j 2 1 1 6 p 等进 行夹紧力分析和相应的传递力矩比的理论值计算。同时，按照g b t 6 0 8 7 2 0 0 3 钻夹 头标准对其进行