（机械设计及理论专业论文）孔系组合夹具定位方案定位质量评价方法的研究.pdf

摘要 本文提出基于孔系基础扳组合夹具定位方案定位质量评价的方法。着重研 究了工件侧定位面和定位元件组合的问题，提出一个对侧定位面和定位元件组 合类型的定位误差定性分析的方法。利用这个方法对组合夹具所有定位方案的 定位质量做出评价，并确定某一具体的定位方案的定位质量。在该方法中，首 先确定工件定位的侧定位面和定位元件的组合类型，然后对组合进行定位误差 定性分析，确定定位方案的误差因子，将这些误差因子进行排序，得出评价定 位方案定位质量的指标。该方法可以对工件的所有候选定位方案做出评价，从 而确定出最优的定位方案。本文在几何造型系统a c i s 7 0 和v c + + 6 0 平台上开 发了孔系组合夹具定位方案定位质量评价系统。通过几个实例测试，验证了本 文提出的思想，也为今后进一步的研究工作创造了条件，对计算机辅助夹具设 计的发展有重要意义。 关键词：孔系组合夹具，定位方案，定位误差，误差因子 a b s t r a c t a s y s t e m a t i cm e t h o d o l o g yf o ra u t o m a t i ca p p r o a c ht o e v a l u a t et h el o c a t i n g q u a l i t yo fl o c a t i n gp l a n so fm o d u l a rf i x t u r ef o rd o w e l - p i ns y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i s p a p e r t h el o c a t i n g e r r o ro ft h ec o m b i n a t i o no ft h es i d e l o c a t i n gs u r f a c e sa n d l o c a t i n ge l e m e n t si st h ei m p o r t a n ts t u d y am e t h o do fh o w t oe v a l u a t et h eq u a l i t yo f l o c a t i n gp l a n i s e m p h a s i z e db e l o w ：f i r s t l y , t h et y p eo ft h ec o m b i n a t i o no f s i d e - l o c a t i n gs u r f a c e sa n dl o c a t i n ge l e m e n t si sc o n f o r m e d ；s e c o n d l y , t h el o c a t i n g e r r o ro ft h ec o m b i n a t i o ni sa n a l y z e d ，a n dt h el o c a t i n ge r r o ri sm a d eo u t ；l a s t l y , t h e w e i g h t sf o re v a l u a t i n gi n d e xa l es e t t e du p ，a n dt h e s ew e i g h t sa r ea r r a n g e d t h e m e t h o do fe v a l u a t i n gt h el o c a t i n gq u a l i t yo fl o c a t i n gp l a nc a nb ef o u n d ap r o t o t y p e s y s t e mi sd e v e l o p e dw i t ha c i s7 0a n d v i s u a lc + + 6 0 s o m es a m p l e sh a v ep r o v e d t h ei d e ai n v o l v e di nt h i sp a p e r k e y w o r d s ：d o w e l - p i ns y s t e mm o d u l a rf i x t u r e ，l o c a t i o np l a n ，l o c a t i n g e r r o r , w e i g h t i i 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，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。与我同工 作的同事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 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：盔窆丞。 2 0 0 6 年；月毕日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 拉生塞。 2 0 0 6 年月冲日 1 1 组合夹具概论 第一章绪论 1 1 1 概论 不论是传统制造系统还是现代制造系统，夹具都是非常重要的；在机械制 造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确位置，以便接受施工或者检测的 装置都可以称为夹具1 。例如：焊接过程中用的焊接夹具，检验过程中用的检 验夹具，机械加工过程中用的机床夹具等。夹具对于加工质量、生产率和产品 成本都有直接的影响。花费在夹具设计和制造的时间不论是在改进现有产品或 者开发新产品中，在生产周期中都占有较大的比重。所以，在制造、l e 中非常重 视对夹具的研究。 组合央具是由一套预先制造好的各种不同形状、不同尺寸、不同功能的系 列化、标准化元件组装而成的。因此组合夹具具有通用性和专用性双重性质， 即组成夹具的元件是通用性的元件，而一旦组装成成套夹具即为专用夹具。组 合夹具机构灵活多变，元件长期重复使用，因此，其元件比其它类型的夹具零 件要求具有高精度，高强度，高硬度，耐磨性高等优点，单个元件功能多样， 并有完全互换性。 随着市场对产品的需求不断增加，产品的更新换代速度也不断加快。 ； = l 于 机械产品的品种繁多，产品的设计周期缩短，传统的大批量生产模式逐步被中 小批量的生产模式取代。按单一品种设计专业夹具的方法已经不能满足生产发 展的要求，因此，如何缩短工艺装备的设计、制造周期，以及产品换型后对原 有工装夹具延续使用已事在必行。机械制造业欲适应这种变换须具备较高的柔 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1 2 j 。 产品制造环节的柔性化的着眼点主要是在机床和工装两个方面，而夹具又 是工装柔性化的重点。组合夹具能保证 二件在规定的坐标位置上准确定位和牢 固的夹紧，也就是说能保证工什相刈于机床坐标原点具有准确和稳定可靠的坐 标位置。这种夹具具有较高的刚度和精度，在粗加工时能承受较大的切削用量， 以充分发挥数控、加工中心机床的生产：能力；在精加工时能更好的保证_ l 件定 位基准和加工表面的位置精度；还能根据数控、加工中心机床的要求保证夹具 应允许刀具接近尽可能更多的被加工表面甚至于全部被加工表面，可以减少机 床的停机时间：在夹具上还能一次装夹多个工件同时一次加工，可以减少夹具、 刀具、工件系统的调整时闾；还能减少刀具的更换次数和刀具的调整时间，更 好的发挥数控、加工中心机床的高效性能。组合夹具元件可以通过组装、使用、 好的发挥数控、加工中心机床的高效性能。组合夹具元件可以通过组装、使用、 主堕鲎竺主堂焦堕苎 垫墨望鱼堂墨塞垡查壅塞垡堕墨塑笪塑婆塑翌塞 拆卸、再组装重复使用。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 2 0 ，可以认为组合夹具就是柔性夹具的代名词。 多年来使用组合夹具获得了显著的技术经济效果，主要表现在以下几个方 面： 1 缩短生产准备周期组合夹具的使用，可使生产准备周期缩短8 0 以 上，同时也减少了夹具制作人员，这对缩短产品交货期和加快新产品上市有重 要意义。 2 降低成本 由于元件的重复使用，大大节省夹具制造工时和材料，降 低了成本。 3 保证产品质量生产中经常由于夹具设计制作不良而造成零件加工后 报废。组合夹具具有重新组装和局部调整的优点，零件加工出现问题后，可以 进行调整予以补救，这对提高质量有重要意义。 4 扩大工艺装备应用和提高生产率小批量生产中，由于专用夹具设计 周期长，成本高，导致质量差，效率低，因此尽量少用。而组合夹具的使用即 使批量小也不会产生问题，可阻多使用夹具来提高生产率。 1 1 2 组合夹具的分类 按零件定位联接形式不同，组合夹具可以分为槽系组合夹具和孔系组合夹 具两大类。槽系夹具是组合夹具元件主要靠槽来定位和夹紧；孔系夹具是组合 夹具元件主要靠孔来定位和夹紧。 槽系组合夹具的开发和在生产中的应用已经超过半个世纪。槽系组合夹具 就是指元件上制作有标准间距的相互平行及垂直的t 形槽或者键槽，通过键在 键槽中的定位，就能准确决定各元件在夹具中的准确位置，元件之间再通过螺 栓连接和紧固【3 】。槽系组合夹具的特点是平移调整方便，它广泛应用于普通机 床上进行一般精度零件的机械加工，主要元件有：基础板、定位件、支承件、 导向件、紧固件和合件。常见的基本结构有：基座加宽结构、定向定位结构、 压紧结构、角度结构、移动结构、转动结构、分度结构等。若干个基本结构组 成一套组合夹具。槽系组合夹具在4 0 年代7 0 年代一直占据着主导地位。 孔系组合夹具是指夹具元件之间的相互位置由孔和定位销来决定，而元件 之间的连接仍由螺纹连接紧固【3 1 。早在2 0 世纪5 0 年代中期就出现了孔系组合 夹具的早期原型，但很不完善。因此在相当长的时期内，组合夹具的应用还是 槽系组合夹具占优势，随着数控机床和加工中心的普及，切削速度和进给量的 提高，而且孔系夹具的改进，减少了元件的品种和数量，降低了成本，从而使 得孔系组合夹具得到很大的发展。从2 0 世纪8 0 年代中后期开始，孔系组合夹 具在生产中的使用超过了槽系组合夹具。 第一章绪论 l 系组合夹具的特点是旋转调整方便，精度和刚度都高于槽系兴具。孔系 组合夹具按定位直径分为大型和中型两种，其定位直径分别是1 2 1 6 m m ，螺 纹孔直径分别为m 1 2 m 1 6 。孔系组合夹具的主要元件和结构与槽系组合夹具 基本相同，随着孔系组合夹具元件设计的不断改进完善，并吸取了槽系组合夹 具的结构特点，孔系组合夹具的应用范围更加广泛。 1 1 3 孔系组合夹具与槽系组合夹具的比较 与槽系组合夹具相比较，孔系组合夹具具有如下的优缺点日l ： 1 元件刚度高由于组成孔系组合央具的元件刚度高，因而装配出的整体 孔系组合夹具的刚度也高，从而满足数控机床需要高切削用量的要求，提高了 数控机床加工的生产率。孔系组合夹具的刚度比槽系组合夹具的刚度高是因为； l 系组合夹具的基础件，虽然其厚度较同系列槽系薄，上面又加工了众多的孔， 但仍为整体的板结构，故刚度高。而槽系组合夹具的基础件和支撑件表面布满 了纵横交错的t 形槽，造成截面上的断层，严重削弱了结构的刚度。融亦鸣等 人曾对8 m m 槽系和孔系组合夹具的刚度对比作了实验研究，尽管槽系基础板比 孔系厚5 m m ，但实验结果却证明：孔系组合夹具刚度比槽系高2 3 倍。对1 2 m m 的槽系和孔系组合夹具来说，情况基本是相似的。 2 制造和材料成本低孔系元件的加工工艺性好，精密孔系的坐标磨削成 本也高，但在采用粘接淬火定位村套和孔距样板保证孔距后，孔系元件工艺性 能好，成本比t 形槽的磨削降低。此外，槽系夹具元件为保证强度性能都用合 金钢的材料，而孔系夹具元件的基体都用普通钢或优质铸铁，因而制造和材料 成本大为降低。 3 组装时间短由于槽系组合夹具在装配过程中需要较多的测量和调整， 而孔系组合夹具的装配大部分只要将元件之间的i l 对准并用螺钉紧固，因而装 配工作相对容易和简单，要求装配工人的熟练程度也比较低。 4 定位可靠孔系元件之间由一面双销定位，在定位精度和可靠性方面比 槽系夹具中槽和键的配合都高。同时，任何一个定位孔均可方便的作为数控机 床加工时的坐标原点。 5 孔系组合夹具装配的灵活性差孔系组合夹具上的元件位置不方便做 无级调节，元件的品种数量不如槽系组合夹具多，从组装的灵活性来看，也不 及槽系组合夹具好，因此，在当前世界制造业中，是孔系和槽系并存的局面， 但以孔系更具优势。有关槽系和孔系组合夹具的全面比较见表1 - 1 。 河海大学硕士学位论文 孔系组合夹具定位方案定位质量评价方法的研究 表1 1 槽系和孔系组合夹具的比较 比较项目槽系组合夹具 孔系组合夹具 夹具刚度低高 组装方便和灵活性妻子 较差 对工人装配技术要求高较低 夹具定位元件尺寸调整方便、可作无级调节不方便，只能做有级调节 夹具上是否具有n c 机床需要的原点需要专门制作元件任何定位孔均可作原点 制造成本高低 元件品种数量多较少 合件化程度低较高 1 1 4 数控机床的特殊要求及孔系组合夹具的优势 随着机械制造业的发展，数控机床显示出许多不同于普通机床的特殊要求， 如：粗加工时要求夹具具有高刚度，能承受大功率，高速切削；精加工时要求 工件在夹具中产生的定位及夹紧误差最小。为提高效率，要求组合夹具元件能 大、中融合一体，安装在同一块基础板上，以适应单件或多件同时加工等。因 此，现代化机械制造系统对夹其元件系统又提出如下新的要求： 1 具有与机床工作台( 或托板) 定位、连接相适应的结构参数； 2 保证工件在规定的坐标位置上准确定位； 3 具有较高的刚度和精度； 4 工件一次定位能加工多个表面； 5 能实现多件装夹( 或多个夹具共装一个基础板上) ： 6 具有工作安全可靠、使用方便的各类定位、装夹装置。 孔系组合夹具靠销孔定位，故坐标孔系一定，组装程度简单，无须测量调 整就能确定工件在机床坐标中的位置。当使用多夹具基础板时，既可组装单个 大零件夹具，又可组装多个中小零件夹具，工效高，柔性好。并且孔系组合夹 具元件由于夹具元件可重复使用，刚性好，定位精度和可靠性高，夹具元件加 工工艺性好以及基础板上任意定位孔均可作为数控机床的坐标原点等优点，特 别适用于现代柔性制造系统，满足其对夹具组装时间短和灵活激动等要求。应 用覆盖面也超过槽系组合夹具，占据了主导地位。 4 第一章绪论 1 2 孔系组合夹具定位方案定位误差系统的研究动态 孔系组合夹具由于刚性好，夹具元件定位精度和可靠性高，组装时间短、 灵活机动以及夹具元件加工工艺性好等优点，使得孔系组合夹具成为当前柔性 制造设备使用最有发展前途的柔性夹具。目前，设计一个合适的组合夹具定位 方案，基本上是根据零件的具体形状以及定位精度要求，依靠设计者的经验、 直觉和反复试凑，效率相当低。 但是，随着先进制造技术的出现和市场竞争的全球化，产品从大批量生产 模式转化为单件小批量生产模式，产品开发的集成化、并行化已经成为制造业 发展的一个必然趋势。孑l 系组合夹具的设计也随之得到了较大的发展，并得出 了得到孔系组合夹具全部定位方案的定位设计方法。例如融亦鸣，朱耀祥等【3 】 通过解非线性方程组确定出所有的定位方案。g o l d b e r g 和b r o s t 提出一个“完 整算法”来分析多边形工件的组合夹具设计方法【4 】，它通过枚举的方法找出所 有的待选定位方案。w uy 和r o n gy 等1 5 】提出自动夹具规划，包括精度、夹紧 和可及性分析等。吴玉光提出孔系组合夹具设计的系统方法f 6 】【7 】【8 】，找出了所有 的定位方案。 然而现有的研究成果本身都存在难以克服的缺陷。采用枚举方法的算法效 率低，而且只适用平面定位基准，定位元件也只能是定位销，因此能适用的零 件类型有限，相当于还是没有找出定位元件的全部可行定位位置集合。另外， 这些研究成果大都偏重于对定位方法的研究，而且对所设计规划的结果缺少合 理规范的评价规则。 事实上，由于定位、夹紧元件的位置取决于工件几何、位置、转角、夹具 元件类型、基础板定位孔间距等多种参数，说明通过协调好这些参数之问的关 系，利用孔系组合夹具肯定存在着许多候选定位与装夹方案。因为同一个零件 可以采用不同的夹具元件，即使采用同一种夹具元件，也存在许多满足定位和 夹紧要求( 如满足形封闭要求) 的定位元件的位置。因此，近年来，关于面向 组合夹具的工件定位方案定位质量的影响因素的研究吸引了越来越多的学者的 注意力。 在定位方案定位质量的分析方面，研究的方向主要是定位误差的分析。朱 耀祥教授长期从事组合夹具的设计方法研究，研制了组合夹具三维c a d 软件 9 1 ，并在三维组合夹具设计的基础上提出夹具三维定位误差的分析【l ，建立了 三维定位误差影响加工精度的数学模型，运用矩阵计算法对工件的定位误差进 行了计算，为以后计算机辅助夹具设计的精度评价奠定了基础。熊蔡华，李有 福，熊有伦、融亦鸣等1 利用形封闭和力封闭对夹具进行质量分析和质量评价。 孟俊焕等坨1 1 ”1 提出计算机辅助夹具设计的定位参考面的定位误差分析和定位 塑坚茎兰堡主兰丝丝兰 i ! 墨丝垒壅墨塞垡查鲞塞垡堕量堡竺查鲨堕翌窒 误差建模，并分析了定位件位置误差对工件几何精度的影响，为校验和改进夹 具设计提供了依据。苗恩铭，费业泰【1 4 1 等提出温度对夹具设计的影响分析，通 过传统的热应力理论计算出温度场引起的应力分布，指出在不同温度环境下夹 具具有不同的工作性能，验证了夹具设计的基本原则应根据具体的情况给予一 定的调整。融亦鸣，李杰，马卫东等【”1 提出自动夹具设计装夹表面影响性分析， 完成工件上装夹表面及点的优化选择，建立了装夹表面影响性模型。 在夹具定位误差计算中，主要有以下的研究： 1 ) 矩阵计算法。朱耀祥运用矩阵计算法夹具三维定位误差。孟俊焕通过矩阵 法建立了定位误差计算模型。矩阵计算法能够精确的计算出定位误差，为 改进夹具设计提供了理论依据。 2 ) 三角形公式法。吴竹溪【j6 】在夹具精度分析中，采用三角形公式对组合定位 中定位误差进行分析和计算。这种方法只需对工件的定位误差出现的两个 极限位置进行选取，避免了寻找工序基准的位置，非常简单、明了、实用。 3 ) m e t h e m a t i c a 计算法。吴永祥，涂为员【l h 提出了m e t h e m a t i c a 在组合表面定 位时定位误差计算中的应用。该方法减轻了设计人员的复杂思维劳动，使 得任何复杂的定位误差计算都可以使用计算机求得精确值。 1 3 本课题的前期工作 本课题是吴玉光教授的研究成果及傅强的硕士论文一种扩展的3 - 2 - i 组 合夹具定位方法【7 1 ，王素琴的硕士论文孔系组合夹具夹紧方案的c a d 方法 及元件库的建立1 1 8 张坤明的硕士论文孔系组合夹具夹紧方案自动规划方法 的研究1 1 9 1 的工作的延续，这些前期工作完成的主要工作是： 结合目前国内外组合夹具研究设计的现状，特别是研究工作存在的缺陷， 研究一种组合夹具系统，实现孔系组合夹具定位方案设计、夹具元件库的建立 和夹紧方案的自动规划方法。 我们研究的对象是棱柱形工件，即侧面定位面由平面和圆柱面等简单几何 面组成，定位研究可以采用多种规格的定位销，并且还引用了半v 形块来对工 件的圆弧面进行定位。 在论文 7 】中，作者提出一种利用机械连杆结构学原理自动设计的孔系组合 夹具的定位方法，即确定三个侧面定位销或半v 形块的位置。该方法中，首先 确定其中两个定位销在基础板上的位霉，然后将两个定位销连同基础板在工件 的两条定位边界上的滑动看作一个连杆机构，根据平面连杆机构原理建立基础 板和工件之间的相对位置关系，利用连杆曲线与定位边界求交的方法确定第三 个定位元件的位置。为工件的工艺规划、工件定位方案的优化和工件的装夹定 第一章绪论 位方案的设计提供全部候选定位方案。 论文 1 8 】，作者建立了夹具元件库及数据库，提供定位及夹紧零部件的子 函数，利用坐标变换将元件及部件自动安放在合适的位：肴! ，并实现自动报表功 能。减轻了组合夹具装配过程中的劳动强度，同时也缩短了装配时间，增强了 组合夹具应用的可能性。 论文 1 9 1 中，作者提出了一种基于孔系组合夹具的夹紧方案自动规划方法， 即根据给定的工件形状，定位要求和加工部位确定工件的夹紧点数量、每个夹 紧点位置、夹具的夹紧元件相对于工件的安装位置，从而找出所有的夹紧方案； 然后根据一定的规则对夹紧方案的质量进行评价，确定最优的夹紧方案。 1 4 本文的研究目标和内容 1 4 1 本文的研究目标 结合国内外组合夹具设计的现状，以及前期课题的研究成果，确定本文的 研究目标是：提出一种孔系组合夹具定位方案定位质量定位误差定性分析的方 法，并利用这种定位误差分析方法找出定位方案定位质量的评价指标，实现对 己知的孔系组合夹具的定位方案的定位质量评价，找出定位方案的定位优劣性。 i 4 f 2 本文的研究内容 由于本文是前期工作的延续，组合夹具定位规划已经基本完成，在此基础 上，本文研究的重点是放在对给定工件的所有定位方案的基础上，通过对工件 侧定位面和定位元件组合的定位误差的定性分析，找出定位方案质量评价指标， 对定位方案迸行评价，指出定位方案的优劣性。论文的主要内容包括： 1 建立计算机表示模型并提取相应的信息。所谓计算机表示模型是指在 计算机内部通过抽象来表示客观事物各特征本身的属性和各特征之间的相互关 系。具体的说，就是该模型要求既能存储构成零件的各要素的功能信息、几何 信息，还能表示零件整体的拓扑结构、几何结构等。另外，系统要能方便地识 别并提取构成零件的几何要素和拓扑信息。 2 提出工件定位方案定位质量评价指标。本文提出的定位评价指标主要 是对侧定位面和定位元件组合类型进行评价。棱柱形工件的定位面包括平面和 圆柱面两种类型，定位面类型对定位的优劣性也存在一定的影响，总体上是平 面定位比圆柱面定位稳定，定位面数量越少定位效果就越好。定位元件有圆柱 销和半v 形块，简单的说半v 形块比圆柱销的定位效果好。 3 开发设计了组合夹具定位方案质量评价的系统。为了验证本文提出的 评价指标，我们在几何造型系统a c i s 7 0 和v c 抖6 0 平台上开发了组合夹具定 位方案定位质量评价系统。系统对于给定的定位方案，通过定位评价指标来确 河海大学硕士学位论文 孔系组台夹具定位方案定位质量评价方法的研究 定该给定定位方案的定位优劣性。 1 5 本论文的组织结构 为实现组合夹具定位方案评价的自动规划，根据本课题的研究目标和研究 内容，我们将论文分为以下几个部分： 1 组合夹具概论。包括组合夹具的分类及特点，孔系组合夹具定位方案 定位质量的定位误差分析系统方面的研究现状和本课题的前期工作，并简单介 绍了本文的研究目标和内容。 2 现有定位误差计算方法的介绍。简单介绍孔系组合夹具的定位元件和 孔系组合夹具的构形设计，组合夹具的定位原理以及现有的定位方案定位误差 分析的方法的介绍。 3 孑l 系组合夹具定位方案定位质量的评价方法研究。确定侧定位面和定 位元件组合的定位误差的定性分析方法，提出定位方案定位质量的评价方法， 确定已有定位方案的定位优劣性。 4 原型系统的介绍。介绍系统的软件开发平台、程序设计流程，并介绍 了具有代表性的实例。 5 总结与展望。文章的最后对课题的主要成果进行了总结，提出了课题 研究中的不足，并指出了后续工作的研究重点。 第二章组合夹具定位原理及定位误差计算方法介绍 第二章组合夹具定位原理及定位误差计算方法介绍 2 , 1 孔系组合夹具基本元件 孔系组合夹具的元件，按照用途不同分为八大类：即基础件、支承件、定 位件、导向件、紧固件、辅助件及组合件。在本文所介绍的孔系组合夹具定位 方案自动设计系统中，仅用到基础件和定位件。 基础件用作夹具或夹具体的底板，也是各类元件安装的基础。主要包括正 方形基础板、长方形基础板、方箱、基础角铁、圆形基础板、t 形板。t 形板 和方箱主要是适应n c 机床的需要，特别是在加工中心上有着广泛的用途。本 文所采用的孔系基础板为正方形基础板，基本形状如图2 1 所示。图中大孔表 示定位孔，用于安装圆柱销；小孔便是螺钉孔，用来紧固夹具元件。定位孔和 螺钉孔的水平间距和垂真间距均为t 。 定 位 孔 圆 柱 销 螺 钉 孔 坐 v 形 块 基 础 板 图2 1 基础板和定位兀件 定位件主要用在组装时确定各元件或元件之间的相对位置，从而保证组装 夹具的组装精度。此外还能增加元件之间的连接强度和整个夹具的刚度。在组 合夹具设计中，应尽可能减少定位元件类型，这样可以保证定位的通用性。本 文使用到的定位元件为圆柱销和半v 形块两种( 如图2 1 所示) ，这两种定位元 件不需要象菱形销和可调定位器等辅助定位元件就能完全实现定位的功能要 求，并且大大提高了定位的方便性。 河海大学硕士学位论文 孔系组合央具定位方案定位质量评价方法的研究 2 2 孔系组合夹具的构形设计 组合夹具装置的主要目的是在整个加工周期内确保工件在定位元件的支撑 下获得正确的位置，在切削力、自身重力、惯性力和离心力等外力作用下，不 发生移动，确保加工质量和生产安全。组合夹具构形设计的质量，决定加工元 件的技术经济效果。为使组合夹具既能保证精度要求，又能有较高效率和低成 本的性能，在组合夹具构形设计时应本着及时、高效、适用、经济的原则来设 计。对组合夹具的构形设计要求主要有以下几个方面： ( 一) 保证工件的位置精度，保证工件的加工精度 夹具安装的前提是保证工件上被加工表面的位置精度，也要避免使工件产 生变形、压伤工件表面或破坏工件相对于基础板的正确位置，同时对相关的尺 寸精度和表面粗糙度的改善也起一定的作用，上述要求主要由下面几项保证： 1 ) 设计定位、夹紧装置时，应减少配合层次，做到结构紧凑合理，可按加 工元件精度要求设置检验装置，以保证工件加工面的位置精度。 2 ) 正确设计夹具与机床的连接元件，应注意减少积累误差，使夹具在机床 上的位置精度不超过规定的范围。 3 ) 夹具应有足够的刚度，保证各元件在受力状态下位置保持不变，并避免 加工过程中产生振动。 另外，对于各种多次重复使用的夹具，还要主要夹具的强度和耐磨性。 ( 二) 保证使用安全可靠 对n c 机床或加工中心，夹具使用的安全可靠是十分重要的，因为这些机 床和制造系统都有较高的自动化程度，所以设计的夹具结构应注意以下要求： 1 ) 便于装卸和夹紧工件。装卸工件时既不应碰到夹具元件和刀具，也不应 碰到工件，在操作夹紧件的手柄或用扳手拧紧螺母时，应有足够的空隙保证操 作方便。 2 ) 便于排屑和保证安全。夹具设计应便于排除切屑，特别在n c 机床或加 工中心加工的条件下，要防止切屑堆积，影响加工的进行，安全是十分重要的 问题。在自动化条件下一定要避免在加工过程中夹具与机床部件或刀具相碰， 设计时必须充分注意。 3 ) 组装夹紧结构的位置和夹紧力的大小合适。既要防止因夹紧力不足引起 工件在加工过程中产生位移和振动，又要避免因结构位置不合理或夹紧力过大， 压伤损坏工件或组合夹具元件。 另外还应尽量采用高效率的装置，如动力源装置，多位联动夹紧机构，以 便于零件装卸缩短辅助时间。 第二章组合夹具定位原理及定位误差计算方法介绍 ( 三) 与生产规模相适应并提高生产率降低成本 生产规模特别是批量大小对夹具类型的选择和夹具结构有很大的影响。在 单件小批量生产中，为了保证产品质量，及时生产，降低产品成本中夹具的费 用，组合夹具是理想的选择。大批量生产的准备周期允许长一些，因而采用专 用夹具是合理的。为了达到快速生产准备，及时向车间供应生产需用的夹具， 夹具元件以及夹具结构的标准化、模块化都有十分重要的作用，这样可以大大 加快夹具设计和制造的进度，并且夹具可以重复利用，这就降低工件加工成本 中夹具的费用。 另外组合夹具还应具有良好的继承性，不因产品更新换代而报废，能适应 不断增加同类型新产品零件的加工。因此在设计组合夹具前，要对同类型零件 的结构要素、工艺特征、尺寸精度等做详细的调查、分析，了解产品功能及发 展方向，从而使组合夹具的设计对现有产品有很高的适应性。这样不但对新产 品的发展有良好的继承性，而且还降低了工件的加工成本。 ( 四) 操作方便省力 夹具上的可调节和可更换元件，应能保证装夹同一工件组内任何零件，在 调节时操作简单、快速。组合整件与基体间的配合，应注意采取措施避免完全 靠摩擦力来承受作用力。 组装的夹具结构应该简单紧凑，具有足够的刚性，操作方便，能改善劳动 条件，减轻工人的劳动强度。另外，需要时应便于对特定的工件进行测量和调 整，在n t 过程中有时需要在夹具上进行测量，或夹具上的有些元件在加工一 组工件时需要作些调整。夹具设计应预先考虑如何测量或调整，或预先在夹具 上设置测量或调整的基准。 2 3 定位原理 在机床上加工工件时，要使工件的各个被加工面的尺寸及位置精度满足工 件图或者工艺文件所规定的要求，就必须在切削加工前使工件在机床夹具中占 有一个确定的位置，使其相对于刀具的切削运动具有正确的位置，这个确定工 件位置的过程我们称为定位。这是定位方案设计的主要任务。 2 3 1 定位基准 为了保证工件上各个加工表面之间或者对其它j n t 表面的位鬣精度，工件 在机械加工时，必须安放在机床板的一个固定位置上。任何一个零件都是由若 干几何表面所组成，这些表面之间根据零件设计的技术要求，广泛存在距离尺 寸和角度位置的要求。工艺文件中所谓的基准，就是指零件图上某些点、线、 面的位置，可以用它们来确定某些点、线、面的位置。根据这些基准的作用和 塑塑查堂堕主堂堡丝苎 塾墨塑全壅墨塞竺查鲞塞垡堕里塑堕查鎏竺竺窒 性质，可以分为设计基准和工艺基准两类。设计基准通常指零件图样上标注尺 寸的起点。工艺基准又分为工序基准、定位基准、测量基准等。通常希望将设 计基准和工艺基准统一，但是实际上，由于制造上的困难而难以实现，这就引 起误差。 定位基准的选择是否合理，将直接影响到夹具结果的复杂程度以及工件的 加工精度。因此，在选择定位基准时应进行多种方案的分析比较。选择定位基 准时，应重点考虑如何减少误差，提高精度，也要考虑安装的方便性、准确性 和可靠性。定位基准的选择分为粗基准和精基准的选择两种，下面分别介绍。 1 、基准的选择 粗基准是用没有加工的表面作为定位基准，选择粗基准时应考虑以下原则： 1 ) 保证加工表面与不加工表面之间的相对要求，应选择不加工表面作为粗 基准，特别是选择与加工表面有紧密联系的表面作为粗基准； 2 ) 若加工表面较多，选择粗基准时，应合理分配各加工表面的加工余量； 3 ) 选择作为粗加工基准的表面，应平整、光洁，以便定位准确，夹紧可靠； 4 ) 因为粗基准的定位误差较大，一般粗基准只能使用一次。 2 、精基准的选择 精基准是已经加工过的表面作为定位基准。一般应遵循下列原则： 1 ) 选择零件的设计基准作为精基准，也就是“基准熏合”原则，这样可以 避免因基准不重合而引起的基准不重合误差； 2 ) 能选用统一的定位基准加工各个表面，以保证各个表面对基准的位置精 度，这就是“基准统一”原则； 3 ) 获得均匀的加工余量或使加工表面间有较高的位置精度，有时可以采取 互为基准反复加工的原则； 4 ) 有的精加工工序要求加工余量小，或垂直度要求高，为了保证加工质量 和提高生产率，应选择加工面本身作为定位基准。 以上的选择原则，有时是互相矛盾的，在选择的时候要综合考虑。在保证 工件加工要求的前提下，尽量使夹具结构简单，工件稳定性好。 2 3 2 工件在空间的自由度 忽略工件的微小变形，工件可以看成一个理想的刚体。将其放在一个空间 直角坐标系中，以此坐标作为参照系来观察刚体位置和方位的变化，由刚体力 学可知，在空间中处于自由状态的刚体，共有6 种可能的运动，即沿x 轴、y 轴、 z 轴移动，或者绕x 轴、y 轴、z 轴的转动。这种移动和转动的可能性就称为自 2 第二章组合夹具定位原理及定位误差计算方法介绍 由度。这6 种移动或者转动的变化形式是基本的变化形式，工件在空间的运动 状态都可以由这6 种基本变化合成得到。限制了工件的某个自由度，该工件在 这个方向上的位置也就确定了。因此，可以根据工件的加工要求，通过限制工 件自由度的方法，达到工件在夹具上定位的目的。当工件的6 个自由度被全部 限制后，工件的位置和方位也就会被唯一的确定下来。 2 3 - 3 六点定位原理 基于运动原理，要限制工件的6 个自由度，典型的方法就是在夹具设计中 设置如图2 2 所示的6 个支承点。图中的矩形工件每次都安放到与6 个支承相 接触，从而使一批工件中每个工件得到确定的位罨，其中底面a 放在3 个支承 上，限制了3 个自由度( 沿着z 轴的移动和沿着x ，y 轴的转动) ，侧面b 限制 了2 个自由度( 沿y 轴的移动和沿z 轴的转动) ，另一个侧面c 限制了一个自由 度( 沿x 轴的移动) 。用分布在3 个互相垂直的平面上的6 个支承点来限制六个 自由度，使得工件在夹具中的位置完全确定，这就是著名的3 2 1 六点定位原 理【3 1 。六点定位原理适合任何形状的工件。如图2 3 所示的轴类工件的六点定位 原理示意图。其中轴的圆柱表面放在4 个支承点上，消除了工件的4 个自由度 ( 沿y ，z 轴的移动和绕y ，= 轴的转动) ，轴端部靠在一个支承点上，消除了 一个自由度( 沿x 轴的移动) ，轴上一端的槽正放在一个支承点上，消除了工件 b y 图2 , 2 六点定位原理 图2 3 轴类工件的六点定位原理 绕x 轴转动的自由度。根据工件形状的不同，所用的定位基准也不同，定位点 的分布情况也不同。 运用六点定位原理可以分析和判断夹具中的定位结构是否正确，将工件的 六个自由度完全约束或受限制的定位称为完全定位。但是在很多情况下，无需 塑塑查堂堡主兰垡望塞孔系组合夹具定位方案定位质量评价方法的研究 将工件的6 个自由度完全约束，只需要限制那些对加工后位置精度有影响的自 由度即可，无需限制6 个自由度的定位称为不完全定位。在保证工件位置精度 的前提下，不完全定位可以减少夹具元件，简化夹具结构。如果一个夹具的定 位结构所限制的自由度少于位置精度必须要限制的自由度数量，就会产生定位 不足，这种定位方式称为欠定位。如果一个夹具的定位结构中，不同支承点重 复的约束工件上同一个自由度，就会产生定位不稳定，这种定位方式称为过定 位。欠定位情况下，工件的位置精度不能保证，因此是不允许的。过定位要视 具体的情况而定是否允许。例如图2 2 中，如果b 平面的两个支承点在一条垂 直线上，这样绕z 轴转动的自由度就没有被限制，这种情况属于欠定位；而沿 y 轴移动的自由度就被限制了两次，这种情况属于过定位。 2 3 4 现有定位规划方法介绍 现有的定位规划方法大都采用了六点定位原理或者根据形封闭和力封闭规 则进行定位，具有代表性的是b r o s t g o l d b e r g 用来分析多边形工件的算法， m a r k u s 针对棱柱形工件提出的基于规则的组合夹具定位和夹具位置选择的一 种算法以及融亦鸣通过非线性方程组求出定位元件位置确定定位方案的分析方 法等。 所谓b r o s t g 0 1 d b e r g 完备算法【4 】，主要是适用于分析棱柱形工件的平面组 合夹具。算法的基本假设是工件可以描述成个简单的多边形，定位元件可以 看作是半径相同的圆，同时定位元件半径小于基础板孔间距的一半。对二维问 题至少需要三个定位销和一个夹紧元件，假设基础板无限大，所有接触都是无 摩擦接触。除了多边形的边界，还提出了几何可及性约束和质量评价约束。算 法的输出包括三个定位销、一个夹紧元件的位置以及工件相对于基础板的移动 和旋转的位置。算法描述如下： i ) 棱柱形工件和几何可及性约束通过对工件进行边界的扩展来实现，扩展 的距离为定位销的半径，从而将定位销简化为个理想的点。 2 ) 通过工件相对于基础板的旋转和移动，枚举出三个定位销所有可能的位 置，得到所有的候选定位方案。 3 ) 从所有候选定位方案种剔除可能带来问题的方案，例如干涉等，然后对 剩余的定位方案根据定位质量评价指标进行评价。 在工件相对于基础板旋转和移动的过程中来确定基础板上的三个定位销的 位置，需要一套较复杂的算法。首先确定第一、第二定位销的位置，然后枚举 出第三个定位销所有可能的位置。在对力域的约束分析的基础上，可以枚举出 夹紧元件所有可能的位置。 之所以称这种算法为组合夹具设计的完备算法，是因为它能针对一个特定 第二章组合夹具定位原理及定位误差计算方法介绍 的棱柱形工件产生所有的定位方案。但是，这种方法还存在以下局限性： 1 ) 仅考虑了工件为一般多边形时的定位情况，没有考虑工件侧定位面为曲 面的情况。而在实际生产过程中，侧定位面为圆柱面或圆弧面的情况很 多。 2 ) 算法只考虑了具有统一半径的定位销，而在实际组合夹具设计中，还有 其它类型的定位销或其它定位元件( 如v 形块、半v 形块等) 可以广泛 应用。 3 ) 算法只考虑了二维工件的定位，在实践中，它只能适用于高度很小的棱 柱形工件，三维工件的夹具设计仍需进一步探讨。 4 ) 未能考虑夹具设计过程中所需的一些标准，如定位公差、可及性分析以 及其它的加工条件。 5 ) 夹紧元件位置规划中没有考虑摩擦力。 2 4 现有定位方案定位误差计算方法 2 4 1 矩阵计算法 假设工件是一个理想刚体，由空间某一个确定位置向另一个位置变动，可 以通过坐标变换实现。工件在空间的任何运动都可以归结为相对该坐标系的6 种运动，即3 种移动和3 种转动。约束这6 个自由度就实现可工件的定位。设 工件表面上任意一点的位置由( x ，y ，z ，1 ) 变成( x ，y ，z ，1 ) ，则对每一运动分量变化 后，坐标位置可按下述各式计算： ( 1 ) 直线移动 0 ，y 。，z 。，1 ) = g 戊毛1 ) ( 2 ) 绕x 轴旋转舻角 y ，z ，1 ) = 0 ，y ，司) ( 3 ) 绕y 轴旋转y 角 lo o1 0o x oy o 0 0 00 10 2 0 1 10 0 0 c o s c ps i n c p 0 一s i n 口c o s 缈 00 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 塑造查兰堡主! 丝笙壅 塾墨塑鱼壅墨塞焦塑壅塞垡堕墼堡竺查鲨塑婴塞 0 ，y ，z 。，1 ) = x ，y ，z ，1 ) ( 4 ) 绕z 轴旋转0 角 g ，y ，z ，1 ) = x ，y ，z ，1 ) c o s 7 0 一s i n 7 0 0 100 s i n ，0c o s ，0 ooo1 c o s 0 一s i n 8 0 o s i n 0 c o s 口 o 0 o o 0 0 lo 0l ( 2 3 ) ( 2 4 ) 参见图2 4 ，假设工件在空间先后绕x 、y 、z 轴逆时针方向转动妒、y 、口 角，并沿z 、y 、z 轴方向平移、y 。、知，则工件上任点的坐标( x ，y ，z ，1 ) 变成( x 。，y ，z ，1 ) ，其变换矩阵足为： c o 妒c o 妇c o s t s i n 0一s i 妙0 s i n f o s i n t c o 妇一c o s t s i n os i n p c o 铲s i 胡十c o 印c o 毋s i n 妒c o s 7 0 c o s f a s i n 7 c o s o + s i r g o s i n os i n o c o 印s i n t - s i n c , c o s oc o s p c o s 70 z 0 1 ( 2 5 ) r 称为工件定位矩阵，也称为通用误差矩阵，可用以计算加工表面上任意 点的定位误差。 令叭，、口分别表示工件绕x 、y 、z 轴的转角误差，、4 、钯。 分别表示工件沿x 、y 、z 轴坐标方向可能产生的微小位移，即平移误差。缸、 缈、z 分别表示工件上任一点 ( x ，y ，z ，1 ) 沿x 、y 、z 轴方向上的尺寸 偏移。考虑到转角很小，故其余弦函数 取值为1 ，正弦函数高于二次的可以略 去。因此矩阵表达式r 为： ( 缸，缈，止，1 ) = ( x ，y ，2 ，1 ) r 图2 4 工件定位 第二章组合夹具定位原理及定位误差计算方法彳r 绍 0 s i n 护 s i n a y a x o s i n a 毋 o s i n a a p o ( 26 ) 误差计算中还要考虑误差的方向性。一般规定：当加工误差使被加工尺寸 增大时，误差的方向为正，反之为负。考虑到夹具与工件误差方向的随机性， 每个转角误差又是独立的，可能的最大定位误差应是每个转角误差币独引起的 定位误差的绝对值之和，公式为： 血= f - y s i n a o + a x e l + l z s i n 酊十哆| 十峨 a y = i x s i n a o + a y e + 一z m n a 9 + 嘶| + a y o ( 2 - 7 ) 出= 卜xs i n a y + 血r y s i n a ? + 血p + a 气 式中a x 。、凸虬分别表示由绕：轴的转角误差口引起的工件沿x 、y 方向的 平移误差；血，、血，分别表示由绕y 轴的转角误差，引起的沿x 、= 方向的平 移误差；a y 。、血。分别表示由绕x 轴的转角误差妒引起的沿y 、2 方向的平移 误差；a x 。、a y 。、缸。分别表示沿z 、y 、5 方向的其他平移误差。 2 4 2 三角彤公式法 国2 5 为定位误差示意网，圈中，b 两点分别表示定位元件的位置，c 点 为工件上被加工表面在a b 上的投影位置。各位置上的双箭头表示定位误差的 变动方向( 即工序尺寸的方向) ，两箭头问的大小则表示工件r 序基准在该处最 卜o # “c 士斗 爿 + 口 卜1 i 一 图2 5 定位误差位置示意图 蹦26 三角彤公式的简单记忆 大变动量( 即a 。a 。，。的大小) a 若已知( 或求得) 1 件在a ，b 点的定位误羞。和a 。，则