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浙泼大学硕士学位论义宝石加工装备中的专用夹具方案设计及性能优化研究 摘要 夹具系统是机床加工中实现加工工序的关键系统。夹具系统的构成和精度 直接影响加工的效率移产品的质量。本文以宝石加工装备开发为研究背景，以 夹具系统为研究对象，重点研究结合工厂实际的专用夹具方案构成和提高系统 精度的方法，并完成基于方案优化的夹具系统结构实现。 第一章概述了夹具的基本概念和夹具的设计步骤，并介绍了目前的夹具优 化应用情况：着重分绍豳内外夹具定位优化和系统动态优化的研究现状和应用。 在此基础上，给出了本文的研究内容和组织结构。 第二章主要分析目前实际制造中常用的夹具构成，并结合宝石加工装备的 开发和加工工序，分别给出夹具的定位方案、分度方案、夹具本体方案茅曩整体 方案；为后续章节的性能优化提供了基础。 第三章研究以方案为基础的夹具定位性能优化模型，并结合遗传算法实现 夹具定位性能的优化。影响定位精度的干扰因素可分为两大类，一类是定位装 置本身的有关定位尺寸及其偏差；另类是被加工工件的定位基准的有关尺寸 及其前道工序的制造误差。在制造精度一定的情况下，工件定位误差则主要取 决于定位点在工件表面上的分布。基于遗传算法的静态定位性能优化实现了较 高的夹具定位精度。 第四章研究以方案为基础的夹具系统动力学模型，并结合模态分析实现夹 具系统的抗振性熊优化。夹具系统是一个质量分布连续的弹性体，是一个多鲁 由度系统。通过对夹具系统动力学模型多阶模态的分析，找出夹具系统的危险 摸态，并根据摸态分析的结果，得童夹具系统的改进方案。基于模态分析的动 态抗振性能优化实现了加工精度较高的夹具系统。 第五章在前面章节的基础上完成宝石专用夹具优化方案实现。夹具系统设 计和优化的最终目的是实现工厂的生产，因此夹具系统的方案实现是夹具系统 关键的一环。夹具系统的方案实现以工厂制造为基础，用于指导工厂的生产。 第六耄总结了本文的研究成果和特色，并对今焉的研究工作做了进一步展 望。 关键词：精密宝石加工装备，专用夹具，定位性能，遗传算法，抗振性能， 模态分析，制造方案设计，方案实现。 浙江大学硕士学位论义 宝石加工装备中的专用必具方案淡计及性能优化研究 a b s t r a c t f i x t u r es y s t e mi st h ec r i t i c a ls y s t e mt oa c h i e v em a c h i n i n gp r o c e s s i n g t h e c o n s t i t u t i o na n dp r e c i s i o no ff i x t u r es y s t e mh a v ead i r e c ti m p a c to np r o c e s s i n g e f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t y t h i sp a p e rm a k e s “g e mm a c h i n i n gc e n t e r a st h e r e s e a r c hb a c k g r o u n d ，a n df i x t u r es y s t e ma st h er e s e a r c ho b j e c t ；f o c u s e so nc o n c e p t c o m p o n e n t sa n dt h ei m p r o v e m e n to ff i x t u r es y s t e m ，a n df i n a l l yr e a l i z e st h e s t r u c t u r e so ff i x t u r es y s t e m i nt h ef i r s tc h a p t e lb a s i cc o n c e p ta n db a s i cs t e po ff i x t u r ea r es u m m a r i z e d ，a n d a p p l i c a t i o ns i t u a t i o no ff i x t u r eo p t i m i z a t i o ni si n t r o d u c e d ；r e s e a r c hs t a t u so ff i x t u r e p o s i t i o n i n go p t i m i z a t i o na n ds y s t e md y n a m i co p t i m i z a t i o ni nd o m e s t i ca n do v e r s e a s i sm a i n l ya n a l y z e d f i n a l l y , t h ea u t h o rp o i n t so u tt h ep a p e r sr e s e a r c hc o n t e n ta n d s t r u c t u r e i nt h es e c o n dc h a p t e lf i x t u r ec o n s t i t u t i o ni n r e a lm a n u f a c t u r i n gi sa n a l y z e d ； b a s e do nt h ep r o d u c ta n dp r o c e s s i n g ，p o s i t i o n i n g ，t r a n s m i s s i o n , m a i ns t r u c t u r ea n d w h o l ef r a m e w o r ka r ed e s i g n e d a n dt h eb a s i so ff o l l o w i n gc h a p t e r si sp r o v i d e d i nt h et h i r dc h a p t e r , f i x t u r ep o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nm o d e lb a s e d o nc o n c e p td e s i g ni sr e s e a r c h e d ，a n dc o m b i n e d 试搬g e n e t i ca l g o r i t h m s ( g a ) ， p e r f o r m a n c eo ff i x t u r ep o s i t i o n i n gi so p t i m i z e d t h e r ea r et w of a c t o r st h a tc a l la f f e c t t h ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y , o n ei sd i m e n s i o na n di t sd e v i m i o no fp o s i t i o n i n gd e v i c e ， t h eo t h e ri sm a n u f a c t u r ee r r o ro fp r e v i o u sp r o c e d u r ea n dd i m e n s i o no fw o r k p i e c e p o s i t i o n i n gb e n c h m a r k i ft h em a n u f a c t u r ep r e c i s i o ni sf i x e d ，p o s i t i o n i n ge r r o ro f w o r k p i e c ei sm a i n l yd e c i d e db yt h ed i s t r i b u t i o no fa n c h o rp o i n t si nt h es u r f a c eo f w o r k p i e c e s t a t i cp o s i t i o n i n gp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o nb a s e do ng aa c h i e v e sa h i g h e rf i x t u r ep o s i t i o n i n ga c c u r a c y i nt h ef o u r t hc h a p t e r , f i x t u r es y s t e md y n a m i c sm o d e lb a s e do nc o n c e p td e s i g ni s r e s e a r c h e d c o m b i n e dw i t hm o d a l a n a l y s i s ，a n t i v i b r a t i o np e r f o r m a n c eo ff i x t u r e s y s t e mi so p t i m i z e d f i x t u r es y s t e mi saf l e x i b l es y s t e mw h i c hh a sac o n t i n u o u s d i s t r i b u t i o nm a s s ，s oi t sas y s t e mt h a th a sm u l t i d e g r e eo ff r e e d o m t h r o u g h s e v e r a l m o d ea n a l y s i so ff i x t u r es y s t e md y n a m i c sm o d e l ，d a n g e r o u sm o d eo ff i x t u r e s y s t e mi sf o u n d a n di m p r o v e m e n to ft h eo r i g i n a lf i x t u r es y s t e mi sa c h i e v e d a c c o r d i n gt o t h er e s u l to fm o d e a n a l y s i s d y n a m i ca n t i v i b r a t i o np e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o n b a s e do nm o d e 一爿_ u a ! y s i sr e a l i z e s 吐1 e l m p r o v e m e v ao fp r o c e s s i n g p r e c i s i o ni nf i x t u r es y s t e m 。 i nt h ef i f t hc h a p t e r , s t r u c t u r ed e s i g no ff i x t u r es y s t e mi sc o m p l e t e d t h ef i n a l t a r g e to ff i x t u r es y s t e md e s i g na n do p t i m i z a t i o ni sr e a l i z i n gp r o d u c i n gi nf a c t o r y , s o 珏 m e c h a n i c a ld r a w i n g sf o rm a c h i n i n gi sa k e ys t e po ff i x t u r es y s t e m t h er e a l i z a t i o n o ff i x t u r es y s t e ms t r u c t u r ev i e w st h ef a c t o r ym a c h i n i n ga sb a s i st oi n s t r u c tf a c t o r y p r o d u c t i o n i nt h el a s tc h a p t e r , s u m m a r i z e st h ec o n t e n t sa n dt h ea c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e r , a n dp o i n t so u tt h ef u r t h e rr e s e a r c hd i r e c t i o n k e yw o r d s ：p r e c i s i o ng e mm a c h i n i n ge q u i p m e n t ，s p e c i a lf i x t u r e ，p o s i t i o n i n g p e r f o r m a n c e ，g e n e t i ca l g o r i t h m s ，a n t i - v i b r a t i o np e r f o r m a n c e ，m o d e a n a l y s i s ， m a n u f a c t u r i n gc o n c e p td e s i g n ，m a c h i n i n gs t r u c t u r ed e s i g n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈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。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，也不包含为获得逝姿盘堂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：彳簖哎东 签字日期：枷、，8 年6 月加e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂 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和传播，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：彳窃世戮 导师签名： 学位论文作者签名：彳确世戮 导师签名： 签字日期：加8 年舌月2 o 日签字日期：7 a , 4 年6 月he l 浙泼大学硕士学位论文 宝石加工装备中的专用夹具方案设计及性能优化研究 第1 章绪论 【摘要】本章概述了夹具的基本概念和夹具的设计步骤，并介绍了目前的夹具优化应用 情况；着重贫绍国内磬夹具定位优化移系绫动态优健的磅究现状和应用。在拢基继上，给患 了本文的研究内容和组织结构。 1 1 夹具概述及分类 1 1 1 夹具概述 由祝械加工生产实践可以知道，任何视械加工都不能离开夹舆。不论是使褥 通用夹具，还是使用专用夹具，总是需要先将工件定位夹紧后，才能进行加工。 所以，夹其是机械加工中不可缺少的工艺装备，是实现工艺过程的物质条件。它 对保证产黯质量、提高生产效率、扩大机床的使用范围、减轻劳动强度等，都有 十分重要的意义。先进的夹具技术，可以获得巨大的经济效果。 夹具的主要工作原理为： 1 ) 使工件在夹具中占有准确的加工位置。这是通过工件各定位面与夹具的 相应定位元件的定位工作面( 定位元件上起定位作瘸的表面) 接触、配合或对准 来实现的。 2 ) 夹具对于机床应先保证有准确的裙对位置，而夹具结构又保证定位元件 的定位工作亟对夹具与机床相连接的表面之间的相对准确位置，这就保证了夹具 定位工作面相对机床运动形成表面的准确几何位置，也就达到了工件加工面对定 位基准的相互位置耩度要求。 3 ) 使刀具相对有关的定位元件的定位工作面调整到准确位置，这就保证了 刀爨在工件上热工出的表面对工件定袋基准的位置尺寸。 总的说来，机床夹具在机械加工中有以下作用： 1 ) 易于保证加工精度，并使加工精度稳定 由于夹具在机床上和工件在夹具中的装夹位置均己确定，所以工件在加工中 的位置得到可靠保证，且不受划线质量和找正技术水平等主观因素的影响，因而 定位精度较高。所以加工精度稳定。 2 ) 缩短装夹时间，提高劳动生产率 采焉专用夹具装夹工件，爵以不篇划线找正便可将工件迅速两准确地装夹到 正确加工位置上。从而可大大缩短了与装夹工件有关的时间。在某些情况下，由 于使用了夹具，工件装夹的比较牢固可靠，有可能加大切削用量，或增加同时加 工的刀具，或增加同列| j 娃工的工件数西，以减少加工时间，提高劳动生产率。 3 ) 扩大机床工艺范围，充分发挥机床潜力 在工厂的具体条件下，机床数量秘类型都有一定的限制，往往各类机床的生 浙江大学硕士学位论文 宝石加工装备中的专用夹具方案设计及性能优化研究 产能力和负荷是不平衡的。因此需要用一种机床代替另种机床的工作。如采用 夹具就能改变一台机床只能完成一种功能的传统工艺方法，使一种机床能有多种 功能，从而扩大机床的工艺范围，实现“一机多用”，如在车床的拖板上或在摇 臂钻床工作台上装上镗模就可以进行箱体零件的幢孔，代替镗床工作。 4 ) 减轻工人的劳动强度 使用夹具装夹工件，由于装置完善，可使操作轻便灵巧。在大批量生产中多 用。故机床夹具设计在企业的产品设计和制造以及生产技术准备中占有极其重要 的地位。 1 1 2 夹具分类 夹具的种类有很多，形状千差万别。按照夹具的通用特性一般可以划分为【1 】： 1 ) 通用夹具 车床上的三爪卡盘，铣床上的平口虎钳、万能分度头等均属于通用夹具。这 类夹具是由专门的机床附件厂制造的。它们能用于相当广泛的一类工件的加工， 所以称为通用夹具。它们不仅用于单件小批生产，在大批大量生产中也常采用。 2 ) 专用夹具 这类夹具是指专门为某个零件的某一道工序专门设计的。这类夹具只有在大 批大量生产的情况下才能充分发挥它的经济效果。这类夹具的设计和制造，工作 量最大，而且，它的结构随着产品的更新而更新，因此，是一项周期长、投资较 大的生产准备工作。本文讨论的宝石加工夹具就属于这类夹具。 3 ) 通用可调夹具 在中小批量生产中，使用通用可调夹具往往会获得最佳的经济效益。通用可 调夹具是指通过调节或更换装在通用夹具基础件上的某些可调或可换元件，达到 能适应加工若干不同种工件的一类夹具。通用可调夹具往往不能做到结构紧凑、 刚性好、精度高。而且，每次调整都需要较长时间。 4 ) 成组夹具 这是随着成组加工技术发展而产生的一类夹具。它是根据成组加工工艺原则， 针对一组形状相近的零件专门设计的。也是具有通用基础件和可更换调整元件组 成的夹具。因此，从外形上看它和通用可调夹具不易区别。但它与通用夹具相比， 具有使用对象明确，设计科学合理，机构紧凑，调整方便等优点。 5 ) 组合夹具 又称拼拆夹具。这类夹具是有预先制造好的标准元件和部件，按照工序加工 的要求组合装配起来的。用完后还可拆卸存放。元件和部件可以重复使用，它具 有组装迅速的特点。适用于新产品试制或小批量生产。目前，组合夹具的元件都 已标准化了。但过大或过小的工件还没有相应的组合夹具标准件。位置精度要求 高的工件不宜采用组合夹具。 更多的夹具分类如图1 1 所示。 图1 - l 夹具的分类 1 2 夹具设计方法及主要任务 1 2 1 夹具生产过程和基本要求 夹具的生产过程耪人员参与一般可以简单地用表1 1 表示： 袭1 - 1 夹具生产过程 人员部门工艺人员 夹具设计人员使用部门制造部门 过程 夹具设计任务书 夹其结构设计 使用制造部门会签 夹具制造 夹具验证 生产使用 也就是说，进行夹具，羔产鲍第一步是由工艺久员存编制_ 丁艺趣糕时提出稷应 的夹具设计任务书。该任务书应有设计理由、使用空间、使用设备及需设计夹具 工序的工序图等。工序圈上须标隳本道工序的加工要求、定位面和夹噩点。夹具 设计人员在做了相应的准备工作后，就可进行夹具结构设计。完成夹具结构设计 浙激大学硕士学位论义 宝石加工装备中的专用夹具方案设计及性能优化研究 之后，由夹具使用部门、制造部门就夹具的使用性能、结构合理性、结构工艺性 及经济性等方西进行审核后交付制造。制成的夹具要壶设计人员、工艺人员、使 用部门、制造部门等各方面人员进行验证。若该夹具确能满足该道工序的加工要 求；能提高生产率，且操 乍安全、方便，维修简单，就可交付生产使用。 总之，对夹具设计的基本要求是：能稳定可靠地保证工件的加工技术要求、 能提高劳动生产率、操作简便并具有良好的工艺性。 l 。2 2 夹具设计步骤 夹具设计的主要步骤有以下六个方面【2 】： ( 1 )明确设计任务，收集、研究设计的原始资料 在这个阶段的主要工作有： 1 ) 明确设计任务书要求，收集并熟悉加工零件的零件图、雹坯图和其他加 工工艺过程；了解赝用枧床、刀具、辅其、量具酌有关情况及加工余量、切舞用 量等参数。 2 ) 了解零件生产类型。若为大批量生产，则要力求夹具结构完善，生产率 高。若批基不大或是应付急用，夹具结构则应简单，以便迅速制造后交付使用。 3 ) 收集有关机床的资料，主要是机床上安装夹具的有关连接部分尺寸。如 铣床类夹具，应收集机床工作套的槽宽和槽距。对车床类夹具，收集机床主轴端 部结构尺寸。此外，还应了解机床的主要技术参数和规格。 4 ) 收集刀具方瑟的资料在于了解刀具的主要结构尺寸、制造精度、主要技 术条件等。例如，若需设计钻床夹具的钻套，只有知道了孔加工刀具的尺寸、精 度，才能正确设计钴套导弓| 孔的尺寸及其极限偏差。 5 ) 收集辅助工具方面的资料。例如镗床类夹具则应收集镗杆等辅具资料。 6 ) 了解本厂制造夹具的经验与能力，有无空气压缩站及其气压值等。 7 ) 收集国内外同类型夹具资料，吸收其中先进丽又能结合本厂情况的合理 部分。 ( 2 ) 确定夹具结构方案、绘制结构草图 在确定夹具各组成部分的结构是时，一般都会产生几种不同的方案，应分别 香赢草图，进行分析比较，从中选择较为合理的方案供审查。 ( 3 ) 绘制夹具总图 总图的绘制顺序如图1 2 所示： l 王终h 定位元传h 器弓| 元搏( 链康类夹具) h 夹紧装耋卜一其煎装霪卜一夹其体| r _ _ 1r 1r 1 r ”一r _ _ 1 r _ _ 一 l - - * - - j - j - * - - - - - - - - - h w p 。- - - - - - 。- - - - 一o - - - - - _ _ _ _ - - - - 一l - - - - - - - - - _ - _ _ _ _ 一l _ - - - - - j 函l - 2 央其总图绘制顺序 ( 4 ) 编写明细表 ( 5 ) 绘制总图上的非标准件零件图 4 浙江大学硕士学位论文宝石加工装备中的专用夹具方案设计及性能优化研究 1 2 3 夹具设计性能分析 具体来说夹具设计的性能分析主要在以下两个方面： 1 ) 夹具的静态性能分析 静态性能分析即夹具的精度设计。考虑夹具精度设计的依据是加工工序尺寸 对定位基准的精度要求瓯及工件的定位基准。从而选择合适的定位元件及其形 状、位置精度。并合理地制定出充分必要的总图技术条件，然后综合分析各误差 因素所产生的综合定位误差。也叫夹具的综合误差分析。通过综合误差分析计算 出所设计夹具的定位误差d 。并从夹具的安装基准和对刀基准分析计算夹具的 安装对刀误差a d 。综合定位误差d 和安对误差属于夹具的静态误差。 2 ) 夹具的动态性能分析 工艺过程的受力变形、热变形、振动跳动等的影响而产生的加工误差属于动 态误差，是由夹具元件的刚度、夹具支撑刚度、夹紧刚度和整体刚度决定的。故 夹具的结构设计属于动态性能分析的范畴。在不能从理论上给出动态误差准确的 数据条件下，应以适当加大夹具元件及夹具体的刚度裕度为宜。合理选择夹紧方 式、支撑点和夹紧力等都是结构设计中的重要内容。 1 3 夹具优化应用现状 目前夹具的优化研究主要集中在概念设计，工件定位夹紧和夹具的动态特性 等方面。 1 3 1 夹具概念设计优化 夹具概念设计是根据夹具的功能要求对夹具结构进行规划，将夹具的功能要 求向夹具的结构形式转化，是夹具设计自动化中必不可少的一个阶段。夹具概念 设计既是夹具详细设计的先导，又是夹具构型设计的前提【3 l 【4 l 。目前，夹具概念 设计方面的研究较少1 5 j 。广东工业大学机电工程学院中俄联合实验室的陈航军【6 】 使用a h p 方法对夹具概念设计方案的进行了优化。层次分析法( a n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s s ，简称a h p ) 是美国著名的运筹学家匹兹堡大学的t l s a a t y 教授于2 0 世纪7 0 年代提出的一种多目标决策分析方法，其基本原理是根据问题 的性质和所要达到的总目标，将其分解为不同的组成因素，依照因素间的相互影 响以及隶属关系，按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型。陈航 军通过分析i 夫具的功能要求，进行功能分解和综合，实现功能到概：念的过渡，并 千地也刀 六是口j 圳日匕文水，j z e lj 剀只匕刀_ f 日牛删坏西，犬扰圳日已划佩：西州u 设，升 建立结构概念空间，产生夹具方案规划。通过a h p 方法对夹具概念设计方案的 优化，得出一个符合优化指标的最佳方案。广东工业大学机电学院的姜莉莉【7 】 濠篷大学簇圭学谴论文宝石船工装备孛秘专露夹其方巢设诗及茬毙饯毒l ：磺究 采用多色集合理论建立了夹具概念设计模型。通过对夹具设计模型的装配关系及 各元素基本作用的分析，得到夹具概念设计的元素关联图，并生成多色图。利用 夹具概念设计多色蓬和多色集合的算法，找出满足约束条件的所有路径和可能的 设计方案，为进一步优化提供了基础。山东大学机械学院的张勇】提出了将公差 设计研究提前到概念设计阶段的思想，并研究了其中的关键技术。首先基于一种 结构不断生长的独特设计愚路，建立了结构与公差同步设计的过程模型和相应的 公差表示模型：然后研究了在设计过程中自动生成局部尺寸链和全局尺寸链的方 法，给出了公差同步设计，并根据设计结果提出了概念设计优化的整体框架，实 现了基于公差的概念设计优化；最后使用该方法实现了活塞夹具概念设计优化。 但是冒麓夹具瑟概念设计优化理论不成熟，因此应用不多。 1 3 2 工件定位夹紧优化 优化方法在夹具的定位和夹紧中应用得比较广泛。c h o u 掣9 蝽i 用螺旋理论分 析了完全定位、稳定夹紧、完全约束阀题，并讨论了从多个视始夹紧点中遴行方 案优选的过程。a s a d a 等【io j 首先提出了运动学建模方法，并利用该方法分析了完 全定位、可及性与可离性、双向约束以及完全夹紧等问题。c a i 等l 对夹具设计 精度进 亍了分析，认为工件位置偏移是毒于工件铡造误差和夹爨安装误差所孳| 起 的，提嬲了一种夹具稳健设计的微分法，用于实现定位点的布局优化。w a n g 等 【1 2 】【1 3 】利用最佳试验设计方法进行最优定位夹紧点的选择。k a n g 1 4 j 推导出了工件 位置偏移与定位元件尺寸误差、安装误差之间的关系。m e n a s s a 等【1 5 】【1 6 】利用有限 元建模技术选择定缱支承点的位置，以保证工件在主要定位表面法高上的变形最 小。b r o s trc 和g o l d b e r gkv 1 7 1 等人在定位点制造误差对工件的影响方面做了 很多工作，通过把定位点处产生的扰动传递到工件质心处来分析夹具的定位性 笼。x i o n g 等鞋司考虑工l 牛与夹具元件之间的接触变形，详细研究夹具元件上的接 触反力与工件位置误差之间的关系，并利用非线性规划方法计算出夹具元件的接 触反力。g u i 等【l 州根据工件与夹具元件之间的接触刚度建立工件夹具系统的模 型，并瓷此基础上对夹紧力大小进行优化设计。l i 等【2 0 l 建立工件夹具的接触模 型，利用最小二乘法计算工件夹具的接麓刚度，也对夹紧力的大小进行优化。 k a n g 2 ”则假定工件为刚体，定位元件为弹性体，分析定位元件的变形与工件位 置误差之间的关系，并实现夹紧力大小的优化。南京航空航天大学的陈蔚芳【2 2 】 基手遗传算法和有限元方法，提出了种优化夹具布局和夹紧力的方法，并针对 夹具设计中的夹具元件的布局和夹紧力问题，建立了装夹布局优化模型，采用遗 传算法和育限元方法，通过优化文具布局，减少了切削过程中出于装臾不当、灾 紧力的作用引起的工件的弹性变形。髓前的研究主要集中在定位布局和夹紧优化 方面瞄以朝。 此外，针对模型的建立和优化还有更多的研究和应用【2 粥2 】。 6 浙江大学硕士举位论文 宝石加工装备中的专用夹具方案设计及性能优化研究 1 3 3 夹具系统动态优化 夹具系统以夹具( 执行件) 为核心，包含了与夹具有关的驱动件、连接件和 固定件等部件，w 以视为一个小型的囊封闭机床系统。 目前专门针对夹具系统的研究比较少，一般都将其归类为机械系统的一个子 系统来进行优化。因此，可以透过优化枧械动态特性的方法来实现夹具系统的优 化。 优化机械系统酶动态性能，就是确保枧褫系统在鸯妥工中的抗振能力达到一定 水平。机械系统的抗振能力，指的是抵抗受迫振动与自激振动的能力。 机械系统是个质量分布连续的弹性体，是一个多自由度系统。对一个多自 由度振动系统，可以建立一个对应的运动微分方程组。从数学观点看，完全可以 求解这个方程组，但实际上由予运算过程繁复以至较难应用，尤其是方程组内部 存在耦合时，运算工作更为繁重。所以，工程技术中必须通过其他途径栗解决多 自由度振动问题【j 引。 机械的动态特性是指当考虑了构件豹弹性变形，运动副的间隙，原动机的输 入速度波动以及其它激励影响等因素后，机械所体现的本身的固有频率、阻尼特 性和对应予各阶固有频率所对应的固有振型，以及机械在动载荷作用下的响应 【3 4 】 o s t a y l o r 3 5 等人结合有限元技术利用计算机编程对机床主轴刚度进行优化设 计。美国c a t h o l i c 大学gb i a n c h i 0 6 等学者将机床的动态设计与控制相结合，进 行动态优化设计。m i c h i g a n 大学的v j i a n g 和m c h i r e d a s t 3 7 j 在应用有限元法和动 态分析的基础上，提出一种数学模型来模拟机床结构豹联结形式，建立整机酶模 型并对机床结合面的联接件的位置和数量进行优化设计。清华大学的魏海燕【3 8 】 应用交时基采样的锤击法对卧式加工中心迸罩亍了试验模态分析，研究了船工中心 的动态特性，获得了加工中心的低阶模态参数，通过对各阶模态振型图找到了加 工中心的结构薄弱环节。李晓松p 9 1 介绍了一种多自由度动力学建模方法，并以此 为基础对数控机床的进给传动系统进行了优化。丛明( 4 0 l 运用有限元优化设计方 法，建立了机床拖板的有限元计算模型，进行了模态分析，给出了机床拖板的前 4 阶固有频率和相废振型，并对机床拖板豹凡俺参数进行动态特性的灵敏度分析。 另外，随着人工智能设计技术的发展，国、内外许多研究人员把人工智能设 计技术弓| 入动态设计过程中，为祝械动态设计提供了全薪的思路l 制。 1 4 研究背景及组织结构 1 4 薹本文研究背景 随着人们生活水平的提高，宝石钻饰的需求量髓益增大，宝石加工行业的 浙江大学硕士学位论文宝石加工装备中的专用夹舆方案设计及性能优化研究 竞争也日趋激烈，宝石加工装备的更新换代步伐也逐渐加快。获得能大批量生产 宝石钴饰的加工装备，燕宝石加工企业遣求的霉标。 通常而言，机械产品定制技术和敏捷设计技术是更新加工装备的有效方法， 谭建荣教授箨钳戮在该领域有较深的研究并已取得丰硕的成果，因此相应的应用 技术较为成熟。但由于宝石加工的专用性，其产品结构无法通过大批量定制技术 来构建；而且没有丰富的知识数据库支持宝石加工装备的快速设计。因此只能按 照传统的产品设计方法来完成宝石加工装备的概念设计、结构设计和详细设计。 在上述的技术背景下，本文的专用夹具设计以工厂制造为出发点进行专用 夹具的开发。 现有的宝石加工采用人工参与的办法，完成宝石加工的多个工序。其加工 工序如图1 3 所示。 图1 3 人工参与宝石加工工序 从图1 3 中可以看出，现有的宝磊加工由多种机器参与：上料机、磨潮机、 抛光机、换面机和下料上胶机。目前存在的问题有： 1 ) 效率不高。一个加工工序盘7 台机器配合完成，西盥两台机器之闻均需 要人工操作。损失的效率在人工操作的时间消耗和夹具等待时间的浪费上。因此 需要一个鲁动化的夹具系统来提高关键工序的加工效率。 2 环境污染。宝石加工的环境恶劣，有比较严重的粉尘污染。从保护工人 健康和周围环境出发，研发宝石加工装备具有定的环保意义。而加工装备中的 自动化夹具系统则是实现该目标的关键系统。 8 浙江大学硕士学位论文 宝石加工装备中的专用夹具方案设计及性能优化研究 宝石加工装备中的自动化夹具系统需要完成p 1 到p 1 2 的所有工序，其他系 统则用于完成各个工序中的自动衔接。现有的夹具系统除了上述的问题外，还有 与误差有关的问题，如图1 4 所示。 图1 4 夹具系统相关误差 现有的宝石加工夹具的误差主要由安装误差、定位误差和加工误差产生。安 装误差是人工安装时，夹具与其它部件动态配合产生的误差；定位误差主要是夹 具定位方式对工件的影响而产生。加工误差则是在前面两项误差的基础上，加上 机械的振动而综合产生的动态误差。 自动化夹具系统需要解决存在的误差问题。由于自动化夹具系统以宝石加工 装备为基础，在宝石加工装备中已拥有固定的加工位置，由人工安装产生的安装 误差已不复存在，取而代之的是夹具系统之间的配合误差，此误差则由方案实现 时的零部件精度分配来解决；因此自动化夹具系统需要解决的误差问题则为定位 误差和加工误差。定位误差是由于工件定位点的不同导致不同的定位精度；加工 误差是由于动态加工中机械振动对工件加工精度产生的影响。 综上所述，宝石加工装备中的夹具系统面临自动化方案设计、定位误差和动 态加工误差三个主要问题。 1 4 2 本文研究内容 本文以宝石加工装备开发项目为研究背景，结合工厂实际和理论研究现状， 系统地阐述宝石专用夹具的方案设计、静态性能优化和动态性能优化。在符合实 9 浙江大学硕士学位论文宝石加工装备中的专用夹舆方案设计及性能优化研究 际制造的方案基础上，优化夹具的静态性能和动态性能；并基于优化实现了夹具 系统的结构。本文的主要内容有： 1 ) 夹具系统的优化应用 冒前在夹具系统中的应用包括概念设计优化、定位优化、夹紧优化和动态优 化方面。着重介绍了定位夹紧和动态优化的研究现状和应用情况。 2 ) 面向制造的专用夹具方案设计 主要分析宝石专用夹具的方案构成，结合制造方法和工艺实现了各个分方 案，并在分方案的基础上实现夹具系统的整体方案。在分析整体方案后，提出夹 具系统需要解决的嚣个阉题：静态性麓和动态性能。 3 ) 基于遗传算法的静态性能优化 夹具关键性能之一为定位性能，也称为静态性能。夹具的静态性能决定了宝 石；o n 3 ：过程中的加工精度。静态性能优化方法有多种，本文采用遗传算法来实现 静态性能优化。首先根据确定的定位方案，采用数学推导的方式得出定位加工 误差模型，并使用遗传算法得到最佳定位点，从面实现静态性能的优化。 4 ) 基于模态分析的动态性能优化 夹具系统是一个机械系统。在宝石加工过程中，振动是影响夹具系统精度的 主要问题，因此抗振性能也属于夹具系统的关键性能。由于是针对动态加工中的 性麓，抗振性麓也称为动态性麓。本文酋先介绍模态分析法的基本原理，并基于 模态分析法推导夹具系统动态性能优化的方法和步骤。根据得出的结论，使用模 态分析优化夹具系统各个结构的重量分配，得到较优的夹具系统动态性能，保证 宝石 3 n t 的精度。 5 ) 夹具系统方案实现 夹具设计的最终量标是应用予工厂实际使用。因此蕊盎3 3 n t 的夹具系统需要 得到图纸的实现，即具体方案的实现。确定的方案实现了较好的制造工艺性，静 态定位性能优化确定了精度较高的定佼结构，动态性麓优化指明了各个分结构豹 重量分配方式；并以此为基础，结合制造要求，得到满足性能要求的夹具系统方 案实现。 1 4 。3 本文组织思路与结构 本文在确定方案的基础上，优化了夹具的静态和动态性能，最后结合方案 和优化，完成结构实现。本论文分为六章，组织结构如图1 5 所示： l o 浙江火学硕士学位论文 宝石加工装备中的专用夹照方案设计及性能优化研究 绪论 一辱 宝石专用夹具方案设计 同 瀚同 弋夕凋弋夕 基于遗传算法的 锈 基于模态分析的 静态定位 蠹 动态抗振 性麓优纯性能优化 爿 镯闷 7沁弋少 x 宝石专用夹具优化方案实现 一一抄一 总结与展望 1 5 本章小结 图1 5 论文组织结构图 本章概述了夹具的基本内容和设计夹具的一般流程及主要任务，并介绍了目 前夹具优化的应用现状，详细说明了定位优化和动态优化的研究现状和应用情 况。最后给出了本文的研究内容和组织结构。 浙沈大学硕士学位论义 宝石加工装备巾的专用夹具方案设计及性能优化研究 第2 章宝石专用夹具方案设计 【摘要】本章主要分析目前实际制造中常用的夹具构成，并结合宝石加工装备的开发 褪加工工序，分别给出宝石专靥夹具豹定位方案、分瘦方案、夹巽本体方案番整体方案；为 后续章节的j l 生能优化提供了基础。 2 1 产品参数及加工工序 2 1 1 产品几何参数 d 无瓠於忒、 一 图2 1 产品模型及简化几何参数 根据图2 1 所示，可以得出有关产品的参数选择： 1 ) 在半球魄加工出个层葱，则单次黪抛加工要循环次。 2 ) 某层面上，钻石的面数为m ，则需要旋转m 1 次，且每次旋转罂度； 艇 3 ) 在单一层面上，钻石各面与中心线的夹角为口，则加工时，夹具与水平 面成岱； 4 ) 两个相邻的层面在中心投影面上夹角为夕，则两层面加工时的分度起始 角度要相差( 即第二层要在第一层的基础上再转过) 。 以上只针对产品对称的情况；当产品各面不对称时，则加工各个层面时进给 深度不同；如果加工后总体的屡葱中心面不在半球顽，则在加工某个层隧时，其 迸给的深度要与其他层面的有所不同。 2 1 2 工件加工工序 由于实际产晶的层数为3 瑟；2 层8 面和i 屡i 面总共1 8 个西，箕实际翔工 工序如图2 2 所示： 浙江大学硕士学位论文宝石加翼装备中的专用夹舆方案设计及性能优化研究 一循环线叫流程线 型工艺起点 | e | 工艺终点 p l l ：夹紧王箨 p 1 2 ：磨一层一面 p 1 3 ：夹具元件旋转 p 1 4 ：蘑一鬃二瑟 p 1 5 ：夹具元件旋转 p 1 6 ：编号对接准螽 p 2 1 ：编号二对接完成 p 2 2 ：夹具元件校正旋转 p 2 3 ：蘑二层一西 p 2 4 ：夹具元件旋转 p 2 5 ：磨二屡二面 p 2 6 ：夹其元俘旋转 p 3 l ：磨顶层顶面 p 3 2 ：夹紧工件准餐 p 3 3 ：对接准备 p 3 4 ：停机 图2 - 2 产品加工工序 融图2 2 可以看出，宝石专用夹具需要实现定位工件、夹紧工件、旋转工件 和确定在机械系统中的位置等功能。由于在宝石加工中工件的夹紧采用的是化学 胶粉融化凝盈夹紧，医此夹紧工件不在本文的讨论范墨之蠹； 宝石专用夹具的主要功能在于定位工件、实现分度和确定位置方面，因此以 下内容主要就工件的定位、夹具的分度和夹具体的设计进行讨论。 2 。2 工件定位方案 2 2 。1 工馋定位基本原理 工件在夹具中获得一个确定的位置称为工件在夹具中的定位。为了研究工件 在夹具中获得定位的规律，需要研究在空间自由运动的刚体是怎样被约束而获得 确定位置的。 由刚体的运动学知道，一个自由刚体有且仅有六个运动囱由度，如图2 3 所 示。其中三个沿坐标轴的移动自由度，用虱多、三表示，三个绕坐标轴的转动 鲁壹度，篇譬、多、三表示。反之，絮果使一个自毒刚体有一个确定的位置，则 必须设墨相应的六个约束，分别隈毒l 霹l 体的六个运动爨忐度。在研究工件熬定盘 时，工件就是我们所指的自由刚体。要是工件在空间占据一个确定的位置，就必 须设置六个显仅需设置六个约束，以分别限制工 孛的六个运动自由度。一般，在 浙江大学硕士学位论文 宝石加工装备中的专用夹具方案设计及性能优化研究 夹具上设计六个支承分别限制工件的六个运动自由度就可以使工件获得一个确 定的位置。六个支承通常称作六点。因此，叫做工件的六点定位原理。 图2 3 刚体运动的分析 严格地说，工件在夹具中的定位应包含两个方面的内容： ( 1 ) 工件位置的确定 使工件在夹具中有确定的位置，使一批工件在夹具中都占有这个位置。此为 夹具的定位设计。 ( 2 ) 工件位置的正确 使工件在夹具中具有理想的确定位置。理想的确定位置系指是工具对刀具及 走刀方向正确，能加工出合格的工件。此为夹具的精度设计。 2 2 2 工件定位基本形式 工件的定位的形式一般包括平面定位、外圆柱面定位、孔定位、基准定位和 人工基准定位；由于宝石加工专用夹具中的工件的特殊性，本文只讨论外圆柱面 定位的形式。 工件以外圆柱面在夹具中定位时，应力求其轴线的位置与规定轴线相重合。 常见的定位方法有：圆柱孔定位和v 形块定位。 2 2 2 1 圆柱子l 定位 1 定位原理与误差 定位原理图如图2 4 所示。工件在定位：y l 定位时，如果定位孔较长，可以 限制工件的四个自由度，但绕它本身轴线的转动和沿轴线移动则未限制。如果定 位孔较短，可以限制两个自由度。 图2 - 4 圆柱孔定位原理图 1 4 硼1 玉一 浙江大学硕士学位论文宝石加工装备中的专用夹具方案设计及性能优化研究 用圆柱孔定位时，为了使工件装卸容易，工件的基准表面和定位孔之间，必 须满足下列要求： 丸戡。设定位基准表面的