（机械设计及理论专业论文）轿车零部件三坐标精密测量柔性夹具设计及装夹方案研究.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 摘要 随着汽车工业的发展，三坐标精密测量以其高效、准确的优势在对种类繁多、 形状复杂、易损伤、易变形、刚性较差、容易引入附加误差的轿车零部件进行质 量控制方面发挥着越术越重要的作用。本课题为轿车零部件i 坐标精密测量柔性 央具设计及装央方案研究。以标志某车型发动机罩盖为例，阐述柔性央具在轿车 零部件三坐标精密测量领域的一种应用方式。通过对柔性火具的设计和零部件参 数化管理，使其在应对轿车异型薄擘零部件的三坐标精密测量中，具有较高的刚 度和装央精度，更能充分发挥其定位可靠、夹紧快速、变形误差小、测量精度高 的特点，经过实际使用证明，应用效果良好。 在央具结构上采用p r o e n g i n e e r 软件进行设计；在武汉三环富兰特模具有限 公司加工生产样件，并在实际测量工作中进行改进；对柔性央具的系列化零件进 行参数化，以便分类管理和调用：完成对本央具的幽家发明专利中请，现已进入 公示阶段。 在装夹方案规划上根据产品在基板上的外轮廓投影形状和经验规则，确定产 品的支撑方案，根据定位规! 1 1 0 确定产品的定位形式，在产品可行的装央区域内， 根据产品的大致形状对所- 自可用的装央点进行区域划分，在每个区域内选择合适 的装央点组成装央方案，最终确定可行的定位、支撑、火紧方案；根扼装央准确 性、测量可及性、装卸快速性、装央稳定性、装火受力引起的变形等规则评价装 央方案，确定最优的装夹方案，通过p r o e n g i n e e r 软件完成对产品数模的虚拟装 央，并完成球头顶杆球心点云坐标数据导出。 关键词：三坐标精密测黾，柔性夹具，参数化设计，装央方案规划 湖北o r _ 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a 1 0 n gw it ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i1 ei n d u s t r y 。t h ec o o r d i n a t e p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t ， w t hi t s e f f i c i e n c ya n da c c u r a c y ，p l a y sa n i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t r o l ei nt h e q u a li t y c e n t r e l1i n go ft h ec a r c o m p o n e n t sw h ic ha r eo fv a r i o u sc a t e g o r i e s ，c o m p l e xs h a p e s ，p o o rr i g i d i t y a n dv u l n e r a b l et od a m a g ea n dd e f o r m e a s yt oi n l r e d u c ea d d i t i o n a le r r o r s t h et o p i co ft h i sa r t i c l ei st h ed e s i g no ft h ec a rc o m p o n e n t sc o o r d i n a t e s p r e c i s i o nm e a s u r e m e n tf l e x i b l ef i x t u r ea n dc l a m p i n gr e s e a r c h a n dt a k ea c a rc o v e rh o o dw h i c hi su s e dt om a r kt h et y p eo t t h ec a ra sa ne x a m p l et o d e s c r i b e h o wt h ef l e x i b l ef ix t u r ei su s e di nt h ef je 1do fp r e c i s i o n m e a s u r e m e n tf o rt h ec a rc o m p o n e n t sc o o r d i n a t e t h r o u g ht h ef l e x i b l ef i x t u r e d e s i g na n dt h ec o m p o n e n t sp a r a m e t e r sm a n a g e m e n t ，t h eh i g h e rs ti f f n e s sa n d c l a m p i n ga c c u r a c yi nt h ec o o r d i n a t ep r e c i s i o nm e a s u r e m e n to fc a r ss h a p e d t h i n w a l l e dc o m p o n e n t si sa v a i l a b l e t h u s i ti sm o r er e l i a b l ei n p o s i t i o n n g ，f a s t e ri nc l a m p n g ，1 e s si nd e i o r m a t i o n ，a n dm o r ea c c u r a t e i nm e a s u r e m e n t i n d e e d ，t h ee x c e l1e n ta p p li c a t i o nr e s u l t sh a v eb e e np r o v e d i nt h ep r a c t i c e p r o e n ( ；t n e e rs o f t w a r ei su s e dt od e s i g nt h es t r u e t u r eo ft h ef i x t u r e t h es a m p l e sa r ep r o d u c e djnw u h a ns a n u k t nl t d a n dt h e ya r ei m p r o v e di n t h ep r a c tic e i no r d e rt om a n a g ea n da l1 0 c a t ec a t e g o r ic a l ly ，t h es e r i a l c o m p o n e n t so ff l e x i b i ef i x t u r eh a v eb e e np a r a m e t e r i z e d t h i sf l e x i b l e f i x t u r eh a sb e e na p p li e df o rt h en a t i o n a li n v e n t i o np a t e n t a n dn o wi t i s i nt h ep r o c e s so ft h ep u b lic a ti o n i nt h ef i x t u r ep r o g r a mp la n ，t h ep r o d u c ts u p p o r tp r o g r a mi so nt h eb a s i s o ft h es h a p eo ft h eo u t e rc o n t o u rp r o j e c t i o na n dt h ee m p i r i c a lr u l e s ：t h e p o s i t i o n i n gf o r mi sd e t e r m i n e db yt h eo r i e n t a t i o nr u l e ：a l lt h ea v a i l a b l e c l a m p i n gp o i n t sa r ed i v i d e di n t oz o n e sa c c o r d i n gt ot h ea p p r o x i m a t es h a p e o fp r o d u c t si nt h ef e a s i b l ez o n e s ：t h es u i t a b l ec l a m p i n gp o i n t si ne a c h z o n ea r ec h o s e nt oc o m p o s et h ef i x t u r ep r o g r a m ：t h u st h ef i h a lp r a c t i c a b l e p r o g r a mo fp o s i t i o n i n g ，s u p p o r t i n ga n dc l a m p i n gi sd e t e r m i n e d t h eo p t i m a l s e t u pp r o g r a m isd e c i d e db a s i n go nt h ef ix t u r e a c c u r a c y ，m e a s u r i n g a c c e s s i b i l i t y ，t h el o a d i n ga n du n l o a d i n gr a p i d i t y ，c l a m p i n gs t a b i l i t y ，a n d t h ed e f o r m a t i o nc a u s e db yt h ef o r c e ，e t c u s i n gt h ep r o e n g i n e e rs o f t w a r e c o m p l e t e st h ed i g i t a l a n a l o gv i r t u a l f i x t u r ea n dd e r i y e st h ed a t ao ft h e c o m p l e t i o no ft h eb a l lh e a dr o dc o r ed o j n tc i o u dc o o r d i n a t e 一 k e y w o r d s ：3 一d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t ep r e c is io nm e a s u r e m e n t ，f l e x i b l e f i x t u r e s ，p a r a m e t r i cd e s i g n ，f i xt u r i n gp r o g r a mp l a n n i n g 湖班j 案大謦 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位沦文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：球勾8 日期：叫年厂月节日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本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 日期：1 年歹月厂日日期：年 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 课题来源 第1 章引言 武汉市精密模具j l ：程技术研究中心专项( 立项号：2 0 0 8 1 0 3 3 6 0 7 6 ) 。 1 2 夹具研究概况 1 2 1 夹具概述 机械制造过程中用末固定埘象，使之处于f 确的位置，以接受施工或检测的 装置。又称卡具。从广义上说，在+ i ：艺过程中的任何工序，用来迅速、方便、安 全地安装产品的装置，都一叮称为火具。例如焊接火具、检验夹具、装配央具、机 床夹具等盯3 。 1 2 2 夹具种类及应用领域 央具种类按使用特点可分为： ( 1 ) 通用央具。其具有很强的通用性，可以较好的适应各种加工工序和不同 的加工对象，其具有确定的纬构，且尺寸、规格系列化，如虎钳、三爪卡盘和回 转工作台等，大多数都成为了机床的标准附件。 ( 2 ) 专用央具。专门针对某道工序的装央需要而专门设计制造，由制造j 一自 主设计研发，服务对象专一，针对性强。常朋的有车床央具、铣床央具、钻模( 引 导刀具在产品上钻孔或铰孔用的机床央具) 、镗模( 引导镗刀杆在产品上镗孔用的 机床央具) 和随行央具( 用于组合机床自动线上的移动式火具) 。 ( 3 ) 可调央具。可以替换和调整装夹零部件的专用夹具。 ( 4 ) 组合央具。由f i l 列形状、规格和用途的标准化元件组成的央具，适用于 新产品试制、大批量定制牛产和单件、小批生产以及临时任务。具体分类见图卜l 。 湖北工业大学硕士学位论文 1 2 3 夹具发展趋势 图卜1 央具种类分类图 早期的央具，足和机床同时诞q 三和发展起来的。由于他们是j 机床配套供应 用户，一般也称为机床附件，是央具的原型。 现代的号用央具是伴随着大批火量生产的发展而发展出现的，特别是和汽车 工业的发展密切相关。专用央具的使用，是一把双刃剑，一方而缩短工时，降低 j j i i 工成本：另一方而，央具本身的设计制造i ：时、材料消耗等义增加了总的成本消 耗。针对f l 司的! l 产情况使用不同类型的央具，因此，央具的经济性就成为央具 设计和改进的一个主要问题。 专用央具的费用分担在大批量生产的每一个产品上是极小的，因此，从事大 批量：i 三产的企业大多采用专用央具。但是，零件的结构和尺寸发生变化后，相关 央具就要报废。因此，专用央具就是一种针对性很强的一次性使用央具。但在制 造企、i p 中有近7 5 的企、i k 是从事单件小批或大批量定制生产的，如果针对每种型号 规格的产品单独设计制造央具，存经济上会有很大的资会占用。为解决这一问题， 人们开始着手研制叮以适合单件小批和大批量定制生产的可根据不同的产品重新 组装使用的央具，相继出现了组合央具和各种可调整央具心3 1 。 9 0 年代以后，随管大批量定制生产的推广，产品的生产周期越来越短，这一 切导致顾客的需求呈现多样化和个性化的趋势，所要定制的产品种类增多而数量 变少，同时还要求较短的交货期，较低的成本，较好的质量。所以在现代制造业 的发展巾，机械加工过程越来越柔。阽化。今后，柔性央具j 逦用技术的发展是必然 的。它体现在： ( 1 ) 对传统央具的创新足现在柔性央具设计的主流，可以使传统央具更具柔 性和实用降； 2 湖北工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 对c a f d ( 计算机辅助央具设计) 系统的进一步，r 发和应用，使一l 艺装备与 现代制造业的发展同步； ( 3 ) 更加重视原理和结构均有创新的柔性央具的研究，包括： 相变和伪相变式的柔性央具在央具中利用热效心和电磁感应的相变 机制，采用具有可控相变物理性质的材料实现柔性。 模块化程序控制式的柔性央具也称机电控制式央具，由数字摔制的定 位什、兴紧件、支承件组成的装置代替工作台( 或装在机床工作台上) ，通过程序 控制形成不同的布局方案。 适应性央具夹紧元件能改变形状自适应产品的形状，尤其是适合带有 曲面的产品加工，是一种被动式的装置。 1 2 4 柔性夹具的概况 柔性央具是指用同一兴具系统，完成多种形状尺寸产品装夹的装备。对零件 尺寸系列，形状相似和零件的尺、r 、形状彳同的产品都i l 丁以f 确、可靠、快速的 定位装央。现今，主要在两大方面对柔性夹具的设计进行探讨和研究。其一是央 具原理和结构方面的创新研究；其二是传统央具的创新研究。基于当日仃的机械制 造状况，尤其足在普通机床、数摔机床、加工中心混合使用的加 j 模式下，配合 三坐标精密测量，对于传统央具的创新探讨与研究更具实际意义。 柔性央具足由一套预先制造好的各种彳、= i j 形状、不同尺寸规格、不i r d 功能的 系列化、标准化元件组装而成的。柔性必具元件具有较好的互换性和较高的精度 和强度。柔性央具能保证产品在规定的坐标位置上准确定位和牢固的火紧，这种 央具具有较高的刚度和精度，在应对轿车异型内饰件的三坐标精密测最中，更能 发挥其定位可靠、央紧快速、变形误差小、装央精度高的特点盯。 1 2 5 柔性夹具国内外的研究现状及存在的问题 柔性央具元件可以通过组装一使用一拆卸一再组装来实现重复使用，柔性夹具元 件主要分三个系列：槽系列夹具元件、孔系列夹具元件、光而系列夹具元件。 最初，英国一家工厂为满足当时生产的要求将各种标准化的功能元件组成可 以快速搭建的“积木式”夹具，英国政府高度重视这种具有柔件的夹具，也被称 为组合央具，政府专门组建了生产组合央具元件的工厂。随后该技术也相继被苏 联、德国、捷克等幽家所应用，他们都完善了自己的组合央具技术。紧接着美困、 同本和北欧困家也越来越多的丌始应用组合夹具技术引。 2 0 世纪6 0 年代，我国将苏联的乌斯贝槽系列系统试用于纺织机械行业，自此 3 湖北工业大学硕士学位论文 组合央具技术取得了长足的进步。随后为了大力推广到全国机械制造行业中便 在各地大量建立了组合兴具元件制造厂、组装站、组装技术服务中心等。此后， 我国的各类机床的夹具、焊接央具和检验央具等组合 l 具便一直沿用槽系列装夹 零部件。 槽系列央具元件分中型元件( m 1 2 系列) 、大型元件( m 1 6 系列) 按6 8 2 8 0 4 设 计其结构要素，槽系列兴具元件的突出特点是组装灵活多变，使h j 可靠，在国内 心用1 f 常广泛”1 ，但其存存装火刚度不足的问题直f j 竹解决。 廖留 图卜2 槽系央具零部件示意图 近年来，随着制造业的发展，我国最早研究生产组合火具的天津市组合夹其 j 和天沣市机电下业科技信息研究所丌发研制了电永磁孔系列组合央具，电永磁 扎系列组合央具将以其安全可靠、使用方便、高柔性、高效率、高精度、价格适 宜等优势，成为了代替传统火具的理想夹具，有着广阔的市场丽最，不仅填补了 国内空白，也是世界央具发展史的一大创新”。 孔系列失具元件也分中型，i 件( m 1 2 系列) 、大型a t i ：棚1 6 系列) ，定位孔年螺 纹孔问隔分布，孔距分3 0 m r a 和5 0 m m 两种。定化孔中心至定位蟮准脚的尺寸公筹 0 0 1 5 m m 相邻定 证孔孔距公差o o lr a m 。孔系列央凡兀件的突特点是定化 司靠、组装简单，在蚓外心用很普遍，在周内的“j 户也在逐年增多。，但其小像楷 系必具那样具有灵活多变的组合疗式。 图卜3 孔系央具零部件不意图 光面系列央具元件主要是基础元件，光面基础元件实际上是经过精加工的央 具基体糟毛坯，光面兴其元件与机床定位连接部分和零件在央具上定位连接面令 湖北工业大学硕士学位论文 部是预先精加工好的用户使用光面夹具时只需要根据被加工零件的定位夹紧需 要加工出螺纹孔或定位孔后，再选用组合夹具的元件即可组装成一套所需要的夹 具，光面系列夹具元件的突出特点是灵活性更高，投资小见效快，这种夹具元件 在美国、西欧应用也非常普遍。 图卜4 光面系列央具零部件示意图 柔性央具c a d 国内的研究现状我国组合央具c a d 的研究从8 0 年代中期丌始， 在借鉴国外研究成果的基础上，在理论和实践方面也取得了自己的成绩，主要研 究成果有”： ( i ) 火连组合机床研究所丌发的组合机床兴具c a d 系统是面向组合机床设计 人员的参数化图形信息管理系统软件，它融数据库操作系统和参数化图形系统与 一体，使设计人员甩掉图板、甩掉手册进行设计，采用交互式设计方法。 ( 2 ) 华东船舶工业学院丌发研制的槽系组合兴具计算机辅助拼装系统。该系 统实现了计算机辅助编码，供查询、拼装、入库时使用。该系统主要功用在计算 机绘图和计算机检索。 ( 3 ) 西北工业大学开发的专用兴具设计原型系统，针对回转体零件的加工， 采用人工智能技术建立夹具方案设计专家系统能自动产生央具设计方案和绘 制装配图。 ( 4 ) 山东大学机械学院，根据中国航空工业部向阳精密机械厂所生产的孔系 组合央具元件手册，建立了能表示8 0 多个不同规格组合央具元件的组合夹具元件 库。 ( 5 ) 清华大学融办鸣等为开发出以生成央具结构为目的，实际生产应用为 导向的商品化央具设计软件，研制了可用于f m s 和c i m s 的孔系组合央具设计系统。 柔性央具在国外的研究情况： ( i ) 瑞士e r o w a 柔性央具系统： 提高现有夹具利用率：协调所有现有的央具与m t s 一起正确使用，发挥最 大效益。 湖北工业大学硕士学位论文 急件加工：固定的基准点和系统的重复精度，可以中断加工一个产品，运 走托盘，完成急件加工随后继续对原来未加工完的产品加工，直至结束，无须校j 下 或再调整。 一次装夹血面加工：产品装夹在m t s 托盘上，可以作五面加工节省了重复 调整时间，降低了单件的加工时间，产品质量显著提高。 降低预调时间：机床实际使用时m 大大增加。 唯一的零基准：无须再校正。 标准化的接几：使用各种工具及火具j 机床相配 ( 2 ) 德囡( d e m m e l e r ) 戴美乐公司经过多年的研制，色造了一种新型的孔系央 紧系统一三维柔性组合火具，用于焊接、机械加工和检测产品。它以带有网格孔和 标尺的五个工作面的工作台为基础，配备各种用于定位的标准模块，通过快速销 栓连接。对于各种形状的产品进行快速、精确的装央，保证焊接或加工的产品达 到很高的精度。它代替了传统的专用工装，使用户缩短大量的设计、制造时间， 并且可以反复使用，节约研制和生产成本。蛾美乐三维柔性组合 i 具目前在世界 上已超过1 0 0 0 0 家用户；在中国，有8 0 多家用户、超过3 0 0 套央具正在使用。它 被广泛应用 “：钢结构、再种车辆车身制造、自行车摩托车制造、工程机械、框 架和箱体、压力容器、机器人焊接、钣会加工、设备装配、工业管道( 法兰) 、 椅测系统 幽谶 图卜5 三维柔性组合央具实物图 ( 3 ) s y s t e mf i v e 央具系统和f i v eu n i q u e 央具系统，为检测薄壁件提供了 柔性装火方案，例如：汽车车身盖板的装央，s y s t e mf i v e 自动央具系统，采用模 块化兴具组件，并由与系统联机坐标测量机控制，自动生成夹具组合。 图卜6s y s t e mf 1 v e 央具系统实物图 日前，柔性央具在应用中存在如下问题“： ( 1 ) 柔性央具设计具有较强j 1 勺经验因素，这便制约了生产准备时问的缩短 和设计制作成本的降低。柔性央具的乍产属于单件小批量生产模式，针对犬最尺 寸形状不同的产品的装央，夹具结构都会有很大的变动，如何保证其通用性是需 要大量的实际工作经验的。 ( 2 ) c a f d 系统( 计算机辅助柔性夹具设计) 软件很不成熟，距离软件产品 商业化还有很大的距离。央具和模具是较为复杂的工艺装备，而且不同的产品其 央具和模具具有专用性。模具c a d 研究开始较早，井已在市场上出现了一些商品 化的模具设计软件。但是，到同前没有真j f 实用的央具设l f j i 品化软件出现。 ( 3 ) 组合兴具元件种类繁多，数量庞大，困此库存管理十分复杂，资余占 用严重。每奁央其所用元件非常复杂一垂组合火扎少! l l i i 儿l 多则j l 山个兀件 这使得流通中的元什管理存在较大困难，数据很难统计准确目前j e 件的管理基 本处十不受控状态。因此，解决系列化元件管理问题也成为必然。 1 3 面向三坐标精密测量的柔性夹具的特点 面向三坐标精密测量的柔性央具首先要满足测量时对产品的装火要求。同 时，还有它本身的特点。这些特点是“： ( i ) 三坐标精密测量用于多品种的产品测量，为能装央不同尺寸、不同形状 的多品种产品，夹具应具有柔性，经过适当调整即可央持多种形状和尺寸的产品。 ( 2 ) 工艺性能好，央具的结构应力求简单、合理，便于制造、装配，调整、 检验、维修等。三坐标测量机上一般为接触试测头、并有坐标系设置功能，可以 由三坐标测量机解决准确定位的问题，因此面向三坐标测量机的柔性央具只要求 具有定位和央紧功能，就能满足使用要求这样可简化夹具的结构。 ( 3 ) 为适应三啦标精密测最的高效率，兴具应能使用产品数模在计算机i ：完 成产品的虚拟装央并能制定大体的装央方案动，以缩短辅助时删。 ( 4 ) 央具本身麻有足够的刚度，以便满足对定位产品某准的准确可靠定位。 湖北工业大学硕士学位论文 ( 5 ) 为适应i 坐标测量机多方向测量，要避免火具结构包括央具上的组件对 探头运动轨迹的干涉，央具结构不能妨碍探头对产品各部位的多面测量。 ( 6 ) 对刚度小的产：品，能保可靠的装央和较小的央紧变形。 4 课题目的意义及重要性 在汽车生产领域，尤其足在轿车生，沱厂家，为保证产品的质量，需频繁使用 三坐标测量机应对种类多、外形复杂、大小4 一的冲压件、焊接件以及其它零件 进行测量。传统做法足每次在测量一个零件以f j 矿，首先根据测量要求，制定各种 定位及央紧力案，接着就要制作专用央具，然后按照既定方案，在三坐标测量机 的工作台面上，把这些定位及央紧装置搭建起水，在此基础上建立测量坐标系后 进行测量，这种做法在应对现代大批量定制生产时相应速度相对较低。汽车生产 领域所测量的薄壁件一般由冲压、焊接、注塑成型等工艺而成，普遍有两个特点： 其，一形状比较复杂、不规则，因此定位、支承、装火都比较麻烦，尤其需要钏。对 不同的产品加工制造小司的专用央具占用了大量的资会；其二刚性比较差，易变 形，很容易引入附加误筹。在这种情况下使用柔性装央系统来配合三 骖标精密测 量便极为蕈要。 汽车i j 二业所要求的柔。p 央具系统可川f 任何测鞋机( 悬臂式或龙f j 式) ；而且 它不需要与榆测设备有特殊的电气和软件的联结。三坐标测量机可以枪测的产品， 央具就能相应地支持这些产品。这类犬具系统维护起来应当十分方便，使朋过程 也十分简单。 在进i j ：轿车零部件三牮标精密测量时，我们发现专片j i 央具不具备日常检测工 作所需要的通用性。从另一方面看，组合央具和一些柔性央具系统是最适合于小 批量非重复性生产和人批量定制生产及三牮标精密测量产品装央定位的。组合央 具和其他的柔型央紧系统，不仅央紧准确、可靠、并可以较好的解决装夹变形误 差大和测量精度低的问题。 本课题主要通过对柔性央具的设计和对系列化元件的管理，使其具有较高的 刚度和精度，在应对异型轿车内饰件的三坐标精密测量中，更能充分发挥其定位 可靠、央紧快速、变形误差小、装央精度高、组装快速准确的特点。来满足轿车 零部件三坐标精密测量灵活多变的要求，为轿车零部件柔性化测量提供了一种新 途径，为食业产品品质管理与技术进步探索了新思路。 8 湖北工业大学硕士学位论文 1 5 课题研究内容及实现方法 本课题为轿车零部件三坐标精密测量柔性夹具设计及装央方案研究。 在央具结构设计上采用p r o e n g i n e e r 软件对柔性夹具进行设计，当央具结构 定型后加工生产样件，在实际测量工作巾进行改进，同时对柔性央具的系列化零 件进行参数化，以便分类管理和调用，完成对本央具的国家发明专利申报。 在装央方案规划上根据产品在基板上的外轮廓投影形状和经验规则，确定产 品的主要定位、支撑、央紧零部件个数；在产品可行的装火区域内，根据产品的 大致形状对所有可用的装央点进行区域划分；在每个区域内选择合适的装夹点组 成装央方案，并确定可行的定位、支撑、央紧零部件的安装位置；根据装火准确 性、测量可及性、装卸快速性、装央稳定性、装央受力引起的变形等规则评价装 央方案，进行曲率、受力等分析，确定最优的装央方案，并通过p r o e n g i n e e r 软 件完成对产品数模的虚拟装夹，快速确定具体的装央方案，并完成球头顶杆球心 点云坐标数据导出。 主要创新点： 。种检测柔性支架，其特征在于：由球按要求的三举标位置( xyz ) 卣接接 触产品表面，由杆支撑球到精确的高度( z 值) 、由导向板保证精确的平而位置( x y 值) 。由一系列标准化零部件组和成的槽、孔组合，辅以三坐标精密测晕、定位 机构微调，实现侧面定位杆自身的定位；通过对球头顶杆的调节，最终完成对零 部件的支撑：通过滑块的滑动，来完成零部件侧面的定位央紧，滑块的准确定位 是通过对定位机构的调整来实现的。球头顶杆也可以被用在对零部件的j _ i i 紧上。 - - 干中i i 合柔性榆测支架的定位机构及定位方式，其特征在于：它足在定位机构 的螺旋装置l i n 上刻度值，辅以三坐标精密测量，可将定位机构初定位在导滑槽 内，再通过定位机构上的螺旋装置，配合其刻度值，实现对滑块的精确定位。 通过对球头顶杆球心坐标的数据导出，实现了对央具零部件空f h j 位置的标定， 这样就抛弃了传统央具设计必须绘制央具总图的方式，同时通过对空问位置的精 确标定，也省去了央紧力的计算过程。 9 湖北5 - 业大学硕士学位论文 1 6 课题预期达到的要求 根据设计要求和样件加工企业的实际情况本央具预期达到的技术要求为： ( 1 ) 设计完成的央具在应对轿车零部件i 举标精密测量的装夹问题时，使其 表现出传统央具所具有的较高的刚度、精度，并具有柔性火具特有的通用程度， 在应对轿车零部件特别是薄壁件的三坐标精密测量中，更能发挥其定位可靠、央 紧快速、变形误差小、测量精度高的特点。 ( 2 ) 装央方案要满足：装央准确性、测量可及性、装卸快速性、装央稳定性、 装央受力引起的变形小等方面要求。 ( 3 ) 央具系列零部件实现参数化管理和调用，减少异型零部件的数量，管理 明晰，调用方便。 ( 4 ) 在企q p 中完成样件的试制，并在企、| k 是实际检测工作中不断完善其结构 和方案规划方法。主要性能指标： 孔、槽位置度公差为0 0 l m m 元件表面粗糙度为r a o 4 时各工作表面的平行度、垂卣度为g b l l 8 4 8 4 的4 级 精确元件表面的硬度为5 8 h r c - - 6 2 i r c 元件一般调整组装精度为0 0 2 m m ；精确调整组装精度为0 o l m m 。 参考现有央具的技术要求： 基础板、央具体等应采用2 0 c r m n t i 3 制成，并且应该渗碳淬火，渗碳层深度 为o 8 1 6 m m ，淬硬至5 8 h r c 一6 2 1 1 r c 。 定位元件由2 0 c r 或4 0 c r 制造，2 0 c t 制成的元件渗碳淬火，4 0 c r 制成的元件 氮化，氮化深度为0 3 、0 5 m m ，表面硬度为4 8 h r c 一5 8 h r c ，核心部位2 8 t t r c 一3 2 h r c 。 紧固件( 包括重要的螺栓) 材料用4 0 0 r 或4 5 号钢，并淬硬垒3 6 t 1 r c 一4 2 h r c 。 ( 5 ) 完成对本兴具结构的困家发明专利中报工作。 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章面向三坐标精密测量的柔性夹具结构总体设计 2 1 面向三坐标精密测量的柔性夹具功能分析及设计要求 轿车零部件三坐标精密测量的过程巾，会存在各种各样的误差，除了操作者 自身的技能和经验等主观凶素的影h 向外，还有一咣检测方法本身所造成的影响： 其一，车身及其组成的各种内饰什人多为钣金件和注塑成型的簿壁零部件，产品 的刚性较差，且车身装配位置的各种孔和梢对尺寸受其自重和加5 1 1 制造所产生的 内应力的影响向 处于变形状态，使用传统的测量方式和央具方法往往对这种自然 变形无法测量和评价，即使作出测量和评价，也可能出现较大的偏差。其二，汽 车车身装配件及内饰件制造工艺相对复杂，冈此在单件检测时也会产生一定的偏 差刚。 2 1 1 面向三坐标精密测量的柔性夹具功能分析 鉴上述原凶，刈轿年零部件检测的要求包括定位准确和外形检查。其中定 位准确主要是对孔的检测，孔的检测包含孔径大小，孔的位置两项内容；而外形 检查足根据具体情况采取多种方式，以划线方式检查产品的轮廓，山于该类零件 轮廓普遍呈自由曲面、不规则等特征，冈此需要保证对待测零件的可靠装央。 轿车工、i p 作为一项只有极高关联度的产、i k ，对我l 词各产、i p 发展具有重要的带 动作用。伴随轿车生产，一家大量采用了小制品、非关键部件的制造外包方式，对 制造外包厂家所生产的品种多、批量大、形状特异、易损伤、易变型的零部件进 行质量控制便越发重要。随着汽车t , i k 的发展，质量控制手段被越来越多的汽车 制造商所重视，三坐标精密测量以其高效、准确的优势在汽车牛产过程的质量控 制方面发挥着越来越重要的作用。汽车行业所要求的柔性夹具系统可用于任何测 量机( 悬臂式或龙门式) 。需要采用三坐标测量机进行检测的产品，央具就能相应 的支持这些产品n 们。 热注塑成型的塑料件冷却后产化的形变会导致产品基准变化，在新车试装过 程中会出现装配匹配的问题，或存在不可预知的隐患，因此，在出厂日，j 需对每批 次产品进行三坐标精密测量抽样检测，以便确认其形变是否在误差允许范围内。 因产品产生形变，可知其基准等参照已乱，在对其测量时就需通过使用犬具辅助 湖北工业大学硕士学位论文 建直坐标系，简单的说就是通过央具将其基准位置l 剐定在数模所要求的理想位置 上，这样对其进行的测量，得到的测量数据j 是相对精准的，可以比较客观的发 现、u j 题协助工厂进行质量控制，对于严重l 、u j 题可指导其改模。 2 1 2 面向三坐标精密测量的柔性夹具主要设计技术要求 ( 1 ) 前期渊研、资料收集整理工作。 仔细研究所需测量的各种轿车零部件的t 要技术要求。 了解零件的生产情况、投产批量等信息。 了解所需测量的各种轿车零部件实用专用夹具的定位、夹紧方案。 了解所使用量具和检具的精度等级、型号、规格等。 了解企业制造和使用央具的技术条件和使用现状。 了解企业所使用三坐标测量机的主要技术参数、性能、规格、精度以及与 央具连接部分结构的联系尺寸等。 准备好设计央具用的各种标准、工艺规定、典型央具图册和有关央具的设 计指导资料等。 收集困内外有关设计、制造同类型- 央具的资料，吸取其中先进而义能结合 企、l p 实际生产检测情况的合理部分。 ( 2 ) 确定火具的结构方案 根据测量要求的定位原理，结合产品自身的特点，根据产品所需的通用定 位方式，设计定位元件。 确定产品的央紧方案和设计央紧机构。 m 调各元件、装置的布局，确定央具体的总体结构和尺、j 。 在确定方案的过程中，会有各种方案供选择，但应从保证精度和降低成本的 角度出发，选择一个与薄壁零部件三坐标精密测量相适应的最佳方案。 ( 3 ) 绘制央具图 央具零部件的轮廓尺寸：即各央具零部件的长、宽、高尺寸。 央具内部的配合尺寸。该尺寸特征无需参照产品和三坐标测量机的相关尺 寸，主要是用来标定央具装央零部件装配后可以满足规定的使用要求。 央具与三坐标测量机工作台的联系尺寸。 用于确定央具安装在工作台的币确位置。标注尺寸时，常以央具上的定位元 件作为十r 瓦位置尺寸的基准。定位元件与夹具体的配合尺寸公差，央紧装置各组 成零件f b j 的配合尺寸公差等，则应根据其功用和装配要求，按一般公差配合原 则决定。 湖北工业大学硕士学位论文 对央具零件要绘制零件：l 作图，并规定相应的工艺技术要求。零件工作图应 严格遵照所规定的比例绘制。视图、投影应完整，尺寸要标注齐全，所标注的公 差及技术条件应符合要求，加工精度及表面光洁度应选择合理。还有待于精心制 造和实践和使片j 来验证设计的科学性。经试用后，有时还可能要对原设计作必要 的修改。因此，要获得一项完善的优秀的央具设计，通常应参与央具的制造、装 配，鉴定和使用的全过程。 规定图上应控制的精度项目，标注相关的技术条件央具的安装基面、槽和 滑块的配合以及孔和顶杆的配合等，并以此作为央具的精度控制基准来标注技术 条件。 编制零件明细表央具图上还应画出零件明细表和标题栏，写明央具名称及 零件明细表上所规定的内容。 ( 4 ) 央具精度校核 在央具设计中，当结构方案拟定之后，应该对央具的方案进行精度分析和估 算；在央具图设计完成后，还应该根据央具有关元件的配合性质及技术要求，再 进行一次复核。这是确保产品加工质量而必须进行的误差分析。 ( 5 ) 设计质量评估 从科学性与实用性、通用性与兼容性、完整性与可操作性、层次性与差异性 以及成本分析这几个方面对没计方案进行评价。 2 2 面向三坐标精密测量的柔性夹具结构设计 央具的功能应该满足将产品固定在准确位置上的要求，所以常用的“3 2 一l ” 定为央具结构设计应能满足的功能要求为 f r s = 底面定位，顶面央紧，水平定位， 水平央紧，侧面定位，侧面央紧 。应该按央具功能要求确定总的设计参数 d p s = 底面定位组件，顶面央紧组件，水平定位组件，水平火紧组件，侧面定位 组件，侧面火紧组件 。分析f r s 与d p s 之i b j 的关系，底面定位功能的实现手要取 决于底面定位组件，即a 1 2 = a - - a 。4 - a 。= a 。= o 顶面央紧功能的实现主要取决于顶面央 紧组件，即a 2 i = a 2 ： = a 剀= a 2 j = a 2 f 0 以此类推，a ： i = a ： 2 - - a 3 1 = a = a ：埔= 0 ，a d l = a 1 2 = a 们= a l j = a 1 6 = 0 ， a 。l _ a 。2 = a 。：；- a 翩- - a 铀= 0 ，凰。= 巩。= 矾。= 她= 巩f o 。因此，按照顾客需求的f r s 和设计参数 d p s 之i u j 的关系，可以得到： 湖北工业大学硕士学位论文 f r i f r ， f r 3 f r 4 f r 5 f r 6 底而定位 顶面火紧 水平定位 水平火紧 侧面定化 侧面央紧 a l l 00 0 a 2 2 0 00 a 3 3 00o oo0 ooo oo o 0 oo a 4 4 0 0 a 5 5 0o ( 2 1 ) 显然，是一个对角矩阵，故此它是一个非耦合方案，在其它夹其组件设计时 考虑不同火紧组件与其它央具组件之白j 的接口问题，以及央具同i 坐标探义运动 时相互干涉等。现有央具为了x , i j l 乎所有的产品都l i j 以保证可靠装央，央具元件 的划分过细，但是具体到央具设计或使用瞥位，最终用剑的央具结构实际上是非 常有限的，因此需要对庞杂的i 央具零部件进行精简，使用最少的装夹零部件来满 足对大量异型产品的装央。 设计详图见附录。 2 2 1 基座结构设计 基础件是组合央具中的概念，专用央具也有部分相似元件，如基础板、角铁 等，对于可罩构央具同样应该对其进行设计。现存被使用的琏础件主要统一为典 型的孔系组合央具基板，主要包括传统的长方形、正方肜、圆形皋础板和角铁， 或者t 型板和方箱等。后者主要为适应n c 机床的需要，特别是在加l ：巾心上有着 广泛的用途。但现在行业内还没有一个统一的标准，应把现有各厂家的标准进行 统一，以此来实现这类元件的标准化。 图2 1 笨座类型简图 因主要应对的足轿车异型薄壁注塑成型内饰件的三坐标精密测量，故基座l 选用长方形基座配合2 5 2 1 个m 8 的螺孔。 1 4 件件件件件件 组组组组组组 位紧位紧位紧定央定央定央 面面平平面面 底顶水水侧侧 =iiiiiijiiijiii儿 o o o o o 爨霎 气委鋈雾攀i | | | | 鋈囊 | | | | 蓠 濮鬻誉 湖北x - 业大学硕士学位论文 料糙度小于r a l 6 ，基板2 孔肇料糙度小于r a o 8 。 表2 - 1 加工方法与半h 糙度对照表 j j j 工方法r a 值u m 车外圆、磨外网 6 3 0 1 刨、平磨6 3 o 1 平铣、端铣6 3 0 8 镗内孔、磨内孔 6 3 o 1 手研、机研 0 1 0 0 1 2 刨 6 3 0 8 镗内孔 6 3 0 8 平铣、端铣 6 3 o 8 平磨、磨内孔、磨外圆 o 8 o 1 手研、机研 o 1 o 0 1 2 线切割 1 6 、3 2 、2 5 、5 0 、6 3 5 电火花 0 4 2 5 抛光 0 8 0 0 12 铸造钢铁砂型 6 3 - - 1 0 0 抛喷丸+ 喷砂 0 2 1 0 0 2 2 2 球头顶杆系列结构设计 采用传统模式装夹产品时，在安装过程中产品受到随机力的影响，这样其接 触表面轮廓形状便具有了随机性，这会导致接触点分布的随机性；同时央紧力顺 序的随机性也会造成接触点分布的随机性。因此在该点一卜对产品施加作用力时， 相对接触点随机分布的力就会引起产品产生随机扭矩。集合了所有这些因素，产 品相对夹具就会产生多次的位移，导致接触点位置的变换，引起产品与央具定位 面在某些点接触而在个别点上不接触，使得接触特征和产品本身变形具有随机性。 因主要针对的足轿车薄壁内饰件，其具有产品刚度小、易变形、易引入装央 误差的特点，为减小装央变形，应分散支撑和央紧点，同时应增多央紧点。这样， 如何能使支撑、夹紧零部件很好的和产品异型曲面接触并满足。定的通用性便成 为了首要问题，在此，我设计采用球头顶杆，球头同异型曲面始终是点接触，可 以很好的应对各种曲面结构，同时也可以通过球头来完成火紧。 1 6 湖北工业大学硕士学位论文 设计采用3 种不同的球头顶杆，孔更难保证加工精度，因此采用基孔制设计。 球头顶杆1 号件采用较短中杆主要用为支撑零部件。内孔为m 8 细牙螺纹。 图2 5 球头顶杆2 号件设讣图 顶牛t3 弓什为配合延长杆使用，下端为m 8 细牙螺纹。有长度5 0 m m 、8 0 r a m 、1 2 0 m m 三种规格。 图2 - 6 球头顶丰t3 号件设计图 球头顶杆由2 0 c t 制成，需渗碳淬火，表面硬度为4 8 h r c 一5 8 h r c ，核心部位 2 8 h r c 一3 2 h r c