大红鹰,CA618车床尾座多件液压夹紧龙门刨平面夹具设计(带CAD图）
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宁波大红鹰学院 毕业设计（论文）外文翻译 所在学院： 机械与电气工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 13机自 1 班 姓 名： 叶章伟 学 号： 132223019 指导教师： 张薇薇 刘春林 2016 年 11 月 15 日原文： 题目 Development of Automated Fixture Planning Systems译文：题目 自动夹具规划系统的开发 一、介绍夹具是重要的制造活动，计算机辅助夹具设计技术正在快速发展减少制造计划中涉及的交货时间。一个自动化夹具配置设计系统已有开发选择自动模块化夹具组件并将它们放置在满意的装配关系的位置。在本文中，一个自动化夹具规划系统其中夹具表面和点是自动的基于工件几何形状和操作确定信息。固定表面辅助功能精度和固定稳定性是主要关注的问题夹具计划。系统开发，夹具计划决策过程和实现示例在论文中提出。关键词： 夹紧; 夹具规划; 定位固定是生产周期中的重要制造活动。 计算机辅助（或自动化）夹具设计（CAFD）技术已经被开发作为CAD / CAM集成的一部分1。CAFD的发展有助于缩短制造前置时间，优化制造操作和验证制造工艺设计2。CAFD在柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）中起着重要作用3。图1概述了制造系统中夹具设计的活动，包括三个主要方面：设置规划，夹具规划和夹具配置设计4。 设置计划的目的是确定设置的数量，每个设置中工件的位置和方向，以及每个设置中的加工表面。 夹具规划确定工件表面上的定位和夹紧点。夹具配置设计的任务是选择夹具部件并将其放置在最终配置中以实现定位和夹紧工件的功能。已经开发了一种自动模块化夹具配置设计系统，其中当在工件模型上选择固定表面和点时，在夹具部件组装关系的帮助下自动生成夹具单元并将其放置就位。 本文介绍了当自动选择工件上的夹具表面和位置时的夹具计划。以前的夹具设计分析论文已经出版，但是还没有开发出可用于产生工业应用夹具计划的综合夹具计划系统。以前的工作包括：从数学模型得到的用于自动确定夹具位置和夹紧的方法6; 用于选择提供最大机械杠杆的定位和夹紧位置的算法7; 基于运动学分析的夹具计划8,9; 固定等级和依赖等级基于固定性分析10; 在考虑夹具设计中的定向误差的公差因素的情况下自动选择设置11，最后是基于几何分析的2D夹具规划系统12。在我们以前的研究中，研究了固定特征13，固定精度14,15，几何约束16和固定表面可接近性17。已经开发了用于设置规划和夹具设计的框架18。在本文中，提出了自动夹具规划系统Fix-Planning，其中当工件模型和设置规划信息被输入到系统时确定夹具表面和点。二、夹具规划的基本要求在工程实践中，夹具规划由多个因素决定，包括工件几何信息和公差; 设置计划信息，例如在每个设置中使用的加工特征，机床和切削工具;在每个设置中的工件的初始和最终形式和可用的固定组件。为了确保夹具能够将工件保持在可接受的位置，使得可以根据设计规格进行制造过程，对于可行的夹具计划应当满足以下条件。（1）在工件位于当工件的自由度（DOF）被完全限制。（2）在电流设置中可以确保加工精度规格。（3）夹具设计稳定，可抵抗外力和扭矩的影响。（4）通过可用的夹具组件可以轻松访问夹具表面和点。（5）工件和夹具之间以及刀具和夹具之间没有干扰。在这项调查中，我们专注于前四个要求。夹具规划基于以下考虑进行：（1）虽然工件的几何形状可以是在工业生产复杂，在大多数夹具设计的，平面和圆柱形表面（内部和外部）被用作定位并且由于便于这些功能的访问和测量的夹持表面时，工件是固定。在此调查中，平面和圆柱形表面用于夹具规划。（2）许多CNC机床，特别是加工中心，可用于在一个装置内执行各种操作。 在大多数情况下，机床的刀具轴是固定的。当考虑固定稳定性时，定位表面优选是具有与切割工具轴线相反或垂直的法线方向的定位表面。对于夹紧特征，法线方向应当与切削工具轴线成直线或垂直，因为在夹具设计中，夹紧力应该抵抗定位器。（3）对于要加工的表面，应存在用作位置和方向参考的基准面，从其测量其他尺寸和公差。在夹具规划中，应该优先选择具有高精度等级的表面作为定位表面，以使得继承的加工误差最小化并且容易实现加工特征的所需公差。（4）在夹具规划中，必须为定位和夹紧表面选择多个工件表面，以限制工件在设置中的DOF。因此，除了用于单个表面的条件之外，可用定位表面的组合状态对于工件的精确定位也是重要的。（5）由于定位器和夹具是在与工件接触的夹具点的分布在确保夹具稳定性具有关键作用。（6）对于可行的夹具设计，夹具表面必须可到达夹具组件。固定表面的可用（有效）面积应足够大以容纳定位器和夹具的功能表面。除了考虑固定表面，表面上可能的固定点的可达性对于确定最终固定点分布也是重要的。三、夹具表面特征的概念已经在设计和制造中广泛使用。待加工的工件可以被视为诸如平面，台阶，凹槽，槽和孔的特征的组合。在特定的操作设置中，用于固定工件的特征可以被定义为固定特征或固定表面。在实践中，大多数固定特征是平面和圆柱形表面。根据固定功能，固定表面可以分为定位，夹紧和支撑特征。与设计和制造特性不同，固定表面取决于方向。它们在整个制造过程中不起相同的作用。一组表面可以用作装置中的固定表面，但是可以不用于固定，或者在另一种装置中具有不同的固定功能。固定特征的概念允许固定要求与工件几何形状相关联。基于特征的工件模型中的特征信息也可以直接用于夹具设计目的。对于制造特征，描述固定特征所需的信息包含几何和非几何方面。前者包括特征类型，形状和尺寸参数，以及工件的位置和方向。后者包括表面光洁度，精度水平以及与加工特征和表面可接近性的关系。3.1夹具表面的离散化在大多数固定装置设计中，固定特征，特别是定位表面，是平面和圆柱形表面。为了评估固定表面可接近性并确定固定表面上的定位/夹紧点，将候选固定表面采样为具有等间隔T的网格阵列离散点。如果T足够小，则离散采样点将几乎连续。为了使采样算法通用，将表面上的外部边界矩形用作采样区域。由于在大多数情况下，主定位表面垂直于其它定位表面，特别是在模块化夹具设计中，固定表面被认为是底部定位，顶部夹紧，侧面定位和侧面夹紧表面。对于具有正常Z（或2Z）方向的底部定位/顶部夹紧表面，外边界矩形的两个边缘必须平行于X轴和平行于Y轴的两个其他边缘。对于侧定位/夹紧表面，必须有两个平行于Z轴的边缘，而其他两个边缘必须垂直于前两个边缘。图2示出了具有外边界矩形的采样候选夹具表面的示例。假设Z轴垂直于表面局部坐标系中的表面，则外边界矩形内的点可以表示为：x = Xmin + Tu，u = 1,2，Nuy = Ymin + Tv，v = 1,2，Nv（1）其中Nu和Nv分别是X方向和Y方向上的点数，它们是：Nu = int （Xmax 2 Xmin）/ T和Nv = int Ymax 2 Ymin）/ T。3.2夹具表面辅助功能固定表面可接近性是对候选固定表面是否可被常规固定部件访问的测量。 必须考虑三个主要因素：（1）固定表面的几何形状，其涉及表面的有效面积和形状。（2）可能阻碍工件几何形状沿法线方向和/或围绕固定表面的几何区域。（3）功能固定部件的尺寸和形状。图2.对具有外边界的候选夹具表面进行采样长方形在实际情况下，可能的是工件的平面表面具有复杂形状并且沿着其法线方向和/或围绕其几何区域具有完全/部分阻挡。因此，需要可访问性模型应全面地反映这些事实，使得可对每个候选夹具表面应用合理可比的可访问性值。表面可访问性定义为基于表面上每个有效采样点的点可访问性（PA）的统计值，其中PA由两部分组成：点自我单独可访问性（SIA）和点邻居相关可访问性（NRA） 。 SIA主要对应于固定点的隔离可达性，而NRA反映固定点的扩展可达性。采样点的SIA是基于三个属性标签定义的。标签s1用于指示其中心在当前采样点的正方形测试网格是在夹具表面的外环的内部，外部还是外部。分配三个离散值以表示其状态，即分别为0,1和2如果在表面法线方向或围绕采样点存在阻碍工件几何形状，则这会影响采样点处的表面可达性。例如，如图1所示，如图3（a）所示，在工件的候选底部定位表面上，由于沿着底部定位方向的工件的阻碍几何形状，采样点p1是不可接近的，并且p2由于其周围的障碍物而不可接近。为了自动评估障碍物是否存在于表面法线方向上，通过在表面法线方向上将正方形测试网格挤出到实体实体来生成虚拟体积。通过采用用于检测两个实体之间的干涉的技术，可以识别障碍物，如图2所示。3（b）挤压方法对于侧定位/夹紧表面上的正方形测试网格稍有不同，其中正方形测试网格首先沿着底部定位方向拉伸，然后拉伸的网格沿侧定位/夹紧方向。属性标记s2用于记录在采样点处的障碍物检查的结果。当检测到这种障碍时，s2 = 1，否则s2 = 0。如图3.在底部定位表面上的虚拟采样点处进行障碍物检查。 （Kpi意味着在点p沿其可接近方向进行挤出）如果发现采样点处的测试网格没有被阻挡，则其单独的可达性在很大程度上取决于测试表面和固定部件之间的接触面积，其由属性标签s3表示。 s3的定义是s3 = Area1 T2，s3 P 0,1（2）其中AreaI是接触面积，T是测试网格的边长。 在上述三个属性标签的基础上，样本点pu，v的SIA可以根据以下规则由数值给出：如果s1 = OutsideOuterLoop，SIA = 21（不可访问）; 如果s1OutsideOuterLoop AND s2 =阻塞，SIA = 2 1（不可访问）; 如果底部定位/顶夹紧和S1OutsideOuterLoop和S2 = NotObstructed，SIA = S3; 如果侧定位/钳位AND s1外部外环AND s2 =未阻塞，SIA = 0.5vs3; 其中v反映了在侧定位/夹紧中的点的高度效应。如图4.侧面定位/夹紧上的采样点处的障碍物检查表面样本点周围区域的可达性也影响点的可达性。 在夹具表面上，当前采样点和所有相邻采样点之间的位置关系可以由33映射表示，其中Pc是具有（u，v）的离散位置的当前采样点，P1 | P8是8个相邻采样点，它们的位置在图1中都被标记。 采样点pu，v处的NRA可以使用以下等式计算：其中Fk是第k个邻居的相关接入因子，其可以基于SIA以及其度量（s1，s2，s3）来确定。对于底部定位/顶部夹紧，对于有效的采样点，一旦获得SIA和NRA，也可以根据以下等式计算PA：如图5.当前点Pc和8个相邻采样点P1P8的3 x 3位置图根据SIA和NRA的定义，SIA在0 |的范围内 1，NRA在21 | 1的范围内。 因此，PA必须在21 | 2的范围内。 当PA的值小于零时，采样点被严重阻碍，并且不是可行的固定点。 固定表面的总可及性（OA）定义为所有有效样品点处的PA值的总和，采样点pu，v被测试有效 (9)由于OA通过样品点在表面上的可接近性的总体效应来统计测量，所以关于表面的有效面积和形状复杂性的信息在模型中表示。 通常，该模型满足这样的标准：具有较大OA的表面比具有较小OA的表面更易于接近。3.3固定特征的广义精度夹具刨削的最重要的任务之一是保证在加工工件时满足公差要求。特征的精度可以通过它们的公差和表面光洁度以及特征之间的公差来表征。通常，特征的公差可以分为两种类型：尺寸公差和几何公差。尺寸公差的大小可以表示工件上的两个特征之间的关系。如果存在相对于加工特征具有紧密尺寸公差的特征，则这意味着该特征可以潜在地用作操作数据，即，设置中的定位表面。基于是否需要基准特征，几何公差可以进一步分成形状公差和位置/方位公差。形状公差仅与特征本身相关联，其指定了单个特征的允许的几何变化。形状公差，例如。特征的表面光洁度影响特征作为固定基准的适用性。位置/方向公差与夹具计划的尺寸公差具有相同的重要性，因为它也表示特征之间的关系。为了评估特征的精度并在夹具计划中有效地使用它，在该研究中应用广义特征精度等级，其定义为：Tg = (w1Td + w2Tp) * (w3Tf + w4Tr) (10)其中Td，Tp和Tf分别是尺寸公差等级，位置公差等级和形状公差等级; Tr是等同于特征的表面光洁度的公差等级。 w1，w2，w3和w4是权重因子。 多操作“*”表示主要关系，其中零值可以有助于最终结果，而操作“+”表示与偏好的相对弱的关系。 Td，Tp，Tf和Tr可以通过应用11,18中描述的算法获得。四、自动夹具系统的开发图1中示出了自动化夹具计划系统的概述。用于夹具计划的程序可以分为五个阶段，即输入，分析，计划，验证和输出。输入数据包括包含工件的特征的几何和公差信息的工件CAD模型，以及包括要加工的特征和用于特定设置的机床类型的设置规划信息。数据可以从CAD数据库提取或者由用户在CAD系统中交互地输入。分析涉及利用相关的准确度信息和对夹具特征的可访问性的评估来提取候选夹具特征。在这项研究中，平面和圆柱形表面被认为是固定目的。规划的任务是自动确定主定位方向并且在当前设置中选择最佳定位/夹紧表面和点。开发了用于底部（顶部）和侧面定位/夹紧装置的计划的算法。精确的位置是确保工件加工精度的主要因素。一旦确定了定位/夹紧方案，可以使用之前开发的夹具配置设计系统（Fix-Des）产生与夹具点相对应的夹具单元19。已经开发了一个综合程序来分析最终夹具设计，根据夹具部件的累积公差和对工件精度的影响。 夹具计划的输出是夹具计划的格式中的夹具表面/点，其可以在夹具配置设计中使用。 虽然基于一些优化规则生成夹具计划，但是也提供替代夹具计划用于进一步优化或用户确认。4.1主要定位方向的确定在夹具设计中，通常存在三个定位参考表面，其确定工件的位置和取向。主定位表面是用于确定工件在当前设置中的空间位置和取向以及约束工件的至少三个DOF的主定位基准。主定位表面垂直于其他定位表面，这在使用模块化夹具系统时尤其如此。在一般情况下，主定位表面可以是在相同方向上具有相同或不同高度的单个平面或几个平面。主定位表面的法向方向，称为主定位方向，需要首先在夹具规划中确定。它应该平行或垂直于机床的切削刀具轴。假设刀具轴为Vt =（Vx，Vy，Vz）。从工件模型中提取法线方向平行于或垂直于工具轴的表面。它们分组如下：其中Sfn描述了在主定位方向上具有法线方向的一组表面; fi（Vi，Tgi，Ai）表示具有法向量Vi，广义精度等级Tgi和可用（有效）面积Ai的特征; Nf是组中的特征的数量; Ns是特征组的数量。 如果主定位方向被选择为V1（V1x，Vly，V1z）和V1P Vi，则使用以下索引以优先级顺序识别V1：其中WA和WT1分别是表面积和精度的权重因子。maxSA是组中的最大面积，maxST是组中广义特征精度等级的最大值。 一旦获得InFV1，对应于InFV1的法向量被选择为主定位方向。4.2底部定位和顶部夹紧的规划在该阶段中夹具规划的任务是确定适合于主要位置的表面以及表面上的定位点的分布，以及对应于主要位置的夹紧表面和点，如图1所示， 候选主定位表面的集合可以表示为：其中fj（Vi，Tgi，Ci）是具有法向量Vi，广义准确度Tgi和由线和弧表征的轮廓Ci的特征，Nf是该组中的特征的数量。当涉及多于一个平面时，平面沿着主定位方向投影以形成由其边界实体（例如线段和弧线）表示的虚拟平面表面。当在离散点处对表面进行采样时，在虚拟平面中产生外边界区域。由于定位点不能非常接近工件的外边缘，通过用T移动边界朝向其中心来减小矩形区域的尺寸。最终定位点的投影将在该新区域中。然而，由于一些点可能在表面边界之外，因此采用标准算法来检测点是否在特定区域中。在主定位方向上，必须选择三个点（或等效值）以约束三个DOF。这三个点可用于构造三角形，工件重心的中心应位于三角形内，以确保定位稳定性。基于以下因素选择最佳定位点：（1）三角形的面积应尽可能大。 计算公式为：其中S = 0.5 *（l1 + l2 + l3），l1，l2，l3是边缘三角形的长度。图 7.垂直方向的夹具计划程序（2）从工件的重心到三角形的三个边缘的距离应尽可能大，计算如下：其中Di是从三角形边缘到工件重心的距离（3）定位点所在平面的广义精度应尽可能高（公差值尽可能小）。 计算公式为：其中Tgi是定位点Pi所在的平面的广义精度等级。（4）三个定位点的可达性应尽可能大。 计算公式为：（5）定位高度均衡应尽可能均匀。它被评价为：当获得上述因子的值时，使用以下指数来识别具有最大值的最佳定位点：其中WS，WT2，WC1和WH分别是固定稳定性，准确性，可达性和均匀高度的权重因子; maxTA，maxTL和maxTT是所有候选垂直定位平面的归一化因子。 一旦确定了最终定位点，就获得对应于三个定位点的定位表面。 应当注意，通过使用该过程，可以选择一个或多个平面作为主定位平面候选。 夹紧类型的选择主要与加工力的方向和可用于放置夹紧装置的表面相关。 顶部夹紧表面根据以下标准确定：（1）表面是相对的底部定位表面。（2）表面是电流设置中的加工表面。（3）有重叠区域，如果表面伸入底部定位三角形区域。（4）表面是由（例如它具有可访问的高值）夹紧方便。一旦确定了夹紧表面，选择最佳夹紧点，使得夹紧力沿着抵靠底部定位器中的一个或者底部定位三角形内部的方向。 在上述步骤之后，可用于底部定位和顶部夹紧的所有夹具计划根据由InFP1确定的优先级按顺序产生和记录。 每个夹具计划文件包含夹具信息，例如夹具功能，定位/夹紧表面ID和定位/夹紧点的坐标。4.3侧面定位/夹紧规划水平方向的夹具规划包括侧面定位和夹紧规划。侧面定位是确定非主要定位表面和点。侧定位的最常见方法是标准3-2-1定位原理。在这种情况下，侧定位计划选择两个垂直平面作为第二和第三定位表面，其中这些平面分别包含两个和一个定位点。这种定位方案在设计夹具配置和控制定位精度时是优选的，因为在不同DOF中的独立约束。然而，在很多情况下，在夹具设计中很难找到这种相互垂直的定位平面。对于更一般的情况，圆柱形表面和非垂直平面也可以用作定位表面，并且有时，三个侧定位点可以分布在三个不同的表面上。在本研究中，提供了一般解决方案，包括标准3-2-1情况作为优先解决方案。为了选择满意的侧定位表面，考虑候选表面的法线方向，广义精度等级，可访问性值和形状。满足边定位要求的特征集可以表示为：其中fi（Vi，Ti，Acci，Ci）是具有法向量Vi，广义精度等级Tgi，可访问性Acci和轮廓Ci的特征; Nf是集合中的要素数。 为了约束从主定位剩余的三个DOF，需要多于一个表面用于侧定位。 如前所述，除了单个表面的条件之外，候选定位表面的组合状态也是影响工件定位的重要因素。 对于两种定位特征，存在可用于侧定位的许多组合。 以下是按优选顺序的组合的部分列表：（1）两个相互垂直的平面（2）两个不垂直的平面（3）三条直线（4）一条直线和一个圆柱面（5）两个圆柱面（6）一个平面和两个圆柱面，如图8所示。 基于这些类型的组合，可以构造特征组并将其表示为：图8.特征组合类型。 1.两个垂直的平面。 2.两个非垂直和非平行平面。 3.三个非垂直和非平行的平面。 4，一条直线和一个圆柱表面。 5.两个圆柱面。 6.一个平面和两个圆柱面。其中fi是组中选择的特征，Nm是特征组的数量。 每个要素组包含两个或三个要素。 用于评估特征组的标准包括：（1）功能组合状态。 权重因子HF被分配给不同类型的定位表面的组合，如果特征组包括两个垂直平面，这是最优选的，并且如果特征组由三个圆柱形表面组成，则是最不优选的;（2）特征组的通用精度等级。 对于组中的所有表面考虑广义特征精度等级，HT = STi，其中Ti是特征组中表面i的广义精度等级，并且i = 1,2和3。（3）功能组的辅助功能值。 考虑组中每个表面的可访问性，HC = min Acci u i = 1,2或3，其中Acci是候选水平定位表面组中的特征的可访问性值。当获得上述因素的值时，使用以下指数来识别最佳定位表面组。其中WT3和WC2分别是表面精度和可访问性的权重因子，maxHT是特征精度的归一化因子。 当将候选定位表面分成组时，确定定位高度。 期望所有的侧定位器以及夹具被放置在相同的高度处，或者侧固定点高度的差异是最小的。图9.工件模型和侧面定位的相交平面。一旦确定了定位高度，定位表面中的可用定位区域变为2D线和弧或圆。那些2D定位“区域”可以直接从工件CAD模型中提取。图9示出了定位高度处的横截面的示例。基于不同的表面状态和点可访问性来确定2D线段上的定位点的位置。侧定位规划的可行解必须满足两个条件16。第一个是定位表面的法线方向不能全部平行，这在特征分组过程中被确保。第二个是，来自三个定位点的法向方向不能在一个点处相遇，这将给出工件的不确定位置。为了固定稳定性，侧夹应用于与定位表面相对的表面。已经开发了一个完整的解决方案来确定侧夹紧表面和夹紧点的可行区域20。图10显示了侧面定位/夹紧的规划步骤。图10.水平方向上夹具计划的程序。五、实施示例和结论开发了夹具规划系统Fix-Planning，其与CAD系统和自动夹具配置系统Fix-Des相集成。 CAD系统用作为系统提供夹具计划所需的输入信息的平台，Fix-Des用于使用Fix-Planning的输出生成夹具配置设计。图11显示了显示8个功能模块的主系统菜单。 SysSetup用于在执行计划任务之前初始化系统。系统初始化的示例在图2中示出。 12，其中设置了定制的规划条件，例如夹紧类型，定位器的最小尺寸和定位器在水平位置的最小定位高度，以及影响垂直位置的主要因素的优先顺序。文件用于从CAD数据库中读取工件规格，并存储夹具配置设计的夹具计划。 LocatingDir用于确定工件的主定位方向。可访问性用于评估固定功能和点的可访问性。用于侧面和底部（顶部）定位/夹紧的算法嵌入在模块HorLocating，HorClamping，VerLocating和Ver-Clamping中。灯具计划完成后，将以优先级优先显示结果。在图1中示出了示例工件。如图9（a）所示，加工台阶面F46。表1示出了用于候选夹持表面的可达性评价的结果，图13示出候选底部定位表面的点可达性分布。水平和垂直方向的夹具计划结果如图1所示。 14.结果可能不是唯一的。必要时还提供替代计划。图15显示了夹具配置设计。如在示例中所见，基于考虑多个因素（包括特征精度，固定稳定性和固定表面可接近性）来自动选择固定表面和点。在系统中，工件几何信息直接从CAD模型中提取，设置规划信息被指定为输入，平面和圆柱形表面被认为是夹具表面。建立垂直和水平规划的固定表面组。提供替代计划用于进一步优化和用户确认。固定点也是自动确定的，这是使用先前开发的系统Fix-Des来固定配置设计的输出。系统的应用将导致制造规划交付时间的大幅减少，并因此增强制造系统响应产品设计变化的能力。图11.修复计划系统概述图12.系统初始化的示例。如图（a）水平定位/夹紧的实例 （b）垂直定位的示例（c） 对应于垂直定位的垂直夹持的示例图15.夹具配置设计的最终结果（a）2D俯视图（b）删除隐藏线后的3D视图参考文献1. 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