（机械电子工程专业论文）孔系组合夹具夹紧方案的cad方法及元件库的建立.pdf

摘要 本文研究面向孔系组合夹具夹紧部件自动设计方法。本方法前提条件是假设已 知工件的几何形状以及夹具的定位方式及定位元件相对于基础板和工件的位置，设 计夹紧方案。该设计方法包括夹紧元件位置自动确定方法，夹紧部件自动生成方法， 夹紧元件自动组装方法，夹紧方案质量自动评价方法等。此外，本文还对组合夹具 定位以及夹紧元件库的建立方法进行研究，并利用m i c r o s o f ta c c e s s 建立元件以及 部件数据库。最后利用几何造型系统a c i s 6 3 和v c 十十6 0 平台上开发了孑l 系组合夹 具夹紧方案自动设计系统。并通过实例测试，验证了本文提出的算法，也为今后进 一步的研究工作创造了条件。 关键词：孔系组合夹具夹紧方案，评价，数据库 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 y f o ra u t o m a t i cp l a n n i n go fm o d u l a r f i x t u r ef o r d o w e l p i ns y s t e m i s p r e s e n t e d i nt h i s p a p e r t h e p r e c o n d i t i o n o ft h em e t h o di st h a tt h eg e o m e t r i cs h a p e ，t h e o r i e n t a t i o nw a ya n dt h eo r i e n t a t i o np o s i t i o nr e l a t i v et ot h eb a s e p l a t e a n dt h e p a r t s a r ek n o w n t h ed e s i g nm e t h o d i n c l u d e st h e a u t o m a t i c d e t e r m i n i n gw a y o ft h e c l a m p i n gp a r t sp o s i t i o n ，t h e a u t o m a t i cg e n e r a t i o no ft h ec l a m p i n gp a r t s ，t h ea u t o m a t i cf i x i n go f t h et h ec l a m p i n gp a r t s ，t h ea u t o m a t i ce v a l u a ti n go ft h ec l a m pp l a n q u a li t y a n ds oo n f u r t h e r m o r e ，t h ep a r t s d a t ab a s eo fm o d u l a r f i x t u r ef o rd o w e l p i ns y s t e mi sf o u n d e d f i n a l l y ，ap r o t o t y p es y s t e m i s d e v e l o p e d w i t ha c i s 6 3 ，v i s u a lc + + ，m i c r o s o f ta c c e s s s o m e s a m p l e sh a v ep r o v e dt h ea l g o r i t h m s i n v o l v e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ：d o w e l - p i nm o d u l a rf i x t u r e ，c l a m p i n gp l a n ，e v a l u a t i n g ，d a t a b a s e i i 1 1 组合夹具及其概论 第一章绪论 1 1 1 概述 机床夹具是在机床上用以装夹工件的一种装置，其作用是使工件相对于机床或刀 具有个正确的位置，并在加工过程中保持这个位置不变。夹具在机械制造中占有重要 的地位，对保证产品加工质量，提高生产率，降低成本，扩大机床工艺范围，减轻工 人劳动强度，保证生产安全，缩短产品周期等都有重要意义。 随着科学技术的迅速发展，机电产品种类曰益繁多，而且生产周期也越来越短。 产品的中、小批量生产成为重要的生产模式。为此，在现代机械制造中，要求加工 机床和夹具装备具有更好的柔性，近2 0 年来数控机床和柔性制造系统迅速发展，正 是迎合多品种，中小批量生产方式的需要“1 。 柔性化的着眼点主要在机床和工装两个方面，而夹具又是工装柔性化的重点。组 合夹具是由一套预先制造好的各种不同形状、不同尺寸规格、不同功能的系列化、标 准化元件、合件组装而成的。组合夹具元件、合件具有较好的互换性和较高的精度及 耐磨性。组合夹具能保证工件在规定的坐标位置上准确定位和牢固的夹紧，也就是说 能保证工件相对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：在精加工时能更好地保证工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允许刀具接近尽可能更多的被加工表面甚至全 部被加工表面，以减少机床的停机时间；在夹具上能一次装夹多个工件同时依次加工， 减少夹具、刀具、工件系统的调整时间，更好地发挥数控、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、拆卸、再组装重复使用。可以认为组合夹具就是 柔性夹具的代名词。 1 1 2 组合夹具的定义及其用途 组合夹具是根据工艺要求，由可以循环使用的并具有高精度、高强度的标准化元 件组装成的易联接和拆卸的夹具。组合夹具适用于各个机械制造部门，其广泛性在机 械加工中己无所不及，在机床工具、纺织、石油、化工、矿山、冶金、农业、医疗、 食品、造纸等机械以及汽车、铁路机车、船泊等制造行业中特别是在军工航空航天产 品施工中应用组合夹具均取得了很好的技术经济效果。1 。 第一章绪论 1 1 3 组合夹具的特点 组合夹具使用完毕后，元件可以方便地拆开、清洗后存放，待再次组装后使用。 因此组合夹具具有以下优点： 1 灵活多变，万能性强，根据需要可组装成多种不同用途的夹具。 2 可大大缩短生产准备周期。组装一套中等程度的组合夹具只需几个小时，这是 制造专用夹具无法相比的。 3 可减少专用夹具设计、制造的工作量，并可减少材料消耗。 4 可减少专用夹具库存面积，改善夹具管理工作。 由于以上优点，组合夹具在单件小批量生产及新产品试制中得到广泛的应用。1 。 1 1 4 组合夹具的分类 按元件定位联接形式不同，当前同内外组合夹具分成槽系组合夹具和孔系组合夹 具两大类型。槽系组合夹具元件之间定位联接是采用高精度的槽、键定位，螺栓紧固。 孔系组合夹具元件之间的定位联接是采用高精度的孔、销定位，螺栓紧固。组合夹具 元件按其用途不同，可分为八大类，基础件、支承件定位件、导向件、压紧件、紧 固件、合件和其它件。每一类元件都有其基本用途，但也没有严格的界限，在某种情 况下也可起到其它类元件的作用o 。 1 1 5 组合夹具的发展趋势 1 组合夹具元件的多功能模块化 组合夹具能单独使用也能与其他元件组合在一起使用的多功能模块化单元体的 比例将进一步增加。如现在使用的各种定位夹紧座、定位压紧支承、精密虎钳等模块 式单元体具有定位、夹紧以及调节的综合功能，可以一件单独使用，也可以几件组装 在一起使用。t 形基础、方箱等一次能装夹多件相同或不相同的工件的夹具，使用这 种夹具可以减少机床的停机时间，最大限度发挥数控、加工中心机床的高效性能。 2 组合夹具高强度、高刚性、高精度 为了提高劳动生产率，缩短工件的加工工时，工件的加工已向着高速、大切削量 方向发展，工序高度集中，工件定位夹紧后要依次完成铣、钻、镗等多工序的加工。 切削力的大小、方向在不断地变化，这就需要组合夹具本身要有较高的使用强度和刚 度，才能满足工件的加工精度。 3 专用夹具、组合夹具、成组夹具一体化 现代化加工设备的多功能化使工艺过程高度集中、工件一次定位装夹后能完成多 工序加工，这就需要一种通用而又能重复使用的组合可调式的夹具系统，它是由一系 列统一化、标准化的元件和合件组成，利用这些元件、合件组装成各种不同形式、不 第一章绪论 同结构、可重复使用的夹具，供单件或中小批量生产使用。这种夹具系统保留了组合 夹具的各种优点，组装又像专用夹具那样简单可靠，又有可调整元件，保留了成组夹 具的优点。为了便于夹具与机床定位连接，夹具基体有统一标准的定位连接位置，使 专用、组合、成组夹具向着一体化、组合化方向发展，以满足现代化加工设备的需要。 4 工件夹紧快速化、自动化 为缩短工件加工中的辅助时间，减轻工人的劳动强度，工件的装夹、拆卸也需要 机械化、自动化。工件的夹紧由原来的单一功能的压紧件、紧固件发展为可以调整的 模块，以便实现快速组装和快速夹紧。对于批量大的一些零件的加工，液压夹具、气 动夹具可实现工件自动化快速夹紧“，。 1 1 6 孔系组合夹具的优势 孔系组合夹具之间的相互位置由基础板上的孔和定位销来决定，而元件之间的连 接仍由螺纹孔连接紧固。随着数控机床和加工中心的普及，切削速度和进给量的普遍 提高，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。与槽系组合夹具相比较，孔系组合夹具具有如下优点： 1 + 元件刚度高 孔系组合夹具元件刚度高，因而装配出的整体刚度也高，从而满足了数控机床需 要高切削量的要求，提高了数控机床的生产率。孔系组合夹具的刚度比槽系组合夹具 高是因为孔系组合夹具的基础件，虽然其厚度较同系列槽系为薄，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承件表面布满 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。 2 制造和材料成本低 因为孔系元件的加工工艺性好，精密孔系的磨削成本也高，但在采用孔距样板 保证孔距后，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高 强度性能都用合金钢的材料，而孔系组合夹具基体都用普通钢或优质铸钢，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孔对准并用螺钉紧固，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，比槽系夹具中的槽和键的配合，在定位精度和可 靠性方面都高：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。 第一章绪论 1 2 孔系组合夹具的研究状况 组合夹具作为现代机械制造中的重要组成部分，应用日趋广泛。但是，其应用 方式却没有很大变化，成为计算机集成制造系统发展的一个瓶颈。这与软件研制的 滞后和软件的不实用有直接的关系。为了解决这个瓶颈问题，追切要求自动化的组 合夹具设计系统。 1 2 1 国外的研究现状 夹具的设计包括三个步骤：设备规划、夹具规划和夹具结构设计。 关于计算机辅助夹具设计，从文献上可见，个别俄罗斯学者在2 0 世纪7 0 年代 开始了夹具c a d 工作，由于计算机软件和硬件的落后，进一步发展受到很大的阻碍。 2 0 世纪8 0 年代欧美学者投入这一工作，与当时c a d 水平相配合，第一代c a f d 系统 是交互式设计系统( i - - c a f d ) 。设计人员简单应用c a d 软件的图形功能，建立一个 标准元件数据库，用以在计算机屏幕上装配夹具图。后来加上了定位方法的选择、 工件信息检索、元件选择、元件安装等模块，成为一个独立的系统。由于现代商品 化c a d 软件在屏幕上针对夹具几何图形的操作还是费时的，所以i - - c a f d 在工业上 应用还是有价值的。2 0 世纪8 0 年代中期后，根据变异式和生成式两种不同的方法 产生了基于成组技术( g t ) 和基于知识的两类主要的c a f d 系统，这是第二代c a f d 。 基于g t 的c a f d 有一个夹具设计信息的编码系统，系统中应包含零件几何形状的信 息，零件装夹信息，即定位、夹紧及工件工艺操作的信息等。由夹具编码系统在典 型夹具图形库中检索出相似夹具，经手工修改成合乎需要的夹具”1 。基于知识的 c a f d ，主要是搜集人类夹具专家的知识并整理成知识库中的各种规则，然后通过专 家系统推理机得到各种决策。 2 0 世纪9 0 年代后，人们继续对组合夹具作更深入的研究。j o n e j a 以及 f e r r e i r a 。1 等人在进行c a p p 方面的研究中对设备规划有详细论述；c h o uy c ，c h a n d r u v e 8 1 等人提出的自动夹具定位和夹紧的一种方法；d em e t e re c 。1 提出的利用机械杠 杆原理进行定位和夹紧位置选择的一种算法； m a r k u sa “”等人提出的针对棱柱形 工件进行组合夹具设计的基于规则的系统。目前，在工件夹具的自动化配置方面， t r a p p e ym c “”等人提出了一个二维组合夹具元件的配置算法。几乎所有的a f c d 研究者都承认，在一个成功的c a f d 系统中，工件的几何形状是一个关键因素。n n a j i b ，a 1 l a d i ns “23 等人对具有复杂几何形状的工件进行尝试研究。然而其结果仅仅适 用于特定的几何体，比如多边形棱柱且对工件夹具的夹紧方面的自动配置也很少提 及。 4 第一章绪论 1 2 2 国内的研究现状 我国于2 0 世纪8 0 年代末开始对组合夹具元件的设计与管理进行了研究和开发， 在总结和吸取我国应用和发展槽系夹具经验的基础上，根据现代机械加工特征及夹具 的发展趋势，研制了新一代孔系组合夹具系统。此系统发挥了槽系平移可调性和孔的 旋转可调性的优势，可直接组装获得任何直线尺寸和角度尺寸。此系统把大中小三个 系列的元件有机融为一体，可在一块多夹具基础板上，既能组装单个大工件夹具，又 能组装多个中小零件夹具，有利于装夹具基础板长期固定在机床工作台上，此系统还 设有孔系和槽系过渡元件，便于实现孔、槽系夹具元件混合使用“3 。 近年来，国内也对组合夹具c a d 进行研究。河北工业大学航天工业部向阳精密机 械厂联合开发了软件组合夹具组装c a d “”，在a u t o c a d r l 4 0 上采用三维实体造型，建 立图形库，用图文并茂的菜单和对话框方式由人机交互调用元件。北京工商大学麻建 东，刘璇开发的组合夹具元件库“：元件库模块的核心程序用o b j e c t a r xs d k 2 0 2 工 具包开发，界面程序用a u t o c a d 提供的对话框控制语言d c l ( d i a l o gc o n t r o ll a n g u a g e ) 语言开发，在v c + + 6 0 下编译和联接，生成的a r x 可执行程序在a u t o c a d r l 4 下直 接加载运行，元件库可为使用者提供7 类组合夹具元件三维图形的浏览以及交互设计 功能，并生成三维组合夹具构形图，在c a d 环境中可进行修改或删除。山东工业大学 的徐志刚在“广义映射原理”的指导下，开发了支持“t o p d o w n ”风范的夹具设计 软件自动化系统n ”。 总的来说，目前国内在组合夹具方面的研究基本上是基于a u t o c a d 进行开发的， 且多数处理的对象是二维图纸，自动化程度不高，且对设计结果的评价缺少合理、一 致和具体的评价指标。 1 3 本课题前期的工作介绍 本课题是傅强的硕士论文孔系组合夹具定位方法的算法研究工作的延续，孔 系组合夹具定位方法的算法研究前期已做的主要工作是： 结合目前国内外组合夹具设计的现状，特别是研究所存在的缺陷，研究一种组合 夹具系统，实现组合夹具定位方案的自动规划。 研究对象为具有规则几何形状的工件进行定位，即侧定位面有平面和圆柱面两种 形式。定位元件可以采用多种规格的定位销，并且还引入了半v 形块来对工件的圆弧 边进行定位。 针对一个由平面和圆柱面组成的工件的侧面定位问题，提出一个利用机构学原理 自动设计孔系组合夹具的方法，即确定三个侧面定位销的位置。在该方法中，首先确 定其中两个定位销在基础板上的位置，然后，将两个定位销连同基础板在工件的两条 第一章绪论 定位边界上滑动看作一个连杆机构，根据平面机构原理建立基础板和工件之间的相对 位置关系，利用连杆曲线与工件定位边界求交的方法确定第三个定位销。为零件的工 艺规划和零件装夹定位方案的设计提供全部候选定位方案。 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的研究成果以及已有组合夹具设计的不足之处，本文研究的 目标是：建立组合夹具元件库：实现组合夹具夹紧方案的自动规划。 首先，本文针对一个工件侧面及顶面由平面组成的棱柱体类工件，进行组合夹具 顶面夹紧方案的自动规划，并对生成的夹紧方案进行评价，最后得到最优的夹紧状态； 此外，本文还用m i c r o s o f ta c c e s s 建立组合夹具元件数据库，把元件的代号、规格、 材料、有关尺寸等记录在表中，生成元件时从数据库中提取元件的有关数据，最后用 v i s u a lc 什6 0 编程实现自动报表功能；。 1 4 2 本文的研究内容 由于组合夹具c a d 软件涉及c a d 基础理论，数据结构，机械加工工艺学，机床 夹具等多领域应用背景知识，是多学科、多领域的知识综合和集成，组合夹具设计是 一个复杂的系统工程，工作量巨大，虽然也有一些研究涉猎该方面，但是要想获得一 个较为成熟、易于推广的软件系统，还需付出不懈的努力。我们本着从简单到复杂的 原则，着重阶段性的研究成果，开发出以实际生产运用为导向的商品化夹具设计软件。 主要的研究内容有： 1 建立零件的计算机表示模型 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。具体的说该模型要求既能够存储构成零件的各要素的 功能信息、几何信息，还能够表示零件整体的拓扑结构、几何结构等。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 夹紧部件的自动规划 确定夹紧方案的具体算法是本文的重点，本文提出一个面向孔系组合夹具的夹紧 部件布置方案c a d 方法，包括夹紧方案的原理，夹紧元件位置的自动确定，夹紧部件 的自动组装，夹紧方案质量的评价等。 3 孔系组合夹具元件库的建立 在m i c r o s o f ta c c e s s 平台上建立元件及部件数据库；在v c + + 6 0 及a c i s 6 3 平台上进行元件及部件的实体造型，提供组合夹具零部件的子函数；利用坐标系转 6 第一章绪论 4 开发了组合夹具夹紧方案自动设计系统 为了验证本文提出的设计思想，在几何造型系统a c i s 6 3 和v c + + 6 0 平台上开发 该系统。系统的输入为零件的实体模型，通过人机交互指定零件的夹紧面等，输出为 零件在组合夹具上的装配实体模型，包括定位销位置、零件定位点位置、零件相对于 基础板坐标系的位置及夹紧部件的布置情况等。 1 5 本文的组织结构 为了实现组合夹具元件库的建立及组合夹具夹紧装置的自动规划，根据本文的研 究目标和研究内容将本论文分成以下几个部分： 第一章绪论 主要介绍组合夹具概述，包括组合夹具类型、特点、发展趋势，国内外在孑l 系组合夹具系统方面的研究现状，以及本文的研究目标和内容。 第二章孔系组合夹具夹紧方案的c a d 方法 本章提出一个面向孔系组合夹具的夹紧部件布置方案c a d 方法，包括夹紧方 案的原理，夹紧元件位置的自动确定，夹紧部件位置自动生成，夹紧部件的 自动组装，夹紧方案质量的评价等。 第三章建立孑l 系组合夹具元件库 第四章自动规划方案的原型系统 介绍系统的软件开发平台；程序的设计流程。最后通过典型实例来验证上述 算法的有效性与功能。 第五章总结与展望 对本课题的研究工作进行总结，提出课题中需改进的方面和进一步研究的设 想。 1 6 本章小结 主要介绍组合夹具概述，包括组合夹具类型、特点、发展趋势，国内外在孔系组 合夹具系统方面的研究现状。针对已有的设计系统中存在的不足，提出在本课题研究 中将着重进行研究的目标和内容。 2 1 概述 第二章孔系组合夹具夹紧方案的c a d 方法 先进制造的特点是能够快速响应顾客需求的连续变化，其核心是柔性制造系统 ( f m s ) ，它可以缩短生产周期，提高修改时的质量和柔性。制造规划是产品设计和制 造集成中的一个关键性因素，对生产周期影响很大。随着工业中c n c 机床技术和加工 中心的发展与广泛使用，一次安装多步加工己经变得十分普遍，并己成为一种趋势来 减少生产时间和成本。高精度的多坐标机床可以用于粗加工或精加工复杂几何形状的 工件。夹具设计变成了多步加工安装规划中的一个主要限制因素，并影响了工序的安 排。现在迫切需要夹具设计的柔性化来满足现代生产j 1 。 柔性安装已成为f m s 和c i m s 的重要部分。组合夹具是工业中应用最广泛的柔性 夹具。计算机辅助夹具设计才能使制造系统具有真正的柔性。夹具设计包括三个步骤： 安装规划、夹具规划和夹具结构设计。安装规划的目的是确定必须安装的次数、工件 在每次安装中的方位和要求加工的表面，安装规划可以成为工艺过程中的子集；夹具 规划决定工件上定位、支承和夹紧的点和面，夹具结构设计的任务是选择夹具组件并 组成夹具结构来完成定位和夹紧工件。 在以前的计算机辅助工艺设计( c a p p ) 领域中已经进行了一些夹具c a d 的研究， 如徐志刚采用“广义映射原理研究组合夹具设计问题”等。在国外，b r o s t 和g o l d b e r g 提出了一个他们称之为“完整”的算法，用于面向多边形工件的组合夹具设计。“； 基于夹具规划的运动分析等。但现有组合夹具c a d 方法的对组合夹具夹紧方案自动规 划方法的研究却很少涉及。 夹具的设计主要包括定位及夹紧两部分，本文的前期工作已解决了工件的定位问 题，本章将继续完成孔系组合夹具工件 夹紧规划的工作。工件的夹紧包括工件 的顶面夹紧及侧面夹紧。本章讨论的是 工件的顶面夹紧规划。 顶面夹紧，即夹紧力方向与主定位平 面垂直。本章对工件的顶面由一个平面 组成，工件的侧面及加工面是平面的工 图21 工件 件作项面夹紧的研究，如图2 1 所示。对此类工件提出一个面向孔系组合夹具的夹紧 部件布置方案c a d 方法，主要涉及夹紧元件位置的自动确定，夹紧部件位置自动生成， 夹紧部件的自动组装，夹紧方案质量的评价等。讨论的情况是对一个工件有三个夹紧 第二章孔系组合夹具夹紧方案的c a d 方法 部件的情况。 2 2 夹具规划的基本要求 工件夹紧规划是夹具规划的重要任务。生产实际中，夹具规划受到一系列因素的 限制，包括： i ) 工件设计，主要包含几何形状和公差的信息； 2 ) 安装规划，决定每次安装中的加工特征、所使用的刀具和机床； 3 ) 每次安装中工件最初和最终形式； 4 ) 能使用的夹具组件： 为了确保能使工件固定在正确的位置，制造过程能按设计技术要求进行。对一个 可行的夹具规划，应该满足以下条件： 1 ) 7 - 件定位时限制所有的自由度： 2 ) 必须保证当前安装的加工精度要求； 3 ) 夹具设计必须能够稳定抵御外力或力矩的影响； 4 ) 用现有的夹具组件必须容易到达装夹表面和点； 5 ) 工件和夹具以及刀具之间必须没有干涉。 2 3 夹紧原理 2 3 1 夹紧的概念 在机械加工过程中，切削力、重力、支承反力和惯性力均作用在工件上，使工件 产生运动，为了使工件保持定位时的正确位置必须将工件夹紧，使夹紧力与上述各力 平衡。夹具中将工件夹紧的机构称为夹紧装置。 2 3 2 夹紧设计的基本要求 对夹具中夹紧机构的基本要求是： 1 ) 夹紧后不能破坏工件在夹具中的正确定位，应使原有的定位状态更加稳定、可 靠； 2 ) 夹紧后工件、组合夹具元件的变形要小，变形量应控制在加工精度允许的范围 内： 3 ) 夹紧力的大小要适当。既要防止因夹紧力不足工件在加工过程中产生位移和引 起振动，又要避免因夹紧力过大压伤工件或破坏夹具元件； 4 ) 夹紧机构要操作方便，节省操作工人劳力，保证安全，即夹紧操作时不应碰到 第二章孔系组合夹具夹紧方案的c a d 方法 工件、刀具或保证装卸方便。 5 ) 夹紧机构的复杂程度和自动化程度应与工件的产量和批量相适应。 2 3 3 夹紧力方向的选择 1 ) 为了保证安装的正确可靠，夹紧力方向应该朝向对工件精度影响最大的定 位面( 主要定位面) ，并保证定位的可靠； 2 ) 减少工件变形，夹紧方向应当垂直于夹具主要定位元件上与工件接触较大 的那个表面。因为在夹紧力一定时，接触面积愈大，单位夹紧力就愈小，因而变 形也愈小。在加工薄壁工件时，为了避免工件变形，要特别注意在工件刚度较大 的方向上夹紧； 3 ) 夹紧力方向应使所需夹紧力尽可能小，从而减少夹紧力就可能减少劳动强 度，简化夹紧机构。 2 3 4 夹紧位置的选择 为满足夹紧设计的基本要求，在夹紧力方向已明确的情况下，决定工件上夹紧位 置时应注意以下两点： 1 )夹紧力的作用点应不破坏工件的定位； 2 )工件受切削力产生的变形和振动应最小“1 。 2 4 孔系组合夹具夹紧部件的组成 能。 在讨论孔系组合夹具夹紧部件的组成之前，先简要介绍组合夹具元件分类及功 24 1 组合夹具元件分类及功能 组合夹具元件按其用途不同，可分为八大类，基础件、支承件、定位件、导向件、 压紧件、紧固件、合件和其它件。每一类元件都有其基本用途，在某种情况下也可起 到其它类元件的作用。其中基础件是组合夹具中最大的元件，通常用作组装夹具的 基础，通过它把其它元件连接在一起，成为一套夹具。定位件用于保证夹具中各元件 的定位精度和连接强度及整个夹具的可靠性，并用于被加工工件的正确安装和定位。 压紧件主要用于将工件压紧在夹具的基础板上，以保证工件定位后的正确位置，并使 工件在切削力的作用下保持位置不变。组合夹具其它元件的作用将在后续文章中介 绍。 第= 章孔系组合夹具夹紧方案的c a d 方法 2 4 2 孔系组合夹具夹紧部件的组成 本系统所使用的孔系组合夹具的夹紧部件包括压板、压板支座、联接螺栓等( 如 图22 夹紧部件图图2 3 夹紧区域图 图2 2 所示) 。其中压板支座属组合夹具中的支承件，它是组合夹具中的骨架元件， 它在夹具中起到上下连接的作用，即把上面的压板等元件与下面的基础件连成一体。 2 5 工件可行夹紧位置的确定与表示方法 工件的定位方案确定之后，为了保证定位正确可靠，夹紧装置的设计十分关键， 从加工工艺上讲，凡是本工序中不加工的部位均可以作为夹紧部位。但是，为了保证 夹紧可靠，只选择工件的毛坯面、粗加工面作为夹紧部位，且夹紧面的外法线与主定 位平面垂直。图2 3 为已完全确定定位的工件平面图，下文以此工件为例确定工件的 可行夹紧位置。 确定夹紧方案的第一步是确定工件的全部夹紧区域，所谓夹紧区域是指工件的夹 紧面法线朝向的面上允许压板接触的区域。对于顶面仅由一个平面组成的简单工件， 工件的外轮廓边界形成一封闭区域，夹紧区域可由如下方法确定。首先沿顶面内部方 向作顶面外轮廓线的等距线，等距线的距离为压板搭接所需要的最长距离，该等距线 与外轮廓边界线形成窄带，再在窄带中剔除靠近定位位置、加工部位等不能用于夹紧 的部分( 如图2 3 中较黑的阴影区域) ，余下的部分就是全部可用于压板接触的区域( 如 图2 3 颜色较淡的阴影区域) 。 为了程序的实现方便，本文对夹紧区域的表示方法作了简化，即用夹紧边来代替 第二章孔系组台夹具夹紧方案的c a d 方法 夹紧区域，所谓夹紧边是指夹紧区域的边界与工件轮廓边界的重叠部分。如图2 3 所 示，对应工件多边形船边，夹紧区域的边界与工件轮廓边界的重叠部分为边a n , a 在算法中采用夹紧边来代替夹紧区域是方便而合理的。 前面已叙述到夹紧区域即夹紧边必须剔除靠近定位位置、加工部位等不能用于夹 紧的部分。以下将先考虑工件定位位置对夹紧边的影响情况，再考虑工件加工部位对 夹紧边的影响情况。 2 5 1 剔除定位位置之后的夹紧边的情况 1 、不考虑定位位置工件夹紧边的情况 如图2 4 所示，不考虑工件p 定位位置、加工部位的情况时，夹紧边为 p , p z ，p 2 p a ，p 4 p a ，p s p 。，r p “p s p 。，共六条，且每一条边的每一部位都有可能用来夹紧。在本 算法中，对于夹紧边，把该边中x 坐标较小的点作为夹紧边的起点，把x 坐标较大的 点作为夹紧边的终点，如p p 。边，由于x t 1 0 且m ：p 。1 0 这里，图2 7 ( b ) 示意一下当m p 。 1 0 且m ：p 。1 0 的处理方法。m m 。为加工边，r n 为工件的外轮廓边，因m p ， 1 0 ，所以p 。部位可用来作为夹紧边的一点；而因为m 。p 。 l o ，所以工件的外轮廓边p 。处不能用来夹紧。那么，工件的外轮廓边p s p 4 哪些部分 可用来夹紧，哪些不能用下述方法来确定：首先作一平行于p ； ，并且距p j p 4 为1 0 的 直线l ，l 与加工边m m ：的交点为d ，过d 作p ；p 4 的垂线，垂足为b ，那么外轮廓边p i r 第二章孔系组合夹具夹紧方案的c a d 方法 中的线段b p 。部分需从工件的夹紧边中剔除，外轮廓边p 。 被分成两段夹紧边，即： p 。b ，r 巳夹紧边的数目增加了一条。 i i i 、m 。p ，1 0 且m 2 p 。 1 0 如图2 7 ( c ) 所示，m 。m 2 为加工边，p ；n 为工件的外轮廓边，因m , p ，1 0 ，所以此处 对应的p ，不可用来作为夹紧边的一点，而因为m = p 。 i 0 ，所以此处对应的工件的外轮 廓边p 。部位可用来作为夹紧边的一点。那么，工件的外轮廓边p ip | 的夹紧部分这样确 定：首先作一平行于p s p 。，并且距p 5 r 为1 0 的直线l ，l 与加工边m ，m ：的交点为d ，过 d 作p s p 。的垂线，垂足为b ，那么外轮廓边p ；n 中的线段p 。b 部分需从工件的夹紧边中 剔除。 i v 、m p ， 1 0 且帆p 。 1 0 如图2 7 ( d ) 所示， 1 m 。为加工边，p 。p 6 为工件的外轮廓边，因m ，p ? 1 0 且r 1 0 ， ( i ) m p 1 0 苴m r h 1 0 i i 件外轮廓边 ( c ) m l p 1 0 且m 2p r 1 0 l 加1 二边 工件外轮廓边 ( ) ) m - p i i ( 】且机h 1 【 加丁边 工件外轮廓边 ( d ) m p 1 0 且m ：p ， 1 0 闭27 左右交点都存在，并且交点不是工件外轮廓边的端点的夹紧边情况 l p ，i 此种情况对已有的夹紧边无影响。 ( 2 ) 、左交点不存在，右交点存在 如图2 8 ( a ) 所示，r r 为工件外轮廓边，当不存在工件的加工边时p j p ，可作为 工件的夹紧边。现存在一条工件的加工边m ：，地，可能对p o p ，处的夹紧情况产牛影响。 第二章孔系组合夹具夹紧方案的c a d 方法 过m 。作加工边p s p 。的垂线l 。，l 。与p 。n 无交点，再过m 。向p 。p 4 作垂线，垂足为p 。，即工 件的加工边与工件的外轮廓边的左交点不存在，右交点存在。为方便下面研究，过加 工面的左端点p 。作p s p 。的垂线交加工边m 龇于m ，。仍然统一规定，当加工面上某一点 到工件外轮廓边的距离l o 时，则工件此处的外轮廓部分不能用来夹紧，即不能用来 作为夹紧边上的点。以下根据具体情况进行具体分析。 y ( a ) m ：p 。1 0 且池p 8 1 0 ( b ) m 【p s 1 0 且地p 8 l o ( c ) m l p ；1 0 且m 2 p 8 7 1 0 图2 8 左交点不存在，右交点存在，且交点不是工件外轮廓边的端点 a 、左交点不存在，右交点存在，且交点不是工件外轮廓边的端点 i 、m i p 。1 0 且m 。p 。1 0 如图2 8 ( a ) 所示，当m ，p ；1 0 且m ：p 8 1 0 时，因为此种情况从加工边m 。m 2 中的任 一点到工件外轮廓边p s p 。的距离均1 0 ，所以四边形ml p ；p 。m ：形成的区域中不能用来夹 紧，即p s p 。不能用来作为工件的夹紧边，工件外轮廓边p j p 4 中p 。p 8 段将从夹紧边剔除， 从而工件夹紧边剩下p a p 。段，这种情况夹紧边的条数不变，而此夹紧边起点从p i 转移 到p 。 i i 、m ，p ； 1 0 且m ：p 。1 0 如图2 8 ( b ) 所示，m 。m ：为加工边，p ；n 为工件的外轮廓边，因m ，r b l 0 ，所 以此处对应的p j 可用来夹紧；而因为m 。p 。1 0 ，所以此处对应的工件的外轮廓边p s 处 不能用来夹紧。那么，工件的外轮廓边p j p 4 可用来夹紧部分的确定方法是：首先作平 行于p ；p 。，并且距p j r 为1 0 的直线l ，l 与加工边m 。的交点为d ，过d 作p ；p ；的垂线， 第二章孔系组合夹具夹紧方案的c a d 方法 垂足为b ，这样因为四边形p 8 b d 阮形成的区域中不能用来夹紧，即p 。b 不能用来作为 工件的夹紧边的一部分，外轮廓边p 。n 中的p 8 b 段需从工件的夹紧边中剔除，外轮廓 边p s p 。中p 。b 段可作为夹紧边。对于夹紧边p s b ，p ；为起点，b 为终点。 i i i 、m 。p 。i 0 且池p 。 1 0 如图2 8 ( c ) 所示，m 。m z 为加工边，p s p 。为工件的外轮廓边，因m p s 1 0 ，所以图中 p ；不能用来夹紧；而因为m ：p 。 1 0 ，所以工件的外轮廓边p 。处可用来夹紧。工件的外轮 廓边p s p 。可用来夹紧部分的确定方法仍然是：首先作平行于p s p 。并且距p s r 为1 0 的 直线l ，l 与加工边 l ；i ，m 。的交点为d ，过d 作p s p 。的垂线，垂足为b ，这样图中p s b 不能 用来作为工件的夹紧边一部分，外轮廓边p 。p 4 中的p 。b 段需从工件的夹紧边中剔除， 外轮廓边p s p ，中b p 。段可作为夹紧边，夹紧边的条数不变。对于夹紧边b p 4 ，b 为起点， p 。为终点。 i v 、m 。p j 1 0 且m 2 p 8 1 0 当m ；p ； i 0 且m 。p 。 i 0 ，此种情况对已有的夹紧边无影响。 b 、左交点不存在，右交点存在，且交点就是工件外轮廓边的端点 此类又包括两种情况： 第一种情况：如图2 9 ( a ) 所示，右交点恰好是工件外轮廓边的终点。首先，过 p 。作夹紧边p ；r 的垂线与加工边m m ：的交点为m ，则加工边m 埘。段对工件的夹紧边无 影响。剩下的ml m 。段的讨论方法与即将讨论的( 4 ) 类交点相同，即与左、右交点均 存在，且交点与夹紧边的左右端点重合讨论方法相同。 ( a ) 右交点恰好是工件外轮廓边的终点( b ) 右交点恰好是工件外轮廓边的起点 图29 左交点不存在，右交点存在，且交点就是工件外轮廓边的端点 第二种情况：如图2 9 ( b ) 所示，m ，m ：为加工边，p 。凡为工件的外轮廓边。过作 p s p 。的垂线，垂足恰好与工件外轮廓边p s p 。的起点p ；重合，此种情况对工件的夹紧边 的情况无影响。 ( 3 ) 、左交点存在，右交点不存在 如图2 1 0 ( a ) 所示，p 。r 为工件外轮廓边，当不存在工件的加工边时，p s p 。可作 筹二章孔蒜组台夹具毙紧方案鲍c a d 方j 虫 为工件的爽紧边。现存在一条工件的加工边m 。，可能对p s 处的必紧情况产生影响。 过孤终热王边p s p 。豹垂线l ；，l 。与魏p 无交煮，再避疆囱p ；终垂线，垂是必& ，鄹工 件的加工边与工件的外轮廓边的左交点存在，右交点不存在。为方便下面研究，过加 工藤躲左蠛点p 侉p 4 的爨线交搬忑边m ，魄子魄。仍然统一规定，当加工鞭上某一点 到工件外轮廓边的距离小于等于1 0 时，则此处不能用来作为夹紧点，反之，则可作 为爽紧点。以下再根据具体情况进行具体分析。 a 、左交点存程，右交点不存猩，且交点不是工件外轮廓边静端点 i 、m p 7 1 0 且m 2 p 。1 0 如图2 ，1 0 ( a ) 所示，当毯岛l o 墓赫藏l o 瞎，嚣为_ l 龟种情猛跌鸯嚣工透醚，魄 中的任一点到工件外轮廓边p s p 。的距离均小于等于1 0 ，所以四边形m p ，p 4 m 。形成的区 域不髓曩l 寒夹紧，帮r 魏不能霜寒作受工伟静夹綮边，工 率乡 轮璃透p ；中p t p ；裁篱 从夹紧边剔除，从而工件必紧边剩下p s p 。段，这种情况夹紧边的祭数不变，而此必紧 透瀚终点默p ；转移蚕b 。 ( a ) m l p 5 1 0 且m 2 p t 1 0( b ) m 。p 7 1 0 且 k p 4 1 0 ( c ) 地p ，1 0 且地p t 1 0 豳2 1 0 左交点存在，右交点不存在且交点不是工件外轮廓边的端点 i i 、m 。p 7 1 0 且m 2 r 1 0 蟊霆2 + 1 0 曲 辑示，撬m 。隽熬工边，p ；段药王件靛乡 羚癣迭，因疆；p ， t 0 ，繇以珐 处对应的n 可用米夹紧；而因为m 。p 。1 0 ，所以此处对应的工件的外轮廓边p ；处不能 曩l 寒夹紧。仍要考虑工传鹣步 轮黪逮民致哪些部分霹月寒夹紧，哪些不碟以，考虑方 第二章孔系组台夹具夹紧方案的c a d 方法 法与上文类似：首先沿工件的外轮廓边p s p 。的外法线的反方向作一平行于p 。r ，并且 距p 。r 为l o 的直线l ，l 与加工边m 龇的交点为d ，过d 作p 5 p 4 的垂线，垂足为b ，这 样因为四边形b p 。5 l 【2 d 形成的区域中不能用来夹紧，即b n 不能用来作为工件的夹紧边， 那么外轮廓边p ；p 4 中的b p 4 段需从工件的夹紧边中剔除，剩下p 。b 作为夹紧边，且夹紧 边的条数不变。夹紧边p 。b 中，因为端点p 5 的x 坐标较小，而b 的x 坐标较大，所以 把p 。作为夹紧边p 。b 的起点，把b 作为夹紧边p 。b 的终点。 i i i 、m 。p ，1 0 且p 。 1 0 如图2 1 0 ( c ) 所示，m 。地为加工边，p s p 。为工件外轮廓边，因p 。m 0 ，所以图中 p 。可用来夹紧；而因为m p ，1 0 ，所以工件的外轮廓边p ，处不可用来夹紧。工件的外 轮廓边p s p 。中可用来夹紧的部分可这样来判断：首先作一平行于p s p ；，并且距p 。p 4 为 1 0 的直线l ，l 与加工边 【龇的交点为d ，过d 作p s p 。的垂线，垂足为b ，这样因为四 边形p ，b d m 。形成的区域中不能用来夹紧，即p ，b 不能用来作为工件的夹紧边，那么外轮 廓边p 。r 中的p ，b 段需从工件的夹紧边中剔除，外轮廓边p 。p 。被分成两段夹紧边，即 rp _ ，b p 。，夹紧边的条数增加了一条。夹紧边p 。r 中，因为端点p ；的x 坐标较小，而p 。 的x 坐标较大，所以把p 。作为夹紧边p s p ，的起点，把p ，作为夹紧边p ；p _ 的终点。同理 对于夹紧边b p 4 ，b 为起点，p 。为终点。 i v 、m 、p ， 1 0 且m ：p 。 1 0 若m p i 1 0 且m 。p 。 1 0 ，此种情况对已有的夹紧边无影响。 b 、左交点存在，右交点不存在。且交点恰好是工件外轮廓边的端点 此种情况的处理方法与( 2 ) 类中的b 相似。即与左交点不存在，右交点存在， 且交点就是工件外轮廓边的端点类似。 ( 4 ) 、左、右交点均存在，且交点与夹紧边的左右端点重合 如图2 1 l ( a ) 所示，p s p 。为工件外轮廓边，当不存在工件的加工边时，p ；n 可作为 工件的夹紧边。现存在一条工件的加工边m ，m 。，可能对p s p ；处的夹紧情况产生影响。 假设过m 。作加工边p 。p 。的垂线，垂足恰好为p ；，过m ：向p ；p 4 作垂线，垂足恰好为p 。， 即工件的加工边与工件的外轮廓边的左、右交点均存在，且交点与夹紧边的左右端点 重合。为方便下面研究，仍然统一规定，当加工面上某一点到工件外轮廓边的距离 1 0 时，则工件此处的外轮廓部分不能用来夹紧，反之，则可以用来夹紧。以下再根据 具体情况进行具体分析。 i 、m p j 1 0 且m 。p 。1 0 如图2 1 1 ( a ) 所示，当m p ；1 0 且m ：p 。1 0 时，因为此种情况从加工边m 。m ：中的 任一点到工件外轮廓边p ；p 。的距离均小于等于l o ，所以四边形m 。m ：p 。p 。形成的区域不 能用来夹紧，即p j p ；不能用来作为工件的夹紧边，于是，工件的夹紧边比没有加工边 时减少一条。 i i 、m p j 1 0 且m 。p 。1 0 第二章孔系组合夹具夹紧方案的c a d 方法 如图2 1 1 ( b ) 所示，m 为加工边，p 5 p 。为工件的外轮廓边，因m 。p 5 1 0 ，所以此处 对应的p 。可用来夹紧；而因为m 。r 1 0 ，所以此处对应的工件的外轮廓边中p 。处不能 用来夹紧。区分外轮廓边p 5 p 4 可用来夹紧的部分及不可用来夹紧的方法为：首先作一 平行于p s p 。，并且距p s p 为1 0 的直线l ，l 与j j n - r 边m m 。的交点为d ，过d 作p s 的垂 线，垂足为b ，这样因为四边形b p 朋。d 形成的区域中不能用来夹紧，即b n 不能用来 作为工件的夹紧边，外轮廓边p 。n 中的b n 段需从工件的夹紧边中剔除，剩下p s