機(jī)床夾具設(shè)計方案的分析與研究

梁鋒

摘要：在加工過程中，機(jī)床夾具的工藝性決定了工件的加工質(zhì)量，其中夾具是機(jī)床，刀具，工件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，在夾具設(shè)計過程中，確定尺寸，選擇合適的定位元件，夾緊裝置，計算定位誤差都需要人工完成，針對這一問題本文通過利用運(yùn)動學(xué)以及幾何學(xué)，優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，對夾具設(shè)計過程中的定位誤差進(jìn)行準(zhǔn)確計算，從而實(shí)現(xiàn)夾緊力的優(yōu)化，并最終實(shí)現(xiàn)減少定位誤差，實(shí)現(xiàn)夾緊力優(yōu)化等工作。

關(guān)鍵詞：機(jī)床夾具；設(shè)計方案；分析；研究；

夾具在機(jī)械加工過程和裝配，焊接等環(huán)節(jié)用于固定加工對象，使其夠置于正確的位置，以保證產(chǎn)品的質(zhì)量，是提高生產(chǎn)率的一種重要裝備，機(jī)床夾具是金屬切削機(jī)床采用的一種夾具。在機(jī)床加工工件時，需要使用夾具將加工件裝好，就是在機(jī)床上確定工件對于刀具的位置，這個過程被稱為定位，在機(jī)械加工時工件的加工精度是由機(jī)床夾取工件構(gòu)成的加工系統(tǒng)所決定的，只有系統(tǒng)各個部分保持相對的正確關(guān)系才能保證工件各個加工面的幾何精度，機(jī)床夾具需要在保證高質(zhì)量，低成本的同時，還應(yīng)當(dāng)減少人工輸出。

一，工件定位方案的確立

在加工過程中夾具主要是為了能夠?qū)崿F(xiàn)工件對于成形運(yùn)動有正確位置，并保證工件處于該位置時不會受到外力因素而發(fā)生變化，規(guī)劃工件的定位方案對保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)成本起著重要的作用。然而在實(shí)際加工過程中，并不是所有的加工都需要完全定位，在確定定位方案時需要根據(jù)工件加工的特征來確定自由度，并且要配合相應(yīng)的定位元件對工件的定位進(jìn)行進(jìn)一步確定。

在施工過程中，工件的自由度被約束的情況下，工件定位存在下列幾種情況。工件的六個自由度全部被限制，此時工件會存在唯一的位置，這種情況被稱為完全定位。如果根據(jù)加工要求只需要限制部分自由度，而其他自由度無需限制時，工件雖然不占有確定的唯一位置，但不影響加工要求，此時稱為不完全定位。欠定位，是指工件實(shí)際定位所限制的自由度數(shù)目，少于加工要求所必須限制的自由度數(shù)目。因此，欠定位的結(jié)果，將導(dǎo)致出現(xiàn)應(yīng)該限制的自由度而未予限制的不合理現(xiàn)象，從而無法保證加工要求。所以，在確定工件在夾具中的定位方案時，不允許出現(xiàn)欠定位這樣的原則性錯誤。兩個或者兩個以上定位支承點(diǎn)重復(fù)限制同一個自由度，這種重復(fù)定位的現(xiàn)象叫做過定位。出現(xiàn)過定位時，將使工件位置不確定。同時，在夾緊情況下，重復(fù)限制同一自由度的定位支承間所產(chǎn)生的矛盾、干涉和沖突必將造成工件或定位元件的變形，其結(jié)果都將破壞工件定位的要求，從而影響工件的定位精度。因此，在設(shè)計時，一般情況下應(yīng)避免出現(xiàn)過定位現(xiàn)象。

二，定位方案的合理性判定

定位方案主要通過常規(guī)經(jīng)驗(yàn)判斷和基于運(yùn)動學(xué)的齊次矩陣判定法對定位方案進(jìn)行分析判斷，首先從常規(guī)經(jīng)驗(yàn)判別來看，夾具設(shè)計過程中，夾具定位裝置的設(shè)計是最重要的一個環(huán)節(jié)，它影響著夾具的結(jié)構(gòu)，而設(shè)計定位方案又是夾具整個設(shè)計的關(guān)鍵，需要確立正確的方案，在整個夾具設(shè)計過程中最重要的基礎(chǔ)是要保證定位和理性傳統(tǒng)的夾具，設(shè)計過程中主要是依靠人為經(jīng)驗(yàn)，而這種經(jīng)驗(yàn)，主要體現(xiàn)著是設(shè)計人員需要具有全面的知識，在接到設(shè)計任務(wù)之后，需要對帶夾具進(jìn)行全面了解，可以到相關(guān)生產(chǎn)單元調(diào)研某些零件的加工工藝要求之后，分析零件圖紙，確定加工工序，并能夠結(jié)合加工需求的特征進(jìn)行嚴(yán)格自由度計算，確定定位基面選擇定位元件等。其中，選擇定位基面需要參照一定的基準(zhǔn)進(jìn)行，而選擇定位元件是可以通過定位方案的資源庫進(jìn)行選取，因此定位元件和基面的選擇需要設(shè)計者利用經(jīng)驗(yàn)來發(fā)揮。從齊次矩陣判定法方面來看，需要根據(jù)工件的加工特征對某些工件進(jìn)行定位時，需要確定加工的位置參數(shù)，因此工件的定位不一定全部都需要限制的六個自由度，而只要應(yīng)該限制的自由度得到限制，并且能夠有效避免過定位的現(xiàn)象發(fā)生，那么這種方案基本上可以判斷是正確的。

三，定位誤差分析

首先從定位誤差計算來看，在加工一批工件時對于刀尺寸是相對于夾具上的特定幾何要素進(jìn)行調(diào)整的，在夾具設(shè)計上確定保持對刀尺寸的點(diǎn)線面，這被稱為是對刀基準(zhǔn)，比如在加工工件如果以平面在夾具上定位，通常會選用位置誤差比較小的一面進(jìn)行定位，我們將原件與工件接觸面成為限位平面，平面定位是利用制成的支承板作為安裝和支撐釘之后一次磨出，這種情況下是可以忽略平面度產(chǎn)生的誤差，該平面被稱為是對刀基準(zhǔn)。而當(dāng)工件以外圓在V型上定位為平面時，V型面加工對豎直方向上存在一定的尺寸工序，對刀基準(zhǔn)的過兩限位平面的交點(diǎn)應(yīng)該垂直于平面的交點(diǎn)。

四，夾緊方案的合理分析和優(yōu)化設(shè)計

當(dāng)工件完成定位之后，為了能夠讓工件處于正確的位置，需要對工件施加一定的夾緊力，如果夾緊力過大時，雖然工件能夠處于穩(wěn)定狀態(tài)，但由于系統(tǒng)承受過大的夾緊力會導(dǎo)致發(fā)生工件變形的現(xiàn)象，從而產(chǎn)生夾緊誤差，因此必須合理解決夾緊可靠性和變形的問題。接觸變形理論指出，兩彈性的表面相互接觸時彈性的半平面邊界上的點(diǎn)會發(fā)生一定程度的位移，考慮到一個半球形為凸體是與剛性平面接觸的情況，并且變形量與法向接觸荷載的大小相關(guān)的，工件被夾緊之后，夾具和工件的這種部分會發(fā)生局部變形和技術(shù)變形，進(jìn)而引發(fā)工件位于發(fā)生一定程度的偏移，接觸力是工件發(fā)生偏移的重要影響因素，可以利用總余能原理來獲得空間和夾具系統(tǒng)的接觸力。

夾緊力的優(yōu)化設(shè)計在夾緊過程中，空間會發(fā)生變形和位置偏移，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生夾具誤差，而夾緊方案的合理性就是能夠讓夾緊誤差控制在要求的精度范圍內(nèi)，夾緊力的大小對于方案的合理性起著決定性的作用，因此需要對夾緊力進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，設(shè)計夾緊方案就是要確定夾緊力的大小和相關(guān)的作用點(diǎn)，我們以強(qiáng)剛度工件作為研究對象來探討，該模型首先從靜力平衡約束的角度來看，夾緊力就是能夠在抵抗加工力，施加的重力等外力作用下，能夠讓工件處于平衡狀態(tài)，因此，工件的靜力平衡方程如下所示。

同時在裝夾過程中，為了能夠讓定位元件和夾緊元件始終保持接觸狀態(tài)，由摩擦錐約束可以知道，接觸力法向分量必須指向工件，

不是在每個接觸點(diǎn)法向接觸力和切向接觸力向量都能必須同時滿足

，夾緊力約束，由夾緊力保持不變獲得的 。最后我們優(yōu)化模型求解，對于一些已知的定位元件和夾緊位置的定位方案，定位元件的接觸力能夠利用于余能原理進(jìn)行求解，在實(shí)際設(shè)計過程中，當(dāng)發(fā)生元件位置偏移時，接觸力也會發(fā)生一定程度的改變。本次研究我們提出了基于力平衡對建立工件穩(wěn)定性的模型，并根據(jù)所需要的條件將模型分為閉合和力可行性模型，運(yùn)用線性規(guī)劃對模型進(jìn)求解，針對夾緊方案的合理性展開探究，優(yōu)化夾緊力設(shè)計，并利用舉例來驗(yàn)證我們的觀點(diǎn)。

小結(jié)

本文通過夾具設(shè)計系統(tǒng)中的定位方案規(guī)劃，計算定位誤差以及優(yōu)化夾緊力，并且提出了對刀基準(zhǔn)概念，建立了基于對刀基準(zhǔn)點(diǎn)誤差的計算模型。本次研究我們通過分析了國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，建立了基于對刀基準(zhǔn)定位誤差的定位計算模型，最后利用CTATIA軟件從而建立典型的定位方案資源庫，總結(jié)本文所做的一些工作：首先，在對于工件定位和準(zhǔn)確性上我們建立工件自由度模型和基于運(yùn)動學(xué)的定位模型，并通過實(shí)例證明該定位方案模型能夠?qū)崿F(xiàn)定位方案的準(zhǔn)確判斷，而針對定位誤差計算過程中，我們提出對刀基準(zhǔn)概念，并以案例來驗(yàn)證利用這種計算模型能夠大大提高計算誤差的速度和準(zhǔn)確率。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對緊力的優(yōu)化工作，我們建立了工作穩(wěn)定性，通過運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對夾緊力的優(yōu)化。同時由于機(jī)床夾緊設(shè)計是一個比較復(fù)雜的系統(tǒng)，本次研究中針對方案的規(guī)劃，最優(yōu)化的定位方案選擇問題沒有展開探討，且設(shè)計夾緊力優(yōu)化模型時沒有將夾緊元件的制造誤差考慮進(jìn)內(nèi)，導(dǎo)致獲得的結(jié)果可能不準(zhǔn)確。

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