面向切削加工的孔系柔性?shī)A具自動(dòng)夾緊規(guī)劃研究

王憶

摘 要：工件在加工中往往會(huì)受外力影響而破壞原定位，致使工件振動(dòng)位移，出現(xiàn)加工變形的問(wèn)題。在工件的加工中，除定位外，還需夾緊，實(shí)現(xiàn)夾緊元件、夾緊組件的自動(dòng)裝配。這需要對(duì)柔性?shī)A具進(jìn)行自動(dòng)夾緊規(guī)劃，確定夾具自動(dòng)夾緊的方法，設(shè)計(jì)工件夾緊裝置。本文討論了面向切削加工的孔系柔性?shī)A具自動(dòng)夾緊規(guī)劃研究。

關(guān)鍵詞：切削加工 夾具自動(dòng)夾緊思路 自動(dòng)裝配

對(duì)于孔系柔性?shī)A具而言，自動(dòng)確定夾緊位置、夾緊組件自動(dòng)裝配到夾具體中是工件加工中自動(dòng)夾緊的兩項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。面向切削的孔系柔性?shī)A具自動(dòng)夾緊設(shè)計(jì)需要遵循工件不移動(dòng)、工件不振動(dòng)、工件不變形的原則，通過(guò)夾緊避免工件位移而變形，因此需要將位移、振動(dòng)控制在允許的精度范圍。

一、工件自動(dòng)夾緊的整體思路

實(shí)踐表明，為了使工件不發(fā)生位移和振動(dòng)，需要加大柔性?shī)A具的夾緊力，而為了使工件不變形，又需要確保夾緊力不能過(guò)大，夾緊力的確定必須在一定的范圍，夾緊區(qū)域也需要精準(zhǔn)定位。

根據(jù)上述原則，工件自動(dòng)夾緊的整體設(shè)計(jì)思路和流程如下：開(kāi)始→加工表面選擇（法向量法）→確定夾緊方式（線性加權(quán)法）→夾緊表面確定（網(wǎng)格劃分、線性加權(quán)法）→夾緊點(diǎn)信息獲取（自動(dòng)裝配理論）→選擇夾緊組件與裝配→命名并保存裝配體→結(jié)束。

二、工件夾緊位置的自動(dòng)確定

1.工件加緊表面的選擇

工件夾緊表面選擇受多因素的影響，應(yīng)遵循以下原則：一是與主定位面垂直，二是夾緊表面在基準(zhǔn)面的投影應(yīng)與定位三角形區(qū)域盡量重合，三是夾緊表面不能是本次裝夾的加工表面。夾緊表面選擇的要素包括夾緊表面面積、距離加工表面距離、投影區(qū)與定位區(qū)重疊程度，三要素被賦予權(quán)重，然后根據(jù)以下函數(shù)公式確定最佳夾緊面：

其中Amax為候選最大表面面積，A（xi）為候選表面面積。基準(zhǔn)面投影與定位重疊程度用定位點(diǎn)數(shù)量衡量，落入基準(zhǔn)面定位點(diǎn)越多，說(shuō)明重疊程度越大。從第三個(gè)要素來(lái)看，為了盡量減小或避免加工工件的振動(dòng)和位移，夾緊表面要盡量靠近加工表面，二者間距可通過(guò)函數(shù)f3（xi）計(jì)算獲取，即f3（xi）= ，其中dmax為二者最大距離。

結(jié)合工件加工實(shí)際情況，以及對(duì)工件加工的節(jié)本要求，合理確定三項(xiàng)要素的權(quán)重值，即分別賦予r1、r2、r3權(quán)重，然后計(jì)算maxf（xi）即為最佳夾緊表面。

2.工件加緊表面的網(wǎng)格化

從工件加工實(shí)踐可知，工件夾緊表面存在無(wú)窮個(gè)候選夾緊點(diǎn)，如果逐個(gè)計(jì)算不現(xiàn)實(shí)，因此需將夾緊表面網(wǎng)格化，通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算獲得最佳夾緊點(diǎn)。正確的是利用Solid Works的API函數(shù)將表面輪廓線離散化，然后確定基準(zhǔn)線段并離散化，進(jìn)行等間距分割，并結(jié)合工件大小確定等級(jí)劃分，然后確定間距大小。

工件夾緊表面網(wǎng)格化的過(guò)程更直觀的描述如下：以工件夾緊表面形狀，先構(gòu)建基準(zhǔn)線，確定基線方向，將表面劃分為兩個(gè)不同方向的區(qū)域;以其他端點(diǎn)為起點(diǎn)向基線做垂直線，進(jìn)而將工件夾緊面劃分為多個(gè)區(qū)域，進(jìn)行網(wǎng)格化處理;以兩個(gè)定位銷的距離為依據(jù)，分割基線，獲得基點(diǎn);在各劃分區(qū)域內(nèi)獲取基點(diǎn)，并依據(jù)向量方向取點(diǎn)，獲得點(diǎn)的個(gè)數(shù);如果加工工件的夾緊面的輪廓有內(nèi)環(huán)，在確定基點(diǎn)時(shí)需要將內(nèi)環(huán)內(nèi)的點(diǎn)排除。

3.工件夾緊點(diǎn)的確定

工件夾緊面確定后，需要尋找合適的夾緊力作用點(diǎn)，即夾緊點(diǎn)。工件夾緊點(diǎn)的確定需要考慮工件加工精度、定位可靠性等要素，因此需遵循以下原則。一是夾緊點(diǎn)與支撐點(diǎn)對(duì)應(yīng)，夾緊力作用于支承上，以減小工件加工變形;二是在工件剛性較好的部位選擇夾緊點(diǎn)，避免或減小工件因夾緊力而產(chǎn)生的變形;三是盡量靠近加工表面，盡可能地減小切削力對(duì)該點(diǎn)的力矩，減少工件加工過(guò)程中的振動(dòng)效應(yīng)。

夾緊點(diǎn)的選擇采用目標(biāo)函數(shù)法，取最優(yōu)值為最佳夾緊點(diǎn)。先在工件加工表面選擇三個(gè)夾緊點(diǎn)，盡可能地使這三個(gè)夾緊點(diǎn)所構(gòu)成的三角形平面面積最大，即其在基礎(chǔ)板上的投影面積盡量大，函數(shù)公式為：

公式中，Amax表示夾緊點(diǎn)構(gòu)成三角形面積的最大值，Ac表示三個(gè)夾緊點(diǎn)構(gòu)成三角形面積。之后分析工件重心的位置，在不考慮凹多邊形的情況下，分別分析工件重心在基礎(chǔ)板上的投影位置。

一種情況是，工件重心在基礎(chǔ)板上的投影位置，正好在夾緊點(diǎn)構(gòu)成三角形在基礎(chǔ)板上的投影區(qū)域內(nèi)，這時(shí)三個(gè)夾緊點(diǎn)與重心投影點(diǎn)構(gòu)成三個(gè)三角形，這三個(gè)三角形的面積之和為夾緊點(diǎn)三角形面積。

另一種情況是，工件重心在基礎(chǔ)板上的投影點(diǎn)，正好位于夾緊點(diǎn)三角形在基礎(chǔ)板上投影區(qū)域之外，這時(shí)重心投影點(diǎn)與三個(gè)夾緊點(diǎn)構(gòu)成的三角形面積之和大于夾緊點(diǎn)三角形投影面積，這種情況下，三個(gè)三角形面積之和越小越好，即重心投影點(diǎn)距離夾緊點(diǎn)三角形投影圖形越近越好。這時(shí)的函數(shù)計(jì)算公式為：

三、夾緊元件的自動(dòng)裝配

在確定夾緊面與夾緊點(diǎn)后，需要對(duì)夾緊件進(jìn)行裝配。從面向切削加工的孔系柔性?shī)A具要求來(lái)看，孔系柔性?shī)A緊件主要有四種，即大型水平夾緊件、快速水平夾緊件、大型垂直夾緊件、快速垂直夾緊件。在夾緊元件的自動(dòng)裝配中，選擇自上而下的裝配設(shè)計(jì)，需要在夾緊點(diǎn)附近尋找定位孔，然后實(shí)現(xiàn)夾緊組件與工件的自動(dòng)裝配。

1.夾緊元件定位孔的確定

在確定工件夾緊點(diǎn)的過(guò)程中，已經(jīng)獲知三個(gè)夾緊點(diǎn)的位置，因此在確定夾緊元件定位孔時(shí)，采用特征遍歷技術(shù)來(lái)確定定位孔。在確定定位孔時(shí)需要利用一些規(guī)則，需要先確定夾緊組件的類型，分為兩類：一是快速夾緊件，一面兩孔;二是大型夾緊件，一面一孔。因此在進(jìn)行夾緊元件定位孔的選擇時(shí)，需要在基礎(chǔ)板上找到三個(gè)夾緊點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的唯一定位孔。

在實(shí)踐操作中，由于基礎(chǔ)板的類型有多種，因此在遍歷基礎(chǔ)板上的孔時(shí)，對(duì)這些孔進(jìn)行編碼，每一個(gè)孔對(duì)應(yīng)唯一的ID編碼。以象限劃分的方法，將基礎(chǔ)板劃分為四個(gè)部分，夾緊點(diǎn)則坐落于基礎(chǔ)板象限的X、Y軸上，或者在四個(gè)象限內(nèi)。在明確的夾緊點(diǎn)坐標(biāo)情況下，對(duì)候選的定位孔進(jìn)行象限內(nèi)坐標(biāo)編碼，而且定位孔坐標(biāo)必須滿足其與夾緊點(diǎn)坐標(biāo)一致的條件。在定位孔遍歷時(shí)，為了盡可能地避免夾緊元件與工件的干涉，需要從基礎(chǔ)板外圍孔開(kāi)始，從外圍向內(nèi)一層層地遍歷孔。

夾緊元件定位孔的確定規(guī)則為：先對(duì)定位孔進(jìn)行編碼，之后按照象限和45°對(duì)角線，將候選定位孔劃分為多個(gè)不同的區(qū)域，然后以基礎(chǔ)板中心為圓心點(diǎn)，自外向內(nèi)逐層地遍歷，最終篩選出最優(yōu)的孔，確定夾緊組件的唯一定位孔。

2.夾緊元件的自動(dòng)組裝

在確定工件夾緊表面、工件夾緊點(diǎn)、夾緊元件定位孔之后，對(duì)夾緊組件的自動(dòng)裝配還需要滿足以下條件：一是明確夾緊組件與裝配體之間的裝配關(guān)系;二是夾緊點(diǎn)與夾緊組件壓頭的端面圓心重合;三是夾緊組件的基準(zhǔn)面與定位孔坐在基礎(chǔ)板的上表面重合;四是垂直壓緊管的軸線必須與已選定的夾緊組件定位孔軸線重合。

用已定位的裝配體配合夾緊組件確定位置關(guān)系，為根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)夾緊范圍的自動(dòng)調(diào)整，需要對(duì)夾緊組件進(jìn)行柔性化處理，具體程序操作可用Solid Works的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)，即“Assembly Doc：Comp Config Properties4”。零部件間位置的調(diào)整會(huì)根據(jù)該夾緊組件裝配體配合關(guān)系進(jìn)行，柔性化結(jié)束后自動(dòng)裝配開(kāi)始。

四、小結(jié)

基于平面切削的孔系柔性?shī)A具自動(dòng)夾緊的設(shè)置中，應(yīng)在原有職能定位的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)裝配體與夾緊組件的自動(dòng)裝備配，然后分別確定夾緊表面、夾緊點(diǎn)和夾緊件定位孔，之后根據(jù)夾緊點(diǎn)的位置，利用Solid Works的虛擬裝配技術(shù)實(shí)現(xiàn)夾緊元件的自動(dòng)組裝。

（作者單位：無(wú)錫技師學(xué)院）