軸類零件定位圓中心高計算的研究及應(yīng)用

王學(xué)才

（許昌煙草機械有限責(zé)任公司，河南 許昌 461000）

1 課題背景

許昌煙草機械有限責(zé)任公司生產(chǎn)煙草濾棒成型及其輔聯(lián)物流產(chǎn)品，卷煙企業(yè)在煙草加工生產(chǎn)線上需要用到大量的軸類零件、套類零件對煙支進(jìn)行卷接、輸送等，因此在煙草機械生產(chǎn)中需要加工大量的各種規(guī)格形狀結(jié)構(gòu)的軸類零件產(chǎn)品用于煙機的組裝生產(chǎn)。工裝主要采用組合夾具及部分專用夾具，每年需要大量軸類零件、異型類零件、板類零件、箱體類零件的組合夾具的設(shè)計與拼裝。加工軸類零件上的鍵槽、偏心孔、孔、槽等結(jié)構(gòu)時，需要用夾具定位把軸的中心線放置水平才能加工完成，如圖1、圖2 所示。軸類零件兩端定位外圓的尺寸不一樣時，就需要計算出兩端定位外圓與夾具組裝后的高度差，依據(jù)計算的高度差數(shù)值，通過選用夾具元件墊高的辦法把軸的中心線定位水平，如圖2 所示。定位圓中心高是夾具設(shè)計組裝過程中繞不開的數(shù)據(jù)。定位圓中心高數(shù)據(jù)獲取的效率直接影響夾具的設(shè)計組裝。

圖1 軸類夾具拼裝示意圖

圖2 軸類夾具拼裝結(jié)構(gòu)圖

2 目前軸類夾具的拼裝方法及存在的問題

軸類夾具現(xiàn)有拼裝方法優(yōu)缺點對比見表1。

表1 軸類夾具現(xiàn)有拼裝方法優(yōu)缺點對比表

3 解決辦法

3.1 建立用于軸類零件定位的夾具元件三維實體模型

首先把日常夾具拼裝過程中用于軸類夾具定位的夾具元件進(jìn)行收集匯總，重點收集與定位圓中心高計算有關(guān)聯(lián)的夾具元件數(shù)據(jù)信息，具體包括元件設(shè)計基準(zhǔn)到斜邊的距離、元件斜邊到基準(zhǔn)邊的角度、檢測圓直徑及檢測圓到基準(zhǔn)邊的中心高等數(shù)據(jù)。利用這些夾具元件對零件上的定位圓實現(xiàn)六點定位。以下是我們結(jié)合夾具元件樣本、實物測繪等方法收集到數(shù)據(jù)后，在solidworks平臺上建立的組合夾具定位元件三維實體模型，共7種，分別是切邊軸、空心角度支承、角度支承、加筋角度支承、V 型支承、V 型角鐵、左角鐵，如圖3 至圖9 所示。為后續(xù)的數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)打下基礎(chǔ)。

圖3 切邊軸

圖4 空心角度支承

圖5 角度支承

圖6 加筋角度支承

圖7 V 型支承

圖8 V 型角鐵

圖9 左角鐵

3.2 組裝定位三維模型，并生成結(jié)構(gòu)示意圖

由于公司產(chǎn)品零件軸類零件的定位圓尺寸在3～500 mm 之間，針對不同的尺寸需要選擇與之對應(yīng)的夾具元件進(jìn)行利用solidworks 平臺進(jìn)行組合夾具結(jié)構(gòu)實體模型的拼裝，把拼裝尺寸、元件尺寸、工件尺寸標(biāo)識出來，并用希臘大寫字母進(jìn)行標(biāo)識，用于后續(xù)數(shù)學(xué)模型地推導(dǎo)。我們的目的是實現(xiàn)把拼裝尺寸、元件尺寸、工件尺寸與定位圓中心高尺寸建立起函數(shù)關(guān)系，加筋角度支承結(jié)構(gòu)如圖10 所示、空心角度支承結(jié)構(gòu)如圖11 所示、切邊軸結(jié)構(gòu)如圖12 所示。其他6種結(jié)構(gòu)不再贅述。

圖10 加筋角度支承結(jié)構(gòu)

圖11 空心角度支承結(jié)構(gòu)

圖12 切邊軸結(jié)構(gòu)

3.3 推導(dǎo)夾具結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型，并把數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成excel 表函數(shù)表公式并錄入速算表

我們利用手工計算的方法，推導(dǎo)出拼裝尺寸、元件尺寸、工件尺寸與定位圓中心高之間的數(shù)學(xué)模型，并把計算結(jié)果與在solidworks 平臺上繪圖測量的結(jié)果進(jìn)行比對。我們把每種拼裝結(jié)構(gòu)的模型進(jìn)行實物拼裝，選取標(biāo)準(zhǔn)檢測圓柱，把標(biāo)準(zhǔn)檢測圓柱與夾具結(jié)構(gòu)實物進(jìn)行組裝，然后放在平板上用測高儀測量出標(biāo)準(zhǔn)圓柱的中心距離夾具組裝基準(zhǔn)之間的垂直距離（定位圓中心高），最后把測量的中心高、solidworks 平臺上繪圖測量的數(shù)據(jù)與速算表計算的結(jié)果進(jìn)行比對，用三者數(shù)據(jù)一致的結(jié)果來驗證數(shù)學(xué)模型的正確性。見表2。

表2 夾具結(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型匯總表

3.4 設(shè)計速算表

我們把拼裝結(jié)構(gòu)示意圖對應(yīng)的支承名稱、支承規(guī)格、支承編碼、參與數(shù)學(xué)模型的樣本尺寸、組裝尺寸（墊高尺寸、支承到圓心尺寸）和中心高尺寸等依次錄入表格，制成速算表，速算表圖如圖13 所示，有選擇地進(jìn)行excel 函數(shù)引用。數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)完成后，再把數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成excel 表格的函數(shù)公式。我們引入邏輯函數(shù)，使用IF、COUNTA 對單元格執(zhí)行條件判斷。目的是當(dāng)必輸單元格出現(xiàn)空缺時，在需求尺寸一欄，顯示“缺少數(shù)據(jù)”，滿足要求時，才進(jìn)行公式運算。提示使用者把必輸項數(shù)據(jù)輸入完整，這樣不會給使用人員造成誤導(dǎo)。

圖13 速算表圖

3.5 使用速算表

使用者首先在速算表元件名稱列找出使用的元件，在對應(yīng)的右側(cè)元件規(guī)格中找出對應(yīng)的元件規(guī)格，點擊左邊拼裝示意圖，拼裝示意圖會自動放大，可以查看詳細(xì)的拼裝結(jié)構(gòu)及尺寸標(biāo)識位置，在對應(yīng)的元件規(guī)格行輸入相應(yīng)的尺寸后，最右列自動計算出對應(yīng)結(jié)構(gòu)的定位圓中心高數(shù)據(jù)。

3.6 保護(hù)工作表，對必輸項區(qū)域允許編輯，其他區(qū)域設(shè)置修改密碼

由于速算表單元格中的數(shù)據(jù)特別是元件參數(shù)和計算公式，是不允許做任何改動的，只允許必輸項單元格區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，并對其他單元格進(jìn)行了加密，只有權(quán)限人員才能解密，才能進(jìn)行保護(hù)單元格的編輯。如果強行更改輸入系統(tǒng)會彈出保護(hù)對話框，提醒使用人員停止操作。這樣能保證計算結(jié)果正確性。

4 結(jié)束語

文章通過建立夾具結(jié)構(gòu)模型，推導(dǎo)出數(shù)學(xué)模型，找到了利用excel 表輔助夾具拼裝計算定位圓中心高的新辦法，開發(fā)出定位圓中心高速算表。很好地解決了軸類零件組合夾具拼裝計算的現(xiàn)實難題；為今后類似問題的解決，提供了借鑒的思路，對讀者具有借鑒意義。