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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書
課題名稱
撥叉鉆F18孔夾具設(shè)計(jì)
系 部
機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
任務(wù)起止日期
2014
年
12
月
26
日至
2015
年
5
月
27
日共
17
周
指導(dǎo)教師簽名（校內(nèi)）
莫文輝
指導(dǎo)教師簽名（校外）
教學(xué)主任簽名
年
月
日
一、課題內(nèi)容
夾具是機(jī)械零件加工中的重要組成部分。夾具設(shè)計(jì)的好壞直接影響零件加工質(zhì)量。設(shè)計(jì)撥叉鉆F18孔夾具。 大批量生產(chǎn)。撥叉零件圖見大連理工大學(xué)《機(jī)械制圖》263頁。
二、課題任務(wù)要求
1．按要求完成開題報(bào)告；
2．完成總體設(shè)計(jì)、部分主要另、部件設(shè)計(jì)合計(jì)圖紙量2.5-3張零號(hào)圖；
3．翻譯與專業(yè)相關(guān)的資料不少于3000漢字；
4. 撰寫設(shè)計(jì)論文不少于15000字；
序號(hào)
設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱
日 期
1
熟悉、分析畢業(yè)設(shè)計(jì)的具體技術(shù)要求；調(diào)研、查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料；初步制定課題方案完成開題報(bào)告。
27/12-12/3
2
確定課題總體研究方案。進(jìn)行方案的優(yōu)劣分析、比較；最終選擇確定應(yīng)用方案；翻譯與專業(yè)相關(guān)外文資料一份.
13/3-26/3
3
進(jìn)行計(jì)算、設(shè)計(jì)裝配圖。
27/3-17/4
4
設(shè)計(jì)零件圖。
18/4-27/4
5
整理設(shè)計(jì)資料；撰寫完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。
28/4-26/5
6
整理、檢查、匯總畢業(yè)設(shè)計(jì)資料、交畢業(yè)設(shè)計(jì)資料，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯并整理資料。
27/5-3/6
三、進(jìn)程安排
四、應(yīng)閱讀的主要參考文獻(xiàn)
1．《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》 機(jī)機(jī)械工業(yè)出版社，2010年。
2．《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)》 機(jī)機(jī)械工業(yè)出版社，2009年。
夾具夾緊力的優(yōu)化及對(duì)工件定位精度的影響
B.Li 和 S.N.Mellkote
布什伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院，佐治亞理工學(xué)院，格魯吉亞，美國研究所
由于夾緊和加工，在工件和夾具的接觸部位會(huì)產(chǎn)生局部彈性變形，使工件尺寸發(fā)生變化，進(jìn)而影響工件的最終加工質(zhì)量。這種效應(yīng)可通過最小化夾具設(shè)計(jì)優(yōu)化，夾緊力是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)變量，可以得到優(yōu)化，以減少工件的位移。本文提出了一種確定多夾緊夾具受到準(zhǔn)靜態(tài)加工部位的最佳夾緊力的新方法。該方法采用彈性接觸力學(xué)模型代表夾具與工件接觸，并涉及制定和解決方案的多目標(biāo)優(yōu)化模型的約束。夾緊力的最優(yōu)化對(duì)工件定位精度的影響通過3-2-1式銑夾具的例子進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞：彈性 接觸 模型 夾具 夾緊力 優(yōu)化
前言
定位和夾緊的工件加工中的兩個(gè)關(guān)鍵因素。要實(shí)現(xiàn)夾具的這些功能，需將工件定位到一個(gè)合適的基準(zhǔn)上并夾緊，采用的夾緊力必須足夠大，以抑制工件在加工過程中產(chǎn)生的移動(dòng)。然而，過度的夾緊力可誘導(dǎo)工件產(chǎn)生更大的彈性變形 ，這會(huì)影響它的位置精度，并反過來影響零件質(zhì)量。所以有必要確定最佳夾緊力，來減小由于彈性變形對(duì)工件的定位誤差，同時(shí)滿足加工的要求。在夾具分析和綜合領(lǐng)域上的研究人員使用了有限元模型的方法或剛體模型的方法。大量的工作都以有限元方法為基礎(chǔ)被報(bào)道[參考文獻(xiàn)1-8]。隨著得墨忒耳[8]，這種方法的限制是需要較大的模型和計(jì)算成本。同時(shí)，多數(shù)的有限元基礎(chǔ)研究人員一直重點(diǎn)關(guān)注的夾具布局優(yōu)化和夾緊力的優(yōu)化還沒有得到充分討論，也有少數(shù)的研究人員通過對(duì)剛性模型[9-11]對(duì)夾緊力進(jìn)行了優(yōu)化，剛型模型幾乎被近似為一個(gè)規(guī)則完整的形狀。得墨忒耳[12，13]用螺釘理論解決的最低夾緊力，總的問題是制定一個(gè)線性規(guī)劃，其目的是盡量減少在每個(gè)定位點(diǎn)調(diào)整夾緊力強(qiáng)度的法線接觸力。接觸摩擦力的影響被忽視，因?yàn)樗^法線接觸力相對(duì)較小，由于這種方法是基于剛體假設(shè)，獨(dú)特的三維夾具可以處理超過6個(gè)自由度的裝夾，復(fù)和倪[14]也提出迭代搜索方法，通過假設(shè)已知摩擦力的方向來推導(dǎo)計(jì)算最小夾緊力，該剛體分析的主要限制因素是當(dāng)出現(xiàn)六個(gè)以上的接觸力是使其靜力不確定，因此，這種方法無法確定工件移位的唯一性。
這種限制可以通過計(jì)算夾具——工件系統(tǒng)[15]的彈性來克服，對(duì)于一個(gè)相對(duì)嚴(yán)格的工件，該夾具在機(jī)械加工工件的位置會(huì)受夾具點(diǎn)的局部彈性變形的強(qiáng)烈影響。Hockenberger和得墨忒耳[16]使用經(jīng)驗(yàn)的接觸力變形的關(guān)系（稱為元功能），解決由于夾緊和準(zhǔn)靜態(tài)加工力工件剛體位移。同一作者還考察了加工工件夾具位移對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響[17]。桂 [18] 等 通過工件的夾緊力的優(yōu)化定位精度彈性接觸模型對(duì)報(bào)告做了改善，然而，他們沒有處理計(jì)算夾具與工件的接觸剛度的方法，此外，其算法的應(yīng)用沒有討論機(jī)械加工刀具路徑負(fù)載有限序列。李和Melkote [19]和烏爾塔多和Melkote [20]用接觸力學(xué)解決由于在加載夾具夾緊點(diǎn)彈性變形產(chǎn)生的接觸力和工件的位移，他們還使用此方法制定了優(yōu)化方法夾具布局[21]和夾緊力[22]。但是，關(guān)于multiclamp系統(tǒng)及其對(duì)工件精度影響的夾緊力的優(yōu)化并沒有在這些文件中提到 。
本文提出了一種新的算法，確定了multiclamp夾具工件系統(tǒng)受到準(zhǔn)靜態(tài)加載的最佳夾緊力為基礎(chǔ)的彈性方法。該法旨在盡量減少影響由于工件夾緊位移和加工荷載通過系統(tǒng)優(yōu)化夾緊力的一部分定位精度。接觸力學(xué)模型，用于確定接觸力和位移，然后再用做夾緊力優(yōu)化，這個(gè)問題被作為多目標(biāo)約束優(yōu)化問題提出和解決。通過兩個(gè)例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對(duì)定位精度的影響，例子涉及的銑削夾具3-2-1布局。
1． 夾具——工件聯(lián)系模型
1．1 模型假設(shè)
該加工夾具由L定位器和帶有球形端的c形夾組成。工件和夾具接觸的地方是線性的彈性接觸，其他地方完全剛性。工件——夾具系統(tǒng)由于夾緊和加工受到準(zhǔn)靜態(tài)負(fù)載。夾緊力可假定為在加工過程中保持不變，這個(gè)假設(shè)是有效的，在對(duì)液壓或氣動(dòng)夾具使用。在實(shí)際中，夾具工件接觸區(qū)域是彈性分布，然而，這種模式的發(fā)展，假設(shè)總觸剛度（見圖1）第i夾具接觸力局部變形如下：
(1) 其中（j=x，y，z）表示，在當(dāng)?shù)刈幼鴺?biāo)系切線和法線方向的接觸剛度
第 19 頁 共 15 頁
圖1 彈簧夾具——
工件接觸模型。
表示在第i個(gè)
接觸處的坐標(biāo)系
（j=x，y，z）是對(duì)應(yīng)沿著xyz方向的彈性變形，分別 （j= x，y，z）的代表和切向力接觸 ，法線力接觸。
1．2 工件——夾具的接觸剛度模型
集中遵守一個(gè)球形尖端定位，夾具和工件的接觸并不是線性的，因?yàn)榻佑|半徑與隨法線力呈非線性變化 [23]。由于法線力接觸變形作用于半徑和平面工件表面之間，這可從封閉赫茲的辦法解決縮進(jìn)一個(gè)球體彈性半空間的問題。對(duì)于這個(gè)問題， 是法線的變形，在[文獻(xiàn)23 第93頁]中給出如下：
（2）
其中式中 和是工件和夾具的彈性模量，、分別是工件和材料的泊松比。
切向變形沿著和切線方向）硅業(yè)切力距有以下形式[文獻(xiàn)23第217頁]
（3）
其中、 分別是工件和夾具剪切模量
一個(gè)合理的接觸剛度的線性可以近似從最小二乘獲得適合式 （2），這就產(chǎn)生了以下線性化接觸剛度值：在計(jì)算上述的線性近似，
（4）
(5)
正常的力被假定為從0到1000N，且最小二乘擬合相應(yīng)的R2值認(rèn)定是0.94。
2．夾緊力優(yōu)化
我們的目標(biāo)是確定最優(yōu)夾緊力，將盡量減少由于工件剛體運(yùn)動(dòng)過程中，局部的夾緊和加工負(fù)荷引起的彈性變形，同時(shí)保持在準(zhǔn)靜態(tài)加工過程中夾具——工件系統(tǒng)平衡，工件的位移減少，從而減少定位誤差。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)是通過制定一個(gè)多目標(biāo)約束優(yōu)化問題的問題，如下描述。
2.1 目標(biāo)函數(shù)配方
工件旋轉(zhuǎn)，由于部隊(duì)輪換往往是相當(dāng)小[17]的工件定位誤差假設(shè)為確定其剛體翻譯基本上，其中 、、和 是 沿，和三個(gè)正交組件（見圖2）。
圖2 工件剛體平移和旋轉(zhuǎn)
工件的定位誤差歸于裝夾力，然后可以在該剛體位移的范數(shù)計(jì)算如下：
（6）
其中表示一個(gè)向量二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。
但是作用在工件的夾緊力會(huì)影響定位誤差。當(dāng)多個(gè)夾緊力作用于工件，由此產(chǎn)生的夾緊力為,有如下形式：
（7）
其中夾緊力是矢量，夾緊力的方向矩陣，是夾緊力是矢量的方向余弦，、和 是第i個(gè)夾緊點(diǎn)夾緊力在、和方向上的向量角度（i=1、2、3...,C）。
在這個(gè)文件中，由于接觸區(qū)變形造成的工件的定位誤差，被假定為受的作用力是法線的，接觸的摩擦力相對(duì)較小，并在進(jìn)行分析時(shí)忽略了加緊力對(duì)工件的定位誤差的影響。意指正常接觸剛度比，是通過（i=1，2…L）和最小的所有定位器正常剛度相乘，并假設(shè)工件、、取決于、、的方向，各自的等效接觸剛度可有下式計(jì)算得出（見圖3），工件剛體運(yùn)動(dòng)，歸于夾緊行動(dòng)現(xiàn)在可以寫成：
(8)
工件有位移，因此，定位誤差的減小可以通過盡量減少產(chǎn)生的夾緊力向量 范數(shù)。因此，第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)可以寫為：
最小化 （9）
要注意，加權(quán)因素是與等效接觸剛度成正比的在、和 方向上。通過使用最低總能量互補(bǔ)參考文獻(xiàn)[15，23]的原則求解彈性力學(xué)接觸問題得出A的組成部分是唯一確定的，這保證了夾緊力和相應(yīng)的定位反應(yīng)是“真正的”解決方案，對(duì)接觸問題和產(chǎn)生的“真正”剛體位移，而且工件保持在靜態(tài)平衡，通過夾緊力的隨時(shí)調(diào)整。因此，總能量最小化的形式為補(bǔ)充的夾緊力優(yōu)化的第二個(gè)目標(biāo)函數(shù)，并給出：
最小化 （10）
其中代表機(jī)構(gòu)的彈性變形應(yīng)變能互補(bǔ)，代表由外部力量和力矩配合完成，是遵守對(duì)角矩陣的， 和是所有接觸力的載體。
如圖3 加權(quán)系數(shù)計(jì)算確定的基礎(chǔ)
內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（外文翻譯）
2.2 摩擦和靜態(tài)平衡約束
在（10）式優(yōu)化的目標(biāo)受到一定的限制和約束，他們中最重要的是在每個(gè)接觸處的靜摩擦力約束。庫侖摩擦力的法律規(guī)定（是靜態(tài)摩擦系數(shù)）,這方面的一個(gè)非線性約束和線性化版本可以使用，并且[19]有：
（11）
假設(shè)準(zhǔn)靜態(tài)載荷，工件的靜力平衡由下列力和力矩平衡方程確保（向量形式）：
(12)
其中包括在法線和切線方向的力和力矩的機(jī)械加工力和工件重量。
2.3界接觸力
由于夾具——工件接觸是單側(cè)面的，法線的接觸力只能被壓縮。這通過以下的的約束表（i=1，2…,L+C） （13）
它假設(shè)在工件上的法線力是確定的，此外，在一個(gè)法線的接觸壓力不能超過壓工件材料的屈服強(qiáng)度（）。這個(gè)約束可寫為：
（i=1，2，…,L+C） (14)
如果是在第i個(gè)工件——夾具的接觸處的接觸面積，完整的夾緊力優(yōu)化模型，可以寫成：最小化 (15)
3．模型算法求解
式（15）多目標(biāo)優(yōu)化問題可以通過求解約束[24]。這種方法將確定的目標(biāo)作為首要職能之一，并將其轉(zhuǎn)換成一個(gè)約束對(duì)。該補(bǔ)充（）的主要目的是處理功能，并由此得到夾緊力（）作為約束的加權(quán)范數(shù)最小化。對(duì)為主要目標(biāo)的選擇，確保選中一套獨(dú)特可行的夾緊力，因此，工件——夾具系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)（即最低能量狀態(tài)），此狀態(tài)也表示有最小的夾緊力下的加權(quán)范數(shù)。 的約束轉(zhuǎn)換涉及到一個(gè)指定的加權(quán)范數(shù)小于或等于，其中是 的約束，假設(shè)最初所有夾緊力不明確，要確定一個(gè)合適的。在定位和夾緊點(diǎn)的接觸力的計(jì)算只考慮第一個(gè)目標(biāo)函數(shù)（即）。雖然有這樣的接觸力，并不一定產(chǎn)生最低的夾緊力，這是一個(gè)“真正的”可行的解決彈性力學(xué)問題辦法，可完全抑制工件在夾具中的位置。這些夾緊力的加權(quán)系數(shù)，通過計(jì)算并作為初始值與比較，因此，夾緊力式（15）的優(yōu)化問題可改寫為:
最小化 （16）
由： (11)–(14) 得。
類似的算法尋找一個(gè)方程根的二分法來確定最低的上的約束, 通過盡可能降低上限，由此產(chǎn)生的最小夾緊力的加權(quán)范數(shù)。 迭代次數(shù)K，終止搜索取決于所需的預(yù)測精度和，有參考文獻(xiàn)[15]：
（17）
其中表示上限的功能，完整的算法在如圖4中給出。
圖4 夾緊力的優(yōu)化算法（在示例1中使用）。 圖5 該算法在示例2使用
4． 加工過程中的夾緊力的優(yōu)化及測定
上一節(jié)介紹的算法可用于確定單負(fù)載作用于工件的載體的最佳夾緊力，然而，刀具路徑隨磨削量和切割點(diǎn)的不斷變化而變化。因此，相應(yīng)的夾緊力和最佳的加工負(fù)荷獲得將由圖4算法獲得，這大大增加了計(jì)算負(fù)擔(dān)，并要求為選擇的夾緊力提供標(biāo)準(zhǔn)， 將獲得滿意和適宜的整個(gè)刀具軌跡 ，用保守的辦法來解決下面將被討論的問題，考慮一個(gè)有限的數(shù)目（例如m）沿相應(yīng)的刀具路徑設(shè)置的產(chǎn)生m個(gè)最佳夾緊力，選擇記為， ， …,在每個(gè)采樣點(diǎn)，考慮以下四個(gè)最壞加工負(fù)荷向量：
(18)、和表示在、和方向上的最大值，、和上的數(shù)字1，2，3分別代替對(duì)應(yīng)的和另外兩個(gè)正交切削分力，而且有：
雖然4個(gè)最壞情況加工負(fù)荷向量不會(huì)在工件加工的同一時(shí)刻出現(xiàn)，但在每次常規(guī)的進(jìn)給速度中，刀具旋轉(zhuǎn)一次出現(xiàn)一次，負(fù)載向量引入的誤差可忽略。因此，在這項(xiàng)工作中，四個(gè)載體負(fù)載適用于同一位置，（但不是同時(shí)）對(duì)工件進(jìn)行的采樣 ，夾緊力的優(yōu)化算法圖4，對(duì)應(yīng)于每個(gè)采樣點(diǎn)計(jì)算最佳的夾緊力。夾緊力的最佳形式有：
(i=1,2,…,m) (j=x,y z,r) (19)
其中是最佳夾緊力的四個(gè)情況下的加工負(fù)荷載體，(C=1，2，…C)是每個(gè)相應(yīng)的夾具在第i個(gè)樣本點(diǎn)和第j負(fù)荷情況下力的大小。是計(jì)算每個(gè)負(fù)載點(diǎn)之后的結(jié)果，一套簡單的“最佳”夾緊力必須從所有的樣本點(diǎn)和裝載條件里發(fā)現(xiàn)，并在所有的最佳夾緊力中選擇。這是通過在所有負(fù)載情況和采樣點(diǎn)排序，并選擇夾緊點(diǎn)的最高值的最佳的夾緊力，見于式 （20）：
（k=1，2，…，C） （20）
只要這些具備，就得到一套優(yōu)化的夾緊力，驗(yàn)證這些力，以確保工件夾具系統(tǒng)的靜態(tài)平衡。否則，會(huì)出現(xiàn)更多采樣點(diǎn)和重復(fù)上述程序。在這種方式中，可為整個(gè)刀具路徑確定“最佳”夾緊力 ，圖5總結(jié)了剛才所描述的算法。請(qǐng)注意，雖然這種方法是保守的，它提供了一個(gè)確定的夾緊力，最大限度地減少工件的定位誤差的一套系統(tǒng)方法。
5．影響工件的定位精度
它的興趣在于最早提出了評(píng)價(jià)夾緊力的算法對(duì)工件的定位精度的影響。工件首先放在與夾具接觸的基板上，然后夾緊力使工件接觸到夾具，因此，局部變形發(fā)生在每個(gè)工件夾具接觸處，使工件在夾具上移位和旋轉(zhuǎn)。隨后，準(zhǔn)靜態(tài)加工負(fù)荷應(yīng)用造成工件在夾具的移位。工件剛體運(yùn)動(dòng)的定義是由它在、和方向上的移位和自轉(zhuǎn)（見圖2），
如前所述，工件剛體位移產(chǎn)生于在每個(gè)夾緊處的局部變形，假設(shè)為相對(duì)于工件的質(zhì)量中心的第i個(gè)位置矢量定位點(diǎn)，坐標(biāo)變換定理可以用來表達(dá)在工件的位移，以及工件自轉(zhuǎn)如下: (21)
其中表示旋轉(zhuǎn)矩陣,描述當(dāng)?shù)卦诘趇幀相聯(lián)系的全球坐標(biāo)系和是一個(gè)旋轉(zhuǎn)矩陣確定工件相對(duì)于全球的坐標(biāo)系的定位坐標(biāo)系。假設(shè)夾具夾緊工件旋轉(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)很小，故也可近似為：
（22）
方程（21）現(xiàn)在可以改寫為： （23）
其中是經(jīng)方程（21）重新編排后變換得到的矩陣式，是夾緊和加工導(dǎo)致的工件剛體運(yùn)動(dòng)矢量。工件與夾具單方面接觸性質(zhì)意味著工件與夾具接觸處沒有拉力的可能。因此，在第i裝夾點(diǎn)接觸力可能與的關(guān)系如下：
（24）
其中是在第i個(gè)接觸點(diǎn)由于夾緊和加工負(fù)荷造成的變形，意味著凈壓縮變形，而負(fù)數(shù)則代表拉伸變形; 是表示在本地坐標(biāo)系第i個(gè)接觸剛度矩陣，是單位向量. 在這項(xiàng)研究中假定液壓/氣動(dòng)夾具，根據(jù)對(duì)外加工負(fù)荷，故在法線方向的夾緊力的強(qiáng)度保持不變，因此，必須對(duì)方程（24）的夾緊點(diǎn)進(jìn)行修改為：
（25）
其中是在第i個(gè)夾緊點(diǎn)的夾緊力，讓表示一個(gè)對(duì)外加工力量和載體的6×1矢量。并結(jié)合方程（23）—（25）與靜態(tài)平衡方程，得到下面的方程組：
（26）
其中，其中表示相乘。由于夾緊和加工工件剛體移動(dòng)，q可通過求解式（26）得到。工件的定位誤差向量， （見圖6），
現(xiàn)在可以計(jì)算如下： （27）
其中是考慮工件中心加工點(diǎn)的位置向量，且
6．模擬工作
較早前提出的算法是用來確定最佳夾緊力及其對(duì)兩例工件精度的影響例如：
1．適用于工件單點(diǎn)力。
2．應(yīng)用于工件負(fù)載準(zhǔn)靜態(tài)銑削序列
如左圖7 工件夾具配置中使用的模擬研究 工件夾具定位聯(lián)系; 、和全球坐標(biāo)系。
3-2-1夾具圖7所示，是用來定位并控制7075 - T6鋁合金（127毫米×127毫米×38.1毫米）的柱狀塊。假定為球形布局傾斜硬鋼定位器/夾具在表1中給出。工件——夾具材料的摩擦靜電對(duì)系數(shù)為0.25。使用伊利諾伊大學(xué)開發(fā)EMSIM程序[參考文獻(xiàn)26] 對(duì)加工瞬時(shí)銑削力條件進(jìn)行了計(jì)算，如表2給出例（1），應(yīng)用工件在點(diǎn)（109.2毫米，25.4毫米，34.3毫米）瞬時(shí)加工力，圖4中表3和表4列出了初級(jí)夾緊力和最佳夾緊力的算法 。該算法如圖5所示 ，一個(gè)25.4毫米銑槽使用EMSIM進(jìn)行了數(shù)值模擬，以減少起步（0.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）和結(jié)束時(shí)（127.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）四種情況下加工負(fù)荷載體，
（見圖8）。模擬計(jì)算銑削力數(shù)據(jù)在表5中給出。
圖8最終銑削過程模擬例如2。
表6中5個(gè)坐標(biāo)列出了為模擬抽樣調(diào)查點(diǎn)。最佳夾緊力是用前面討論過的排序算法計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)和負(fù)載載體最后的夾緊力和負(fù)載。
7．結(jié)果與討論
例如算法1的繪制最佳夾緊力收斂圖9，
圖9
對(duì)于固定夾緊裝置在圖示例假設(shè)（見圖7），由此得到的夾緊力加權(quán)范數(shù)有如下形式：.結(jié)果表明，最佳夾緊力所述加工條件下有比初步夾緊力強(qiáng)度低得多的加權(quán)范數(shù)，最初的夾緊力是通過減少工件的夾具系統(tǒng)補(bǔ)充能量算法獲得。由于夾緊力和負(fù)載造成的工件的定位誤差，如表7。結(jié)果表明工件旋轉(zhuǎn)小，加工點(diǎn)減少錯(cuò)誤從13.1％到14.6％不等。在這種情況下，所有加工條件改善不是很大，因?yàn)閺淖畛跬ㄟ^互補(bǔ)勢能確定的最小化的夾緊力值已接近最佳夾緊力。圖5算法是用第二例在一個(gè)序列應(yīng)用于銑削負(fù)載到工件，他應(yīng)用于工件銑削負(fù)載一個(gè)序列。最佳的夾緊力，，對(duì)應(yīng)列表6每個(gè)樣本點(diǎn)，隨著最后的最佳夾緊力，在每個(gè)采樣點(diǎn)的加權(quán)范數(shù)和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10，在每個(gè)采樣點(diǎn)的加權(quán)范數(shù)的，，和繪制。
結(jié)果表明，由于每個(gè)組成部分是各相應(yīng)的最大夾緊力，它具有最高的加權(quán)范數(shù)。如圖10所示，如果在每個(gè)夾緊點(diǎn)最大組成部分是用于確定初步夾緊力，則夾緊力需相應(yīng)設(shè)置，有比相當(dāng)大的加權(quán)范數(shù)。故是一個(gè)完整的刀具路徑改進(jìn)方案。上述模擬結(jié)果表明，該方法可用于優(yōu)化夾緊力相對(duì)于初始夾緊力的強(qiáng)度，這種做法將減少所造成的夾緊力的加權(quán)范數(shù)，因此將提高工件的定位精度。
圖10
8．結(jié)論
該文件提出了關(guān)于確定多鉗夾具，工件受準(zhǔn)靜態(tài)加載系統(tǒng)的優(yōu)化加工夾緊力的新方法。夾緊力的優(yōu)化算法是基于接觸力學(xué)的夾具與工件系統(tǒng)模型，并尋求盡量減少應(yīng)用到所造成的工件夾緊力的加權(quán)范數(shù)，得出工件的定位誤差。該整體模型，制定一個(gè)雙目標(biāo)約束優(yōu)化問題，使用-約束的方法解決。該算法通過兩個(gè)模擬表明，涉及3-2-1型，二夾銑夾具的例子。今后的工作將解決在動(dòng)態(tài)負(fù)載存在夾具與工件在系統(tǒng)的優(yōu)化，其中慣性，剛度和阻尼效應(yīng)在確定工件夾具系統(tǒng)的響應(yīng)特性具有重要作用。
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畢業(yè)設(shè)計(jì)(開題報(bào)告)
課題名稱
撥叉鉆F18孔夾具設(shè)計(jì)
系 部
機(jī)械工程學(xué)院
專 業(yè)
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
任務(wù)起止日期
2014
年
12
月
26
日至
2015
年
5
月
27
日共
17
周
指導(dǎo)教師簽名（校內(nèi)）
莫文輝
指導(dǎo)教師簽名（校外）
教學(xué)主任簽名
年
月
日
1 前言
撥叉的加工工藝及夾具設(shè)計(jì)為本課題的研究內(nèi)容，對(duì)此研究查閱大量的資料，首先明白機(jī)械加工工藝過程就是用切削的方法改變毛坯的形狀、尺寸和材料的物理機(jī)械性質(zhì)成為具有所需要的一定形狀尺寸精度、粗糙度等的零件。
為了十分具體確切的說明過程，盡可能使工件能按照零件圖的技術(shù)要求加工出來，就得制定嚴(yán)謹(jǐn)合理的機(jī)械加工工藝規(guī)程來作為生產(chǎn)的指導(dǎo)性技術(shù)文件，學(xué)習(xí)理解，深入研究制定機(jī)械加工工藝規(guī)程的意義與作用就是本課題研究目的。
在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中,我們將學(xué)習(xí)到更多的知識(shí)。
（1）我們必須仔細(xì)了解零件結(jié)構(gòu)，首先通過對(duì)零件圖進(jìn)行認(rèn)真的分析,培養(yǎng)我們獨(dú)立識(shí)圖能力,進(jìn)一步增強(qiáng)我們對(duì)零件圖的認(rèn)識(shí)和了解,其次通過對(duì)零件圖的繪制,能增強(qiáng)我們的繪圖能力和運(yùn)用制圖軟件的能力。
（2）制訂工藝規(guī)程、確定加工余量、工藝尺寸計(jì)算、工時(shí)定額計(jì)算、定位誤差分析等工藝設(shè)計(jì)。在整個(gè)設(shè)計(jì)中也是非常重要的,通過這些設(shè)計(jì),不僅讓我們更為全面地了解零件的加工過程、加工尺寸的確定,而且讓我們知道工藝路線和加工余量的確定,必須與工廠的實(shí)際狀況相結(jié)合相適應(yīng)。這是對(duì)以前學(xué)習(xí)過的知識(shí)理論的復(fù)習(xí),也是對(duì)以后參加工作進(jìn)行實(shí)踐的一個(gè)很好的鋪墊。
（3）在這個(gè)設(shè)計(jì)過程中,我們還必須考慮工件的安裝和夾緊.安裝的正確與否直接影響工件加工精度,安裝是否方便和迅速,又會(huì)影響輔助時(shí)間的長短,從而影響生產(chǎn)率,夾具是加工工件時(shí),為完成某道工序,用來正確迅速安裝工件的裝置.它對(duì)保證加工精度、提高生產(chǎn)率和減輕工人勞動(dòng)量有很大作用。這是整個(gè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn),也是一個(gè)難點(diǎn)
?近年來，機(jī)械制造工藝有著飛速的發(fā)展。比如，應(yīng)用人工智能選擇零件的工藝規(guī)程。因?yàn)樘胤N加工的微觀物理過程非常復(fù)雜，往往涉及電磁場、熱力學(xué)、流體力學(xué)、電化學(xué)等諸多領(lǐng)域，其加工機(jī)理的理論研究極其困難,通常很難用簡單的解析式來表達(dá)。近年來，雖然各國學(xué)者采用各種理論對(duì)不同的特種加工技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，并取得了卓越的理論成就，但離定量的實(shí)際應(yīng)用尚有一定的距離。然而采用每一種特種加工方法所獲得的加工精度和表面質(zhì)量與加工條件參數(shù)間都有其規(guī)律。因此，目前常采用研究傳統(tǒng)切削加工機(jī)理的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)方 法來了解特種加工的工藝規(guī)律，以便實(shí)際應(yīng)用，但還缺乏系統(tǒng)性。受其限制，目前特種加工的工藝參數(shù)只能憑經(jīng)驗(yàn)選取，還難以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化和自動(dòng)化，例如，電火花成形電極的沉入式 加工工藝，它在占電火花成形機(jī)床總數(shù)95%以上的非數(shù)控電火花成形加工機(jī)床和較大尺寸的模具型腔加工中得到廣泛應(yīng)用。雖然已有學(xué)者對(duì)其CAD、CAPP和CAM原理開展了一些研究，并取得了一些成果，但由于工藝數(shù)據(jù)的缺乏，仍未有成熟的商品化的CAD/CAM系統(tǒng)問世。通常只能采用手工的方法或部分借助于CAD造型、部分生成復(fù)雜電極的三維型面數(shù)據(jù)。隨著模糊 數(shù)學(xué)、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)及專家系統(tǒng)等多種人工智能技術(shù)的成熟發(fā)展，人們開始嘗試?yán)眠@一技術(shù)來建立加工效果和加工條件之間的定量化的精度、效率、經(jīng)濟(jì)性等實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并得到了初?的成果。因此，通過實(shí)驗(yàn)建模，將典型加工實(shí)例和加工經(jīng)驗(yàn)作為知識(shí)存儲(chǔ)起來，建立描述特種加工工藝規(guī)律的可擴(kuò)展性開放系統(tǒng)的條件已經(jīng)成熟。并為進(jìn)一步開展特種加工加工工藝過程的計(jì)算機(jī)模擬，應(yīng)用人工智能選擇零件的工藝規(guī)程和虛擬加工奠定基礎(chǔ)。同時(shí)，在機(jī)械加工過程中，夾具占有非常重要的地位，它可靠地保證了工件的加工精度，提高了加工效率，減輕了勞動(dòng)的強(qiáng)度，夾具的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)深入生產(chǎn)實(shí)際，（對(duì)工件的圖紙，工藝文件，生產(chǎn)綱領(lǐng)等分析），精心調(diào)查研究，吸取國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)，制訂出合理的設(shè)計(jì)方案。
我們都知道減少停工檢修期是提高生產(chǎn)力、使生產(chǎn)能力利用系數(shù)最大化的一項(xiàng)重要因素。然而零件加工過程中的精確定位和裝夾的重復(fù)精度也是改進(jìn)效率和質(zhì)量的關(guān)鍵。譬如柔性加工中心的產(chǎn)生就是為了減少產(chǎn)品循環(huán)周期。
2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢
目前中國制造業(yè)發(fā)展迅猛，以前的我國制造業(yè)普遍使用剛性專機(jī)加工各種各樣的零部件，導(dǎo)致改型和生產(chǎn)個(gè)零部件周期較長。隨著我國制造業(yè)發(fā)展和各種各種零件的需求與日俱增，加工設(shè)備和工藝也向著柔性化的方向轉(zhuǎn)變。加工裝備的柔性概念和需求主要體現(xiàn)在對(duì)設(shè)備快速性和適應(yīng)性的需求上，因此制造商不得不尋求柔性和產(chǎn)量之間的最佳組合。當(dāng)然，在滿足了柔性的條件下、也有著不同的解決方案，如：模塊化、可變換化、可重新配置化、在線兼容性等。不論采用哪種方案，使用高性能的液壓夾具都顯得尤為重要，現(xiàn)在，柔性專機(jī)、可重新配置的機(jī)床及專用加工中心的組合應(yīng)用，使得發(fā)動(dòng)機(jī)零件的加工變得越來越柔性化，具體情況取決于每個(gè)加工項(xiàng)目的產(chǎn)量配額
使用液壓夾具的主要優(yōu)勢是能節(jié)省夾緊和松卸工件時(shí)所花的大量的時(shí)間。有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明液壓夾緊相比機(jī)械夾緊節(jié)省90%~95%的時(shí)間，縮小了生產(chǎn)循環(huán)周期，從而增加了產(chǎn)量也就意味著降低了成本。
當(dāng)加工一長型鋁合金零件時(shí)，刀具通過時(shí)旋轉(zhuǎn)油缸可快速讓開，刀具通過后可快速復(fù)位。液壓夾具系統(tǒng)的第二項(xiàng)重要特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)非常高的定位精度。關(guān)鍵在于夾緊力在定位和夾緊過程中保持恒定不變。從而確保了同一道工序下的加工質(zhì)量一致性。由于變形造成的廢品率將會(huì)微乎其微
夾具是機(jī)械加工不可缺少的部件，在機(jī)床技術(shù)向高速、高效、精密、復(fù)合、智能、環(huán)保方向發(fā)展的帶動(dòng)下，夾具技術(shù)正朝著高精、高效、模塊、組合、通用、經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展
3 本課題的基本內(nèi)容，預(yù)計(jì)可能遇到的困難，提出解決問題的方法和措施
本課題的基本內(nèi)容：撥叉加工工藝及夾具設(shè)計(jì)
1 撥叉加工工藝
（1) 制訂規(guī)程，關(guān)鍵是工序的劃分和定位基準(zhǔn)的選擇。在設(shè)計(jì)開始的過程中，我們必須要認(rèn)真分析零件圖，了解其箱體零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相關(guān)的技術(shù)要求，對(duì)箱體零件的每一個(gè)細(xì)節(jié)，都應(yīng)仔細(xì)的分析，如箱體加工表面的平行度、粗糙度、垂直度，特別是要注意箱體零件各孔系自身精度（同軸度、圓度、粗糙度等）和它們的相互位置精度（軸線之間的平行度、垂直度以及軸線與平面之間的平行度、垂直度等要求），箱體零件的尺寸是整個(gè)零件加工的關(guān)鍵，必須弄清箱體零件的每一個(gè)尺寸。繪制零件圖是一個(gè)重點(diǎn)，同時(shí)因?yàn)橄潴w零件比較復(fù)雜,所以也是一個(gè)難點(diǎn)。我們采用solidworks軟件繪制零件圖，一方面增加我們對(duì)零件各部分構(gòu)造的認(rèn)識(shí)，另一方面增加我們對(duì)solidworks軟件的熟悉。
(2) 工序的劃分 ，確定加工順序和工序內(nèi)容，安排工序的集中和分散程度，劃分工序階段，這項(xiàng)工作與生產(chǎn)綱領(lǐng)有密切關(guān)系，具體可以根據(jù)生產(chǎn)類型、零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、技術(shù)要求和機(jī)床設(shè)備等。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)條件確定工藝過程的工序次數(shù)；如批量小時(shí)可采用在通用機(jī)床上工序集中原則，批量大時(shí)即可按工序分散原則，組織流水線生產(chǎn)，也可利用高生產(chǎn)率的通用設(shè)備，按工序集中原則組織生產(chǎn)。
(3) 定位基準(zhǔn)的選擇，根據(jù)粗基準(zhǔn)，精基準(zhǔn)的選擇原則；遵循基準(zhǔn)統(tǒng)一、基準(zhǔn)重合。由零件圖具體分析可得：撥叉首先以一側(cè)面和一個(gè)為粗基準(zhǔn)，對(duì)底平面A進(jìn)行粗加工，再以底平面A為精基準(zhǔn)加工孔。
2 夾具設(shè)計(jì)可能遇到的問題：
工件定位是否正確，定位精度是否滿足要求，工件夾緊牢固是否可靠等等。工件在夾具中的定位精度，主要與定位基準(zhǔn)是否與工序基準(zhǔn)重合、定位基準(zhǔn)與定位元件的配合狀況等諸多因素有關(guān)，可提高夾具的制造精度，減少配合間隙，就能提高夾具在機(jī)床上的定位精度，夾具中出現(xiàn)過定位時(shí)，可通過撤消多余定位元件，使多余定位元件失去限制重復(fù)自由度的能力，增加過定位元件與定位基準(zhǔn)的配合間隙等辦法來解決。
夾緊必須可靠，但夾緊力不可過大，以免工件或夾具產(chǎn)生過大變形。可采用多點(diǎn)夾緊或在工件鋼性薄弱部位安放適當(dāng)?shù)妮o助支撐。夾具的設(shè)計(jì)必須要保證夾具的定位準(zhǔn)確和機(jī)構(gòu)合理,考慮夾具的定位誤差和安裝誤差。我們將通過對(duì)工件與夾具的認(rèn)真分析,結(jié)合一些夾具的具體設(shè)計(jì)事例,查閱相關(guān)的夾具設(shè)計(jì)資料,聯(lián)系在實(shí)習(xí)工廠看到的一些箱體零件加工的夾具來解決這些問題.
上述即為可能遇到問題以及初步考慮的解決措施
4 本論文課題擬采用的研究手段（途徑）和可行性分析
根據(jù)不同的研究對(duì)象擬采用不同的研究手段（途徑），本課題包括兩方面內(nèi)容：
一 撥叉加工工藝的設(shè)計(jì)和夾具設(shè)計(jì)
二 制定工藝規(guī)程的研究途徑和可行性分析
毛坯的選擇：
?根據(jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)和零件結(jié)構(gòu)選擇毛坯，毛坯的種類一般在零件圖上已有規(guī)定。對(duì)于鑄件和鍛件應(yīng)了解其分模面、澆口、冒口位置和拔模率，以便在選擇定位基準(zhǔn)和計(jì)算加工余量時(shí)有所考慮。如果毛坯是棒料或型材，則按其標(biāo)準(zhǔn)確定尺寸規(guī)格，并決定每批加工件數(shù)。
毛坯的種類和其質(zhì)量對(duì)機(jī)械加工的質(zhì)量有密切的關(guān)系。同時(shí)對(duì)勞動(dòng)生產(chǎn)率、材料消耗、成本高低有很大的影響。撥叉毛坯材料為灰鑄鐵（HT150），硬度范圍在150～200HBS，需要承受中等載荷。采用砂型鑄造方法，由于大批量生產(chǎn)故宜采用實(shí)體金屬模進(jìn)行兩箱造型，這不僅簡化了造型和合箱操作，還因型砂緊實(shí)度較為均勻，提高鑄件的表面質(zhì)量。在切削加工前進(jìn)行石墨化退火處理，消除鑄件表層和壁厚較薄的部位可能出現(xiàn)的白口組織（大量滲碳體出現(xiàn)）以便進(jìn)行切削加工。
擬訂工藝路線：
表示零件的加工順序及加工方法，分出工序，安裝或工位及工步等。并選擇各工序所使用的機(jī)床型號(hào)、刀具、夾具及量具等。擬訂工藝路線從實(shí)際出發(fā)，理論和實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合起來。常常需要提出幾個(gè)方案，進(jìn)行分析比較后再確定。
計(jì)算切削用量、加工余量及工時(shí)定額：
?查閱《切削用量手冊(cè)》等資料并進(jìn)行計(jì)算確定。根據(jù)相關(guān)的規(guī)律，對(duì)單件小批量生產(chǎn)不規(guī)定切削用量，而是由工人根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)的情況自行選定，但對(duì)于自動(dòng)線和流水線，為保證生產(chǎn)的節(jié)拍，必須規(guī)定切削用量，這些內(nèi)容并不能隨意確定和蓋面。計(jì)算加工余量、工序尺寸及公差是要控制各工序的加工質(zhì)量以保證最終加工質(zhì)量。工時(shí)定額一般按各工廠的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)積累起來的統(tǒng)計(jì)資料來估算。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，工藝的改進(jìn)，新工藝，新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，工時(shí)定額應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的修改。
?對(duì)機(jī)械加工工藝規(guī)程基本要求可歸結(jié)為質(zhì)量、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性。雖然有時(shí)互相矛盾，但只要把它們處理好，就會(huì)成為一個(gè)統(tǒng)一體。在三個(gè)要求中，質(zhì)量是生產(chǎn)的核心。質(zhì)量表現(xiàn)在機(jī)械產(chǎn)品的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)，質(zhì)量不能保證，根本談不上數(shù)量；質(zhì)量和生產(chǎn)率之間是密切聯(lián)系的，在確保高質(zhì)量的前提下，應(yīng)該不斷地最大限度地提高生產(chǎn)率，滿足生產(chǎn)量的要求。如果兩者矛盾，則生產(chǎn)率要服從于質(zhì)量，應(yīng)在保證質(zhì)量的前提下解決生產(chǎn)率問題。在保證質(zhì)量和上產(chǎn)率的前提下，應(yīng)盡可能的節(jié)約耗費(fèi)，減少投資，降低制造成本，這就是經(jīng)濟(jì)性。
因此，撥叉的工藝規(guī)程研究途徑應(yīng)該體現(xiàn)質(zhì)量、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性的平衡統(tǒng)一，達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理及可行的最優(yōu)方案。
5 夾具設(shè)計(jì)的研究途徑和可行性分析
?撥叉鏜、銑、鉆等工序使用的專用夾具，此類夾具的特點(diǎn)是針對(duì)性強(qiáng)、加工質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡便、生產(chǎn)率高。
夾具設(shè)計(jì)最關(guān)鍵是工件精確定位和可靠的夾緊。為了解決此問題，首先得了解影響定位精度的因素。然后采取措施解決具體的問題。如定位基準(zhǔn)與定位元件的配合狀況和影響定位精度，那么可以提高夾具的制造精度，減小配合間隙就能提高夾具在機(jī)床上的定位精度。
除此之外，選擇夾具的類型與結(jié)構(gòu)型式必須與零件生產(chǎn)批量大小相適應(yīng)，夾具結(jié)構(gòu)與零部件應(yīng)具有足夠的剛度和強(qiáng)度，從而保證夾具操作方便、夾緊可靠、使用安全、并有合理的裝卸空間。
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