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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(guó)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(guò)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(guò) 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(guò)程中產(chǎn)生的移動(dòng) 然而 過(guò)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(guò)來(lái)影響零件質(zhì)量 所以有必要確定最佳夾 緊力 來(lái)減小由于彈性變形對(duì)工件的定位誤差 同時(shí)滿(mǎn)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(méi)有得到充分討論 也有少數(shù) 的研究人員通過(guò)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(wèn)題是制定一個(gè)線(xiàn)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(xiàn)接觸力 接觸摩擦力的影響被忽視 因?yàn)樗^法線(xiàn)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(guò) 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(guò)假設(shè)已知摩擦力的方向來(lái)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(wú)法確定工件移位的唯一性 第 1 頁(yè) 共 15 頁(yè) 這種限制可以通過(guò)計(jì)算夾具 工件系統(tǒng) 15 的彈性來(lái)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(chēng)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(guò)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(méi)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(méi)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(méi)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(guò)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(wèn)題被作為多目標(biāo)約束優(yōu)化問(wèn)題 提出和解決 通過(guò)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(xiàn)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(guò)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(jiàn)圖 1 第 i 夾具接觸力局部變形如下 1 iijjFkd 其中 j x y z 表示 在當(dāng)?shù)刈幼鴺?biāo)系切線(xiàn)和法線(xiàn)方向的接觸剛度ij 第 2 頁(yè) 共 15 頁(yè) 圖1 彈簧夾具 工件接觸模型 表示在第i個(gè)ixyz 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ijd 和 切向力接觸 法線(xiàn)力接觸 ixFiyizF 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(xiàn)性的 因?yàn)榻佑| 半徑與隨法線(xiàn)力呈非線(xiàn)性變化 23 由于法線(xiàn)力 接觸變形作用于半徑 和平iPiR 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(wèn)題 對(duì)于這個(gè)問(wèn)題 是法線(xiàn)的變形 在 文獻(xiàn) 23 第 93 頁(yè) 中給出如下 in 2 1 3296 iiniPRE 其中 式中 和 是工件和夾具的彈性模量 22 11fw wEf w 分別是工件和材料的泊松比 f 切向變形 沿著 和 切線(xiàn)方向 硅業(yè)切力距ity iittx 或 者 ixiy 有以下形式 文獻(xiàn) 23 第 217 頁(yè) iyQiix或 者 3 t28 ifi wiaG 其中 分別是工件和夾具剪切模量 1 3134ifi wPRE fGw 一個(gè)合理的接觸剛度的線(xiàn)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(xiàn)性化接觸剛度值 在計(jì)算上述的線(xiàn)性近似 第 3 頁(yè) 共 15 頁(yè) 4 1 32 68 9iizREk 5 1 24jii iwxy zf kG 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(guò)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(guò)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(guò)制 定一個(gè)多目標(biāo)約束優(yōu)化問(wèn)題的問(wèn)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TwwdXYZ wX wY 是 沿 和 三個(gè)正交組件 見(jiàn)圖 2 Zxgygz 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 2L 第 4 頁(yè) 共 15 頁(yè) 6 222wwwdXYZ 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 TRRCXYZP 7 RC 其中夾緊力 是矢量 夾緊力的方向 矩陣 1 TLCC 1 TCLCRn 是夾緊力是矢量的方向余弦 和 coscosLiLiiin i i Li 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 gXYgZ 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(xiàn)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(guò) i 1 2 L 和最小zkii 的所有定位器正常剛度 相乘 并假設(shè)工件 取決于 zks xNyzgXY 的方向 各自的等效接觸剛度可有下式 計(jì)算gZ 111 XYZNNssszizizikk 和 得出 見(jiàn)圖 3 工件剛體運(yùn)動(dòng) 歸于夾緊行動(dòng)現(xiàn)在可以寫(xiě)成 wd 8 111XYZ TRRRwNNNsssziziziPPdkk 工件有位移 因此 定位誤差的減小可以通過(guò)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(xiě)為 2L 最小化 XYZ 222RRERCNNw111PP iii 9 第 5 頁(yè) 共 15 頁(yè) 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gXYgZ 過(guò)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(wèn)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(wèn)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(guò)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 222iiiL CL CL Cx 111FFUW kkyziii TQ 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 W 完成 是遵守對(duì)角矩陣的 和Q1 LCxyzxyzcc 1iijjck 是所有接觸力的載體 TxyzzFF 如圖 3 加權(quán)系數(shù) 計(jì)算確定的基礎(chǔ)2L 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(kù)侖摩擦力的法律規(guī)定 是 22iiixyszFF is 靜態(tài)摩擦系數(shù) 這方面的一個(gè)非線(xiàn)性約束和線(xiàn)性化版本可以使用 并且 19 有 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 6 頁(yè) 共 15 頁(yè) 11 iiixyszF 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 0F 0M 其中包括在法線(xiàn)和切線(xiàn)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(xiàn)的接觸力 只能被壓縮 這通過(guò)iP 以下的 的約束表 i 1 2 L C 13 iP0i 它假設(shè)在工件上的法線(xiàn)力是確定的 此外 在一個(gè)法線(xiàn)的接觸壓力不能超過(guò)壓 工件材料的屈服強(qiáng)度 這個(gè)約束可寫(xiě)為 yS i 1 2 L C 14 iyiPSA 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i 模型 可以寫(xiě)成 最小化 15 12fTRCwQP 3 模型算法求解 式 15 多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題可以通過(guò)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1f 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2f 2L1f 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 2Lf 2L 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f 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1f 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 7 頁(yè) 共 15 頁(yè) 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(wèn)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(guò)計(jì)算并作為2L 初始值與 比較 因此 夾緊力式 15 的優(yōu)化問(wèn)題可改寫(xiě)為 最小化 16 12TfQ 由 11 14 得 RCwP 類(lèi)似的算法尋找一個(gè)方程根的二分法來(lái)確定最低的 上的約束 通過(guò)盡RCwP 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 2L 索取決于所需的預(yù)測(cè)精度 和 有參考文獻(xiàn) 15 TwxyzTiiiziidrXYZ 2Klog 17 其中 表示上限的功能 完整的算法在如圖 4 中給出 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 8 頁(yè) 共 15 頁(yè) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 9 頁(yè) 共 15 頁(yè) 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(guò)程中的夾緊力的優(yōu)化及測(cè)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(mǎn)意和適宜的整個(gè)刀具軌跡 用保守的辦法來(lái)解 決下面將被討論的問(wèn)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) 1optP2t3optPopt 考慮以下四個(gè)最壞加工負(fù)荷向量 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 10 頁(yè) 共 15 頁(yè) max1axTXYZF 2maxaxTYXYZF 3maxaxTXYZF 4aTrXYZF 18 和 表示在 和 方向上的最大值 和 上gg 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maxXYmaxZ 有 222maxrXYZFF 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 max12 TiiijjcjPC 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ij ikjC 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)maxijP 載點(diǎn)之后的結(jié)果 一套簡(jiǎn)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(guò)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(jiàn)于式 20 maxkC k 1 2 C 20 maxikkjC 只要這些具備 就得到一套優(yōu)化的夾緊力 驗(yàn)證這Tmaxax12C optP 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)optP 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 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 11 頁(yè) 共 15 頁(yè) 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gXY 方向上的移位 和自轉(zhuǎn) 見(jiàn)圖 2 gZTdwwXYZ Twxyz 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)Tiiixyzd 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 TiirXYZ 可以用來(lái)表達(dá)在工件的位移 以及工件自轉(zhuǎn)idwwXYZ 如下 21 wxyz 1Tii iiRrd 其中 表示旋轉(zhuǎn)矩陣 描述當(dāng)?shù)卦诘?i 幀相聯(lián)系的全球坐標(biāo)系和 是一個(gè)1iR wcR 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 w wcR 22 w 1R1zyzxyx 方程 21 現(xiàn)在可以改寫(xiě)為 23 TiiidRBq 其中 是經(jīng)方程 21 重新編排后變換得到的矩 ii ii10YBZ0Xi 陣式 是夾緊和加工導(dǎo)致的工件剛體運(yùn)動(dòng)矢量 yqTwwxzX 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(méi)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 iFid 24 0 iiiKdzFotherws 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 Tiz 0iz 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)iixyzKdagk 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 12 頁(yè) 共 15 頁(yè) 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 01Tze 動(dòng)夾具 根據(jù)對(duì)外加工負(fù)荷 故在法線(xiàn)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 TyiiixFp 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 1i EF 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 1L C1 0iEiiiRFfr 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(guò)求解式 26 得到 工件的定位誤差向量 見(jiàn)圖 6 rrTXYZmm 現(xiàn)在可以計(jì)算如下 27 rmBq 其中 是考慮工件中心加工點(diǎn)的位置向量 且rTmXYZ 100mmYBX 6 模擬工作 較早前提出的算法是用來(lái)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 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 13 頁(yè) 共 15 頁(yè) 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 16L 和 全球坐標(biāo)系 gXYgZ 3 2 1 夾具圖 7 所示 是用來(lái)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(kāi)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 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 14 頁(yè) 共 15 頁(yè) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 15 頁(yè) 共 15 頁(yè) 見(jiàn)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(guò)程模擬例如 2 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 16 頁(yè) 共 15 頁(yè) 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(guò)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(jiàn)圖 7 由此得到的夾緊力加權(quán)范數(shù) 有如2L 下形式 結(jié)果表明 最佳夾緊力所述加工 222 3RRRCXYZPP 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(guò)減少工2L 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^(guò)互補(bǔ)勢(shì)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 maxaxmax iiiiij yzrPP 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opt 2L 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 17 頁(yè) 共 15 頁(yè) 點(diǎn)的加權(quán)范數(shù) 的 和 繪制 2LmaxiPaxiymaxizaxirP 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opt 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2 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)inPopt 2LoptP 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2 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2L 整體模型 制定一個(gè)雙目標(biāo)約束優(yōu)化問(wèn)題 使用 約束的方法解決 該算法通 過(guò)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 9 參考資料 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 18 頁(yè) 共 15 頁(yè) 1 J D Lee 和 L S Haynes 柔性?shī)A具系統(tǒng)的有限元分析 交易美國(guó) ASME 工程雜志工業(yè) 134 139 頁(yè) 2 W Cai S J Hu 和 J X Yuan 柔性鈑金夾具 原理 算法和模擬 交 易美國(guó) ASME 制造科學(xué)與工程雜志 1996 318 324 頁(yè) 3 P Chandra S M Athavale R E DeVor 和 S G Kapoor 負(fù)載對(duì)表面平 整度的影響 工件夾具制造科學(xué)研討會(huì)論文集 1996 第一卷 146 152 頁(yè) 4 R J Menassa 和 V R DeVries 適用于選拔夾具設(shè)計(jì)與優(yōu)化方法 美國(guó) ASME 工業(yè)工程雜志 113 412 414 1991 5 A J C Trappey C Su 和 J Hou 計(jì)算機(jī)輔助夾具分析中的應(yīng)用有限元 分析和數(shù)學(xué)優(yōu)化模型 1995 ASME 程序 MED 777 787 頁(yè) 6 S N Melkote S M Athavale R E DeVor S G Kapoor 和 J Burkey 基于加工過(guò)程仿真的加工裝置作用力系統(tǒng)研究 NAMRI SME 207 214 頁(yè) 1995 7 考慮工件夾具 夾具接觸相互作用布局優(yōu)化模擬的結(jié)果 341 346 1998 8 E C DeMeter 快速支持布局優(yōu)化 國(guó)際機(jī)床制造 碩士論文 1998 9 Y C Chou V Chandru M M Barash 加工夾具機(jī)械構(gòu)造的數(shù)學(xué)算法 分析和合成 美國(guó) ASME 工程學(xué)報(bào)工業(yè) 1989 299 306 頁(yè) 10 S H Lee 和 M R Cutkosky 具有摩擦性的夾具規(guī)劃 美國(guó) ASME 工業(yè)工程學(xué)報(bào) 1991 320 327 頁(yè) 11 S Jeng L Chen 和 W Chieng 最小夾緊力分析 國(guó)際機(jī)床制造 碩 士論文 1995 年 12 E C DeMeter 加工夾具的性能的最小 最大負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn) 美國(guó) ASME 工業(yè)工程雜志 1994 13 E C DeMeter 加工夾具最大負(fù)荷的性能優(yōu)化模型 美國(guó) ASME 工 業(yè)工程雜志 1995 14 JH 復(fù)和 AYC 倪 核查和工件夾持的夾具設(shè)計(jì) 方案優(yōu)化 設(shè)計(jì)和制 造 4 碩士論文 307 318 1994 內(nèi)蒙古科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 外文翻譯 第 19 頁(yè) 共 15 頁(yè) 15 T H Richards 埃利斯 霍伍德 1977 應(yīng)力能量方法分析 1977 16 M J Hockenberger and E C DeMeter 對(duì)工件準(zhǔn)靜態(tài)分析功能位移在加 工夾具的應(yīng)用程序 制造科學(xué)雜志與工程 325 331 頁(yè) 1996 設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū) 課 題 鉆夾具設(shè)計(jì) 專(zhuān) 業(yè) 機(jī)電一體化 班 級(jí) 姓 名 指導(dǎo)教師 設(shè)計(jì)日期 2012 年 9 月 15 日至 9 月 21 日 目錄 一 任務(wù) 書(shū) 1 二 零件 圖 2 三 設(shè)計(jì)正 文 3 序 言 3 一 零件作用及設(shè)計(jì)任 務(wù) 4 二 制定工藝路線(xiàn) 分析 5 三 切削力的計(jì)算 6 四 夾緊力的計(jì)算 6 五 夾具的誤差及計(jì) 算 7 1 夾具的定位誤 差 7 2 夾具誤 差 7 3 夾具的安裝誤 差 7 4 加工方法誤 差 8 5 總加工誤差 11 四 參考文 獻(xiàn) 13 序言 機(jī)械制造業(yè)是制造具有一定形狀位置和尺寸 的零件和產(chǎn)品 并把它們裝備成機(jī)械裝備的行業(yè) 機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品既可以直接供人們使用 也可 以為其它行業(yè)的生產(chǎn)提供裝備 社會(huì)上有著各種 各樣的機(jī)械或機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品 我們的生活離 不開(kāi)制造業(yè) 因此制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要 行業(yè) 是一個(gè)國(guó)家或地區(qū)發(fā)展的重要基礎(chǔ)及有力 支柱 從某中意義上講 機(jī)械制造水平的高低是 衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平 的重要指標(biāo) 箱體的加工工藝規(guī)程及其鉆孔的夾具設(shè)計(jì)是 在學(xué)完了機(jī)械制圖 機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 機(jī)械設(shè) 計(jì) 機(jī)械工程材料等進(jìn)行課程設(shè)計(jì)之后的下一個(gè) 教學(xué)環(huán)節(jié) 正確地解決一個(gè)零件在加工中的定位 夾緊以及工藝路線(xiàn)安排 工藝尺寸確定等問(wèn)題 并設(shè)計(jì)出專(zhuān)用夾具 保證零件的加工質(zhì)量 本次 設(shè)計(jì)也要培養(yǎng)自己的自學(xué)與創(chuàng)新能力 因此本次 設(shè)計(jì)綜合性和實(shí)踐性強(qiáng) 涉及知識(shí)面廣 所以在 設(shè)計(jì)中既要注意基本概念 基本理論 又要注意 生產(chǎn)實(shí)踐的需要 只有將各種理論與生產(chǎn)實(shí)踐相 結(jié)合 才能很好的完成本次設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)水平有限 其中難免有缺點(diǎn)錯(cuò)誤 敬請(qǐng)老師們批評(píng)指正 3 三 零件工藝分析 1 零件的作用 箱體的用途有兩個(gè) 一是軸承的載體 二是支承 固定軸承 2 加工要求 由老師所發(fā)零件圖得知 其材料為 HT200 該材料具有較高的強(qiáng)度 耐磨性 耐熱性及減振性 適用于承受較大應(yīng)力 要求耐磨 零件材料為鑄件 已知零件為 小批量生產(chǎn) 毛坯的鑄造方法選用砂型機(jī) 器造型 此外 為消除殘余應(yīng)力 鑄造后 安排人工時(shí)效處理 制定工藝路線(xiàn)的出發(fā)點(diǎn) 應(yīng)當(dāng)是使零 件的幾何形狀 尺寸精度及位置精度等技 術(shù)要求能得到合理的保證 在生產(chǎn)綱領(lǐng)確 定為小批量生產(chǎn)的條件下 為了盡量讓工 序集中來(lái)提高生產(chǎn)效率 除此以外 還應(yīng) 該考慮經(jīng)濟(jì)效果 以降低生產(chǎn)成本 4 3 制定工藝路線(xiàn) 根據(jù)各表面加工要求 和各種加工方 法能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)精度 確定各表面及孔的 加工方法如下 1 鑄造 2 人工時(shí)效熱處理 3 粗銑 精銑基準(zhǔn)面 A 4 銑 62 孔兩端面 5 銑 4 20 凸臺(tái)面 6 粗鏜 半精鏜兩 62 孔及其倒角 7 鉆 鉸 4 9 孔 8 鉆 攻 12 M6 7H 深 16 孔深 18 的 螺紋 9 清洗檢驗(yàn)入庫(kù) 在加工上和我所設(shè)計(jì)的夾具來(lái)說(shuō) 第 7 道工序是我要設(shè)計(jì)的夾具 以 62 孔及 其端面作為定位基準(zhǔn) 對(duì)應(yīng)的定位元件為 心軸 1 鉆 鉸 4 9 孔 2 確 定進(jìn)給 量 f 3 計(jì)算 切削速 度 Vc 4 確定 車(chē)床主 軸轉(zhuǎn)速 鉆削力 計(jì)算 5 三 切削用量計(jì)算 工件材料 HT200 鑄造 進(jìn)給量 f fz Z 0 15mm r 切削速度 Vc 18m min n 1000Vc d 1000 18 3 14 8 8 651r min 四 夾緊力的計(jì)算 加工方式 鉆頭上下移動(dòng)并高速旋轉(zhuǎn) 工 件固定不動(dòng) 公式 6 08 2HBDfF 參數(shù) D 8 8 參數(shù) f 0 15 參數(shù) HB 200 轉(zhuǎn)速 取 650 r mi n 計(jì)算 結(jié)果 123 0 67 5N 夾緊力 計(jì)算 6 夾緊形式 軸向夾緊 公式 選用夾緊螺釘夾緊機(jī) 由 FKfN 21 其中 f 為夾緊面上的摩擦系數(shù) 取 5 021f F G G 為工件自重zP NfFN4 18521 螺釘疲勞極限 MPaB9603 2 01 極限應(yīng)力幅 kma76 51li 許用應(yīng)力幅 PaSa3 li 螺釘?shù)膹?qiáng)度校核 螺釘?shù)脑S用切應(yīng)力為 s s 3 5 4 取 s 4 得 MPa120 滿(mǎn)足要求 8 24cHdF aNc153 2 計(jì)算 結(jié)果 185 1 4N 7 定位誤 差的計(jì) 算 五 夾具的誤差及計(jì)算 1 定位元件尺寸公差的確定 本夾具的 主要定位元件為定制心軸 該心軸精度應(yīng)比 工件內(nèi)孔精度要求高一級(jí) 2 計(jì)算最大垂直誤差 1 工序基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合 B 0 2 定位基準(zhǔn)相對(duì)限位基準(zhǔn)任意方向上的 最大變動(dòng)范圍 既孔軸配合的最大間隙與 62 的最大偏差 之和 Xmax 0 03 0 011 0 021 0 040 鉆頭在鉆床上的安裝誤差則是由導(dǎo)套與鉆 模板的配合誤差所決定 故 T 0 011 夾具的安裝基面為平面 因而沒(méi)有安裝誤 差 A 0 8 B 0 Xmax 0 0 3 A 0 定位面到導(dǎo)向元件的尺寸公差 j1 0 02 加工孔與定位孔的平行度度 j2 0 02 定位孔對(duì)安裝基面的垂直度 j3 0 03 從上述得出最大的誤差 j3 0 03 工件在夾具中加工時(shí) 總加工誤差 2 為上述各項(xiàng)誤差之和 由于上述誤差均為 獨(dú)立隨機(jī)變量 應(yīng)用概率法疊加 因此保 證工件加工精度條件是 D2 T2 A2 J2 G2 0 000225 0 017 0 0 0009 0 000256 0 137 k 即工件總加工誤差 應(yīng)不大于工件加工 尺寸公差 k 9 j1 0 0 2 j2 0 0 2 j3 0 0 3 j2 0 0 3 為保證夾具具有一定的使用壽命 防 止夾具磨損而過(guò)早報(bào)廢 在分析計(jì)算工件 加工精度時(shí) 需留一定的精度儲(chǔ)備量 Jc 因此將上試改寫(xiě)為 k Jc Jc k 0 18 0 137 0 043 0 則該夾具能滿(mǎn)足工件的加工要求 10 滿(mǎn)足 加工 要求 參考文獻(xiàn) 聞百橋主編 機(jī)械制圖 機(jī)械工業(yè)出版社 孫寶宏主編 機(jī)械基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)出版社 章劍青主編 工程力學(xué) 機(jī)械工業(yè)出版社 肖繼德主編 機(jī)床夾具設(shè)計(jì) 高等教育出版社 周開(kāi)勤主編 機(jī)械零件手冊(cè) 高等教育出版社 王先逵主編 機(jī)械加工工藝手冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 浦林祥主編 金屬切屑機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社