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畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯
系 別： 機電信息系
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
班 級：
姓 名：
學(xué) 號：
外文出處：Development of Automated Fixture Planning Systems
附 件： 1. 原文； 2. 譯文
2013年03月
自動夾具設(shè)計體系的發(fā)展
W. Ma，J. Li，Y. Rong
（伍斯特科技學(xué)院機械工程學(xué)系，伍斯特市，馬薩諸塞州，美國）
夾具是制造業(yè)一項重要的部分，目前迅速發(fā)展的電腦設(shè)計夾具技術(shù)大大縮短了參與制造業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)周期。一套自動設(shè)計夾具的模型已經(jīng)發(fā)展到了可以自動的選擇組成夾具的零部件以及根據(jù)它們所需的裝配關(guān)系而進(jìn)行組裝。在本文中，自動夾具設(shè)計體系出現(xiàn)的夾具外觀形狀和構(gòu)造關(guān)系是基于工件的幾何形狀和操作關(guān)系而決定的。這種夾具外觀逼真、特征精細(xì)，穩(wěn)固性能跟所要達(dá)到要求的夾具十分接近。這種體系的發(fā)展，也就是夾具的設(shè)計步驟和一個具體的例子將在本文中具體出現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：準(zhǔn)確、夾緊、夾具設(shè)計、定位
1簡介
夾具是生產(chǎn)周期中是一個重要的機械加工活動。計算機輔助 (或自動化)夾具設(shè)計(CAFD)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到作為完整的CAD/CAM 中的一部分了[1]。發(fā)展CAFD有助于減少生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，制造過程的優(yōu)化，制造過程的核查設(shè)計[2]。CAFD在柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)中扮演著重要的角色[3]。
圖1 制造系統(tǒng)中的夾具設(shè)計
圖1概括了夾具設(shè)計制造系統(tǒng)中的活動，其中包括三個主要方面：裝置設(shè)計，夾具設(shè)計，夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計[4]。建立裝置設(shè)計的目標(biāo)是確定一些設(shè)置，每個安裝工件的位置和方向，以及每個安裝工件的外觀形狀。夾具設(shè)計依據(jù)工件的外形確定定位和夾緊點。夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計的任務(wù)是選擇夾具零部件以及把它們進(jìn)行組裝以達(dá)到定位和夾緊工件的作用。自動配置組合夾具設(shè)計系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到，只要工件模型的外表和點位確定時，夾具單元部件就會自動生成，并以夾具元件裝配關(guān)系組裝到正確的位置[4，5]。本中闡述了當(dāng)工件外形和點位確定后的夾具自動設(shè)計。
關(guān)于夾具設(shè)計和分析的前沿性論文已經(jīng)出版，但一套完整的被用來為工業(yè)應(yīng)用的夾具設(shè)計體系卻沒有制定。以往的工作包括：自動決定夾具的定位和夾緊的方法是來自于數(shù)學(xué)模型[6]；一種確定定位和夾緊的能夠提供最大機械力量位置的算法[7]；運動學(xué)分析是以夾具設(shè)計為基礎(chǔ)[8，9]；夾具和附件的等級則是以夾具分析為基礎(chǔ)[10]；自動選擇校正夾具設(shè)計中所允許的大量方向性的錯誤[11]；最終的幾何分析是基于二維夾具設(shè)計體系[12]， 在以往的研究中，我們已經(jīng)研究了，夾具功能[13]，裝夾精度[14，15]，幾何約束和裝夾表面無障礙。一個為夾具設(shè)計和裝置規(guī)劃的框架體系正在發(fā)展[18]。
本文中，自動夾具設(shè)計體系中當(dāng)工件模型和裝置設(shè)計的資料輸入到系統(tǒng)中，只要工件的外形和點位是已知的，一套自動設(shè)計的夾具體系，也就是夾緊定位裝置就產(chǎn)生了。
2夾具設(shè)計的基本要求
在工程實踐中，夾具設(shè)計被一些因素所影響，其中包括工件的關(guān)系和公差，建立設(shè)計規(guī)劃，例如機械功能，和在每次加工中用到的機床和刀具，每個毛坯件和加工后的工件形狀，與現(xiàn)有的夾具零部件，對一個可行的夾具設(shè)計，為了確保夾具可以把工件容納在一個可以接受的方位，以便生產(chǎn)過程可以按設(shè)計規(guī)范來執(zhí)行，應(yīng)該滿足下列條件。
1) 當(dāng)工件的位置確定后，此時工件的自由度（DOF）被完全約束。
2) 在當(dāng)前設(shè)置中確定加工精度指標(biāo)。
3）設(shè)計的夾具要穩(wěn)固的不受任何外力和扭矩的影響。
4）夾具的外形和點位能夠被提供的夾具元件很容易的接納。
5) 在工件和夾具與刀具和夾具之間沒有干涉。
在此調(diào)查中，我們側(cè)重于前四個要求，夾具設(shè)計的執(zhí)行，基于以下考慮：
盡管工件幾何形狀在工業(yè)生產(chǎn)中可以是復(fù)雜的，但是，在大多數(shù)夾具設(shè)計中，用平面和圓柱表面（內(nèi)部和外部）來定位和夾緊表面，這是因為在固定工件時，這些特征易于獲取和測量。在此研究中，在夾具設(shè)計中用平面和圓柱表面。
在一個設(shè)定中，許多數(shù)控機床，特別是加工中心可執(zhí)行各種操作。在大多數(shù)情況下，機床的刀具軸是固定不動的。當(dāng)考慮裝夾的穩(wěn)定性的話，定位面最好與正常方向相反或垂直于刀具軸。就夾緊功能而言，正常的方向應(yīng)平行或垂直于刀具軸，因為在夾具設(shè)計中，夾緊力應(yīng)該對著定位。
對于表面加工，應(yīng)該存在基準(zhǔn)面表面，并作為位置和方向的參考，從這些參考來測量其他的尺寸和公差。在夾具設(shè)計時，表面精度高的應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇定位面，以便使遺留下來的加工誤差最小化和所需加工的公差容易實現(xiàn)。
在夾具設(shè)計中，不止一個工件的表面為了定位和夾緊而限制工件在設(shè)定的自由度。因此，除了個別表面外，結(jié)合現(xiàn)有的定位面也是為精確定位具有同等的重要性。
由于定位和夾緊裝置是接觸工件，夾具的分布點發(fā)揮了關(guān)鍵作用，確保裝夾穩(wěn)定。
對一個可行的夾具設(shè)計，在裝夾表面必須可供夾具元件。裝夾表面的可用（有效）面積應(yīng)足夠大，以適應(yīng)特征表面的定位和夾具。除了考慮裝夾表面，表面上的無障礙潛在的裝夾點對確定最終裝夾點的分布，也是重要的。
3裝夾表面
功能的概念已廣泛應(yīng)用于設(shè)計和制造業(yè)，一個工件的加工可以看做是各項功能的結(jié)合，如飛機，太陽熱離子電源系統(tǒng)，口袋，插槽，和洞。在一個特定的操作設(shè)置中，使用裝夾工件的功能可以被定義為夾具功能或裝夾表面。在一個特定的操作設(shè)置中，使用裝夾工件的功能可以被定義為夾具功能或裝夾表面。在實踐中，很多夾具功能是平面和柱面。根據(jù)夾具的作用，裝夾表面可分為定位，夾緊，和支持功能。不同于設(shè)計和制造的特點，裝夾表面具有取向依賴性。在生產(chǎn)過程中它們發(fā)揮著不一樣的作用。一套表面在一個設(shè)置中可作為裝夾表面，但是不能用于裝夾或著在另一設(shè)置中有不同的夾具作用。
裝夾特征的概念允許夾具要求應(yīng)與工件幾何特征相關(guān)聯(lián)?；谔卣鞴ぜ哪Ｐ吞卣餍畔⒁部芍苯佑糜趭A具設(shè)計的目的。對于制造功能，描述夾具功能所需要的信息包括幾何和非幾何方面。前者包括功能類型，形狀和尺寸參數(shù)，位置和方向的工件。后者包括表面光潔度，精度水平和加工特征的關(guān)系，容易得到的表面。
3.1 夾緊面的分離
在大多數(shù)夾具設(shè)計中，夾具的特點，尤其是定位表面，是平面和表面。為了評價裝夾表面無障礙和確定裝夾表面的定位/夾緊點，所待選的夾具表面被采樣到網(wǎng)格陣列離散點用相等的間隔?T來表示，如果T是足夠小，離散樣本點將幾乎不斷。
為了使采樣算法通用，一個圓跳動矩形表面被用作采樣區(qū)域，因為在大多數(shù)情況下，主要定位表面垂直于其他位置的表面，特別是在模塊化夾具設(shè)計中，裝夾表面被視為自下而上的定位，最夾緊，副作用定位，和側(cè)面夾緊表面。對于底部或頂部表面，的必須有兩邊平行于Z軸，而其他的兩個邊必須垂直于前兩個邊。圖2顯示了一個例子，抽樣待選裝夾表面被外面的矩形包圍。假定，在表面的局部坐標(biāo)系統(tǒng)中 Z軸是正常的表面，外包圍矩形中的各點可以代表作為：
x = Xmin + T × u， u = 1，2, …，Nu
y = Ymin + T × v，v = 1，2, …， Nv （1）
Nu，Nv分別表示X軸和Y軸各個方向上點的數(shù)量。
其中 Nu = int [(Xmax - Xmin)/T]，Nv = int [(Ymax - Ymin)/T]。
3.2 表面定位可達(dá)型夾具
表面定位可達(dá)型夾具是用來衡量夾具是否可以隨意更換對于普通夾具元件。其中有三個主要因素必須被考慮：
1 表面的幾何形狀，這牽扯到夾具的有效面積和表面形狀。
2 可能妨礙工件幾何形狀沿正常的方向或周圍的幾何區(qū)域延伸的夾具表面。
3 夾具元件的尺寸形狀和功能。
在實際情況下,一個平面有一種復(fù)雜形狀和全部或部分沿著它的正常阻塞方向或繞著它的幾何區(qū)域方向是有可能的。因而它所需要的可訪問性模型應(yīng)該全面反映這些事實,可訪問性價值可廣泛應(yīng)用于各可達(dá)型夾具表面。
表面可訪問性被定義為一個統(tǒng)計值它是基于點的可訪問性(PA)的每一個有效的樣品表面上,在那里點PA由兩部分組成:獨特的可達(dá)性點(SIA)和點的鄰居相關(guān)的可訪問性(NRA)。新加坡航空公司將主要的對應(yīng)孤立的訪問點,而NRA夾具擴展的訪問性主要反映了夾具的觀點。
新加坡航空公司的采樣點的定義,是基于三個屬性標(biāo)簽的基礎(chǔ)上。標(biāo)簽s1是用來顯示其是否作為網(wǎng)格平臺，其中心測試電流采樣點就在里面,或在外表面的夾具上。三個離散值被指定來代表它的地位,即0、1和2。
如果存在工件幾何形狀在表面阻塞正常的方向或周圍的采樣點,這將影響人在表面采集樣點的可及性。例如,隨著顯示在圖3(a)、一個工件的候選底面定位，表面采樣點p1是不是可以因幾何學(xué)的阻塞性沿底面定位工件方向 ,要么因為它周圍障礙物，p2是無法存取的。是否以評估自動存在的障礙物的表面法線方向,一個虛擬的
體積所產(chǎn)生的被擠壓的平面,測試網(wǎng)格固體中的實體表面法線方向。通過利用檢測兩種固體之間的干涉問題，梗阻可以辨識,如圖3(b)：
圖2.抽樣的候選夾具與一個表面受阻的長方形
圖3.檢查在虛擬樣本點底部阻塞上表面
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