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外文翻譯
譯文題目 一種自動化夾具設計方法
原稿題目A Clamping Design Approach for Automated Fixture Design
原稿出處 Int J Adv Manuf Technol (2001)18:784–789
一種自動化夾具設計方法
塞西爾
美國，拉斯克魯塞斯，新墨西哥州立大學，，工業(yè)工程系，虛擬企業(yè)工程實驗室（VEEL）
在這片論文里，描述了一種新的計算機輔助夾具設計方法。對于一個給定的工件，這種夾具設計方法包含了識別加緊表面和夾緊位置點。通過使用一種定位設計方法去夾緊和支撐工件，并且當機器正在運行的時候，可以根據(jù)刀具來正確定位工件。該論文還給出了自動化夾具設計的詳細步驟。幾何推理技術被用來確定可行的夾緊面和位置。要識別所完成工件和定位點就還需要一些輸入量包括CAD模型的技術要求、特征。
關鍵詞：夾緊；夾具設計
1. 動機和目標
夾具設計是連接設計與制造間的一項重要任務。自動化夾具設計和計算機輔助夾具設計開發(fā)（夾具CAD）是下一代制造系統(tǒng)成功實現(xiàn)目標的關鍵。在這片論文里，討論了一種夾具設計的方法，這種方法有利于在目前環(huán)境下夾具設計的自動化。
夾具設計方法的研究已成為國內多家科研工作的重點。作者：周在[1]中對工件的穩(wěn)定和總需求約束了雙重標準，突出重點的工作。在夾具設計中廣泛的運用了人工智能（AI）以及專家系統(tǒng)。部分CAD模型幾何信息也被用于夾具設計。Bidanda [4]描述了一個基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，以確定回轉體零件的定位和夾緊。夾緊機制同時用于執(zhí)行定位和夾緊功能。其他研究者（如DeVor等，[5,6]）分析了切削力鉆井機械和建筑模型及其他金屬切削加工?？涤袨榈仍赱2]中定義了裝配約束建模的模塊化與夾具元件之間的空間關系。一些研究人員采用模塊化夾具設計原則，用以生成[2,7-11]，另一些夾具設計工作者已經(jīng)報告了[1,3,9,12-23]。可以在[21,24]中找到夾具設計相關的大量的審查工作。
在第二節(jié)中，對夾具設計任務中各種步驟進行了概述。在第3節(jié)和第四節(jié)中描述了工件的加工過程，要夾緊工件表面，否則將面臨工件的全面自動測定。第5節(jié)討論了對工件的夾緊點的測定。
2. 夾具設計的整體方法
在本節(jié)中，描述了整體夾緊的設計方法。通常對較理想的位置的那一部分進行夾緊，并減低切削力的影響。夾緊的位置和夾具設計中定位的位置是高度相關的。通常，夾緊和定位可以通過同樣的方法來完成。但是，不明白這兩個是夾具設計中不同的方面，可能導致夾具設計的失敗。多數(shù)人的在規(guī)劃過程中首先解決定位問題，這樣可以使開發(fā)的定位與設計的定位相契合。不過，整體定位及設計方法不在本文討論范文內。
除了零件的設計（為此夾具設計有待開發(fā)），公差規(guī)格，過程序列，定位點和設計等因素外，還應投入CAD模型到夾具設計方法中。這樣的夾具可以夾緊并支撐定位器。指導使用的主要內容應盡量不抵制切割或加工過程和中所涉及的操作。相反，應定位夾具，使切削力在正確的方向，這將有助于保持在一個特定的部分加工操作安全。通過引導對定位器的切割力量，部分（或工件）被固定，固定定位點，因此不能移動的定位器。
在這里討論的夾具的設計方法必須在整體夾具設計方法的范圍內。在此之前進行定位器/支撐和夾具設計的初步階段，涉及到的分析和識別的功能、相關的公差和其他規(guī)范是必要的。根據(jù)初步的評估和測定，定位/支撐設計與夾具設計結果的在此基礎上可以同時進行。本文對所描述夾具設計的方法討論基于定位器/支撐設計與先前已經(jīng)確定的假設（包括適當?shù)亩ㄎ缓椭С譁y定一個工件的定位，以及識別和夾具，如V元素的支持面塊，基礎板，定位銷等）。
（1） 夾具設計的輸入
輸入包括對特定產品的設計翼邊模型，公差信息，提取的特征，過程順序和部分在給定的每一個設計的相關特性的加工方向，面向的位置和定位裝置，以及加工過程中的各種工序，須出示每個相應的功能。
（2）夾具設計的方法
圖一是自動化夾具設計主要步驟總結圖。對這些步驟概述如下：
第1步：設置配置清單以及相關的[進程_功能]條目。
第2步：確定方向和夾緊力。輸入必要的加工方向向量mdv1，mdv2……mdvn，面對nvs的支持力，并確定法向量。如果加工方向向下（對應的方向向量[0，0，-1]），和面的支持向量平行于加工方向，那么，夾緊力方向平行向下加工方向[0，0，-1]。如果必需要側面夾緊并沒有可夾緊的地方，那么在其中放置一個夾具夾緊下調，然后邊鉗方向計算如下。讓sv和tv輔助常規(guī)的向量代替次要的和三級定位孔。然后，使用夾緊機構夾緊一個方向，例如，av應平行于這兩個法向量，即，正常向量應分別與每塊表面的sv和tv向量平行。側面夾緊面應該是一對分別平行于面sv和tv的平面孔。
第三步：從列表中選出最大有效加工力。這樣能夠有效的平衡各加工力。
第四步：利用計算出的最高有效加工力，才能確定用來支撐工件加工的面積的夾具尺寸（例如，一個帶夾子可以作為一個夾緊機構使用）。
第五步：確定給定工件的夾緊面。這一步在第4步中所述過。
第六步：該夾具的夾緊面的實際位置自動在第5節(jié)中確定?？紤]接下來的步驟并返回第一步。
3. 判斷夾具尺寸
在這項工作中所用到的夾具都來自一個系列。夾具的原理與圖二相同。在這一節(jié)里，描述了一個自動化夾具。鎖模力所需的有關螺桿的螺紋裝置大小或保存到位鉗。夾緊力平衡加工工件使工件保持恰當?shù)奈恢?。讓鎖模力為W和螺桿直徑為D。各種螺絲夾緊力大小，可以按以下方式確定：最初，極限拉伸強度（抗拉強度）和該夾具的材料（供應情況而定）可以從數(shù)據(jù)檢索庫檢索。各種材料有不同的拉伸強度。該夾具材料的選擇，也可直接采用啟發(fā)式規(guī)則進行。例如，如果部分材料是低碳鋼，那么鉗材料可低碳鋼或機器鋼。為了確定設計應力，抗拉強度值應除以安全系數(shù)（如4或5）。根區(qū)的螺絲格A1（如一個螺絲鉗）可以被確定：[鎖模力/設計應力]。隨后，螺栓截面全面積可以計算為等于{格A1 /（65％），}（因為螺絲的地方可能會發(fā)生根切面積約為65％螺栓的總面積） 。螺釘?shù)闹睆紻可以被確定等同于（D2的3.14 / 4）。另一項涉及可用于方程有關的寬度B，高度H和跨度的鉗L的螺絲直徑為D（B，H和L可以為不同的值計算D）：d2 =4/3 BH2/L.
4. 判斷夾緊表面
確定夾具經(jīng)常出現(xiàn)的相關參數(shù)包括了產品的CAD模型，提取的特征信息，特征尺寸，定位面和定位器的選擇?？紤]所有潛在的加緊面，如圖3。最關鍵的是夾緊表面不應重疊或與該面相交，如圖4所示。夾緊面積是與工件表面（或PCF）接觸的是一個二維輪廓線段組成的（見圖6）。利用線段相交測試，可以測定在給定的光子晶體光纖的任何范圍內是否可能有接觸面夾緊面重疊。
夾緊面的確定可以如下所示：
第1步：鑒別平行于二級和三級定位面（lf1和lf2）是分別到lf1和tcj最遠的距離的面。如下所示：（一）鑒別面tci,tcj,使面tci和 tcj平行l(wèi)f1和tcj平行l(wèi)f2。（二）在TCF中列出面對tci的面。（三）通過檢查所有TCF中面對tci的面，確定的面對tci和tcj的面是到lf1和lf2分別最遠的面，并舍棄所有其他TCF中的面。
第2步：鑒別平行面的位置，除了不相鄰的附加面。最好是選擇一個不與其他定位面垂直相鄰的面。這一步如下所示：
(a) 考慮TCF列表中的tci面，獲得與每個tci面垂直或相鄰的面然后，在FCF列表中插入每個fci面。
(b) 檢查每個FCI面，并執(zhí)行以下測試：如果FCI是相鄰、垂直于lf1或lf2，然后從列表中舍棄它并插入NTCF列表中。
第3步:確定加緊面都在有效的加緊面上，如下所述夾緊面：
例1:如果沒有條目在列表NTCF中，就使用TCF中的面并繼續(xù)執(zhí)行步驟4。如果任何面發(fā)現(xiàn)，垂直于第二，第三位置的面孔lf1和lf2，這將要面臨的是下次選擇可行的夾具。在這種情況下，唯一剩下的選擇是重新審視在列表NTCF的面。
例2：如果列表中NTCF條目數(shù)為1時，可行夾緊面為FCI。與TCI的法向量垂直相鄰的相應軸是夾緊軸。
例3：如果在列表NTCF項數(shù)大于1，確定最大的TCI加緊面再進行步驟4。
例4：:夾緊力的方向可以是[1，0，0]或[0，1，0]，可以夾緊TCI面的中心位置。
在其他幾何位置可確定使用零件幾何形狀和拓撲信息，這在下一節(jié)中描述。
5. 判斷夾緊表面上的夾緊點
確定夾緊面后，必須確定實際夾緊位置。輸入夾具側面積，沿著[x，Y，Z]和潛在的夾緊面CF方向。容下使用CF幾何獲得夾具側面積：
第一步是確定一個箱體的大小，這是用來測試它是否包含在它里面的任何部分。相交測試也可以在前面介紹的方法使用。如果相交測試返回一個負的結果，那么有部分箱體與夾具相交，如圖4所示。如果相交測試返回一個正的結果，可以執(zhí)行下列步驟：
1． 劃分成更小的矩形大小條（1 W）夾框輪廓(圖5和圖6)。
2． 執(zhí)行指定與功能配置文件出現(xiàn)在CF面的零件設計的相交測試。
3． 沒有功能相交的條形區(qū)域，都是可行夾緊區(qū)域。如果有一個以上的長方形候選
面，矩形配置文件，向中沿軸夾緊CF面點的是夾緊配置文件（夾點）。
如果沒有發(fā)現(xiàn)配置文件，夾具寬度可減少一半，夾具數(shù)可以增加兩個。使用這些修改過的夾具尺寸，執(zhí)行前面描述的特征相交測試。如果此測試也失敗了，那么可以用相鄰的面作為夾緊面用于執(zhí)行端夾緊。這面可以重復進行PCF和功能相交測試。
:
5.1試驗曲線的交點
輸入需要的二維輪廓P1、P2，使用下列方法可以自動確定該配置文件的交集。每一個輸入的資料組成一個封閉環(huán)。此配置文件測試的步驟如下：
(T1) 考慮P1線段中的L（i，1）和P2線段中的L（2，j）。
(T2) 采用L（i，1）線段和L（2，j）線段的相交段。如果邊緣相交測試返回一個正值，那么特征面和潛在面相交。如果它返回一個負值，繼續(xù)執(zhí)行步驟3。
（T3）重復與步驟（T1）相同的部分或者緩慢走過其余P1中的(Li,1)段直到P2中的 [(L2, j+1) till j =n–1]段。
(T4) 其余部分邊和P1中的L12、L13到L1n段重復（T1）和（T2）步驟。
如果特征面與夾緊面重復，線相交測試將決定該事件。相交的邊可以進行自動檢測兩個面是否相互交叉。輸入所需的邊L12{連接 (x1, y1) 和 (x2, y2)}和L34{連接 (x3, y3) 和(x4, y4)}。
L12型方程的可表示為：
F(x,y) =0 (1)
L34型方程的可表示為：
H(x,y) =0 (2)
. 第一步：使用等式（1）計算R3 =F(x3, y3)，用X和Y取代X3和Y3;計算R4 =F(x4, y4)，用X和Y取代X4和Y4。
第二步：如果R3和R4都與0不相等，但R3與R4結果相同（R1與R2在相同的一邊），則邊L12與L34不相交。如果這樣不滿足條件，那么進行第三步。
第三步：使用等式（2）計算R1 =H(x1, y1)。接著，計算R2 =G(x2, y2)再進行第四步。
第四步：如果R1與R2都不等于0，且R1與R2的結果相同，那么把R1與R2放在相同的一邊并輸入不相交。如果，這個也不滿足條件，那么進行第五步。
第五步：給定相交線段。這樣就完成了測試?？紤]如圖7所示的一部分樣品。將要生產一個盲孔。起初，完成定位設計。定位器的（或主要定位器）是一個基盤（放在F4面）和二級和三級定位器面臨F6和F5（對應到定位面lf1和lf2在第4節(jié)中討論）。一個輔助定位器也被使用，這是一個V型塊（對F3和F5面輔助定位），如圖8所示。在前面討論的夾具設計方法中所述的步驟的基礎上，候選面孔（這是平行的，并在從lf1和lf2最遙遠的距離）是面對F3和F5面。沒有面孔，這是平行到定位面，但他們不相鄰。在這種情況下使用的優(yōu)先權規(guī)則（如步驟3第4步討論），剩余的候選面面對的是F2面。夾具方向向下的V型塊徑向定位器和其他與對工件夾緊底面提供所需位置。
根據(jù)第五步選擇夾具的位置。如果沒有功能發(fā)生在面F2上，那么也沒有必要進行相交測試確定夾具優(yōu)美加緊。夾具位置應遠離V型定位器（這是輔助定位位置）的夾緊面毗鄰輔助定位面（這確保了更好的快速夾緊）。最終位置和夾具的設計如圖8所示。
本文討論的方法，毫不遜色于其他夾具設計文獻中討論的方法。本文所討論的方法的獨特性是零件的夾緊面的幾何形狀，拓撲和功能發(fā)生了被加工為基礎的系統(tǒng)鑒定。其他方法都沒有利用了定位器的位置，該方法使用定位器在對持有一級，二級和三級定位器加工的工件。這種方法的另一個好處是在可行的候選面上確定在面上用夾具面交點測試（如前所述），并迅速和有效地確定潛在的下游過程中可能出現(xiàn)問題，夾緊和加工的功能檢測。
6. 總結
在這篇論文中，對在一個夾具設計方法的總體框架內進行了夾具設計方面的討論。
設計定位器，規(guī)范零件設計，和其他相關被用來確定夾緊面和夾緊方向。并討論了各種自動化步驟。