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畢業(yè)設(shè)計（論文）
譯文及原稿
譯文題目：
夾具配置的穩(wěn)健性設(shè)計
原稿題目：
Robust design of fixture configuration
原稿出處：
Giovanni Moroni,Stefano Petro,Wilma Polini.ScienceDirect.
2014(21):189~194.
浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設(shè)計（論文） 外文翻譯
夾具配置的穩(wěn)健性設(shè)計
摘要
本文介紹了夾具配置的穩(wěn)健設(shè)計。它的目標是調(diào)查機床夾具元件偏差和體積錯誤影響加工操作質(zhì)量。然后定位器位置配置設(shè)計的偏差最小化加工特性對應(yīng)用幾何公差。該方法是一個設(shè)計步驟進一步確定的定位基于螺旋理論的部分，可用于尋找簡單和容易適用于一般通用規(guī)則的工業(yè)環(huán)境。是通過仿真和簡單的工業(yè)案例研究驗證。
1 介紹
當工件夾具加工或檢查操作時，操作的精度主要取決于裝夾方法的效率。在一般情況下，加工可能已經(jīng)在它的形態(tài)和位置的幾何誤差相對于工件的基準參考系。如果有存在的工件基準面之間的錯位誤差框架和機床的坐標系，這是已知的定位誤差或數(shù)據(jù)建立誤差。一個定位誤差主要是由位置偏差引起的一個定位器與工件之間的接觸表面的標稱規(guī)范。在本文中，這樣的一個理論接觸點被稱為菲克塞爾點或菲克塞爾，并從它的標稱位置定位偏差稱為菲克塞爾錯誤。在剛體的分析框架內(nèi)，菲克塞爾誤差對定位誤差直接影響所定義的工件表面和之間的運動學特征通過他們的接觸約束關(guān)系。
定位誤差是高度依賴于配置的位置相對于定位器的工件。一個合適的配置(或定位器的設(shè)計定位器布局)可能會減少產(chǎn)生重大影響定位錯誤。這是通常被稱為夾具布局優(yōu)化。
這項工作的主要目的是研究幾何錯誤的加工表面(或生產(chǎn)錯誤)有關(guān)菲克塞爾錯誤的主要來源。一個數(shù)學框架提出了一個制造誤差、機床體積誤差、和菲克塞爾錯誤之間的關(guān)系分析。此外，優(yōu)化夾具布局設(shè)計是規(guī)定為減少加工誤差的過程。這論文超越了藝術(shù)的狀態(tài)，因為它考慮了公差中的體積誤差。雖然文獻表明這個簡單的靜態(tài)體積誤差只考慮一小部分總?cè)莘e誤差，一個通用框架包含的體積誤差公差建立了。
有幾個正式的夾具分析為基礎(chǔ)的方法在經(jīng)典螺旋理論或幾何干擾技術(shù)。在90年代，由于夾具的偏差許多研究已經(jīng)致力于模型部分偏差。Sodenberg計算穩(wěn)定性評價定位方案的擬合指數(shù)。小位移非共面直線對概念用于該支架一部分的幾何偏差的模型。傳統(tǒng)的計算機輔助夾具設(shè)計的程序在傳統(tǒng)的設(shè)計手冊和最近的文獻中都有描述，特別是對于模塊化夾具設(shè)計。大量的定位誤差分析和還原的方法已被記錄。一個定位誤差表達式給出了使用位移螺旋矢量的概念。
提出了減少定位誤差向量的優(yōu)化技術(shù)或幾何變化的關(guān)鍵特性。Chouduri and De Meter分析描述了定位器的形狀誤差與最壞情況下幾何誤差加工特性的關(guān)系。Chouduri and De Meter也分析了工件基準面的幾何偏差、輪廓和角制造公差的情況。對加工特性的影響，比如通過鉆孔和銑削都有說明。Carlson提出了二級定位誤差分析。夾具布局設(shè)計的計算問題進行了研究客觀來降低三維工件整體的定位誤差如渦輪空氣箔。最近的一篇論文解釋了一個穩(wěn)健性夾具的布局方法來解決多目標問題的演算法。它認為一個柱體剛性工件，如果夾具和工件之間的沒有摩擦，那么機床體積誤差是不用考慮的。
在文獻中提出了幾個關(guān)于建模體積誤差的模型。Ferreira提出了二次建模的體積誤差，每個軸都是單獨考慮，與模型參數(shù)的評價方法。Kiridena 和 Ferreira在一系列的三篇論文中討論如何在建模中補償體積誤差，對模型的參數(shù)進行評估，然后基于模型及其參數(shù)的誤差補償，補償一個三軸發(fā)動機。Dorndorf 描述體積誤差模型可以幫助機器的誤差預算。最后，Smith描述體積的應(yīng)用誤差補償在大型單片部分制造中，帶來了嚴重的傳統(tǒng)體積誤差補償。無論如何，值得注意的是，所有這些方法都是針對體積誤差補償:一般體積誤差不考慮仿真公差。
在以前的論文中用統(tǒng)計方法來估算這個定位誤差是錯誤的，由于不精確的所有六個定位器3-2-1的定位方案是基于二維和三維模塊。在下面，一個夾具配置的穩(wěn)健性設(shè)計方法被提出。它的目標是調(diào)查菲克塞爾錯誤和機床體積誤差如何影響機械加工質(zhì)量。在§2中介紹了理論上的方法，在§3中提出了一個簡單的工業(yè)案例分析，并在§4中討論了一些簡單和通用規(guī)則容易適用在一個工業(yè)競爭。
2 鉆孔精度的方法模擬
為了說明所提出的方法，對案例研究鉆孔將予以考慮。案例所示圖1。一個位置公差指定孔位。三個定位器在主基準面，兩個在副基準面，和一個在第三基準面確定工件的位置。每個定位坐標與機床參考系，由以下六個表示:
p1 (x1，y1，z1) p2 (x2，y2，z2) p3 (x3，y3，z3)
p4 (x4，y4，z4) p5 (x5，y5，z5) p6 (x6，y6，z6) （1）
該方法考慮了不確定性的來源加工孔的定位誤差的錯誤定位的定位器，體積錯誤的機床。模型的最終目的是定義實際的工件的孔的坐標參考系統(tǒng)。模型的輸入包括名義定位器配置，名義上的孔的位置(應(yīng)該與鉆頭上一致)和方向(與鉆的方向應(yīng)該一致)，和的特點，典型的錯誤，會影響這個名義參數(shù)。
2.1 定位誤差的影響
6個定位器的位置是完全由他們的十八個坐標軸確定的。根據(jù)高斯分布推測每一個坐標軸受一個獨立的行為誤差的影響。
那么實際的定位坐標將確定工件參照系。特別是，z軸構(gòu)成由直線垂直于平面通過定位器的實際位置，p1，p2和p2，軸是直線與軸垂直的直線通過定位器的實際位置p4和p5和最后，軸和垂直簡單的計算和軸。基準幀的原點可以是得到的三個平面具有作為法線相交在，，和軸，通過定位器p4，p6和分別p1。軸的計算公式向量和原點坐標與實際定位器的坐標這里省略了，由Armillotta 僅供參考。
軸方向向量和原點坐標定義齊次變換矩陣，其允許頻轉(zhuǎn)換鉆尖坐標表示在機床參考幀到相同的坐標的表示工件坐標系時，通過下式：
（2）
2.2 機床體積誤差的影響
由于鉆井模擬孔位置偏差操作，即體積誤差的機床，古典模型三軸機床的考慮[27]。就會被假定鉆具軸是一致的機床z軸，這樣，在名義上和條件鉆井作業(yè)開始時，其位置可以被定義名義上的孔位和齊次向量。目的是識別位置誤差鉆尖的機床參考系統(tǒng)，和方向錯誤工具的軸。根據(jù)三軸機床模型是可能的狀態(tài):
（3）
是名義上的鉆尖的位置在機床參考系統(tǒng)(x，y，和z是機床軸，l是鉆頭長度)，是鉆尖的位置在第三(z軸)參考系，、、分別是沿著x，y，和z軸的轉(zhuǎn)換矩陣。這些矩陣有著相似形式，例如:
（4）
其中δ和ε包括平移和旋轉(zhuǎn)誤差并沿著x，y和z軸（例如，是由于旋轉(zhuǎn)誤差沿著z軸平移到x軸）?？紤]到3個變換矩陣，有18個誤差項。這些誤差的體積函數(shù)位置（即沿著三個軸），但由于體積誤差補償，他們的系統(tǒng)組件可以忽略不計，并可以將它們假定為純粹隨機均值等于零。由公式（3）推導出復合方程式，例如：
（5）
然而，一般體積誤差應(yīng)該遠遠小于沿著軸平移，所以例（3）的第一組件通常是重要的。最后，假設(shè)鉆孔軸與z軸相配合，例(3)也可以通過替換方向誤差計算
如果只考慮一階組件，它可以證明和與δ、ε的線性組合。特別是，我們把定義為
（6）
六個部分向量包含和。應(yīng)用例(3)，忽略二階以上，可以證明(請注意，由于格式的限制，在例(7)表明，矩陣在多行壞了一行，所以整個矩陣線性組合出現(xiàn)在這里是一個6*18矩陣)。
（7）
現(xiàn)在，讓我們假設(shè)每個δ獨立分布是高斯分布，而且每個ε也是獨立分布的。然后可能Δ遵循多元高斯分布，空預期值和協(xié)方差矩陣可以由公式計算，Σ是d的協(xié)方差矩陣，它正好是一個18 *18的對角線，前9個對角矩陣元素等于，剩下的對角元素等于。
2.3 加工孔的實際定位
現(xiàn)在，根據(jù)§2.2中描述的模型它可以模擬尖端定位和方向，根據(jù)§2.1并將其轉(zhuǎn)換為所述工件參考系:
（9）
這些信息可以在工件參考系中確定進入和退出工件孔的位置。點和矢量K定義一條直線，這只不過是一種孔軸，比如：
（10）
p是一個通用的點屬于的一個參數(shù)。定義T板厚度，是可能的計算的值s，分別等于0和T:
（11）
這些值取代例(10)分別出口和入口點的坐標的孔產(chǎn)量。
最后，它可以計算兩個出口和入口之間的距離和名義鉆孔的點:
（12）
定義為孔的退出點。鉆孔軸的位置公差范圍內(nèi)如果孔的距離計算低于一半的位置公差值t:
（13）
3 結(jié)論
這項工作提出了一個方法的穩(wěn)健設(shè)計夾具配置考慮到定位器位置的隨機誤差(由于定位器安裝在機表，在不規(guī)則表面接觸的工件，等等)和體積誤差采用機床的操作。
鉆孔作業(yè)被認為是簡單的工業(yè)案例研究。然而，一些簡單和通用規(guī)則由實驗分析得出:（1）三分基準定位器(的三個定位器z定位器配置)應(yīng)該涵蓋盡可能多表面接觸。如果更多的配置分享相似的表面覆蓋，定位器的建議重心盡可能接近的一個加工特性(孔的案例研究)的孔。（2）兩點基準定位器(兩個定位器的x定位器配置)的最大距離從對方。如果更多的分布相似距離，配置與定位器最重心附近的一個加工特性(孔的案例研究)應(yīng)該被選中。（3）單一第三基準定位器(y定位器之一應(yīng)該位于對應(yīng)配置)重心的加工特性(孔的案例研究)。（4）即使定位器的高度的影響，和很小，建議他們位于最低高度。
未來的發(fā)展將在于擴展其他的方法，更復雜的幾何特性和公差。
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