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課程設(shè)計
畸形撥叉工藝和雙孔鉆模夾具設(shè)計
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
年 月 日
29
摘 要
畸形撥叉是某企業(yè)產(chǎn)品中的關(guān)鍵零件之一，本課題要求根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)需要和畸形撥叉零件的加工要求，首先完成零件的加工工藝規(guī)程設(shè)計，在此基礎(chǔ)之上，選擇其關(guān)鍵工序之一進(jìn)行專用夾具，并完成必要的設(shè)計計算。本機床所用夾具的通用性強，工件采用定位夾緊，快速方便。夾緊采用手動加緊，采用這種方式完全能夠滿足精度要求。而且簡易方便，制造成本低，通用性好。由于畸形撥叉的生產(chǎn)量比較大，為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高加工效率，需要對其加工工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并在關(guān)鍵工序使用組合機床或?qū)Ｓ脵C床進(jìn)行加工。
通過設(shè)計，綜合運用了大學(xué)期間的多數(shù)基礎(chǔ)和專業(yè)知識，加深所學(xué)知識體系，掌握了運用各項繪圖軟件進(jìn)行設(shè)計的方法和技巧,熟悉了工程應(yīng)用設(shè)計。
關(guān)鍵詞 畸形撥叉 零件分析 工藝路線 夾具設(shè)計 組合機床
Abstract
The axile bush is one of the key parts of an enterprise products, this text expounds mainly the machining technology and the design of clamping device of the connecting rod and modular machine tool of the axile bush.The precision of size, the precision of profile and the precision of position , of the connecting rod is demanded highly , and the rigidity of the connecting rod is not enough, easy to deform,so arranging the craft course, need to separate the each main and superficial thick finish machining process. Reduce the function of processing the surplus , cutting force and internal stress progressively , revise the deformation after processing, can reach the specification requirement for the part finally .As the output of the axile bush is very large ,it is need to make optimal design for the machining technology and use modular machine tool for pivotal machining process ,to ensure product quality and to improve the processing efficiency.
Through this design,the knowledge of more basic and specialty was synthetically applited.The system of knowledge we learned was intensified.Controlled to make use of various method and techniques that the painting software carry on a design,the design of engineering application was known well.
Keywords Axile Bush Precision Processing Technology Design of Clamping Device Modular Machine Tool
目 錄
摘 要 II
Abstract 1
一、 前言 3
2 零件工藝性分析 4
2.1 零件的作用 4
2.2 零件的工藝分析 4
3 畸形撥叉工藝規(guī)程設(shè)計 5
3.1 工藝規(guī)程的作用 5
3.2 毛坯的確定 5
3.3 定位基準(zhǔn)的選擇 6
3.4 制定工藝路線 6
3.5 毛坯尺寸的確定與機械加工余量 9
3.6 確定切削用量及基本工時 9
第4章 鉆模夾具設(shè)計 18
4.1設(shè)計要求 18
4.2夾具設(shè)計 18
4.2.1 定位基準(zhǔn)的選擇 18
4.2.2 切削力及夾緊力的計算 19
4.3定位誤差的分析 22
4.4鉆套、襯套、鉆模板設(shè)計與選用 23
4.5 確定夾具體結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu) 24
4.6夾具設(shè)計及操作的簡要說明 25
4 總結(jié) 26
參考文獻(xiàn) 27
致 謝 28
一、 前言
1.簡介
機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計是我們學(xué)完了大學(xué)全部基礎(chǔ)課，技術(shù)基礎(chǔ)課以及大部分專業(yè)課之后進(jìn)行的，這是我們在進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計之前對所有各課程的一次深入的綜合性的總復(fù)習(xí)，也是一次理論聯(lián)系實際的訓(xùn)練，因此，它在我們四年的大學(xué)生活中占有重要的地位。
本次課程設(shè)計內(nèi)容包括零件的分析，工藝路線的制定，工藝規(guī)劃設(shè)計，某道工序的夾具設(shè)計以及該道工序的工序卡，機械加工綜合卡片，夾具裝配圖以及夾具底座零件圖的繪制等等。
就我個人而言，希望能通過這次課程設(shè)計對未來即將從事的工作進(jìn)行一次適應(yīng)性的訓(xùn)練，從中鍛煉自己分析問題，解決問題的能力，并學(xué)會將所學(xué)到的理論知識應(yīng)用到具體的實際生產(chǎn)問題中來，為以后走向社會打下堅實的基礎(chǔ)。
由于能力有限，設(shè)計尚有許多不足之處，懇請老師批評指正。
2.設(shè)計目的
機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計是在學(xué)完了機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程進(jìn)行了生產(chǎn)實習(xí)之后的一個重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生通過設(shè)計能獲得綜合運用過去所學(xué)過的全部課程進(jìn)行機械制造工藝及結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本能力，為以后做好畢業(yè)設(shè)計、走上工作崗位進(jìn)行一次綜合訓(xùn)練和準(zhǔn)備。它要求學(xué)生綜合運用本課程及有關(guān)先修課程的理論和實踐知識，進(jìn)行零件加工工藝規(guī)程的設(shè)計。其目的如下：
①培養(yǎng)學(xué)生解決機械加工工藝問題的能力。通過課程設(shè)計，熟練運用機械技術(shù)基礎(chǔ)課程中的基本理論及在生產(chǎn)實習(xí)中學(xué)到的實踐知識，正確地解決一個零件在加工中定位、加緊以及工藝路線安排、工藝尺寸確定等問題，保證零件的加工質(zhì)量，初步具備設(shè)計一個中等復(fù)雜程度零件的能力。
②培養(yǎng)學(xué)生熟悉并運用有關(guān)手冊、規(guī)范、圖表等技術(shù)資料的能力。
③進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生識圖、制圖、運用和編寫技術(shù)文件等基本技能。
2 零件工藝性分析
2.1 零件的作用
畸形撥叉是一個主要零件。通過撥動零件的實現(xiàn)換擋調(diào)速，該零件的加工好壞，將影響到整個配氣機構(gòu)的工作性能。
2.2 零件的工藝分析
由附圖1得知，其材料為HT150。該材料具有較高的強度，耐磨性，耐熱性及減振性，適用于承受較大應(yīng)力，要求耐磨的零件。
該零件上主要加工面為上、下端面，φ10mm、φ12mm、φ25mm以及加工。由參考文獻(xiàn)[1]中有關(guān)孔的加工的經(jīng)濟精度機床能達(dá)到的位置精度可知上述要求可以達(dá)到的零件的結(jié)構(gòu)的工藝性也是可行的。
⑴ 以上下端面為主有：① 零件上下端面加工，其粗糙度要求是；
② 畸形撥叉平面的粗、精銑加工，其粗糙度要求是。
⑵ 孔系加工有： ①Φ12、Φ25鉆擴鉸加工，其表面粗糙度為；
②小孔Φ10H7鉆鉸加工
3 畸形撥叉工藝規(guī)程設(shè)計
3.1 工藝規(guī)程的作用
工藝規(guī)程是生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)組織、計劃調(diào)度的主要依據(jù)，是指導(dǎo)工人操作的主要技術(shù)文件，也是工廠和車間進(jìn)行設(shè)計或技術(shù)改造的重要原始資料。工藝規(guī)程的制訂須嚴(yán)格按照規(guī)定的程序和格式進(jìn)行，并隨技術(shù)進(jìn)步和企業(yè)發(fā)展，定期修改完善。
(1)根據(jù)機械加工工藝規(guī)程進(jìn)行生產(chǎn)準(zhǔn)備（包括技術(shù)準(zhǔn)備）。在產(chǎn)品投入生產(chǎn)以前，需要做大量的生產(chǎn)準(zhǔn)備和技術(shù)準(zhǔn)備工作，例如，關(guān)鍵技術(shù)的分析與研究；刀、夾、量具的設(shè)計、制造或采購；設(shè)備改裝與新設(shè)備的購置或定做等。這些工作都必須根據(jù)機械加工工藝規(guī)程來展開。
(2)機械加工工藝規(guī)程是生產(chǎn)計劃、調(diào)度、工人的操作、質(zhì)量檢查等的依據(jù)。
(3)新建或擴建車間(或工段),起原始依據(jù)也是機械加工工藝規(guī)程，根據(jù)機械加工工藝規(guī)程確定機床的種類和數(shù)量，確定機床的布置和動力配置，確定生產(chǎn)面積的大小和工人的數(shù)量。
3.2 毛坯的確定
零件材料是HT150。零件年產(chǎn)量是大批量,而且零件加工的輪廓尺寸不大,在考慮提高生產(chǎn)率保證加工精度后可采用鑄造成型，采用方法為砂模機器造型。零件形狀并不復(fù)雜，因此毛坯形狀可以與零件的形狀盡量接近，內(nèi)孔不鑄出。
3.3 定位基準(zhǔn)的選擇
定位基準(zhǔn)的選擇是工藝規(guī)程設(shè)計中的重要工作之一，定位基準(zhǔn)選擇得正確與合理，可以使加工質(zhì)量得到保證，生產(chǎn)率得以提高，否則，加工工藝過程中會問題百出，更有甚者，還會造成零件大批報廢，使生產(chǎn)無法正常進(jìn)行。
粗基準(zhǔn)的選擇：考慮到以下幾點要求，選擇零件的重要面和重要孔做基準(zhǔn)。在保證各加工面均有加工余量的前提下，使重要孔或面的加工余量盡量均勻
精基準(zhǔn)的選擇：主要考慮基準(zhǔn)重合問題，畸形撥叉的下端面既是裝配基準(zhǔn)又是設(shè)計基準(zhǔn)，用它作為精基準(zhǔn)，能使加工遵循基準(zhǔn)重合的原則。?20孔及左右兩端面都采用底面做基準(zhǔn)，這使得工藝路線又遵循“基準(zhǔn)統(tǒng)一”的原則，下端面的面積比較大，定位比較穩(wěn)定，夾緊方案也比較簡單，可靠，操作方便。
3.4 制定工藝路線
制定工藝路線應(yīng)該使零件的加工精度（尺寸精度、形狀精度、位置精度）和表面質(zhì)量等技術(shù)要求能得到合理的保證。在生產(chǎn)綱領(lǐng)已經(jīng)確定為大批生產(chǎn)的條件下，可以考慮采用通用機床配以專用夾具，并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。還有，應(yīng)當(dāng)考慮經(jīng)濟效果，以便降低生產(chǎn)成本[9]。
3.4.1 工藝路線方案一
10
采用鑄造的方法獲得毛坯
20
時效處理，回火，去應(yīng)力
30
打點劃線
40
粗銑上方端面
50
粗銑下方端面
60
精銑上方端面
70
精銑下方端面
80
鉆擴鉸￠10孔
90
鉆擴鉸￠12孔
100
鉆擴鉸￠25孔
110
去毛刺
120
檢驗入庫
3.4.2 工藝路線方案二
10
采用鑄造的方法獲得毛坯
20
時效處理，回火，去應(yīng)力
30
打點劃線
40
粗銑上方端面
50
粗銑下方端面
60
鉆擴鉸￠10孔
70
鉆擴鉸￠12孔
80
鉆擴鉸￠25孔
90
精銑上方端面
100
精銑下方端面
110
去毛刺
120
檢驗入庫
3.4.3 工藝方案的比較與分析
因左右兩端面均對φ25mm孔有較高的位置要求，故它們的加工宜采用工序集中原則，減少裝次數(shù)，提高加工精度。根據(jù)先面后孔，先主要表面后次要表面和先粗加工后精加工的原則，將端面的精銑和下端面的粗銑放在前面，下端面的精銑放在后面，每一階段要首先加工上端面后鉆孔，左右端面上φ25mm孔放后面加工。初步擬訂加工路線方案一。方案一遵循了工藝路線擬訂的一般原則，但某些工序還有一些問題還值得進(jìn)一步討論。如車上端面，因工件和夾具的尺寸較大，在臥式車床上加工時，它們慣性力較大，平衡困難；又由上端面不是連續(xù)的圓環(huán)面，車削中出現(xiàn)斷續(xù)切削容易引起工藝系統(tǒng)的震動，故改動銑削加工。
通過以上的兩工藝路線的優(yōu)、缺點分析，最后確定工藝路線方案一為該零件的加工路線。該工藝過程詳見附表１和附表2，機械加工工藝過程卡片和機械加工工序卡片。
10
采用鑄造的方法獲得毛坯
20
時效處理，回火，去應(yīng)力
30
打點劃線
40
粗銑上方端面
50
粗銑下方端面
60
精銑上方端面
70
精銑下方端面
80
鉆擴鉸￠10孔
90
鉆擴鉸￠12孔
100
鉆擴鉸￠25孔
110
去毛刺
120
檢驗入庫
3.5 毛坯尺寸的確定與機械加工余量
⑴ 上下端面的偏差及加工余量計算
上下端面計算。根據(jù)工序要求，其加工分粗、精銑加工。各工步余量如下：
粗銑：由參考文獻(xiàn)[4]表11～19。其余量值規(guī)定為2-3mm，現(xiàn)取3mm。查[3]可知其粗銑時精度等級為IT12，粗銑平面時厚度偏差取
精銑：由參考文獻(xiàn)[3]表2.3～59，其余量值規(guī)定為。
參照參考文獻(xiàn)[3]表3～2，3～25,2.3～13和參考文獻(xiàn)[15]表1～8，可以查得：
鉆孔Φ25
鉆孔的精度等級：，表面粗糙度，尺寸偏差是。
擴孔的精度等級：，表面粗糙度，尺寸偏差是。
鉸孔的精度等級：，表面粗糙度，尺寸偏差是。
鉆孔Φ12
參照參考文獻(xiàn)[3]表2.3～47，表2.3～48。確定工序尺寸及加工余量為：
加工該孔的工藝是：鉆——擴——鉸
由以上資料得出毛坯尺寸圖。
3.6 確定切削用量及基本工時
在工藝文件中還要確定每一工步的切削用量。
(1)切削用量指：背吃刀量asp(即切削深度ap、進(jìn)給量f及切削速度Vc 。
(2)確定方法是：確定切削深度——>確定進(jìn)給量——>確定切削速度．
(3)具體要求是：
①由工序或工步余量確定切削深度：精、半精加工全部余量在一次走刀中去除
在中等功率機床上一次走刀ap可達(dá)8mm～10mm。
②按本工序或工步加工表面粗糙度確定進(jìn)給量：對粗加工工序或工步按加工表面粗糙度初選進(jìn)給量后還要校驗機床進(jìn)給機構(gòu)強度。
③可用查表法或計算法得出切削速度Vc查，用公式 換算出查或計算法所得的轉(zhuǎn)速nc查，根據(jù)Vc查在選擇機床實有的主軸轉(zhuǎn)速表中選取接近的主軸轉(zhuǎn)速n機作為實際的轉(zhuǎn)速，再用 換算出實際的切削速度Vc機填入工藝文件中。
對粗加工，選取實際切削速度Vc機實際進(jìn)給量f機和背吃刀量asp之后，還要校驗機床功率是否足夠等，才能作為最后的切削用量填入工藝文件中。
工序40：粗銑上方端面
機床：立式銑床 X52K
刀具：硬質(zhì)合金端銑刀（面銑刀）材料： 齒數(shù)
銑削深度：
每齒進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]《機械加工工藝手冊》表2.4-73，取銑削速度：參照參考文獻(xiàn)[7]《機械加工工藝手冊》表2.4-81，取
機床主軸轉(zhuǎn)速：
， 式（1.1）
實際銑削速度： 式（1.2）
進(jìn)給量： 式（1.3）
工作臺每分進(jìn)給量：
：根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]《機械加工工藝手冊》表2.4-81,
被切削層長度：由毛坯尺寸可知
刀具切入長度：
式（1.4）
取
刀具切出長度：取
走刀次數(shù)為1
機動時間： 式（1.5）
工序50：粗銑下方端面
機床：立式銑床 X52K
刀具：硬質(zhì)合金端銑刀（面銑刀）材料： 齒數(shù)
銑削深度：
每齒進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]《機械加工工藝手冊》表2.4-73，取銑削速度：參照參考文獻(xiàn)[7]《機械加工工藝手冊》表2.4-81，取
機床主軸轉(zhuǎn)速：
， 式（1.1）
實際銑削速度： 式（1.2）
進(jìn)給量： 式（1.3）
工作臺每分進(jìn)給量：
：根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]《機械加工工藝手冊》表2.4-81,
被切削層長度：由毛坯尺寸可知
刀具切入長度：
式（1.4）
取
刀具切出長度：取
走刀次數(shù)為1
機動時間： 式（1.5）
工序60：精銑上方端面
機床：立式銑床 X52K
刀具：硬質(zhì)合金端銑刀（面銑刀）材料： 齒數(shù)
銑削深度：
每齒進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]《機械加工工藝手冊》表2.4-73，取銑削速度：參照參考文獻(xiàn)[7]《機械加工工藝手冊》表2.4-81，取
機床主軸轉(zhuǎn)速，由式（1.1）有：
，
實際銑削速度，由式（1.2）有：
進(jìn)給量，由式（1.3）有：
工作臺每分進(jìn)給量：
被切削層長度：由毛坯尺寸可知
刀具切入長度：精銑時
刀具切出長度：取
走刀次數(shù)為1。
機動時間，由式（1.5）有：
本工序機動時間
工序70：精銑下方端面
機床：立式銑床 X52K
刀具：硬質(zhì)合金端銑刀（面銑刀）材料： 齒數(shù)
銑削深度：
每齒進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]《機械加工工藝手冊》表2.4-73，取銑削速度：參照參考文獻(xiàn)[7]《機械加工工藝手冊》表2.4-81，取
機床主軸轉(zhuǎn)速，由式（1.1）有：
，
實際銑削速度，由式（1.2）有：
進(jìn)給量，由式（1.3）有：
工作臺每分進(jìn)給量：
被切削層長度：由毛坯尺寸可知
刀具切入長度：精銑時
刀具切出長度：取
走刀次數(shù)為1。
機動時間，由式（1.5）有：
本工序機動時間
工序8：鉆擴鉸￠10孔
機床：鉆床Z525
刀具：高速鋼麻花鉆
（1）先加工到尺寸為φ8.5
切削深度：
進(jìn)給量：根據(jù)《機械加工工藝手冊》表2.4.39，取
切削速度：參照《機械加工工藝手冊》表2.4.41，取
機床主軸轉(zhuǎn)速：，取
實際切削速度：
被切削層長度：
刀具切入長度：
刀具切出長度：
走刀次數(shù)為1
機動時間：
鉸φ10孔到規(guī)定尺寸
取背吃刀量
切削速度，進(jìn)給量則
采用Z525型立式鉆床 取轉(zhuǎn)速 故實際切削速度為
由
鉸孔切入切出行程
該工序基本時間為
工序90：鉆擴鉸Φ12。
機床：立式鉆床Z525
刀具：根據(jù)參照參考文獻(xiàn)[3]表4.3～9選高速鋼錐柄麻花鉆頭。
⑴ 鉆孔
進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～38，取。
切削速度：參照參考文獻(xiàn)[3]表2.4～41，取。
機床主軸轉(zhuǎn)速：
，
按照參考文獻(xiàn)[3]表3.1～31，取
所以實際切削速度：
切削工時
被切削層長度：
刀具切入長度：
刀具切出長度： 取
走刀次數(shù)為1
機動時間：
⑵ 擴孔
刀具：根據(jù)參照參考文獻(xiàn)[3]表4.3～31選擇硬質(zhì)合金錐柄麻花擴孔鉆頭。
片型號：E403
切削深度：
進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～52，取。
切削速度：參照參考文獻(xiàn)[3]表2.4～53，取。
機床主軸轉(zhuǎn)速：
按照參考文獻(xiàn)[3]表3.1～31，取
所以實際切削速度：
切削工時
被切削層長度：
刀具切入長度有：
刀具切出長度： ，取
走刀次數(shù)為1
機動時間：
⑶ 鉸孔Φ12
刀具：根據(jù)參照參考文獻(xiàn)[3]表4.3～54，選擇硬質(zhì)合金錐柄機用鉸刀。
切削深度：，且。
進(jìn)給量：根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]表2.4～58，取。
切削速度：參照參考文獻(xiàn)[3]表2.4～60，取。
機床主軸轉(zhuǎn)速：
按照參考文獻(xiàn)[3]表3.1～31取
實際切削速度：
切削工時
被切削層長度：
刀具切入長度，
刀具切出長度： 取
走刀次數(shù)為1
機動時間：
該工序的加工機動時間的總和是：
工序100：鉆擴鉸Φ25。
（1）鉆￠25的孔
由資料[1]《機械加工工藝手冊》表得：，，；
由式1.5得，，取
由式1.6得，
，，
根據(jù)式1.11可得
(3) 擴孔
由資料[1]《機械加工工藝手冊》表2.4-52，取， ，；
由式1.5得，，取
由式1.6得，
，，
根據(jù)式1.11可得：
(5)鉸孔
由資料[1]《機械加工工藝手冊》表得：，；
由式1.5得，，取
由式1.6得，
，
鉸圓柱孔時，由資料[1]《機械加工工藝手冊》表得：
根據(jù)式1.11可得：
第4章 鉆模夾具設(shè)計
4.1設(shè)計要求
為了提高勞動生產(chǎn)，保證加工質(zhì)量，降低勞動強度，需要設(shè)計專用夾具。本夾具將用于Z525鉆床。成批生產(chǎn)，任務(wù)為設(shè)計一鉆φ25孔、鉆φ12孔。
本夾具無嚴(yán)格的技術(shù)要求，因此，應(yīng)主要考慮如何提高勞動生產(chǎn)率，降低勞動強度，精度不是主要考慮的問題。
4.2夾具設(shè)計
4.2.1 定位基準(zhǔn)的選擇
為了提高加工效率及方便加工，決定材料使用高速鋼，用于對進(jìn)行加工，準(zhǔn)備采用手動夾緊。
由零件圖可知：進(jìn)行加工前，底面進(jìn)行了粗、精銑加工，進(jìn)行了粗、精加工。因此，定位、夾緊方案有：
方案：選外圓面平面、和側(cè)面和V型塊定位夾緊方式用操作簡單，通用性較強的螺旋壓塊來夾緊。
為了使定位誤差達(dá)到要求的范圍之內(nèi)，這種定位在結(jié)構(gòu)上簡單易操作。
4.2.2 切削力及夾緊力的計算
鉆該孔時選用：鉆床Z525，刀具用高速鋼刀具。
由參考文獻(xiàn)[5]查表可得：
切削力公式：
式中
查表得：
其中：
即：
實際所需夾緊力：由參考文獻(xiàn)[5]表得：
有：
安全系數(shù)K可按下式計算有：
式中：為各種因素的安全系數(shù)，見參考文獻(xiàn)[5]表 可得：
所以
根據(jù)工件受力切削力、夾緊力的作用情況，找出在加工過程中對夾緊最不利的瞬間狀態(tài)，按靜力平衡原理計算出理論夾緊力。最后為保證夾緊可靠，再乘以安全系數(shù)作為實際所需夾緊力的數(shù)值，即：
安全系數(shù)K可按下式計算：
式中：為各種因素的安全系數(shù)，查參考文獻(xiàn)[5]1～2～1可知其公式參數(shù)：
由此可得：
所以
由計算可知所需實際夾緊力不是很大，為了使其夾具結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，決定選用手動螺旋夾緊機構(gòu)。
夾緊力的確定
夾緊力方向的確定
夾緊力應(yīng)朝向主要的定位基面。
夾緊力的方向盡可能與切削力和工件重力同向。
(1) 夾緊力作用點的選擇
a. 夾緊力的作用點應(yīng)落在定位元件的支承范圍內(nèi)。
b. 夾緊力的作用點應(yīng)落在工件剛性較好的部位上，這樣可以防止或減少工件變形變形對加工精度的影響。
c. 夾緊力的作用點應(yīng)盡量靠近加工表面。
(3)夾緊力大小的估算
理論上確定夾緊力的大小，必須知道加工過程中，工件所受到的切削力、離心力、慣性力及重力等，然后利用夾緊力的作用應(yīng)與上述各力的作用平衡而計算出。但實際上，夾緊里的大小還與工藝系統(tǒng)的剛性、夾緊機構(gòu)的傳遞效率等有關(guān)。而且，切削力的大小在加工過程中是變化的，因此，夾緊力的計算是個很復(fù)雜的問題，只能進(jìn)行粗略的估算。
估算的方法：一是找出對夾緊最不利的瞬時狀態(tài)，估算此狀態(tài)下所需的夾緊力；二是只考慮主要因素在力系中的影響，略去次要因素在力系中的影響。
估算的步驟：
a.建立理論夾緊力FJ理與主要最大切削力FP的靜平衡方程：FJ理=Ф (FP)。
b.實際需要的夾緊力FJ需，應(yīng)考慮安全系數(shù)，F(xiàn)J需=KFJ理。
c.校核夾緊機構(gòu)的夾緊力FJ是否滿足條件：FJ>FJ需。
夾具中的裝夾是由定位和夾緊兩個過程緊密聯(lián)系在一起的。定位問題已在前面研究過，其目的在于解決工件的定位方法和保證必要的定位精度。
僅僅定好位在大多數(shù)場合下，還無法進(jìn)行加工。只有進(jìn)而在夾具上設(shè)置相應(yīng)的夾緊裝置對工件進(jìn)行夾緊，才能完成工件在夾具中裝夾的全部任務(wù)。
夾緊裝置的基本任務(wù)是保持工件在定位中所獲得的即定位置，以便在切削力、重力、慣性力等外力作用下，不發(fā)生移動和震動，確保加工質(zhì)量和生產(chǎn)安全。有時工件的定位是在夾緊過程中實現(xiàn)的，正確的夾緊還能糾正工件定位的不正確。
一般夾緊裝置由動源即產(chǎn)生原始作用力的部分。夾緊機構(gòu)即接受和傳遞原始作用力，使之變?yōu)閵A緊力，并執(zhí)行夾緊任務(wù)的部分。他包括中間遞力機構(gòu)和夾緊元件。
考慮到機床的性能、生產(chǎn)批量以及加工時的具體切削量決定采用手動夾緊。
螺旋夾緊機構(gòu)是斜契夾緊的另一種形式，利用螺旋桿直接夾緊元件，或者與其他元件或機構(gòu)組成復(fù)合夾緊機構(gòu)來夾緊工件。是應(yīng)用最廣泛的一種夾緊機構(gòu)。
螺旋夾緊機構(gòu)中所用的螺旋，實際上相當(dāng)于把契繞在圓柱體上，因此他的作用原理與斜契是一樣的。也利用其斜面移動時所產(chǎn)生的壓力來夾緊工件的。不過這里上是通過轉(zhuǎn)動螺旋，使繞在圓柱體是的斜契高度發(fā)生變化來夾緊的。
典型的螺旋夾緊機構(gòu)的特點：
（1）結(jié)構(gòu)簡單；
（2）擴力比大；
（3）自瑣性能好；
（4）行程不受限制；
（5）夾緊動作慢。
夾緊裝置可以分為力源裝置、中間傳動裝置和夾緊裝置，在此套夾具中，中間傳動裝置和夾緊元件合二為一。力源為機動夾緊，通過螺栓夾緊移動壓板。達(dá)到夾緊和定心作用。
工件通過定位銷的定位限制了繞Z軸旋轉(zhuǎn)，通過螺栓夾緊移動壓板，實現(xiàn)對工件的夾緊。并且移動壓板的定心裝置是與工件外圓弧面相吻合的移動壓板，通過精確的圓弧定位，實現(xiàn)定心。此套移動壓板制作簡單，便于手動調(diào)整。通過松緊螺栓實現(xiàn)壓板的前后移動，以達(dá)到壓緊的目的。壓緊的同時，實現(xiàn)工件的定心，使其定位基準(zhǔn)的對稱中心在規(guī)定位置上。
查參考文獻(xiàn)[5]1～2～26可知螺旋夾緊時產(chǎn)生的夾緊力按以下公式計算：螺旋夾緊時產(chǎn)生的夾緊力按以下公式計算有：
式中參數(shù)由參考文獻(xiàn)[5]可查得：
螺旋夾緊力：
該夾具采用夾緊機構(gòu)， 由上述計算易得：
由計算可知所需實際夾緊力不是很大，為了使其夾具結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，決定選用手動螺旋夾緊機構(gòu)。
4.3定位誤差的分析
為了滿足工序的加工要求，必須使工序中誤差總和等于或小于該工序所規(guī)定的尺寸公差。
與機床夾具有關(guān)的加工誤差，一般可用下式表示：
⑴定位誤差 ：
其中：
，
，
，
⑵ 夾緊誤差 ：
其中接觸變形位移值：
查[5]表1～2～15有。
⑶ 磨損造成的加工誤差：通常不超過
⑷ 夾具相對刀具位置誤差：取
誤差總和：
從以上的分析可見，所設(shè)計的夾具能滿足零件的加工精度要求。
4.4鉆套、襯套、鉆模板設(shè)計與選用
工藝孔的加工只需鉆切削就能滿足加工要求。故選用可換鉆套（其結(jié)構(gòu)如下圖所示）以減少更換鉆套的輔助時間。
為了減少輔助時間采用可換鉆套，以來滿足達(dá)到孔的加工的要求。
表
d
D
D1
H
t
基本
極限
偏差F7
基本
極限
偏差D6
＞0～1
+0.016
+0.006
3
+0.010
+0.004
6
6
9
--
0.008
＞1～1.8
4
+0.016
+0.008
7
＞1.8～2.6
5
8
＞2.6～3
6
9
8
12
16
＞3～3.3
+0.022
+0.010
＞3.3～4
7
+0.019
+0.010
10
＞4～5
8
11
＞5～6
10
11
10
16
20
＞6～8
+0.028
+0.011
12
+0.023
+0.012
15
＞8～10
15
18
12
20
25
＞10～12
+0.034
+0.016
18
22
＞12～15
22
+0.028
+0.015
26
16
28
36
＞15～18
26
30
0.012
＞18～22
+0.041
+0.020
30
34
20
36
HT150
＞22～26
35
+0.033
+0.017
39
＞26～30
42
46
25
HT150
56
＞30～35
+0.050
+0.025
48
52
＞35～42
55
+0.039
+0.020
59
30
56
67
＞42～48
110
66
＞48～50
70
74
0.040
鉆模板選用翻轉(zhuǎn)鉆模板，用沉頭螺釘錐銷定位于夾具體上。
4.5 確定夾具體結(jié)構(gòu)和總體結(jié)構(gòu)
對夾具體的設(shè)計的基本要求
（1）應(yīng)該保持精度和穩(wěn)定性
在夾具體表面重要的面，如安裝接觸位置，安裝表面的刀塊夾緊安裝特定的，足夠的精度，之間的位置精度穩(wěn)定夾具體，夾具體應(yīng)該采用鑄造，時效處理，退火等處理方式。
（2）應(yīng)具有足夠的強度和剛度
保證在加工過程中不因夾緊力，切削力等外力變形和振動是不允許的，夾具應(yīng)有足夠的厚度，剛度可以適當(dāng)加固。
（3）結(jié)構(gòu)的方法和使用應(yīng)該不錯
夾較大的工件的外觀，更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，之間的相互位置精度與每個表面的要求高，所以應(yīng)特別注意結(jié)構(gòu)的過程中，應(yīng)處理的工件，夾具，維修方便。再滿足功能性要求（剛度和強度）前提下，應(yīng)能減小體積減輕重量，結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡單。
（4）應(yīng)便于鐵屑去除
在加工過程中，該鐵屑將繼續(xù)在夾在積累，如果不及時清除，切削熱的積累會破壞夾具定位精度，鐵屑投擲可能繞組定位元件，也會破壞的定位精度，甚至發(fā)生事故。因此，在這個過程中的鐵屑不多，可適當(dāng)增加定位裝置和夾緊表面之間的距離增加的鐵屑空間：對切削過程中產(chǎn)生更多的，一般應(yīng)在夾具體上面。
（5）安裝應(yīng)牢固、可靠
夾具安裝在所有通過夾安裝表面和相應(yīng)的表面接觸或?qū)崿F(xiàn)的。當(dāng)夾安裝在重力的中心，夾具應(yīng)盡可能低，支撐面積應(yīng)足夠大，以安裝精度要高，以確保穩(wěn)定和可靠的安裝。夾具底部通常是中空的，識別特定的文件夾結(jié)構(gòu)，然后繪制夾具布局。圖中所示的夾具裝配。
加工過程中，夾具必承受大的夾緊力切削力，產(chǎn)生沖擊和振動，夾具的形狀，取決于夾具布局和夾具和連接，在因此夾具必須有足夠的強度和剛度。在加工過程中的切屑形成的有一部分會落在夾具，積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠，所以夾具設(shè)計，必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便于鐵屑。此外，夾點技術(shù)，經(jīng)濟的具體結(jié)構(gòu)和操作、安裝方便等特點，在設(shè)計中還應(yīng)考慮。在加工過程中的切屑形成的有一部分會落在夾具，切割積累太多會影響工件的定位與夾緊可靠，所以夾具設(shè)計，必須考慮結(jié)構(gòu)應(yīng)便排出鐵屑。
4.6夾具設(shè)計及操作的簡要說明
夾具體是夾具的基礎(chǔ)件，夾具體上所有組成部分都必須最終通過這一基礎(chǔ)件連接成一個有機整體。為了滿足加工要求，夾具體應(yīng)有足夠的剛度和強度，同時結(jié)構(gòu)工藝性要好。
由于鑄造工藝性好，幾乎不受零件大小、形狀、重量和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制，同時吸振性良好、抗壓能力好，故此選用鑄造夾具體，材料選取HT150，鑄造成型后時效處理，以消除內(nèi)應(yīng)力。
由于工件采用V型塊定位Φ60mm外圓面，這就要求V型塊固定在一個與水平面成45°的支撐面上。我們可以采用加工一有45°面的支撐塊固定在夾具體上，經(jīng)過切削加工達(dá)到我們要求的定位尺寸。
4 總結(jié)
本設(shè)計研究過程中仍然存在不足之處，有的問題還待于進(jìn)一步深入，具體如下：
（1）缺乏實際工廠經(jīng)驗，對一些參數(shù)和元件的選用可能不是非常合理，有一定的浪費。
（2）與夾具相關(guān)的刀具和量具的了解還不太清楚。
（3）系統(tǒng)的設(shè)計不太完善，在與計算機配合進(jìn)行精確的數(shù)據(jù)采集和控制上還有一些不足。
（4）使用有一定的局限：人工操作多，零部件磨損度在實際中尚不明確。
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致 謝
本文從選題、方案論證到課題的研究都是在導(dǎo)師的全面、悉心指導(dǎo)下完成的。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的知識、豐富的創(chuàng)造力、高瞻遠(yuǎn)矚的學(xué)術(shù)思想，以及敏銳的洞察力，始終令學(xué)生敬佩，并將影響我的一生。值此成文之際，謹(jǐn)向?qū)煴磉_(dá)我深深的敬意和衷心的感謝!
在四年的學(xué)習(xí)和生活期間，始終得到攀枝花學(xué)院機電工程學(xué)院各位老師的無私幫助，在此深表感謝!
特別要感謝的是我的父母和家人!感謝父母在我成長的道路上給予的無私的愛，他們的理解和全力支持使我的論文得以順利完成。
感謝所有關(guān)心和幫助過我的人們!
最后，在本文結(jié)束之際，向所有為我的論文提出寶貴意見的評閱專家們表示衷心的感謝和崇高的敬意!
謝謝!
可持續(xù)夾具及固定裝置的高精度安裝的方法論
J. Jamshidi，P.G. maropoulos
英國巴斯大學(xué)機械工程學(xué)系
摘要
在夾具安裝階段，夾具組件的精確測量能力決定其精確性，尤其是對大尺寸的產(chǎn)品和應(yīng)用來說。大量定制一些在設(shè)計上有多樣性的小批量產(chǎn)品和零部件是十分重要的。產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該與迅速轉(zhuǎn)換理念相互協(xié)調(diào)，對于敏感元器件及組件而言，以犧牲產(chǎn)品質(zhì)量來提高速度是不明智的，例如在航空航天工業(yè)中所看到的那些零部件。提高精確性對于夾具的安裝是很有必要的，為了要盡量少用，這可取決于夾具和夾具定位變化的耐受性預(yù)算。在航空航天工業(yè)中，靈活和可重構(gòu)夾具的概念的發(fā)展及固定裝置是夾具的主要開銷成本。吸引他們的是重構(gòu)夾具的可重用性，可持續(xù)使用是由于那些零部件也能夠被重新應(yīng)用到許多種產(chǎn)品和裝配中去。一直不佳的準(zhǔn)確性和可靠性為這類夾具的缺點，這篇論文主要是研究可持續(xù)夾具主要零部件的精確定位，影響夾具性能的因素在安裝階段會得以審查。本文介紹了一種在靈活夾具中為了最大限度地減少定位和夾緊的不確定性的方法。
關(guān)鍵詞:可持續(xù)性夾具；夾具安裝；校準(zhǔn)不確定性；夾具的監(jiān)測；計量；可重復(fù)使用的夾具
1引言
質(zhì)量和可靠性等因素早已經(jīng)轉(zhuǎn)換為新零件固有的特征。在他們的產(chǎn)品和服務(wù)范圍內(nèi)，近期市場趨勢已經(jīng)迫使制造業(yè)走向大規(guī)模定制。其次增加新陳品的多樣化設(shè)計在部件和組件級別上遵循第二次高幅度的變化。有先進(jìn)制造系統(tǒng)和技術(shù)的國家提供了更多的靈活性，能使設(shè)計師更加自由的發(fā)揮想象。例如在過去幾十年發(fā)展起來的一種新的大體積測量方法，就能測量及公丈的距離。用來檢測大尺寸零件的這些設(shè)備通常是由多個組裝部件所制造出來的。在重組和裝配期間，那些大尺寸產(chǎn)品的制造需要用到專用的夾具和固定裝置，以便于他們的零部件能夠被定位在設(shè)計基準(zhǔn)上。對于大批量產(chǎn)品，在計算機輔助軟件上就能估算出其主要的花費需求，否則，在某些情況下或以其他方式生產(chǎn)的產(chǎn)品成本可能會是非常高的。這個問題與客戶不斷用錢來尋求具有更高價值的市場需求相互矛盾。用一種典型的變化產(chǎn)品可以創(chuàng)建一個更加具有持續(xù)性的商業(yè)，因為它能夠滿足相對比較大地市場需求。由支持產(chǎn)品變化的不同形狀的產(chǎn)品而形成的靈活和可重構(gòu)夾具及固定裝置則是應(yīng)對上述挑戰(zhàn)關(guān)鍵的解決方案。靈活夾具的概念已經(jīng)在研究領(lǐng)域存在了幾年[1]。然而，它們在很大程度上沒有充分利用真正的生產(chǎn)設(shè)施，尤其是大尺寸產(chǎn)品的制造，如航空航天設(shè)備。這是由于關(guān)于它們的初始安裝、校準(zhǔn)困難和可重復(fù)性等挑戰(zhàn)往往超出公差要求。這些夾具和高品質(zhì)關(guān)鍵部件裝置的制造以及大量的集成計量系統(tǒng)，都可以減少上述限制。本文包括了有關(guān)安裝的計量問題和靈活的夾具校準(zhǔn)以及檢測服務(wù)。
2相關(guān)工作
2.1大型零件的制造和裝配
通常把要精密制造的機械零件移動到機床工作臺是必需的，先進(jìn)行粗加工，然后精對準(zhǔn)和夾緊。在這個階段，一方面是準(zhǔn)備用于加工高精度的關(guān)鍵所在，然而，這對于一些大尺寸或重的零部件并不總是可以實現(xiàn)的。大型產(chǎn)品是指那些與一些不經(jīng)濟的可能需要處理或在工廠周圍移動的的組件一起來達(dá)到制造和裝配的目的[2]。制造業(yè)和這些部件的裝配工藝包括所需機器和系統(tǒng)的運動以及這些部件的位置和方向。這些零部件通常定位在大尺寸夾具及固定裝置上該定位的位置。如果這些部件以小批量生產(chǎn)，在航空航天工業(yè)、高開銷的情況下，每個產(chǎn)品將會出現(xiàn)。在設(shè)計和制造夾具上，已經(jīng)有了許多嘗試，以便于能夠持有許多種組件的變種。然而，這方法是不可行的，因為敏感或關(guān)鍵的零部件完全是由它們的高精度要求所決定的。與固定的夾具相比較，可調(diào)、可重構(gòu)夾具會產(chǎn)生更低的重復(fù)性。固定夾具有固定的方式，可以通過焊接或鉚接的接頭固定在一起來實現(xiàn)。這些機械故障，例如夾具和固定裝置由于疲勞和塑料變形就是一個終止其服務(wù)的主要原因，發(fā)送它們再進(jìn)行回收。小批量制造的需求是目前常見的淘汰不合格夾具，其使用壽命取決于產(chǎn)品的生命周期。換句話說，在制造變種零件停止不久之后，與之有關(guān)聯(lián)的夾具和固定裝置將會變得多余。即使夾具有工作順序，但它們?nèi)匀挥袌髲U并送往循環(huán)再造。這種方法會帶來高負(fù)擔(dān)回收的能耗。在大尺寸零件下的固定夾具和夾具的漂移以及夾具都能影響大尺寸零件組裝的精確性[5]。對于大尺寸的夾具已經(jīng)開發(fā)出了幾種分析夾具剛性的方法，可用來評估振動的影響因素。在任何情況下更加可持續(xù)生產(chǎn)要通過選擇性方案才能得以實現(xiàn)。如圖2.1所示。
圖2.1 典型的大型夾具元件
用于制造所延誤的時間是固定夾具的又一重大缺點，這些夾具應(yīng)該在制造前就被訂購，在生產(chǎn)計劃和產(chǎn)品上市前還可以創(chuàng)建額外的復(fù)雜性。不管他們的類型，大型夾具有一些共同的元素，包括一個主框架、內(nèi)在的框架，有可能有一個或數(shù)多個可移動的機制或更小的組件，如鉗、套管、皮卡和可調(diào)螺絲[表1]。
2.2柔性夾具
開發(fā)的柔性夾具的概念增加了其可持續(xù)性、快速轉(zhuǎn)換以及降低了成本?，F(xiàn)在可以使用現(xiàn)成的模塊來設(shè)計和組裝夾具。根據(jù)規(guī)定，只有極少數(shù)夾具的專用零件需要設(shè)計和制造。以這種概念看，大多數(shù)散裝部件、附件關(guān)節(jié)都應(yīng)用的很具體。一旦產(chǎn)品設(shè)計變異完全制造出來，然后就可以拆卸上述組件和重組成一種新的元件來與未來的設(shè)計變異相匹配。因為組裝和組件范圍上的設(shè)計都相當(dāng)接近，所以這種方法是最能降低夾具成本的。
根據(jù)組件的變化水平和工作類型的需求，每一個不同比例的柔性夾具都需要被重新安排。為了增加使用這種類型夾具的效益，這個問題在設(shè)計階段考慮是十分重要的。例如，在可能的情況下，皮卡車的位置和三維定位夾具上的組件的不同變種，甚至完全不同的部分應(yīng)該是在靠近增加兼容性和夾具子系統(tǒng)間變性。夾具關(guān)鍵部件的收集在短期內(nèi)能保證所需夾具的可用性。另外，這些夾具的存儲需要很少空間，因為拆除所有模塊是可能的，通常以腳手架的形式并把它們彼此放在一起。目前在一些汽車公司應(yīng)用到柔性夾具，因為它們的精度等級是足夠滿足的。大尺寸制造的夾具設(shè)施盡管沒有許多柔性夾具那樣操作靈活，比如航空航天設(shè)備。準(zhǔn)確性和定位銷的不確定性、夾具的可重復(fù)性以及夾具結(jié)構(gòu)的漂移都出現(xiàn)這樣一個事實，這些夾具在發(fā)電和航空航天等工業(yè)不能滿足公差要求。一旦它們的精度問題得以解決，這些夾具在上述的工業(yè)中將會有很高的利用價值。
圖2.2 夾具與汽車行業(yè)中的可重構(gòu)組件
大量的體積計量系統(tǒng)和技術(shù)一直有許多新的發(fā)展。依靠計量系統(tǒng)和技術(shù)的現(xiàn)代激光技術(shù)現(xiàn)在就能夠測量一些可接受精度的大尺寸產(chǎn)品甚至到幾公丈的產(chǎn)品。在安裝和初期安裝調(diào)試期間，這些系統(tǒng)能夠用來精確定位一些夾具的關(guān)鍵部件。
夾具的安裝通常開始形成機架或主要框架，然后是那些大的部件和像皮卡和夾具那樣逐漸更小的零部件。計量系統(tǒng)能夠用于柔性夾具的主要框架和其內(nèi)部框架的安裝，從而來保證每個零部件彼此之間的準(zhǔn)確定位。表1顯示了這些大規(guī)模的測量系統(tǒng)數(shù)。跟蹤系統(tǒng)能夠測量基準(zhǔn)點，它是實現(xiàn)這一目的的最合適的測量系統(tǒng)。一起跟蹤球式反射鏡在三維空間內(nèi)都可以認(rèn)準(zhǔn)所要記錄的位置。球式反射鏡可以直接練習(xí)目標(biāo)對象來提供幾何位置信息或可以在機械重復(fù)的球式反射鏡下應(yīng)用，從這個角度用激光來跟蹤目標(biāo)或短期目標(biāo)。像一些其他測量儀器的激光跟蹤有時候不確定，在夾具的安裝過程中需要做以說明。此外，激光跟蹤和目標(biāo)點之間的光線問題還應(yīng)該考慮到。如果必要的話，多個跟蹤職位都可以使用，在實際測量活動中，其結(jié)果必然是伴隨著一個不確定的說明。經(jīng)過測量，這些給定的分散的特征值是合理的，這個問題與一些夾具或夾具的安裝及以后的審核都是一樣的。這些知識闡明了一個給定的定位夾具的能力和裝配任務(wù)。換句話說，它表示在其相關(guān)流程中一套夾具是否能夠滿足公差要求。
2.3夾具理論比較
為了用于多種生產(chǎn)裝置和組裝應(yīng)用，在不同的公司也有大量不同形狀和設(shè)計的夾具。這些夾具中的某一些的形式都是標(biāo)準(zhǔn)形式，然而另一些是經(jīng)過專門設(shè)計和制造的特殊零部件。后者可以說是建立在產(chǎn)品的復(fù)雜性和大規(guī)模的基礎(chǔ)上的，所以可能會是非常昂貴的[9]。
無論成本和目的如何，制造和組裝過程都可以完成，要么不使用夾具，要么用固定幀夾具或用可重構(gòu)或柔性夾具。表2對它們的典型應(yīng)用的這些方法做出了比較。
固定框夾具通常用于重型應(yīng)用上，它們更適合于應(yīng)用在能夠減輕花費開銷的大量產(chǎn)品上。
對于制造業(yè)和大型組裝及復(fù)雜產(chǎn)品來說，柔性夾具的應(yīng)用有很多好處。特別是在研究和發(fā)展工作中，以及低容量產(chǎn)品的情況下，制造柔性夾具和夾具可能會是非常有益的。除了在時間和金錢上使利益均衡外，柔性夾具還會有一個更加靈活的設(shè)計思路。由于在夾具的制造和裝配過程中，會直接和經(jīng)常改變夾具的拓?fù)涑杀?。與傳統(tǒng)夾具相比較，這種類型的柔性夾具的可重用性和可重構(gòu)性是一個主要的優(yōu)點。這一點尤為重要，因為它在綠色制造方面符合行業(yè)的發(fā)展方向，通過回收使用系統(tǒng)的組成部件，為相關(guān)項目的工裝費用降低了項目成本。
表2.1 用于驗證夾具大量的例子、便攜式測量儀器
儀器
輔助部件
測量類型
接觸式 非接觸式
圖像
激光跟蹤儀
賽立信探頭
是
T型探頭
是
激光雷達(dá)
球形目標(biāo)
是
攝影
目標(biāo)
是
光投影
是
關(guān)節(jié)臂
三坐標(biāo)測量機
基于激光掃描頭
是
接觸探頭
是
2.4 柔性夾具的安裝
本節(jié)中描述的夾具在安裝過程中需要考慮一些問題。夾具元件安裝在合適位置可以說是一種挑戰(zhàn)，尤其是當(dāng)定位公差比較小時，柔性夾具也應(yīng)當(dāng)被監(jiān)測以便于開發(fā)和與傳統(tǒng)夾具相比較它們的剛性。
給出了一個通用的描述階段根據(jù)初步夾具安裝在仿真軟件環(huán)境和利用一些尺寸為5m×4m×3m的大尺寸夾具的實際實驗結(jié)果來測量指令階段。這是不論這個夾具是否是第一次安裝在夾具中還是對已經(jīng)存在的夾具只做外形上的更換，其都是為了定位不同的零部件。
根據(jù)其復(fù)雜性，一種典型的大尺寸夾具具有三至五個結(jié)構(gòu)。通常除了有一個主框架之外，在每一個級別的基本水平，也可以由一個或多個結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)用來作為參考以便于作為夾具基準(zhǔn)來定位。在一個自動化固定的平臺上，機器系統(tǒng)會進(jìn)行多項任務(wù)，比如定位、加工和進(jìn)行裝配。因此機器人的工作基準(zhǔn)與夾具的工作框架相聯(lián)系。仔細(xì)考慮夾具的綜合數(shù)據(jù)，會確保后續(xù)安裝達(dá)到預(yù)期的公差要求。
2.4.1 測試輔助柔性夾具的安裝
柔性夾具的安裝在第一次進(jìn)行模擬仿真時有幾個安裝階段。使用模擬演習(xí)，在這個工程中可以減少一些潛在的錯誤和返工。測量輔助安裝過程是類似的跟蹤對象位置的過程，是常見的大尺寸組件用到的。夾具的組件先用這種方法使其大致位置公差在1mm以內(nèi)，然后當(dāng)所有的夾具組件被放到所設(shè)計的位置時，在0.1mm至0.15mm公差內(nèi)，它們可以使用適當(dāng)?shù)呐ぞ厥站o。典型的計量協(xié)助柔性夾具安裝階段如下：
在出廠時設(shè)置初試參考結(jié)構(gòu)；
測量初始參照系；
安裝基地或其位置的主框架；
安裝脫機內(nèi)結(jié)構(gòu)；
安裝控股和定位；
在內(nèi)框和主框架位置安裝鉗、套管和皮卡。
底座上安裝內(nèi)框；
重點定位元件的精細(xì)調(diào)整和緊固；
核查參照系和夾具；
對于夾具關(guān)鍵位置的服務(wù)監(jiān)測。
這些階段是從無到有夾具的完整安裝。更不用說，在設(shè)計變化略有變化的情況下，一些下面的操作將被忽略。
表2.2 不同夾具理念之間簡明的比較
典型特征
固定框架
柔性夾具
夾具
應(yīng)用
大批量產(chǎn)品
小批量產(chǎn)品
樣機
優(yōu)點
唯一性
可重復(fù)性
可重構(gòu)性
成本效益
耐用性
非常高
高
低
剛度
非常高
剛性不確定
低
缺點
重量
重
中
低
可移植性
不可移植
難以在每一個安裝中定位
難以進(jìn)行
成本
非常高
中等
低
生產(chǎn)時間
長
中等
短
2.4.2 柔性夾具的安裝
柔性夾具安裝過程中采取了以下階段：
安裝夾具的主框架；
移動單元和子系統(tǒng)組裝；
夾具內(nèi)框架在夾具裝配中的安裝；
皮卡和夾具的裝配。
主框架通常是夾具的骨干。因此，它一般不會改變外形，和內(nèi)框架及較小的元素如襯套、皮卡和夾具一樣具有規(guī)律性。慎重考慮制造過程可以減少夾具元件較大元素的重新排列，也會更進(jìn)一步節(jié)約時間和成本。圖3顯示了三組不同活動小組對于柔性夾具的安裝過程。在這個過程中，假定夾具的標(biāo)準(zhǔn)件是從可供選擇的現(xiàn)成的部件和組件中選出來的，然后提前在大量的物理安裝測試和調(diào)試時以降低測量不確定度來進(jìn)行一次夾具安裝。一旦達(dá)到可接受水平的不確定性的物理安裝才能進(jìn)行。
圖2.3 柔性夾具的測量輔助安裝程序
在夾具安裝過程中，它可能需要用到多個測量系統(tǒng)或用到包括一套完整夾具安裝關(guān)鍵點的測量系統(tǒng)。這應(yīng)該包括在夾具維修期間放在工廠的地板和墻壁上的穩(wěn)定性及漂移檢查的目標(biāo)參考點。
在夾具上定位的關(guān)鍵點、測量儀器的不確定性應(yīng)該予以考慮。作為一個經(jīng)驗法則，每個夾具關(guān)鍵位置的定位的準(zhǔn)確性應(yīng)該是在10倍，甚至比所需的耐受性更好。換句話說，如果組件公差指定至0.1mm，則夾具定位精度至少應(yīng)為0.01mm。
柔性夾具安裝的最佳做法如下：
一個工廠的墻壁和地板上的初始參考點的位置是首選，以減少測量的不確定性；
應(yīng)驗證該儀器所在位置上經(jīng)常使用初始參考點的基地；
在每個夾具的大節(jié)上，為更好地具有跟蹤和可重復(fù)性，可以附加多個球式反射跟蹤系統(tǒng)；
夾具大型組件有關(guān)于彎曲或扭曲的測量應(yīng)集中在角梁的中央部分，以減少定位誤差；
內(nèi)框架參考點應(yīng)選擇盡可能遠(yuǎn)的創(chuàng)建框的坐標(biāo)系統(tǒng)。這可能會導(dǎo)致在內(nèi)框坐標(biāo)系時的較小的不確定性。
3.不確定性
由于評估的結(jié)果旨在對于所描述物體真正價值范圍內(nèi)的評估定位，則不確定性被定義為膠[8]。這里的不確定性來自兩方面的審查，首先是與測量過程中有關(guān)的，其次是與夾具定位的不確定性有關(guān)。測量不確定性的一些因素，如灰塵、重力、溫度、氣壓、濕度、測量儀器和相關(guān)軟件中的系統(tǒng)誤差、操作人員的技能、接觸探針或球式反射跟蹤儀?；谀z[8]的定義，測量結(jié)果應(yīng)伴隨著它的不確定性說明，這些錯誤詳細(xì)來源的討論超出了本文的范圍。已經(jīng)有多項研究來建立真正的不確定性的一些測量儀器[10、11]。
夾具關(guān)鍵點的測量結(jié)果應(yīng)該包括相關(guān)的置信水平。除了最初的不確定性上升的測量儀器，夾具的不確定性還有其他方面的影響。夾具框架方面的應(yīng)用由于產(chǎn)品重量以及制造工藝過程在夾具框架中能創(chuàng)建一些彈性變形。夾具有了集成化、自動化和移動部分，是這個問題變得更加復(fù)雜。
仔細(xì)考慮夾具設(shè)計階段不確定性的來源可以在一個給定的情況下減少過度使用公差預(yù)算的風(fēng)險。夾具的精度和夾具的成本之間有著直接的關(guān)系。然而，整體的成本也應(yīng)該被考慮在內(nèi)。高數(shù)額的零部件有更長的使用壽命。換句話說，質(zhì)量特征接近平均值是，在使用過程中會很少失效。朝六個方向靠近在安裝時是很必要的，然后是在高精度夾具和敏感部位上的可重構(gòu)、柔性夾具及夾具的監(jiān)測。
4.討論
柔性夾具適用于組裝和在加工部分有不同的設(shè)計和幾何參數(shù)。尤其是當(dāng)這些部件之間的設(shè)計變化小時，這種類型的夾具被證明是具有成本效益和快速的解決方案，這是因為它可能會通過夾具重新配置到一個新的產(chǎn)品或組件的變種上。然而，當(dāng)所需的零件盒裝配的設(shè)計完全不同時，可能需要不同尺寸夾具組件的完整地重排，因此，在設(shè)計一個新的零件和重組夾具的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時應(yīng)該考慮到要便于減少夾具的安裝和重新配置的時間以及成本，并最大限度的重用現(xiàn)在的組件在當(dāng)前的裝配中。
一個柔性夾具有許多種裝配方式，是由于其靈活性。在正確的安裝順序下選擇合適的組件，可以最大限度的節(jié)約成本和時間。本次選擇的過程中應(yīng)該對未來產(chǎn)品的夾具的潛在的重用予以考慮。在產(chǎn)品不斷變化的情況下，計劃和設(shè)計夾具框架是很重要的。使用定制的夾具、緊固件、軸套和其他夾具元件都是降低成本的關(guān)鍵問題。
仿真軟件和工具的廣泛使用，可以減少返工和浪費夾具材料相關(guān)的成本。例如測量儀器，其目標(biāo)點之間的視線檢查就會使用這些軟件來輔助。圖4顯示了柔性夾具安裝在測量仿真軟件中的第一個階段。由于夾具正在興建的模擬的效益越
來越明顯，因此它可以突出儀器與目標(biāo)測量點的水平視線的問題和不確定性。
由于關(guān)于夾具操作中重量和力使夾具元件的電位漂移和變形，則可以提前在仿真中分析以及在購買夾具元件方面的財政。更重要的是，這種工具允許更好的裝配和制造等操作，因為它們能提前分析出夾具的長處和弱點，揭示其物理設(shè)置。
選擇合適的測量儀器最重要的是要協(xié)助夾具安裝的的計量。一個連貫的計量系統(tǒng)，其測量結(jié)果的不確定性能夠決定夾具的不確定性，也暴露了夾具和是否符合一個給定的公差范圍內(nèi)所需任務(wù)的能力。
圖4.1 測量輔助夾具安裝的模擬過程
由于關(guān)于夾具操作中重量和力使夾具元件的電位漂移和變形，則可以提前在仿真中分析以及在購買夾具元件方面的財政。更重要的是，這種工具允許更好的裝配和制造等操作，因為它們能提前分析出夾具的長處和弱點，揭示其物理設(shè)置。
選擇合適的測量儀器最重要的是要協(xié)助夾具安裝的的計量。一個連貫的計量系統(tǒng)，其測量結(jié)果的不確定性能夠決定夾具的不確定性，也暴露了夾具和是否符合一個給定的公差范圍內(nèi)所需任務(wù)的能力。
總結(jié)
零件和裝配體應(yīng)該以盡量減少夾具成本的方式來設(shè)計，以滿足使用標(biāo)準(zhǔn)組件。如果在夾具更新至下一產(chǎn)品時提前思考，則其速度和成本可能會增加。在夾具和固定裝置的設(shè)計上有強大的總成本、碳足跡及其可持續(xù)性。它往往要求生產(chǎn)出只有極少數(shù)的典型設(shè)計或產(chǎn)品，子系統(tǒng)或組件，以滿足產(chǎn)品的變化和客戶的需求。對于大型產(chǎn)品的幾何尺寸超出幾米夾具的可能會造成重大的開銷。此外，一旦所需的零部件倍制造出來，這些夾具則會變得多余。常規(guī)回收多余夾具是不經(jīng)濟的。因此，找到增加夾具的靈活性才是所需求的方法。
柔性夾具和夾具的概念已存于二十余年。然而它們的潛能還沒有真正發(fā)揮，是由于其精度可可重復(fù)性的不確定性。高精度計量系統(tǒng)現(xiàn)在能夠用來對夾具進(jìn)行初始安裝和服務(wù)。然后使用該系統(tǒng)有可能重新設(shè)定夾具元素使其精確到一個新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以便于定位不同幾何位置的組件，允許幾次使用夾具。
本文提出了一種對于大規(guī)模柔性夾具及夾具初始定位和安裝的通用的算法。計量輔助夾具安裝的新概念被證明對復(fù)雜的設(shè)置和夾具的安裝是有益的。當(dāng)完全裝配好時，夾具的穩(wěn)定性可以通過慎重考慮和選擇夾具幾何位置上的關(guān)鍵點來予以保證。這種方法將應(yīng)用于大尺寸元件和產(chǎn)品的制造以及裝配件，尤其是應(yīng)用于航空航天和發(fā)電工業(yè)中。