外文翻譯譯文題目 一種自動化夾具設(shè)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(shè)計方法塞西爾美國，拉斯克魯塞斯，新墨西哥州立大學(xué)，，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(shè)計方法。對于一個給定的工件，這種夾具設(shè)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(shè)計方法去夾緊和支撐工件，并且當(dāng)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(shè)計的詳細步驟。幾何推理技術(shù)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(shù)要求、特征。關(guān)鍵詞：夾緊；夾具設(shè)計1. 動機和目標(biāo)夾具設(shè)計是連接設(shè)計與制造間的一項重要任務(wù)。自動化夾具設(shè)計和計算機輔助夾具設(shè)計開發(fā)（夾具CAD）是下一代制造系統(tǒng)成功實現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵。在這片論文里，討論了一種夾具設(shè)計的方法，這種方法有利于在目前環(huán)境下夾具設(shè)計的自動化。夾具設(shè)計方法的研究已成為國內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)，突出重點的工作。在夾具設(shè)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(shè)計。Bidanda [4]描述了一個基于規(guī)則的專家系統(tǒng)，以確定回轉(zhuǎn)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(guān)系。一些研究人員采用模塊化夾具設(shè)計原則，用以生成[2,7-11]，另一些夾具設(shè)計工作者已經(jīng)報告了[1,3,9,12-23]?？梢栽赱21,24]中找到夾具設(shè)計相關(guān)的大量的審查工作。在第二節(jié)中，對夾具設(shè)計任務(wù)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(shè)計的整體方法在本節(jié)中，描述了整體夾緊的設(shè)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(shè)計中定位的位置是高度相關(guān)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(shè)計中不同的方面，可能導(dǎo)致夾具設(shè)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(shè)計的定位相契合。不過，整體定位及設(shè)計方法不在本文討論范文內(nèi)。除了零件的設(shè)計（為此夾具設(shè)計有待開發(fā)），公差規(guī)格，過程序列，定位點和設(shè)計等因素外，還應(yīng)投入 CAD 模型到夾具設(shè)計方法中。這樣的夾具可以夾緊并支撐定位器。指導(dǎo)使用的主要內(nèi)容應(yīng)盡量不抵制切割或加工過程和中所涉及的操作。相反，應(yīng)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(dǎo)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(shè)計方法必須在整體夾具設(shè)計方法的范圍內(nèi)。在此之前進行定位器/支撐和夾具設(shè)計的初步階段，涉及到的分析和識別的功能、相關(guān)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(shè)計與夾具設(shè)計結(jié)果的在此基礎(chǔ)上可以同時進行。本文對所描述夾具設(shè)計的方法討論基于定位器/ 支撐設(shè)計與先前已經(jīng)確定的假設(shè)（包括適當(dāng)?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(chǔ)板，定位銷等）。 （1） 夾具設(shè)計的輸入輸入包括對特定產(chǎn)品的設(shè)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(shè)計的相關(guān)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(yīng)的功能。（2）夾具設(shè)計的方法圖一是自動化夾具設(shè)計主要步驟總結(jié)圖。對這些步驟概述如下：第 1 步：設(shè)置配置清單以及相關(guān)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(yīng)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(cè)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(diào)，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(gòu)夾緊一個方向，例如，av 應(yīng)平行于這兩個法向量，即，正常向量應(yīng)分別與每塊表面的 sv 和 tv向量平行。側(cè)面夾緊面應(yīng)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(gòu)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(guān)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(dāng)?shù)奈恢谩Ｗ屾i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(yīng)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(shè)計應(yīng)力，抗拉強度值應(yīng)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(shè)計應(yīng)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?D 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(guān)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(guān)參數(shù)包括了產(chǎn)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。考慮所有潛在的加緊面，如圖 3。最關(guān)鍵的是夾緊表面不應(yīng)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(nèi)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 lf1 和 tcj 平行 lf2。 （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(yīng)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?fù)湫畔?，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(cè)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(cè)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(fù)的結(jié)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(jié)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(shè)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(fù)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(fù)值，繼續(xù)執(zhí)行步驟3。（T3）重復(fù)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(fù)（T1 ）和（T2）步驟。如果特征面與夾緊面重復(fù)，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(jié)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(jié)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。考慮如圖 7 所示的一部分樣品。將要生產(chǎn)一個盲孔。起初，完成定位設(shè)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(yīng)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(shè)計方法中所述的步驟的基礎(chǔ)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(quán)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(yīng)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(shè)計如圖 8 所示。本文討論的方法，毫不遜色于其他夾具設(shè)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?fù)浜凸δ馨l(fā)生了被加工為基礎(chǔ)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(jié)在這篇論文中，對在一個夾具設(shè)計方法的總體框架內(nèi)進行了夾具設(shè)計方面的討論。設(shè)計定位器，規(guī)范零件設(shè)計，和其他相關(guān)被用來確定夾緊面和夾緊方向。并討論了各種自動化步驟。