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外文翻譯
譯文題目 一種自動(dòng)化夾具設(shè)計(jì)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(dòng)化夾具設(shè)計(jì)方法
塞西爾
美國(guó)，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(shí)驗(yàn)室（VEEL）
在這片論文里，描述了一種新的計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)方法。對(duì)于一個(gè)給定的工件，這種夾具設(shè)計(jì)方法包含了識(shí)別加緊表面和夾緊位置點(diǎn)。通過(guò)使用一種定位設(shè)計(jì)方法去夾緊和支撐工件，并且當(dāng)機(jī)器正在運(yùn)行的時(shí)候，可以根據(jù)刀具來(lái)正確定位工件。該論文還給出了自動(dòng)化夾具設(shè)計(jì)的詳細(xì)步驟。幾何推理技術(shù)被用來(lái)確定可行的夾緊面和位置。要識(shí)別所完成工件和定位點(diǎn)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(jì)
1. 動(dòng)機(jī)和目標(biāo)
夾具設(shè)計(jì)是連接設(shè)計(jì)與制造間的一項(xiàng)重要任務(wù)。自動(dòng)化夾具設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)開發(fā)（夾具CAD）是下一代制造系統(tǒng)成功實(shí)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(jì)的方法，這種方法有利于在目前環(huán)境下夾具設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。
夾具設(shè)計(jì)方法的研究已成為國(guó)內(nèi)多家科研工作的重點(diǎn)。作者：周在[1]中對(duì)工件的穩(wěn)定和總需求約束了雙重標(biāo)準(zhǔn)，突出重點(diǎn)的工作。在夾具設(shè)計(jì)中廣泛的運(yùn)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(jì)。Bidanda [4]描述了一個(gè)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(jī)制同時(shí)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(jī)械和建筑模型及其他金屬切削加工。康有為等在[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(jì)原則，用以生成[2,7-11]，另一些夾具設(shè)計(jì)工作者已經(jīng)報(bào)告了[1,3,9,12-23]?？梢栽赱21,24]中找到夾具設(shè)計(jì)相關(guān)的大量的審查工作。
在第二節(jié)中，對(duì)夾具設(shè)計(jì)任務(wù)中各種步驟進(jìn)行了概述。在第3節(jié)和第四節(jié)中描述了工件的加工過(guò)程，要夾緊工件表面，否則將面臨工件的全面自動(dòng)測(cè)定。第5節(jié)討論了對(duì)工件的夾緊點(diǎn)的測(cè)定。
2. 夾具設(shè)計(jì)的整體方法
在本節(jié)中，描述了整體夾緊的設(shè)計(jì)方法。通常對(duì)較理想的位置的那一部分進(jìn)行夾緊，并減低切削力的影響。夾緊的位置和夾具設(shè)計(jì)中定位的位置是高度相關(guān)的。通常，夾緊和定位可以通過(guò)同樣的方法來(lái)完成。但是，不明白這兩個(gè)是夾具設(shè)計(jì)中不同的方面，可能導(dǎo)致夾具設(shè)計(jì)的失敗。多數(shù)人的在規(guī)劃過(guò)程中首先解決定位問(wèn)題，這樣可以使開發(fā)的定位與設(shè)計(jì)的定位相契合。不過(guò)，整體定位及設(shè)計(jì)方法不在本文討論范文內(nèi)。
除了零件的設(shè)計(jì)（為此夾具設(shè)計(jì)有待開發(fā)），公差規(guī)格，過(guò)程序列，定位點(diǎn)和設(shè)計(jì)等因素外，還應(yīng)投入CAD模型到夾具設(shè)計(jì)方法中。這樣的夾具可以?shī)A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(guò)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(gè)特定的部分加工操作安全。通過(guò)引導(dǎo)對(duì)定位器的切割力量，部分（或工件）被固定，固定定位點(diǎn)，因此不能移動(dòng)的定位器。
在這里討論的夾具的設(shè)計(jì)方法必須在整體夾具設(shè)計(jì)方法的范圍內(nèi)。在此之前進(jìn)行定位器/支撐和夾具設(shè)計(jì)的初步階段，涉及到的分析和識(shí)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(píng)估和測(cè)定，定位/支撐設(shè)計(jì)與夾具設(shè)計(jì)結(jié)果的在此基礎(chǔ)上可以同時(shí)進(jìn)行。本文對(duì)所描述夾具設(shè)計(jì)的方法討論基于定位器/支撐設(shè)計(jì)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(cè)定一個(gè)工件的定位，以及識(shí)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(jì)的輸入
輸入包括對(duì)特定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)翼邊模型，公差信息，提取的特征，過(guò)程順序和部分在給定的每一個(gè)設(shè)計(jì)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(guò)程中的各種工序，須出示每個(gè)相應(yīng)的功能。
（2）夾具設(shè)計(jì)的方法
圖一是自動(dòng)化夾具設(shè)計(jì)主要步驟總結(jié)圖。對(duì)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(jìn)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(duì)nvs的支持力，并確定法向量。如果加工方向向下（對(duì)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(gè)夾具夾緊下調(diào)，然后邊鉗方向計(jì)算如下。讓sv和tv輔助常規(guī)的向量代替次要的和三級(jí)定位孔。然后，使用夾緊機(jī)構(gòu)夾緊一個(gè)方向，例如，av應(yīng)平行于這兩個(gè)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(duì)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(jì)算出的最高有效加工力，才能確定用來(lái)支撐工件加工的面積的夾具尺寸（例如，一個(gè)帶夾子可以作為一個(gè)夾緊機(jī)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(guò)。
第六步：該夾具的夾緊面的實(shí)際位置自動(dòng)在第5節(jié)中確定?？紤]接下來(lái)的步驟并返回第一步。
3. 判斷夾具尺寸
在這項(xiàng)工作中所用到的夾具都來(lái)自一個(gè)系列。夾具的原理與圖二相同。在這一節(jié)里，描述了一個(gè)自動(dòng)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?。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(qiáng)度（抗拉強(qiáng)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(kù)檢索。各種材料有不同的拉伸強(qiáng)度。該夾具材料的選擇，也可直接采用啟發(fā)式規(guī)則進(jìn)行。例如，如果部分材料是低碳鋼，那么鉗材料可低碳鋼或機(jī)器鋼。為了確定設(shè)計(jì)應(yīng)力，抗拉強(qiáng)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(gè)螺絲鉗）可以被確定：[鎖模力/設(shè)計(jì)應(yīng)力]。隨后，螺栓截面全面積可以計(jì)算為等于{格A1 /（65％），}（因?yàn)槁萁z的地方可能會(huì)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(xiàng)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(jì)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?？紤]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(gè)二維輪廓線段組成的（見圖6）。利用線段相交測(cè)試，可以測(cè)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(jí)和三級(jí)定位面（lf1和lf2）是分別到lf1和tcj最遠(yuǎn)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(duì)tci的面。（三）通過(guò)檢查所有TCF中面對(duì)tci的面，確定的面對(duì)tci和tcj的面是到lf1和lf2分別最遠(yuǎn)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(gè)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(gè)tci面垂直或相鄰的面然后，在FCF列表中插入每個(gè)fci面。
(b) 檢查每個(gè)FCI面，并執(zhí)行以下測(cè)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(shí)，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(xiàng)數(shù)大于1，確定最大的TCI加緊面再進(jìn)行步驟4。
例4：:夾緊力的方向可以是[1，0，0]或[0，1，0]，可以?shī)A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(diǎn)
確定夾緊面后，必須確定實(shí)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(gè)箱體的大小，這是用來(lái)測(cè)試它是否包含在它里面的任何部分。相交測(cè)試也可以在前面介紹的方法使用。如果相交測(cè)試返回一個(gè)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(cè)試返回一個(gè)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(jì)的相交測(cè)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(gè)以上的長(zhǎng)方形候選
面，矩形配置文件，向中沿軸夾緊CF面點(diǎn)的是夾緊配置文件（夾點(diǎn)）。
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(gè)。使用這些修改過(guò)的夾具尺寸，執(zhí)行前面描述的特征相交測(cè)試。如果此測(cè)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(jìn)行PCF和功能相交測(cè)試。
:
5.1試驗(yàn)曲線的交點(diǎn)
輸入需要的二維輪廓P1、P2，使用下列方法可以自動(dòng)確定該配置文件的交集。每一個(gè)輸入的資料組成一個(gè)封閉環(huán)。此配置文件測(cè)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(cè)試返回一個(gè)正值，那么特征面和潛在面相交。如果它返回一個(gè)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(guò)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(cè)試將決定該事件。相交的邊可以進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)兩個(gè)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(jì)算R3 =F(x3, y3)，用X和Y取代X3和Y3;計(jì)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(jìn)行第三步。
第三步：使用等式（2）計(jì)算R1 =H(x1, y1)。接著，計(jì)算R2 =G(x2, y2)再進(jìn)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(gè)也不滿足條件，那么進(jìn)行第五步。
第五步：給定相交線段。這樣就完成了測(cè)試。考慮如圖7所示的一部分樣品。將要生產(chǎn)一個(gè)盲孔。起初，完成定位設(shè)計(jì)。定位器的（或主要定位器）是一個(gè)基盤（放在F4面）和二級(jí)和三級(jí)定位器面臨F6和F5（對(duì)應(yīng)到定位面lf1和lf2在第4節(jié)中討論）。一個(gè)輔助定位器也被使用，這是一個(gè)V型塊（對(duì)F3和F5面輔助定位），如圖8所示。在前面討論的夾具設(shè)計(jì)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(yuǎn)的距離）是面對(duì)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(duì)的是F2面。夾具方向向下的V型塊徑向定位器和其他與對(duì)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(jìn)行相交測(cè)試確定夾具優(yōu)美加緊。夾具位置應(yīng)遠(yuǎn)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(jì)如圖8所示。
本文討論的方法，毫不遜色于其他夾具設(shè)計(jì)文獻(xiàn)中討論的方法。本文所討論的方法的獨(dú)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(duì)持有一級(jí)，二級(jí)和三級(jí)定位器加工的工件。這種方法的另一個(gè)好處是在可行的候選面上確定在面上用夾具面交點(diǎn)測(cè)試（如前所述），并迅速和有效地確定潛在的下游過(guò)程中可能出現(xiàn)問(wèn)題，夾緊和加工的功能檢測(cè)。
6. 總結(jié)
在這篇論文中，對(duì)在一個(gè)夾具設(shè)計(jì)方法的總體框架內(nèi)進(jìn)行了夾具設(shè)計(jì)方面的討論。
設(shè)計(jì)定位器，規(guī)范零件設(shè)計(jì)，和其他相關(guān)被用來(lái)確定夾緊面和夾緊方向。并討論了各種自動(dòng)化步驟。