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畢 業(yè) 設 計 任 務 書
（加工液壓泵上體三個階梯孔的機床專用夾具計算機輔助設計研究）
指導老師：隆文革
課題內(nèi)容：
1、資料的調(diào)研、收集、加工整理
2、進行與設計課題相關(guān)的實習
3、根據(jù)零件圖設計此零件的加工工序并設計一鉆床夾具，正確的繪制設計圖紙
4、完成三維建模，利用PROE進行夾具的裝配、修改、檢驗與仿真
5、撰寫畢業(yè)設計說明書
課題任務要求：
1、設計計劃（進度）
嚴格按照計劃執(zhí)行，適當安排進度檢查。
2、市場調(diào)查
在廣泛調(diào)查和資料收集的基礎上為加工液壓泵上體三個階梯孔的機床專用夾具計算機
輔助設計研究功能設計、工藝要求、適應性要求提供可靠的依據(jù)。
3、工藝、夾具設計
在廣泛調(diào)查和全面分析考慮的基礎上進行設計，并形成工程圖紙。
4、草圖、效果圖制作
充分表現(xiàn)所設計的夾具總體結(jié)構(gòu)表達技巧，設計表達全面、明晰。
5、設計說明書
字數(shù)符合畢業(yè)設計規(guī)定，內(nèi)容完整，文獻查閱不少于15篇，
6、預期目標：
（１）、實習報告一份；
（２）、草稿一份；
（３）、設計說明書：字數(shù)不少于一萬字；
（４）、設計圖：紙量不少于折合成圖幅為A0號的圖紙2．0張
（夾具裝配圖A0號1張，非標件零件圖若干張（CAD一套））；
（５）、查閱文獻15篇以上。
夾具夾緊力的優(yōu)化及對工件定位精度的影響
B.Li 和 S.N.Mellkote
布什伍德拉夫機械工程學院，佐治亞理工學院，格魯吉亞，美國研究所
由于夾緊和加工，在工件和夾具的接觸部位會產(chǎn)生局部彈性變形，使工件尺寸發(fā)生變化，進而影響工件的最終加工質(zhì)量。這種效應可通過最小化夾具設計優(yōu)化，夾緊力是一個重要的設計變量，可以得到優(yōu)化，以減少工件的位移。本文提出了一種確定多夾緊夾具受到準靜態(tài)加工部位的最佳夾緊力的新方法。該方法采用彈性接觸力學模型代表夾具與工件接觸，并涉及制定和解決方案的多目標優(yōu)化模型的約束。夾緊力的最優(yōu)化對工件定位精度的影響通過3-2-1式銑夾具的例子進行了分析。
關(guān)鍵詞：彈性 接觸 模型 夾具 夾緊力 優(yōu)化
前言
定位和夾緊的工件加工中的兩個關(guān)鍵因素。要實現(xiàn)夾具的這些功能，需將工件定位到一個合適的基準上并夾緊，采用的夾緊力必須足夠大，以抑制工件在加工過程中產(chǎn)生的移動。然而，過度的夾緊力可誘導工件產(chǎn)生更大的彈性變形 ，這會影響它的位置精度，并反過來影響零件質(zhì)量。所以有必要確定最佳夾緊力，來減小由于彈性變形對工件的定位誤差，同時滿足加工的要求。在夾具分析和綜合領域上的研究人員使用了有限元模型的方法或剛體模型的方法。大量的工作都以有限元方法為基礎被報道[參考文獻1-8]。隨著得墨忒耳[8]，這種方法的限制是需要較大的模型和計算成本。同時，多數(shù)的有限元基礎研究人員一直重點關(guān)注的夾具布局優(yōu)化和夾緊力的優(yōu)化還沒有得到充分討論，也有少數(shù)的研究人員通過對剛性模型[9-11]對夾緊力進行了優(yōu)化，剛型模型幾乎被近似為一個規(guī)則完整的形狀。得墨忒耳[12，13]用螺釘理論解決的最低夾緊力，總的問題是制定一個線性規(guī)劃，其目的是盡量減少在每個定位點調(diào)整夾緊力強度的法線接觸力。接觸摩擦力的影響被忽視，因為它較法線接觸力相對較小，由于這種方法是基于剛體假設，獨特的三維夾具可以處理超過6個自由度的裝夾，復和倪[14]也提出迭代搜索方法，通過假設已知摩擦力的方向來推導計算最小夾緊力，該剛體分析的主要限制因素是當出現(xiàn)六個以上的接觸力是使其靜力不確定，因此，這種方法無法確定工件移位的唯一性。
這種限制可以通過計算夾具——工件系統(tǒng)[15]的彈性來克服，對于一個相對嚴格的工件，該夾具在機械加工工件的位置會受夾具點的局部彈性變形的強烈影響。Hockenberger和得墨忒耳[16]使用經(jīng)驗的接觸力變形的關(guān)系（稱為元功能），解決由于夾緊和準靜態(tài)加工力工件剛體位移。同一作者還考察了加工工件夾具位移對設計參數(shù)的影響[17]。桂 [18] 等 通過工件的夾緊力的優(yōu)化定位精度彈性接觸模型對報告做了改善，然而，他們沒有處理計算夾具與工件的接觸剛度的方法，此外，其算法的應用沒有討論機械加工刀具路徑負載有限序列。李和Melkote [19]和烏爾塔多和Melkote [20]用接觸力學解決由于在加載夾具夾緊點彈性變形產(chǎn)生的接觸力和工件的位移，他們還使用此方法制定了優(yōu)化方法夾具布局[21]和夾緊力[22]。但是，關(guān)于multiclamp系統(tǒng)及其對工件精度影響的夾緊力的優(yōu)化并沒有在這些文件中提到 。
本文提出了一種新的算法，確定了multiclamp夾具工件系統(tǒng)受到準靜態(tài)加載的最佳夾緊力為基礎的彈性方法。該法旨在盡量減少影響由于工件夾緊位移和加工荷載通過系統(tǒng)優(yōu)化夾緊力的一部分定位精度。接觸力學模型，用于確定接觸力和位移，然后再用做夾緊力優(yōu)化，這個問題被作為多目標約束優(yōu)化問題提出和解決。通過兩個例子分析工件夾緊力的優(yōu)化對定位精度的影響，例子涉及的銑削夾具3-2-1布局。
1． 夾具——工件聯(lián)系模型
1．1 模型假設
該加工夾具由L定位器和帶有球形端的c形夾組成。工件和夾具接觸的地方是線性的彈性接觸，其他地方完全剛性。工件——夾具系統(tǒng)由于夾緊和加工受到準靜態(tài)負載。夾緊力可假定為在加工過程中保持不變，這個假設是有效的，在對液壓或氣動夾具使用。在實際中，夾具工件接觸區(qū)域是彈性分布，然而，這種模式的發(fā)展，假設總觸剛度（見圖1）第i夾具接觸力局部變形如下：
(1) 其中（j=x，y，z）表示，在當?shù)刈幼鴺讼登芯€和法線方向的接觸剛度
第 19 頁 共 15 頁
圖1 彈簧夾具——
工件接觸模型。
表示在第i個
接觸處的坐標系
（j=x，y，z）是對應沿著xyz方向的彈性變形，分別 （j= x，y，z）的代表和切向力接觸 ，法線力接觸。
1．2 工件——夾具的接觸剛度模型
集中遵守一個球形尖端定位，夾具和工件的接觸并不是線性的，因為接觸半徑與隨法線力呈非線性變化 [23]。由于法線力接觸變形作用于半徑和平面工件表面之間，這可從封閉赫茲的辦法解決縮進一個球體彈性半空間的問題。對于這個問題， 是法線的變形，在[文獻23 第93頁]中給出如下：
（2）
其中式中 和是工件和夾具的彈性模量，、分別是工件和材料的泊松比。
切向變形沿著和切線方向）硅業(yè)切力距有以下形式[文獻23第217頁]
（3）
其中、 分別是工件和夾具剪切模量
一個合理的接觸剛度的線性可以近似從最小二乘獲得適合式 （2），這就產(chǎn)生了以下線性化接觸剛度值：在計算上述的線性近似，
（4）
(5)
正常的力被假定為從0到1000N，且最小二乘擬合相應的R2值認定是0.94。
2．夾緊力優(yōu)化
我們的目標是確定最優(yōu)夾緊力，將盡量減少由于工件剛體運動過程中，局部的夾緊和加工負荷引起的彈性變形，同時保持在準靜態(tài)加工過程中夾具——工件系統(tǒng)平衡，工件的位移減少，從而減少定位誤差。實現(xiàn)這個目標是通過制定一個多目標約束優(yōu)化問題的問題，如下描述。
2.1 目標函數(shù)配方
工件旋轉(zhuǎn)，由于部隊輪換往往是相當小[17]的工件定位誤差假設為確定其剛體翻譯基本上，其中 、、和 是 沿，和三個正交組件（見圖2）。
圖2 工件剛體平移和旋轉(zhuǎn)
工件的定位誤差歸于裝夾力，然后可以在該剛體位移的范數(shù)計算如下：
（6）
其中表示一個向量二級標準。
但是作用在工件的夾緊力會影響定位誤差。當多個夾緊力作用于工件，由此產(chǎn)生的夾緊力為,有如下形式：
（7）
其中夾緊力是矢量，夾緊力的方向矩陣，是夾緊力是矢量的方向余弦，、和 是第i個夾緊點夾緊力在、和方向上的向量角度（i=1、2、3...,C）。
在這個文件中，由于接觸區(qū)變形造成的工件的定位誤差，被假定為受的作用力是法線的，接觸的摩擦力相對較小，并在進行分析時忽略了加緊力對工件的定位誤差的影響。意指正常接觸剛度比，是通過（i=1，2…L）和最小的所有定位器正常剛度相乘，并假設工件、、取決于、、的方向，各自的等效接觸剛度可有下式計算得出（見圖3），工件剛體運動，歸于夾緊行動現(xiàn)在可以寫成：
(8)
工件有位移，因此，定位誤差的減小可以通過盡量減少產(chǎn)生的夾緊力向量 范數(shù)。因此，第一個目標函數(shù)可以寫為：
最小化 （9）
要注意，加權(quán)因素是與等效接觸剛度成正比的在、和 方向上。通過使用最低總能量互補參考文獻[15，23]的原則求解彈性力學接觸問題得出A的組成部分是唯一確定的，這保證了夾緊力和相應的定位反應是“真正的”解決方案，對接觸問題和產(chǎn)生的“真正”剛體位移，而且工件保持在靜態(tài)平衡，通過夾緊力的隨時調(diào)整。因此，總能量最小化的形式為補充的夾緊力優(yōu)化的第二個目標函數(shù)，并給出：
最小化 （10）
其中代表機構(gòu)的彈性變形應變能互補，代表由外部力量和力矩配合完成，是遵守對角矩陣的， 和是所有接觸力的載體。
如圖3 加權(quán)系數(shù)計算確定的基礎
內(nèi)蒙古科技大學本科生畢業(yè)設計（外文翻譯）
2.2 摩擦和靜態(tài)平衡約束
在（10）式優(yōu)化的目標受到一定的限制和約束，他們中最重要的是在每個接觸處的靜摩擦力約束。庫侖摩擦力的法律規(guī)定（是靜態(tài)摩擦系數(shù)）,這方面的一個非線性約束和線性化版本可以使用，并且[19]有：
（11）
假設準靜態(tài)載荷，工件的靜力平衡由下列力和力矩平衡方程確保（向量形式）：
(12)
其中包括在法線和切線方向的力和力矩的機械加工力和工件重量。
2.3界接觸力
由于夾具——工件接觸是單側(cè)面的，法線的接觸力只能被壓縮。這通過以下的的約束表（i=1，2…,L+C） （13）
它假設在工件上的法線力是確定的，此外，在一個法線的接觸壓力不能超過壓工件材料的屈服強度（）。這個約束可寫為：
（i=1，2，…,L+C） (14)
如果是在第i個工件——夾具的接觸處的接觸面積，完整的夾緊力優(yōu)化模型，可以寫成：最小化 (15)
3．模型算法求解
式（15）多目標優(yōu)化問題可以通過求解約束[24]。這種方法將確定的目標作為首要職能之一，并將其轉(zhuǎn)換成一個約束對。該補充（）的主要目的是處理功能，并由此得到夾緊力（）作為約束的加權(quán)范數(shù)最小化。對為主要目標的選擇，確保選中一套獨特可行的夾緊力，因此，工件——夾具系統(tǒng)驅(qū)動到一個穩(wěn)定的狀態(tài)（即最低能量狀態(tài)），此狀態(tài)也表示有最小的夾緊力下的加權(quán)范數(shù)。 的約束轉(zhuǎn)換涉及到一個指定的加權(quán)范數(shù)小于或等于，其中是 的約束，假設最初所有夾緊力不明確，要確定一個合適的。在定位和夾緊點的接觸力的計算只考慮第一個目標函數(shù)（即）。雖然有這樣的接觸力，并不一定產(chǎn)生最低的夾緊力，這是一個“真正的”可行的解決彈性力學問題辦法，可完全抑制工件在夾具中的位置。這些夾緊力的加權(quán)系數(shù)，通過計算并作為初始值與比較，因此，夾緊力式（15）的優(yōu)化問題可改寫為:
最小化 （16）
由： (11)–(14) 得。
類似的算法尋找一個方程根的二分法來確定最低的上的約束, 通過盡可能降低上限，由此產(chǎn)生的最小夾緊力的加權(quán)范數(shù)。 迭代次數(shù)K，終止搜索取決于所需的預測精度和，有參考文獻[15]：
（17）
其中表示上限的功能，完整的算法在如圖4中給出。
圖4 夾緊力的優(yōu)化算法（在示例1中使用）。 圖5 該算法在示例2使用
4． 加工過程中的夾緊力的優(yōu)化及測定
上一節(jié)介紹的算法可用于確定單負載作用于工件的載體的最佳夾緊力，然而，刀具路徑隨磨削量和切割點的不斷變化而變化。因此，相應的夾緊力和最佳的加工負荷獲得將由圖4算法獲得，這大大增加了計算負擔，并要求為選擇的夾緊力提供標準， 將獲得滿意和適宜的整個刀具軌跡 ，用保守的辦法來解決下面將被討論的問題，考慮一個有限的數(shù)目（例如m）沿相應的刀具路徑設置的產(chǎn)生m個最佳夾緊力，選擇記為， ， …,在每個采樣點，考慮以下四個最壞加工負荷向量：
(18)、和表示在、和方向上的最大值，、和上的數(shù)字1，2，3分別代替對應的和另外兩個正交切削分力，而且有：
雖然4個最壞情況加工負荷向量不會在工件加工的同一時刻出現(xiàn)，但在每次常規(guī)的進給速度中，刀具旋轉(zhuǎn)一次出現(xiàn)一次，負載向量引入的誤差可忽略。因此，在這項工作中，四個載體負載適用于同一位置，（但不是同時）對工件進行的采樣 ，夾緊力的優(yōu)化算法圖4，對應于每個采樣點計算最佳的夾緊力。夾緊力的最佳形式有：
(i=1,2,…,m) (j=x,y z,r) (19)
其中是最佳夾緊力的四個情況下的加工負荷載體，(C=1，2，…C)是每個相應的夾具在第i個樣本點和第j負荷情況下力的大小。是計算每個負載點之后的結(jié)果，一套簡單的“最佳”夾緊力必須從所有的樣本點和裝載條件里發(fā)現(xiàn)，并在所有的最佳夾緊力中選擇。這是通過在所有負載情況和采樣點排序，并選擇夾緊點的最高值的最佳的夾緊力，見于式 （20）：
（k=1，2，…，C） （20）
只要這些具備，就得到一套優(yōu)化的夾緊力，驗證這些力，以確保工件夾具系統(tǒng)的靜態(tài)平衡。否則，會出現(xiàn)更多采樣點和重復上述程序。在這種方式中，可為整個刀具路徑確定“最佳”夾緊力 ，圖5總結(jié)了剛才所描述的算法。請注意，雖然這種方法是保守的，它提供了一個確定的夾緊力，最大限度地減少工件的定位誤差的一套系統(tǒng)方法。
5．影響工件的定位精度
它的興趣在于最早提出了評價夾緊力的算法對工件的定位精度的影響。工件首先放在與夾具接觸的基板上，然后夾緊力使工件接觸到夾具，因此，局部變形發(fā)生在每個工件夾具接觸處，使工件在夾具上移位和旋轉(zhuǎn)。隨后，準靜態(tài)加工負荷應用造成工件在夾具的移位。工件剛體運動的定義是由它在、和方向上的移位和自轉(zhuǎn)（見圖2），
如前所述，工件剛體位移產(chǎn)生于在每個夾緊處的局部變形，假設為相對于工件的質(zhì)量中心的第i個位置矢量定位點，坐標變換定理可以用來表達在工件的位移，以及工件自轉(zhuǎn)如下: (21)
其中表示旋轉(zhuǎn)矩陣,描述當?shù)卦诘趇幀相聯(lián)系的全球坐標系和是一個旋轉(zhuǎn)矩陣確定工件相對于全球的坐標系的定位坐標系。假設夾具夾緊工件旋轉(zhuǎn)，由于旋轉(zhuǎn)很小，故也可近似為：
（22）
方程（21）現(xiàn)在可以改寫為： （23）
其中是經(jīng)方程（21）重新編排后變換得到的矩陣式，是夾緊和加工導致的工件剛體運動矢量。工件與夾具單方面接觸性質(zhì)意味著工件與夾具接觸處沒有拉力的可能。因此，在第i裝夾點接觸力可能與的關(guān)系如下：
（24）
其中是在第i個接觸點由于夾緊和加工負荷造成的變形，意味著凈壓縮變形，而負數(shù)則代表拉伸變形; 是表示在本地坐標系第i個接觸剛度矩陣，是單位向量. 在這項研究中假定液壓/氣動夾具，根據(jù)對外加工負荷，故在法線方向的夾緊力的強度保持不變，因此，必須對方程（24）的夾緊點進行修改為：
（25）
其中是在第i個夾緊點的夾緊力，讓表示一個對外加工力量和載體的6×1矢量。并結(jié)合方程（23）—（25）與靜態(tài)平衡方程，得到下面的方程組：
（26）
其中，其中表示相乘。由于夾緊和加工工件剛體移動，q可通過求解式（26）得到。工件的定位誤差向量， （見圖6），
現(xiàn)在可以計算如下： （27）
其中是考慮工件中心加工點的位置向量，且
6．模擬工作
較早前提出的算法是用來確定最佳夾緊力及其對兩例工件精度的影響例如：
1．適用于工件單點力。
2．應用于工件負載準靜態(tài)銑削序列
如左圖7 工件夾具配置中使用的模擬研究 工件夾具定位聯(lián)系; 、和全球坐標系。
3-2-1夾具圖7所示，是用來定位并控制7075 - T6鋁合金（127毫米×127毫米×38.1毫米）的柱狀塊。假定為球形布局傾斜硬鋼定位器/夾具在表1中給出。工件——夾具材料的摩擦靜電對系數(shù)為0.25。使用伊利諾伊大學開發(fā)EMSIM程序[參考文獻26] 對加工瞬時銑削力條件進行了計算，如表2給出例（1），應用工件在點（109.2毫米，25.4毫米，34.3毫米）瞬時加工力，圖4中表3和表4列出了初級夾緊力和最佳夾緊力的算法 。該算法如圖5所示 ，一個25.4毫米銑槽使用EMSIM進行了數(shù)值模擬，以減少起步（0.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）和結(jié)束時（127.0毫米，25.4毫米，34.3毫米）四種情況下加工負荷載體，
（見圖8）。模擬計算銑削力數(shù)據(jù)在表5中給出。
圖8最終銑削過程模擬例如2。
表6中5個坐標列出了為模擬抽樣調(diào)查點。最佳夾緊力是用前面討論過的排序算法計算每個采樣點和負載載體最后的夾緊力和負載。
7．結(jié)果與討論
例如算法1的繪制最佳夾緊力收斂圖9，
圖9
對于固定夾緊裝置在圖示例假設（見圖7），由此得到的夾緊力加權(quán)范數(shù)有如下形式：.結(jié)果表明，最佳夾緊力所述加工條件下有比初步夾緊力強度低得多的加權(quán)范數(shù)，最初的夾緊力是通過減少工件的夾具系統(tǒng)補充能量算法獲得。由于夾緊力和負載造成的工件的定位誤差，如表7。結(jié)果表明工件旋轉(zhuǎn)小，加工點減少錯誤從13.1％到14.6％不等。在這種情況下，所有加工條件改善不是很大，因為從最初通過互補勢能確定的最小化的夾緊力值已接近最佳夾緊力。圖5算法是用第二例在一個序列應用于銑削負載到工件，他應用于工件銑削負載一個序列。最佳的夾緊力，，對應列表6每個樣本點，隨著最后的最佳夾緊力，在每個采樣點的加權(quán)范數(shù)和最優(yōu)的初始夾緊力繪圖10，在每個采樣點的加權(quán)范數(shù)的，，和繪制。
結(jié)果表明，由于每個組成部分是各相應的最大夾緊力，它具有最高的加權(quán)范數(shù)。如圖10所示，如果在每個夾緊點最大組成部分是用于確定初步夾緊力，則夾緊力需相應設置，有比相當大的加權(quán)范數(shù)。故是一個完整的刀具路徑改進方案。上述模擬結(jié)果表明，該方法可用于優(yōu)化夾緊力相對于初始夾緊力的強度，這種做法將減少所造成的夾緊力的加權(quán)范數(shù)，因此將提高工件的定位精度。
圖10
8．結(jié)論
該文件提出了關(guān)于確定多鉗夾具，工件受準靜態(tài)加載系統(tǒng)的優(yōu)化加工夾緊力的新方法。夾緊力的優(yōu)化算法是基于接觸力學的夾具與工件系統(tǒng)模型，并尋求盡量減少應用到所造成的工件夾緊力的加權(quán)范數(shù)，得出工件的定位誤差。該整體模型，制定一個雙目標約束優(yōu)化問題，使用-約束的方法解決。該算法通過兩個模擬表明，涉及3-2-1型，二夾銑夾具的例子。今后的工作將解決在動態(tài)負載存在夾具與工件在系統(tǒng)的優(yōu)化，其中慣性，剛度和阻尼效應在確定工件夾具系統(tǒng)的響應特性具有重要作用。
9．參考資料：
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8、E. C. DeMeter. 《快速支持布局優(yōu)化》，國際機床制造， 碩士論文 1998。
9、Y.-C. Chou, V. Chandru, M. M. Barash .《加工夾具機械構(gòu)造的數(shù)學算法：分析和合成》，美國ASME，工程學報工業(yè)“：1989 299-306頁。
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11、S. Jeng, L. Chen 和W. Chieng.“最小夾緊力分析”，國際機床制造，碩士論文 1995年。
12、E. C. DeMeter.《加工夾具的性能的最小——最大負荷標準》 美國ASME，工業(yè)工程雜志 ：1994
13、E. C. DeMeter .《加工夾具最大負荷的性能優(yōu)化模型》 美國ASME，工業(yè)工程雜志 1995。
14、JH復和AYC倪.“核查和工件夾持的夾具設計”方案優(yōu)化，設計和制造，4，碩士論文： 307-318，1994。
15、T. H. Richards、埃利斯 霍伍德.1977,《應力能量方法分析》，1977。
16、M. J. Hockenberger and E. C. DeMeter. 對工件準靜態(tài)分析功能位移在加工夾具的應用程序，制造科學雜志與工程： 325–331頁, 1996。
機械系畢業(yè)設計(論文)
200 屆畢業(yè)設計（論文）
材 料
系 、 部： 機械工程系
學生姓名： 肖 鑫
指導教師： 隆 文 革
職 稱： 副 教 授
專 業(yè)： 機械制造及其自動化
班 級： 機制0505
學 號： 202050516
2008年5月
材料清單
1、畢業(yè)設計（論文）課題任務書
2、指導教師評閱表
3、答辯及最終成績評定表
4、畢業(yè)設計說明書
5、附錄材料
200 屆畢業(yè)設計（論文）課題任務書
系： 專業(yè)：
指導教師
學生姓名
課題名稱
內(nèi)容及任務
擬達到的要求或技術(shù)指標
進度安排
起止日期
工作內(nèi)容
備注
主要參考資料
教研室
意見
年 月 日
系主管領導意見
年 月 日
湖南工學院200 屆畢業(yè)設計（論文）指導教師評閱表
系：
學生姓名
學 號
班 級
專 業(yè)
指導教師姓名
課題名稱
評語：（包括以下方面，①學習態(tài)度、工作量完成情況、材料的完整性和規(guī)范性；②檢索和利用文獻能力、計算機應用能力；③學術(shù)水平或設計水平、綜合運用知識能力和創(chuàng)新能力；）
是否同意參加答辯：
是□ 否□
指導教師評定成績
分值：
指導教師簽字： 年 月 日
湖南工學院200 屆畢業(yè)設計（論文）答辯及最終成績
評 定 表
系（公章）：
學生姓名
學號
班級
答辯
日期
課題名稱
指導
教師
成 績 評 定
分值
評 定
小計
教師1
教師2
教師3
教師4
教師5
課題介紹
思路清晰，語言表達準確，概念清楚，論點正確，實驗方法科學，分析歸納合理，結(jié)論嚴謹，設計（論文）有應用價值。
30
答辯
表現(xiàn)
思維敏捷,回答問題有理論根據(jù)，基本概念清楚，主要問題回答準確大、深入,知識面寬。
必
答
題
40
自
由
提
問
30
合 計
100
答 辯 評 分
分值：
答辯小組長簽名：
答辯成績a：
×40％＝
指導教師評分
分值：
指導教師評定成績b：
×60％＝
最終評定成績：
分數(shù)： 等級：
答辯委員會主任簽名：
年 月 日
說明：最終評定成績＝a+b，兩個成績的百分比由各系自己確定，但應控制在給定標準的10％左右。
200 屆畢業(yè)設計說明書
題 目
加工液壓泵上體三個階梯孔的機床專用夾具計算機輔助設計研究
系 、 部： 機械工程系
學生姓名： 肖 鑫
指導教師： 隆文革 職稱 副教授
專 業(yè)： 機械制造及其自動化
班 級： 機制0505
完成時間： 2008年5月
摘 要
機床夾具設計是制造系統(tǒng)的重要組成部分，隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展和市場競爭的加劇，傳統(tǒng)的夾具設計方式已成為企業(yè)中產(chǎn)品快速上市的瓶頸，企業(yè)迫切需要提高夾具設計的效率。計算機輔助設計與制造正是為了適應這一要求而產(chǎn)生的，在此背景下，開發(fā)了實用性強的 CAD系統(tǒng)，主要進行了下面幾個方面的研究：
1、 介紹了計算機輔助設計系統(tǒng)CAD的發(fā)展概況和研究現(xiàn)狀。
2、 現(xiàn)代技術(shù)把CAD 技術(shù)引入到夾具設計中，形成了計算機輔助夾具設計（Computer Aided Fixture Design CAFD）方法，研制了相應的軟件系統(tǒng)。研究了參數(shù)化、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡技術(shù)。
3、 CAD技術(shù)發(fā)展的另一個特點是從零件的CAD建模發(fā)展到面向產(chǎn)品的CAD建模。產(chǎn)品為滿足用戶多樣化的要求,常常需要改動一個或幾個主要參數(shù),也就是所謂的系列化、多樣化的設計。
4、 20世紀90年代以來，CAD技術(shù)基礎理論主要以PTC的Pro/Engineer為代表的參數(shù)化造型理論和以SDRC的I-DEAS為代表的變量化造型理論形成了基于特征的實體建模技術(shù),為建立產(chǎn)品信息模型奠定了基礎。
5、 利用Pro/E等三維繪圖軟件繪制了大量的夾具標準件圖，并建立Pro/E系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫和圖形庫。
關(guān)鍵詞：CAD，建模，Pro/E, 數(shù)據(jù)庫，圖形庫
Abstract
The design of machine tool of clamping apparatus is to make systematic important composition part, along with advanced production technical development and the competition of market aggravate , the traditional design way of clamping apparatus has become the product in enterprise the bottleneck that appears on the market fast , enterprise urgent needs raise the efficiency of the design of clamping apparatus. It is produced that CAD and production are just to meet this requirement, under this background, have developed the CAD system with strong practicality , have carried out the research of some following aspects mainly:
1 , Have introduced CAD systematic CAD develop general situation and research present situation.
2, Modern technology leads into CAD technology , have formed the computer supplementary design( Computer Aided Fixture Design CAFD) method of clamping apparatus in the design of clamping apparatus, have developed corresponding software system. Have studied that parameter melts , product data management, database and network technology.
3, The another characteristic of CAD technical development is to build mould development to CAD that faces product from CAD of element to build mould. Pr-oduct is the requirement of satisfaction user variation, need to often change a or some major parameters , is also the design of so called seriation and variat-ion.
4 , 20 century 90 decade since, CAD technical basic theory is major modelling theory melts with the parameter with Pro/Engineer of PTC of representative and the variable with I-DEAS of SDRC as representative melts modelling theory has formed the entity based on feature to build mould technology, to establish product information model, have established foundation.
5 Using Pro/E etc. three-dimensional draw software has drawn the plenty of pictures of clamping apparatus of standard component, and establish graph storehouse and the database of the system of Pro/E.
Keyword: CAD builds mould, Pro/E, database, graph storehouse
目 錄
第一章 緒論........................................................................................................4
1.1CAD技術(shù)的發(fā)展..................................... ..................................... ...................4
1.2計算機輔助夾具設計的研究狀況.................................................................4
1.3 Pro/Engineer軟件的介紹...........................................................................5
1.4本課題的目的與意義.....................................................................................5
第二章 機床夾具設計計算過程及平面圖紙繪制................…….........6
2.1設計題目………………………………………………………………..........6
2.2題目分析及工件加工工藝分析……………………………………………..6
2.3設計計算過程及平面圖紙繪制………………………………………….….6
2.3.1明確設計任務與收集設計資料………………………………………...6
2.3.2擬定夾具結(jié)構(gòu)方案與繪制夾具草圖……………………………….…..7
2.4夾具的精度分析………………………………………………………….…14
第三章 機床夾具零件的創(chuàng)建過程…………………………………..….…17
3.1機床夾具的設計方法…………………………………………………….…17
3.2 Pro/E軟件的一般造型過程…………………………………….…………..19
3.2.1 Pro/E軟件創(chuàng)建夾具零件圖形庫……………………………………...19
3.2.2 Pro/E軟件應用到夾具設計中的主要步驟…………………………...20
3.3夾具零件的具體創(chuàng)建實例………………………………………………….20
第四章 夾具的裝配方法……………………………………………………..24
4.1在Pro/E中夾具的裝配方法步驟…………………………………………..24
4.2 夾具的具體裝配過程……………………………………………………….25
4.3爆炸圖的生成……………………………………………………………….28
第五章 總結(jié)與展望……………………………………………..……………..29
參考文獻………………………………………………………………..………...30
第一章 緒 論
1.1CAD技術(shù)的發(fā)展
CAD（計算機輔助設計，Computer Aided Design）是指工程技術(shù)人員以計算機為工具，用各自的專業(yè)知識，對產(chǎn)品進行總體設計、繪圖、分析和編寫技術(shù)文檔等設計活動的總稱。計算機輔助設計是人和計算機相結(jié)合，各盡所長的一種新的設計方法。在設計過程中，人是設計的主題，要進行創(chuàng)造性的思維，擬定工作原理、構(gòu)思設計方案等。計算機作為輔助工具，協(xié)助人來完成設計中大部分事務性的工作，諸如計算、繪圖、查找數(shù)據(jù)資料、生成技術(shù)文件等。一個好的計算機輔助設計系統(tǒng)既能充分發(fā)揮人的創(chuàng)造性作用，又能充分利用計算機的高速分析計算和大量存儲數(shù)據(jù)的能力，找到人和計算機最佳結(jié)合點。CAD為設計提供了有力的支持，是制造業(yè)的支撐技術(shù)，CAD技術(shù)的發(fā)展和應用水平是衡量一個國家的工業(yè)現(xiàn)代化、科學技術(shù)發(fā)展水平的重要標志之一。
CAD 技術(shù)起步于20世紀50年代，40多年來CAD技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段：
1、60 年代，CAD 的主要技術(shù)特征是交互式二維繪圖和三維線框模型。利用解析幾何的方法定義了有關(guān)圖素（如點、線、圓等），用來繪制或顯示直線、圓弧組成的圖形。
2、70 年代，CAD 的主要技術(shù)特征是自由曲線曲面生長算法和表面造型理論，雖然表面造型技術(shù)可以解決 CAM 表面加工的問題，但不能表達形體的質(zhì)量、重心等特征，不利于實施 CAE 方法。
3、80 年代，CAD 的主要技術(shù)特征是實體造型（Solid Modeling）理論和幾何建模（Geometric Modeling）方法。實體建模的邊界表示法（B－Rep）和構(gòu)造實體幾何表示法（CGS）在軟件開發(fā)上得到應用。
4、90 年代以來，CAD 技術(shù)基礎理論主要是以 PTC 的 Pro/Engineer 為代表的參數(shù)化造型理論和以 SDRC 公司的 I－DEAS 為代表的變量化造型理論，形成了基于特征的實體建模技術(shù)，為建立產(chǎn)品信息模型奠定了基礎。
計算機輔助造型技術(shù)經(jīng)過幾十年的探索，已經(jīng)發(fā)展到特征造型和參數(shù)化、變量化設計階段，推動了工業(yè)自動化進程，促進了現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展。
1.2計算機輔助夾具設計(CAFD)的研究狀況
近年來，國內(nèi)外許多制造企業(yè)已經(jīng)在新產(chǎn)品開發(fā)過程中通過引入先進的科技手段如 CAD、CAPP、CAM 及生產(chǎn)計劃管理系統(tǒng)等，來解決產(chǎn)品開發(fā)周期、質(zhì)量和成本問題，并取得了一定的效果。人們將 CAD 技術(shù)引入到夾具設計中，形成了計算機輔助夾具設計（Computer Aided Fixture Design CAFD）方法，研制了相應的軟件系統(tǒng)。在系統(tǒng)中建立了夾具元件庫，在計算機屏幕上顯示工件的三維視圖，用戶交互地從夾具元件庫中提取相應的夾具元件，在屏幕上形成夾具裝配圖，提高了設計和質(zhì)量。
計算機輔助夾具設計（ComputerAided Fixture Design）是改變傳統(tǒng)夾具設計作為計算機輔助夾具設計技術(shù)的一個應用方面，CAFD 和計算機輔助工藝設計(CAPP)共同組成了 CAD 和 CAM 的橋梁。計算機輔助夾具設計系統(tǒng)的研制和開發(fā)是直接從零件 CAD/CAPP 集成環(huán)境中獲取夾具設計信息，包括 CAD 系統(tǒng)輸出的零件幾何信息和 CAPP 系統(tǒng)輸出的零件加工信息，然后將讀取的幾何信息和工程信息作為夾具設計的已知條件進行夾具的計算機輔助設計與分析，以其高速、準備、自動化的特點實現(xiàn)夾具的自動設計，提高夾具設計效率和質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。計算機輔助夾具設計方法的發(fā)展總趨勢應該是具有更多的通用性、智能化和與 CAD、CAPP、CAM 的集成，計算機輔助設計中的新理論、新方法的發(fā)展和應用將進一步推動 CAFD 在實用化的方向取得更大的成就。
1.3Pro/Engineer軟件的介紹
在夾具設計中,采用CAD技術(shù) 并盡可能使用標準件是提高夾具設計效率的措施之一.這樣,夾具三維標準元件庫以及標準件庫與CAD系統(tǒng)的接口在夾具CAD系統(tǒng)中顯得尤為重要.設計人員在原有基礎上進行變形設計時就能夠充分利用夾具三維標準元件庫的資源,避免不必要的重復勞動.本次畢業(yè)設計采用美國PTC公司開發(fā)的CAD/CAM軟件Pro/E為平臺,建立夾具三維標準元件庫(簡稱標準件庫),以適應新夾具的設計與開發(fā).
這在多數(shù)的CAD軟件中過度曲線部分由于加工方式不同而形狀各異，很難精確的表現(xiàn)出來。由于CAD技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了Pro/Engineer等大型優(yōu)秀的CAD軟件，其主要功能在于可進行強大的參數(shù)設計，使得復雜的實體造型成為可能。鑒于上述原因，采用Pro/E進行精確的三維建模。
Pro/E是一套設計至生產(chǎn)自動化的機械軟件，是新一代產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。由于它能快捷地實現(xiàn)三維實體建模，并能方便地得到任何實體的幾何參數(shù)，轉(zhuǎn)動慣量任意截面的截面力學性能。Pro/E有以下的特點：
（1） 參數(shù)化設計和特征性能
Pro/Engineer是采用參數(shù)化設計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角，可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。
（2） 單一數(shù)據(jù)庫
Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管它是哪個部門的。換言之在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程祥圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設計的完整結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設計結(jié)合起來。這一優(yōu)點使得設計更加優(yōu)化，成品質(zhì)量更高。
1.4本課題的目的與意義
本課題在學習機床專用夾具的基本知識和基本理論的同時，研究如何利用計算機來使用CAD、Proe等繪圖軟件來設計專用夾具以及如何對專用夾具進行可視化設計，形成專用夾具的三維爆炸視圖。本課題對學習和鞏固機床夾具設計的專業(yè)知識具有極大的幫助，通過設計實踐，能切實掌握設計制造專用夾具的基本理論和方法，全面熟悉機械制造工藝方面的知識，培養(yǎng)獨立設計機械產(chǎn)品的能力和利用機械設計自動化程序的能力。
第二章 機床夾具設計計算過程及平面圖紙繪制
2.1設計題目：
如圖2-1所示，加工液壓泵上體的三個階梯孔，中批生產(chǎn)，根據(jù)工藝規(guī)程，在加工階梯孔之前，工件的頂面與底面、兩個φ8H7孔和兩個φ8mm孔均已加工好。本工序的加工要求有：三個階梯孔的距離為25±0.1mm,三孔軸線與底面的垂直度，中間階梯孔與四小孔的位置度試設計所需的車床夾具
液壓泵上體零件
2.2 題目分析及工件加工工藝分析
1）基本概念：
在工件加工的工序圖中，用來確定本工序加工表面位置的基準，稱為工序基準。
當工件以回轉(zhuǎn)面（圓柱面、圓錐面、球面等）與定位元件接觸（或配合）時，工件上的回轉(zhuǎn)面稱為定位基面，其軸線稱為定位基準。
與此對應，心軸的圓柱面稱為限位基面，心軸的軸線稱為限位基準。
2）題目分析及工件加工工藝分析：
本課題要求設計一加工液壓泵上體階梯孔的專用夾具，工件的結(jié)構(gòu)形狀復雜，
根據(jù)工藝規(guī)程，在加工階梯孔之前，工件的頂面與底面、兩個φ8H7孔和兩個φ8mm孔均已加工好。本工序的加工要求有：三個階梯孔的距離為25±0.1mm,三孔軸線與底面的直度，中間階梯孔與四小孔的位置度。后兩項未注公差，加工要求低。壁薄剛性差。加工孔￠30時精度要求高，表面光潔度也有較高的要求，故工藝規(guī)程中分:鉆，擴，鉸三個工步進行加工，依靠設計的夾具來保證加工表面的下列位置精度。
①：孔相對兩端表面的對稱度不超過0.15。
②：孔相對套筒軸心線的對稱度誤差不超過0.15。
2.3設計計算過程及平面圖紙繪制
2.3.1明確設計任務與收集設計資料
1）工件的結(jié)構(gòu)特點
階梯孔
2） 本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基準和夾緊表面及所用的機床、刀具、量具等
（1）加工表面：φ21，φ18，φ17.5，φ22.5，φ13.5孔。
（2）加工要求：
a. 三個階梯孔的距離為25±0.1mm；
b. 四小孔的位置要求分別為87±0.05；48±0.05。
c. 階梯孔要保持較高的同軸度。
（3）加工余量：8mm
（4）定位基準：主要加工表面階梯孔的定位基準為滑盤上表面。
（5）夾緊表面：工件的上表面。
（6）需機床：CA6140車床
2.3.2擬定夾具結(jié)構(gòu)方案與繪制夾具草圖
1）確定工件的定位方案，設計定位裝置。
根據(jù)本工序的加工要求，不僅要鉆，擴，鉸孔，還要在車床主軸的旋轉(zhuǎn)中保證安全性，因此工件必須完全定位，即六點定位原則。按照加工和基準重合原則要求，工件的定位方案分析如下：
（1）加工階梯孔的工序基準為分度滑盤的上表面，限位基準也為分度滑盤的上表面.根據(jù)基準重合原理，分度滑盤的上表面應為定位基準。分度滑盤的上表面限制Z、Y、X三個自由度；而短圓柱銷限制Y、X二個自由度，而削邊削限制了Z一個自由度。 即工件用一個平面和一個圓柱銷和一個削邊銷來定位，即一面兩孔定位，限制了、Z、Y、X、X、Y、Z六個自由度。
下面列表說明工件的定位：
表2—1： 定位元件所限制的自由度
定位元件
限位基準
定位基準
限制自由度
平面
滑盤的表面
滑盤的表面
Z、X、Y
圓柱銷
圓柱銷的中心線
φ8mm孔軸心線
Y 、X
削邊銷
削邊銷的中心線
削邊銷孔的中心線
Z
根據(jù)加工要求和基準重合原則，應以底面和兩個φ8H7孔定位，定位元件采用“一面兩銷”，定位孔與定位銷的主要尺寸見圖2－2所示。
1）兩定位孔的中心距L及兩定位銷中心距l(xiāng)。因
L=mm=99.36mm
Lmax=mm=99.43mm
Lmin=mm=99.29mm
所以 L=99.36±0.07mm
取l0=99.36±0.02
2) 取圓柱銷直徑為φ8g6=φ
3)查表1-3的菱形銷尺寸b=3mm
4)菱形銷的直徑。由式知
由式
=0.07mm
所以
菱形銷的直徑的公差取IT6為0.009，得菱形銷的直徑為φ
圖2－2一面兩銷定位簡圖
2）夾具類型的確定
由于滑盤的上表面為主要定位基準，且在車床上加工，而工件的形狀與尺寸決定了它不適宜于采用心軸類、卡盤類或角鐵式花盤類夾具，只能采用花盤類車床加工。
花盤類車床夾具上的夾具體是一個大圓盤（俗稱花盤），在花盤的端面上固定著定位、夾緊元件及其他的輔助元件，夾具的結(jié)構(gòu)不對稱。
3）確定工件的夾緊方案，設計夾緊裝置。
（1）確定夾緊裝置
車床夾具的夾緊裝置必須安全可靠。夾緊力的方向和作用點應按以下要求進行選擇：
a) 主要夾緊力應朝向主要定位基準，作用點應靠近支承面的幾
何中心；
b) 夾緊力的方向應有利于減少夾緊力，盡量垂直于工件的主要定位基面，盡量和切削力、重力方向一致；
c) 緊力的方向和作用點應施于工件剛性較好的方向和部位；
d) 緊力的作用點應適當靠近加工表面。
由于車削時工件和夾具一起隨主軸作旋轉(zhuǎn)運動，故在加工過程中，工件除受切削扭矩的作用外，整個夾具還受到離心力的作用，轉(zhuǎn)速越高離心力越大，會降低夾緊機構(gòu)產(chǎn)生的夾緊力。此外，工件定位基準的位置相對于切削力和重力的方向來說是變化的。因此，夾緊機構(gòu)所產(chǎn)生的夾緊力必須足夠，自鎖性能要好，以防止工件在加工過程中脫離定位元件的工作表面。所以我們采用螺旋夾緊機構(gòu)。不但因為螺旋夾緊機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，而且，由于纏繞在螺釘表面的螺旋線很長，，升角又小，所以螺旋夾緊機構(gòu)的自鎖性能好，夾緊力和夾緊行程都很大，是手動夾緊中用的最多的一種夾緊機構(gòu)?？紤]到單個螺旋夾緊機構(gòu)有諸多缺點，如：1）機構(gòu)中的螺釘頭直接與洞見表面接觸，螺釘轉(zhuǎn)動時，可能損傷工件表面，或帶動工件旋轉(zhuǎn)。2）夾緊動作慢，工件裝卸費時。我們這里用螺旋壓板機構(gòu)。
（2）夾緊力分析
螺旋壓板夾緊機構(gòu)是利用杠桿原理來實現(xiàn)夾緊作用。其好處是：增大夾緊力，改變夾緊力作用方向，增大夾緊行程。它可以繞水平軸翻轉(zhuǎn)，增力顯著，夾緊時既省力又迅速可靠。夾緊受力分析如下：
圖2－3 夾緊力受力分析圖
由杠桿原理知：
W·a =Q·b
當a=1/2b時，
W =2Q
由此可見，該夾緊機構(gòu)所產(chǎn)生的夾緊力比作用力大一倍。
（3）螺旋夾緊機構(gòu)各元件材料、熱處理要求和結(jié)構(gòu)尺寸確定
螺旋夾緊機構(gòu)各元件均已標準化，可參閱《機械零件手冊》確定。
a) 帶肩六角螺紋（GB/T2148-91）
圖2－4帶肩六角螺母
技術(shù)要求：
⒈材料：45鋼；
⒉熱處理：HRC35-40；
⒊細牙螺紋的支承面對螺紋軸線的垂直度按GB1184-80《形狀和位置公差》規(guī)定的9級公差。
b) 鉤形壓板（GB/T2188-91）
圖2－5 鉤形壓板
技術(shù)要求：
1.材料：45鋼 ;
2.熱處理：淬火、回火HRC35-40。
c) 活節(jié)螺栓（GB/T798-88）
圖2－6活節(jié)螺栓
技術(shù)要求：
1．材料：鋼
2．表面處理：a.不經(jīng)處理；b.鍍鋅鈍化；
3．螺紋公差：8g
4）夾具與機床的連接方式，設計連接元件及安裝基面
車床夾具與機床主軸的連接精度對夾具的回轉(zhuǎn)精度有決定性的影響。因此，要求夾具的回轉(zhuǎn)軸線與車床主軸軸線有盡可能高的同軸度。
對于徑向尺寸較大的夾具，一般通過過渡盤與車床主軸軸頸聯(lián)接。專用夾具以其定位止口按H7/h6或H7/js6裝配在過渡盤的凸緣上，然后用螺釘緊固。過渡盤與主軸配合的表面形狀取決于主軸前端的結(jié)構(gòu)。
如下圖所示的過渡盤，其上有一個定位圓孔按H7/h6或H7/js6和主軸的軸頸相配合，并有螺紋和主軸連接。為了安全起見，還可以用壓塊把過渡盤壓緊在主軸上，這樣可防止停車和倒車時，不致因慣性作用而可能松開。這種連接方式的安裝精度受到配合精度的限制，為了提高安裝精度，在車床上安裝夾具時，可按找正圓校正夾具與車床主軸的同軸度。
圖2－7過度盤與車床主軸的連接示意圖
圖2－8 過渡盤
尺寸要求：D1=210 D=285 H1=28 H2=23
5）夾具的平衡
由于加工時夾具隨同主軸旋轉(zhuǎn)，如果夾具的重心不在主軸旋轉(zhuǎn)軸線上就會產(chǎn)生離心力，這樣不僅加劇機床主軸和軸承的磨損，而且會產(chǎn)生振動，影響加工質(zhì)量和刀具壽命且不安全。所以對于角鐵式夾具，要有平衡要求，平衡的方法是設置平衡塊。平衡塊重心的位置應可以調(diào)節(jié)，可在平衡塊上（或夾具體上）開徑向槽或環(huán)形槽，以使夾具裝配時調(diào)整其位置。
6）對夾具總體結(jié)構(gòu)的要求
⑴結(jié)構(gòu)要緊湊.
⑵車床夾具的夾具體應制成圓形，夾具上（包括工件在內(nèi)）的各元件不應伸出夾具體的輪廓之外，當夾具上有不規(guī)則的突出部分，或有切削液飛濺及切屑纏繞時，應加設防護罩。
⑶夾具的結(jié)構(gòu)應便于工件在夾具上安裝和測量，切屑能順利排出或清理
7）分渡裝置的設計
工件一次裝夾后，能按一定的規(guī)律依次改變工件加工位置的裝置，稱為分渡裝置。分渡裝置廣泛應用于各類機床夾具上。
分渡裝置分為兩類，一類是直線分渡裝置；另一類是回轉(zhuǎn)分渡裝置。分渡裝置一般有以下幾個部分組成：
a. 轉(zhuǎn)動或移動部分。它實現(xiàn)工件的轉(zhuǎn)位或移位。
b. 固定部分。它是分渡位置的基體，常與夾具體連成一體。
c. 對定機構(gòu)。它是保證工件正確的分渡位置，并完成插銷和拔銷動作。
d. 鎖緊機構(gòu)。它將轉(zhuǎn)動或移動部分與固定部分緊固在一起，起減小加工是的振動和保護對定機構(gòu)的作用。
1）移動部分的設計
由于要加工的工件是成直線分布的階梯孔，為了保證加工時的精度及操作的方便，這里采用移動式分渡裝置。
圖2—5 分度滑塊
2) 固定部分的設計
固定部分不但要保證與分渡裝置的配合，而且要保證移動部分，對定部分和鎖緊部分的配合精度。
圖2—6 固定元件
3）對定部分的設計
對定機構(gòu)保證工件正確的分渡位置，并完成插銷和拔銷的動作。我們這里采用手拉式圓柱銷對定機構(gòu)。這類機構(gòu)操作方便，制造較容易，并且在對定銷插入分渡盤時能將灰塵和污物推出，不需要嚴格的防塵措施。對定銷和分渡盤之間常采用H7/g6配合。
圖2—7 對定塊
在與分渡盤的連接上主要采用螺栓連接。
圖2—8 螺栓
對定銷和手柄主要采用螺釘連接。
4）鎖緊部分的設計
鎖緊部分的設計主要考慮到分渡裝置的移動靈活，裝卸方便。我們這里主要采用T型螺栓
為保持夾具回轉(zhuǎn)運動時平衡，在分渡裝置的另一端設置了平衡塊，平衡塊和分渡裝置的配合上主要采用槽的形式，在最大限度上保證夾具在主軸的旋轉(zhuǎn)過程中的平衡。
2.4夾具的精度分析
工件在車床夾具上加工時，加工誤差的大小受工件在夾具在夾具上的定位誤差△D、夾具誤差△J、夾具在主軸上的安裝誤差△A和加工方法誤差△G的影響。
以下對尺寸25±0.1mm的精度問題作一分析。
1）定位誤差△D
一批工件逐個在夾具上定位時，由于工件及定位元件存在公差，使各個工件所占據(jù)的位置不完全一致，加工后形成加工尺寸的不一致，為加工誤差。這種只與工件定位有關(guān)的加工誤差，稱為定位誤差△D。
造成定位誤差的原因有兩個：
一．是定位基準與工序基準不重合，由此產(chǎn)生基準不重合誤差△B。基準不重合誤差△B是一批工件逐個在夾具上定位時，定位基準與工序基準不重合而造成的加工誤差，其大小為定位尺寸的公差δS在加工尺寸方向上的投影.二，是定位基準與限位基準不重合，由此產(chǎn)生基準位移誤差△Y?；鶞饰灰普`差△Y是一批工件逐個在夾具上定位時，定位基準相對于限位基準的最大變化范圍δi在加工尺寸方向上的投影。
定位誤差△D常用合成法進行計算。
由于定位基準與工序基準不重合以及定位基準與限位基準不重合是造成定位誤差的原因，因此，定位誤差應是基準不重合誤差△B與基準位移誤差△Y的合成。計算時，可先算出△B和△Y，然后將兩者合成而得△D。
本工序中的主要加工要求是三孔的孔距尺寸25±0.1mm。此尺寸主要受分渡誤差和加工方法誤差的影響，故只要計算這兩部分的誤差即可。
（1）分度誤差△，按公式，直線分渡的分渡誤差
△=
式中 2——兩相鄰對定套的距離尺寸誤差。因?qū)Χㄌ椎木嚯x為25±0.02mm，所以=0.02。
X1 ——對定銷和對定套的最大配合間隙。因兩者的配合尺寸是φ10，φ10H7為φmm，φ10g6為φ,所以(0.015+0.014)mm=0.029;
X2 ——對定銷與導向孔的最大配合間隙。因兩者的配合尺寸是φ14，φ14H7為φmm，φ14g6為φmm,所以X2=(0.018+0.017)mm=0.035mm;
e—— 對定銷的對定部分與導向部分的同軸度。設e=0.01mm,因此
△=
（1） 加工方法誤差△G 取加工尺寸公差的1/3，加工尺寸公差=0.2mm,所以△G=0.2/3mm=0.066mm.
總加工誤差△和精度儲備Jc的見下表。
表2—1 液壓泵上體鏜三孔夾具的加工誤差
由計算結(jié)果可知，該夾具能保證加工精度，并有一定的精度儲備。
總的裝配效果圖如下
圖2—9夾具總裝配圖
第三章 機床夾具零件的創(chuàng)建
3.1機床夾具的設計方法
機床夾具是機械加工設備的重要組成部分 ,其設計質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響著產(chǎn)品性能。
如果被加工零件的批量較小 ,采用通用機床來加工 ,這時使用通用夾具(如卡盤、花盤、臺虎鉗等) 來夾持工件 ,通用夾具一般設計比較簡單 ,有的可直接在市場上購買或已是機床的固定配置。
如果被加工件批量較大 ,通用機床就不能適應。通用機床一般是適用于中小批量加工 ,用它來加工工件雖然不需對加工設備進行設計和投資 ,但加工效率較低 ,對加工操作人員的操作技能要求較高 ,精度難以保證。為了提高加工效率和制件精度 ,降低對操作人員的要求 ,一般是使用多軸加工的專用機床加工(如加工柴油機箱體所使用的組合機床) ,這種機床包含相應夾具 ,或者設計專用夾具與通用機床配合使用 ,這兩種方法都涉及到專用夾具的設計問題。
為構(gòu)建一個能支持產(chǎn)品快速制造的生產(chǎn)準備系統(tǒng),夾具設計要從全局自動化的高度進行變革。計算機輔助夾具設計技術(shù)就是在這種應用要求下產(chǎn)生的一種先進制造技術(shù),它利用計算機輔助人工進行夾具設計。
近年來，國內(nèi)外許多制造企業(yè)已經(jīng)在新產(chǎn)品開發(fā)過程中通過引入先進的科技手段如 CAD、CAPP、CAM 及生產(chǎn)計劃管理系統(tǒng)等，來解決產(chǎn)品開發(fā)周期、質(zhì)量和成本問題，并取得了一定的效果。但是由于企業(yè)首先考慮解決新產(chǎn)品的設計和加工設備問題，而造成生產(chǎn)準備工作的重頭部分，即工裝的設計與準備技術(shù)落后于產(chǎn)品的設計技術(shù)，致使先進的柔性加工系統(tǒng)等不能發(fā)揮其柔性，影響產(chǎn)品的快速響應。夾具是一種能夠使工件按一定的技術(shù)要求準確定位和牢固夾緊的工藝裝置,它廣泛的應用在零件的加工、檢測和裝配工藝過程中。它的主要作用是：保證工件的加工質(zhì)量，減輕勞動強度，充分發(fā)揮和擴大機床的工藝性能。據(jù)統(tǒng)計,在整個生產(chǎn)過程中,生產(chǎn)準備時間要占整個產(chǎn)品制造周期的 50%--70%,而其中,夾具設計與制造占生產(chǎn)準備時間的70%左右,所以夾具的設計與制造對產(chǎn)品的開發(fā)周期有較大的影響。
早期的夾具設計主要靠工藝人員的經(jīng)驗，需要的時間長，可靠性差，質(zhì)量低。
盡管人們認識到夾具在生產(chǎn)中的重要性，但夾具設計和裝配手段仍舊未從計算機
輔助工程中得到更多的受益，它仍是制約生產(chǎn)高度自動化的“瓶頸”。經(jīng)過幾年新技術(shù)的實踐，制造行業(yè)已經(jīng)領會到要縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，必須以有效的方式充分挖掘生產(chǎn)準備各個環(huán)節(jié)的潛力，構(gòu)建一個能支持快速產(chǎn)品制造的生產(chǎn)準備系統(tǒng)。夾具準備技術(shù)作為制約企業(yè)快速相應的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也應從全局自動化的高度變革現(xiàn)有的落后準備技術(shù)。因此，人們將 CAD 技術(shù)引入到夾具設計中，形成了計算機輔助夾具設計（Computer Aided Fixture Design CAFD）方法，研制了相應的軟件系統(tǒng)。在系統(tǒng)中建立了夾具元件庫，在計算機屏幕上顯示工件的三維視圖，用戶交互地從夾具元件庫中提取相應的夾具元件，在屏幕上形成夾具裝配圖，提高了設計和質(zhì)量。
隨著計算機科學與技術(shù)的發(fā)展，于二十世紀 70 年代末才出現(xiàn)的一種新技術(shù)。近十年以來，計算機輔助夾具設計技術(shù)已經(jīng)引起了國內(nèi)、外學術(shù)界的重視，對此進行了大量的研究工作，并取得了一定的成就。CAFD 即計算機夾具設計是上個世紀 70 年代末期出現(xiàn)并開始發(fā)展的一門新技術(shù)。傳統(tǒng)的夾具設計方法在資料檢索、分析計算、繪圖、編制技術(shù)文件等方面都是由人工完成的，需要較多的人力和較長的設計周期，設計精度和質(zhì)量受到限制，甚至出現(xiàn)不必要的錯誤。作為計算機輔助夾具設計技術(shù)的一個應用方面，CAFD 和計算機輔助工藝設計(CAPP)共同組成了 CAD 和 CAM 的橋梁。計算機輔助夾具設計系統(tǒng)的研制和開發(fā)是直接從零件 CAD/CAPP 集成環(huán)境中獲取夾具設計信息，包括 CAD 系統(tǒng)輸出的零件幾何信息和 CAPP 系統(tǒng)輸出的零件加工信息，然后將讀取的幾何信息和工程信息作為夾具設計的已知條件進行夾具的計算機輔助設計與分析，以其高速、準備、自動化的特點實現(xiàn)夾具的自動設計，提高夾具設計效率和質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。
輔助夾具設計系統(tǒng)其設計流程一般被分為四個階段：1）工件裝夾規(guī)劃，2）夾具方案設計，3）夾具結(jié)構(gòu)設計，4）夾具性能評價。裝夾規(guī)劃是決定工件在加工中所需的安裝次數(shù)，每次安裝中工件的方位和待加工的表面。夾具方案設計是根據(jù)待加工工件的幾何形狀及加工工藝信息，確定工件的定位形式，工件表面上的定位、夾緊點的個數(shù)和位置。夾具結(jié)構(gòu)設計是選擇夾具元件，確定夾具元件的尺寸參數(shù)，完成夾具元件的布局和組裝。夾具性能分析是對已設計完成的夾具進行有關(guān)性能的評價和估算，如夾具精度、剛度和穩(wěn)定性分析，工件在加工過程中的變形分析等。
在現(xiàn)代機械裝備設計系統(tǒng)在建立產(chǎn)品模型時，應該綜合自下而上和自上而下的設計方法。前者先設計零件，然后搭積木式地進行裝配設計；后者首先進行總體的原則設計，然后將總體原則貫穿到所有的子裝配或者部件中。自上而下的設計非常適合復雜的大型裝配，具有很多優(yōu)點：
圖3－1 自上而下的設計模式
（1）自上而下的設計可以首先確定各個子裝配或零件的空間位置和體積、全局性的關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)將被裝配中的子裝配和零件所引用。這樣，當總體參數(shù)在隨后的設計中逐漸確定并發(fā)生改變時，各個零件和子裝配將隨之改變，更能發(fā)揮參數(shù)化設計的優(yōu)越性。
（2）自上而下的設計使各個裝配部件之間的關(guān)系變得更加密切。像軸與孔的配合，裝配后配鉆的孔，如果各自分別設計，既費時，又容易發(fā)生錯誤。通過自上而下的設計，一個零件上的尺寸發(fā)生變化，對應的零件也將自動更新。
自上而下的設計方法有利于不同的設計人員共同設計。在設計方案確定以后，所有承擔設計任務的小組和個人可以依據(jù)總裝設計迅速開展工作，可以大大加快設計進程，做到高效、快捷和方便。
自上而下的設計步驟：
1）確定設計目標。確定諸如產(chǎn)品的設計目的、如何滿足功能要求、必要的子裝配、子裝配與其他裝配的關(guān)系、哪些設計將可能變動、有無可參考的設計等。
定義大致的裝配結(jié)構(gòu)。把裝配的各個子裝配勾畫出來，至少包括子裝配的名稱，形成裝配樹。每個子裝配可能來自一個已有的設計，或者僅僅是一個空部件，不過隨后就可以細化每個子裝配。這些結(jié)構(gòu)是產(chǎn)品總設計師設計并維護的，其結(jié)果將公布給所有其他參加設計的人員。
2）設計骨架模型。每個子裝配都有一個骨架模型，在三維設計空間用它來確定裝配的空間位置和大小，部件與部件之間的關(guān)系以及簡單的機構(gòu)運動模型。骨田困模型包含整個裝配的重要的設計參數(shù)。這些參數(shù)可以被各個部件引用，所以骨架模型是裝配設計的核心。將設計意圖貫穿到裝配結(jié)構(gòu)中。將設計參數(shù)從上層裝配逐漸傳遞到下層的部件中。
3）部件設計。當獲得所需要的設計信息以后，就可以著手具體的部件設計。部件設計可以在裝配中直接進行，也可以裝配已經(jīng)預先完成的部件造型。自上而下的設計中，相關(guān)的設計信息可在不同的裝配部件之間傳遞。
從產(chǎn)品實體模型建立的角度來講，自上而下的設計技術(shù)是建立產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)、裝配結(jié)構(gòu)和裝配模型的約束模型，即建立零件間的聯(lián)接關(guān)系，并在零件設計后自動繼承裝配關(guān)系，具有規(guī)定的相關(guān)性，自上而下的設計技術(shù)的特征造型后 CAD 技術(shù)發(fā)展的又一突破。許多優(yōu)秀的商業(yè) CAD 系統(tǒng)開發(fā)了支持自上而下設計模式的模塊，大大增強了對產(chǎn)品設計的支持。
3.2 Pro/E軟件的一般造型過程
3.2.1 創(chuàng)建夾具零件圖形庫
隨著機械設計自動化的不斷發(fā)展，CAD/CAE/CAM一體化軟件，Pro/E 軟件便是其中之一。Pro/E 軟件能將機械設計與生產(chǎn)的全過程集成在一起，它通過一種獨特的參數(shù)化的以及面向零件的3D實體模型的設計制造技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的設計理念，為我們提 供了一條更直觀、更有效、更快捷的設計途徑。在機械制造中。利用 Pro/E可以創(chuàng)建實體零件模型及組裝造型，它具有運動模擬功能、工具設計功能、高級數(shù)控加工功能等，在此，就 Pro/E 在計算機輔助夾具設計中的應用作一個探討。
應用 Pro/E 軟件進行夾具具體設計，需要創(chuàng)建一個夾具零件圖形庫，這樣，在夾具設計中就無需重復煩瑣地創(chuàng)建標準件模型，可以直接在標準件庫中選取零件，非?？旖莸貙崿F(xiàn)夾具的模擬裝配。 Pro/E 系統(tǒng)本身有一個數(shù)量龐大的特征庫：Pro/LIBRARY 其中包括少部分組合夾具標準件，由于各種不同規(guī)格尺寸的組合夾具標準件數(shù)量非常多，一般情況下組合夾具組裝站只配置其中一部分標準件，且不同廠家生產(chǎn)的標準件規(guī)格略有不同，若能根據(jù)組裝站實際配置的標準件重新創(chuàng)建標準件庫， 便可充分利用現(xiàn)有標準件進行組合夾具的設計，且標準件的回取比較快捷。
圖形生成是夾具標準件圖形庫的主要任務，一般對于標準件等相似性強的圖形生成可采用變量法即參數(shù)法。對于原始模型的所有幾何特征，給定它的組成參數(shù)及其參數(shù)值的變化范圍，這些可變參數(shù)稱為變量，通過輸入這些變量值，便可得到所需形狀及尺寸。 組合夾具的標準件由基礎件、支承件、定位件、導向件、夾緊件、輔助件、組合件構(gòu)成，由于各個標準件在裝配時要彼此實現(xiàn)定位、聯(lián)接，所以各個標準件上都 設計有尺寸相同、間隔均勻的T形槽、長方槽、螺紋孔等結(jié)構(gòu)，為了簡化煩瑣重復的標準件創(chuàng)建過程，建立標準件庫可分以下兩步：
(1) 創(chuàng)建用戶定義特征UDF把標準件上都具有的 T形槽、螺紋孔等特征建立UDF，一般根據(jù)組合夾具系列的不同，需創(chuàng)建的主要UDF。在創(chuàng)建各標準件時只需把 UDF特征加載到基本幾何體上，便可非常快捷地創(chuàng)建標準件。在創(chuàng)建二側(cè)槽方形基礎板原始模型時將T形槽特征加載到正方形基本幾何體上。
(2) 創(chuàng)建簇表 Family table由于每一類標準件所含標準零件種類較多，如支承件有 A 形支承、長方 支承、方形支承、小長方支承，而每一種形狀的支承又有許多不同規(guī)格的尺寸，這些成千上萬的標準件若機械式地一個個創(chuàng)建，非常費時，而且沒有必要。通過創(chuàng) 建簇表，可根據(jù)一個原始模型重復開發(fā)多個零件。根據(jù)二側(cè)槽方形基礎板原始模型通過創(chuàng)建 簇表所開發(fā)的一組標準件。在創(chuàng)建簇表選擇合理的原始模型時應注意以下兩個問題：
1) 原始模型及其衍變模型的大多數(shù)尺寸、特征、 參數(shù)應該相同，對于組合夾具來說往往選擇同類型標 準件中尺寸最大的標準件作為原始模型。創(chuàng) 建的中型組合夾具的二側(cè)槽方形基礎板簇表，其原始 模型為尺寸最大的 z101020，尺寸最大的方形 基礎板。
2) 一些情況下，當尺寸最大的標準件不能包含同類型標準件的所有特征時，應在尺寸最大的標準件基 礎上添加上未包含的特征才能作為原始模型。
3.2.2 Pro/E軟件應用到夾具設計中的主要步驟
(1)創(chuàng)建工件模型 在標準件庫創(chuàng)建工作完成之 后，便可進行組合夾具的設計。首先要分析工序圖，分 析工件的結(jié)構(gòu)形狀特征及本道工序的加工要求，同時要創(chuàng)建出工件三維實體模型，以便于進行模擬裝配。
(2) 夾具的模擬裝配,根據(jù)零部件之間的裝 配關(guān)系和約束條件，在虛擬環(huán)境中進行設計組裝，并 進行相應檢驗，從而對設計進行分析，對不合理的設 計進行修改。
在分析工序圖，初步確定了定位、夾緊及導向、對刀方案后，即可在標準件庫中直接選取合適的定位、 夾緊、導向、對刀元件，同時要選擇合適的基礎板來支承這些元件，接下來便可進行組合夾具的模擬裝配， 在模擬裝配時應注意裝配的順序，首先在基礎夾具體 上安裝定位元件，工件實現(xiàn)定位后，再安裝夾緊元件及導向?qū)Φ对?通過組合夾具模擬裝配，利用Analysis命令可在 元件間檢查干涉現(xiàn)象，及時發(fā)現(xiàn)零部件在裝配體中的 靜態(tài)空間位置的相交性和零部件在夾具裝配過程中在空間上的幾何干涉性，從而及時糾正裝配設計中存在的問題。
(3) 創(chuàng)建裝配圖和明細表 Pro/E有大量的功能用于裝配圖的繪制。在三維空間實現(xiàn)了組合夾具模擬 裝配后，即可快捷地創(chuàng)建二維裝配圖和零件明細表，從而完成用Pro/E軟件進行組合夾具設計的全過程。 根據(jù)組合夾具裝配圖和零件明細表配置標準件，由等級技工進行組合夾具的裝配，在自動化裝配中，可用工業(yè)機器人進行組裝。整個設計和裝配過程非?？旖?，適應了現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。
3.3夾具零件的具體創(chuàng)建實例
分度盤的創(chuàng)建
第1步：創(chuàng)建基礎實體特征。
1.在【菜單管理器】中依次選取【零件】/【特征】/【創(chuàng)建】，在【特征類】菜單中選取【實體】選項，在【實體】菜單選取【加材料】選項，在【實體選項】中選取【拉伸】和【實體】，然后選取完成。
2.選取標準基準平面TOP作為草繪平面，在【方向】菜單上選取【正向】，接受系統(tǒng)缺省的特征生成方向，在【草繪視圖】菜單選取【缺省】選項，接受系統(tǒng)缺省的放置參照。接受系統(tǒng)提供的尺寸參照：FRONT和RIGHT基準平面，關(guān)閉【參照】對話框，進入草繪模式。
3.繪制一個直徑為285.0mm的圓，然后退出草繪模式。
4.設定特征的拉伸深度為28mm。
第2步：在實體特征上生成凸臺。
1.在【菜單管理器】中依次選取【零件】/【特征】/【創(chuàng)建】，在【特征類】菜單中選取【實體】選項，在【實體】菜單選取【加材料】選項，在【實體選項】中選取【拉伸】和【實體】，然后選取完成。
2.選取