夹具设置规划和夹具配置系统

夹具设置规划和夹具配置系统摘要通过自动化夹具设计和配置的任务，我们可以节省大量的时间，让过程工程师从一个无聊的工作中解脱。本文系统地给了关于我们程序数量、程序的顺序设置上的建议,并主张工件加工需要适当的夹具。并提出输入数据的CAD模型工件技术要求，以及要以IGES格式保存。而输出数据则是CAD模型所不可缺少的元素。关键词：夹具规划和夹具设计1.介绍夹具帮助我们提高生产力和工件的精度。通过减少完成工件所需的时间，减少装夹新工件的时间和增加切削参数来保证工件的稳定夹紧。都能使生产力增加。提高精确度可以帮助实现精确定位和保证工件夹紧的稳定性。为了更好地支持、定位和夹紧工件，我们需要仔细的选择基准面。根据功能选择相应的夹具元素，并为它们找到合适的布局,以确保工件不受阻碍的运动。当然，为了缩减停滞时间，我们也必须将它们的数量设置得尽可能低。通常,找到一个可以接受的布局,我们必须解决的问题有对几个基准面的组合、为每个固定元素进行布局。这时我们才找到一个可接受的解决方案。这是一个烦人又耗时的过程,为了加快这个过程我们已经开发出一种系统——givesproposals，它可以接受任何建议来帮助构建一个固定装置在固体可视化环境下,如果夹具需要改变的话，它可以很容易地被改变。因为这个系统,需要能够给任何工件提供解决方案——所以组合机床需要造的非常巨大。我们将被关在卧式加工中心的某个盒子形状的部件(变速箱房屋)里进行加工。2.文字概括因为让夹具的规划和使用更快捷、更容易，是每一个过程工程师长久以来的愿望。所以有无数人尝试弄清其中的演算过程。一些人尝试将注意力集中在自动化设置上;其他则想在夹具上规划KulankaraMelkote[1],Necmetin[2],wangetal[3];若干夹具设计Gaoliangetal[4],shashaetal[5],chouetal[6],当然还有一些人试图在一个系统内同时解决上面所有问题。法和托雷[7]基于夹具规划和设计系统，开发出了solidworks这一软件。而这些只是最近结果的一部分。3.车间内的系统化研究任务由于不同形状、尺寸和材料所做的工件差异巨大，我们需要一个巨大的系统来进行分类，为不同的类型的工件设计出最好的夹具。但是支撑,定位和夹紧这些子任务是可以使用通用归类的。图1所示的是，卧式加工中心(主定位)中不同的支撑方式的归类。图一：支撑类型为了使pos1工件的四个面能在一次安装上加工完成,pos2的三面能一次加工,pos3的三面加一部分的第四面能被一次加工，我们可以通过在支撑的一边上开口来实现。图2给出了不同的导向(次要定位)和停止(三级定位)类型。图2：侧定位类型这里有4种侧定位(导向)方式，因此建立了四种系统结构（图2）：(1)利用表面相邻的支撑面进行定位,(2)利用支撑面内的两个孔定位(3)利用相邻的两个面上的两个孔定位(4)利用支撑面上的两个螺纹接头（安装轴螺丝）定位。在图3中可以看到车间里最常用的各种类型的夹紧方式。基于夹紧力方向可以分为(图3)：垂直夹紧(s1)——夹紧力垂直于支承面,水平夹紧(s2)——锁模力平行支持表面。图3：夹紧类型基本类型s1,取决于夹紧面的位置,可以进一步分为亚型s11、s12和s13。对于s11来说，夹紧面和定位面（支撑面）最接近平行。对于s12来说，夹紧面则和定位面是对立面。而s13，是通过工件上的槽孔进行夹紧。一个特殊的夹紧方式是在定位面上用螺丝和螺纹接头进行夹紧(s3)。在这种情况下,夹紧力垂直,但力的传输则以不同的方式传递。同时，夹紧点的数量也是夹紧的一个非常重要的特征。我们要区分夹在一个,两个,三个或四个点上的情况。如果我们对前面基本类型的信息进行补充,则得到可能的夹紧类型:s11_2、s11_3s11_4;s12_2、s12_3s12_4;s13_1,s13_2;s2_1s2_2;s3_2s3_3s3_4。这些枚举最后一个数字意味着夹紧点的数量。4.系统结构计划系统包括四个模块：（1）CAD模型后处理/夹具预处理模块(IPPO)——分析工件CAD模型上的曲线和表面,提取他们最重要的特征，并将之与工艺和夹具的特点结合起来。（2）设置和夹具规划模块(SUPFIX)——在前述模块输出数据的基础上，给需要的设置提供命令和数字上的建议，并提供所需夹具的概念性解决方案。（3）操作规划模块(OP)——这是一个缺陷(主控模块还没有建造。这个模块的作用将分解到特定切削过程的设置上,来使每个切削过程中能选用不同的工具,并确定切削环节中的切削参数。（4）设备配置模块(FIXCO)——从公认的概念性方案到尝试构建具体的夹具组件。这些组件需要一点简单VB程序的帮助，VB可以在SolidEdge装配环境下中打开，这样可以避免检查冲突。如果有必要可以进一步的变化，这样就可以很容易而又迅速制作个人的夹具文档。组装夹具的CAD模型可以用CAM程序打开，这样夹具元素就可以被标记，方便了检查。同时将在工具不与夹具元素碰撞的地方。生成这些工具的路径。在图4中可以看到系统的示意图。图4：设置和夹具规划和夹具设计系统4.1CAD模型后处理模块这个模块分析工件模型所有的曲线和表面，并试图组织成特性,从假定特性中提取出特征数据，使得功能模块的类型可以被识别显示。图5所示,这些都是不同的孔(盲孔或通孔,是否是沉孔,有没有槽),不同的突起(主要的上端)表面,不同的槽(下)表面,还有同样的“高度”平面的集合。图5：变速箱最常用的特性这种表面的集合(tf503)可以根据他们的形成方式和成员的数量，进一步划分成亚组。(图6)。图6：表面组的亚组当然人们认可的特性可以进一步增加——如果有必要的话——通过添加新的规则进这个系统就可以了。数据的特性或特征表面(准尺寸数据)会自动从模型中提取出来。这些数据在技术方面上是很重要的,其中的一些从夹具方面考虑同样重要。特征和表面因其形状、大小和位置的不同而被归类。例如极小平面是一类，某些特定形状的即不能用也不能支撑，也不能导向的平面又是一类。最后，为了减少到下一个模块所需的时间，我们淘汰了停滞和夹紧而去找到一个可接受的解决方案。工作流程是这样的,用户(过程工程师)打开以IGES格式保存的工件的CAD模型,检查公认特征,确定哪些特性或表面是必须精密加工的。然后确定公差的关系,最后保存数据。在[8]中，你可以阅读更多关于这个模块的详细描述。4.2设置和夹具规划模块用户用当前模块打开保存的文件，里面会包含前一模块的输出数据。可以直观的看见对于夹具概念性方案的设置。在使用了了这样的可视化的辅助设置后，用户可能会喜欢并接受它。并能快速选择是否接受这种设置，如果一种概念性的方案被拒绝，模块将会搜索另一个概念性方案。起初该模块在主要设置（最重要的加工公差）上，支撑类型上，定位面和夹紧面的类型上提供建议。首先,它试图找到一个方向，可以使工件上所有有公差的面都用一次装夹完成加工。如果不成功,那么它就会试图放低加工面选择的标准(宽松的公差考虑)。如果这种尝试还没有成功,那么它会再次降低对于面的筛选。如果所有提到的策略都没有用，那么将要在不同的夹具和机床上加工（意味着更复杂和昂贵)。候选支撑面的大小和形状都要被检查。首先，只有足够大的平坦平面才会被考虑，如果没有，则考虑足够大的圆柱体，再其次，则考虑大的平面组除了大小和形状,候选定位面也要检验。候选夹紧面也要从大小、形状和位置几个方面来检查,只有当最大剪切力形成封闭时，选择才是最佳的。这个模块在[9]中会详细介绍。4.3夹具配置模块用户打开前一个模块生成的输出文件(一个包含主要概念的解决方案,或解决方案的辅助设置)，这个模块试图建立一个可接受的夹具。建造夹具应采用概念性解决方案中建议的支承方式,选择支撑元素的类型和大小并使他们相对于工件有一个适合的方向。也按照建议中的定位为定位元素选择合适的类型和大小。(这样搜索范围会大大减小，所以夹具制造时间也会被缩短)选择的定位元素也要放在相对于工件的一个好的位置。最后轮到夹紧元素了，必须要是符合建议的夹紧类型。定义了它们的大小,以便工件与夹紧元件的接触面积足够大。网格直接安装在夹紧元素上,或借助一些调节元素,两者必须尽可能靠近夹紧,以便夹紧元素最小化。调节元素不会总是使用,只有在当夹紧面或定位面离固定在底座上的网格孔太远(或者太高)时才用。调节元素的数量必须最小化,因此夹具的精度和刚性要更强。5.测试运行的结果图7中，这是一个典型的盒子形状,一个砂型铸造的灰口铸铁齿轮箱体。这一部分最重要的公差是尺寸公差，因为要防止出现坏件。图7：齿轮箱体在图8中，表面加工需要在第一次设置时标记(底部,和四个小孔),在图9中，表面加工在第二次设置时标记。在图10中，所提议的概念性解决方案是为第一次设置做的。这个建议的基础上,工件在第一次设置期间(第二个设置的基准表面已加工)，应该放在紫环带表面(如pos1中)定位则在四个红色内圆柱表面和灰色(黑色)倾斜表面(如p3)。夹紧则应该在绿环带表面(如s13)。图8：第一次设置时的表面加工图9：第二次设置时的表面加工夹具在FIXCO模块基础上建立，这些建议在图11中可以看到，该图里，夹具与工件一起显示。在图12中，是个相同的夹具而没有工件。工件放在三个黄金颜色可调节的支撑上,在三个蓝色的直螺栓(定中心)和可调障碍(方向)的帮助下定位，在一个大头钉的帮助下夹紧。如果大头钉不够长,则需要一个适配器元素——一个连接杆螺栓。在图13中，显示着为了第二次设置提供的概念方案。工件应放在紫平面(建议支撑类型pos1)上,定位位于黑色和红色小孔上(建议定位类型是p22),夹紧则是在四个绿色的平面(建议夹紧类型是s11)。在图14夹具和工件可以同时看到，图15则是不带工件的夹具，为了不用网格板来支撑特殊基板。定位销上加工的孔是否在合适的位置取决于工件。两个金色的直螺栓是定位元素。选择四个钩子来实现夹紧的任务,(因为他们的可调节性不够)每一个钩子都需要一个螺丝来桥接，用来保证中间的距离。图10：首次提出了概念性的解决方案的(辅助)设置图11：首次建立了夹具安装工件图12：不带工件的夹具图13：第二设置的概念性建议图14：建立第二安装夹具和工件图15：没有工件的夹具第二设置6.总结以上就是夹具规划设计系统,它能使工艺工程师的工作更容易、更快。系统测试了一些工业零部件,反响不错。(准确的说,简单的夹具具有更高的稳定性)。当操作计划模块的系统被开发出来时,会拥有更大尺寸的凝结物切割工具，那时建立夹具和工具的方法也就将得到证实。引用[1]KulankaraK.,ShreyesN.M.,MachiningfixturelayoutoptimizationusingthegeneticAlgorithm,International.JournalofMachineTools&Manufacture2000:40:579–598[2]NecmettinK.,Machiningfixturelocatingandclampingpositionoptimizationusinggeneticalgorithms,ComputersinIndustry2006:57:112–120[3]Y.Wang_,X.Chen,Q.Liu,N.Gindy,Optimisationofachiningfixturelayoutundermulti-constraints,InternationalJournalofMachineTools&Manufacture2006:46:1291–1300[4]GaoliangP.,GuangfengC.,ChongW.,HouX.,YangJ.,ApplyingRBRandCBRtodevelopaVRbasedintegratedsystemformachiningfixturedesign,ExpertSystemswithApplications2011:38:26–31[5]ShashaZ.,XiaojinW.,WenlongL.,ZhoupingY.,Youl