廣義映射原理在組合夾具結構自動化設計的應用研究

摘 要：文章結合廣義映射原理完成了對組合夾具結構自動化設計的分析研究。并通過數學模型的建立，分析了組合夾具“功能”、“結構”映射，對組合夾具的設計提出新的設計理念，實測證明，該設計方案下的組合夾具可靠、性能優越，適于推廣。

關鍵詞：廣義映射；組合夾具；功能；結構；表面關聯網絡

中圖分類號：TG75 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）17-0044-02

組合夾具以機床夾具零部件標準化為基礎，預先設計制造好一系列零部件，這些零部件的形狀和規格尺寸各不相同，然后根據組合化的準則，面向工件的加工要求，開發組裝成專用夾具。待生產工件完成時，可以解體組合夾具，留待以后重新組裝使用。

在對零部件進行生產加工時，組合夾具必不可少。它最適合于品種多、產品變化快、新產品試制和單件小批量生產等場合，在批量生產中可以利用組合夾具代替臨時短缺的專用夾具，以滿足生產要求。針對不同的生產工件利用組合夾具原件組裝成相應的夾具。數控機床和柔性制造單元的出現，極大地帶動了組合夾具技術的進步，拓展了組合夾具的應用領域。此外，不同系列的組合夾具元件還可以通過過度原件共同組裝在一套組合夾具上，以達到縮小組合夾具尺寸和減輕夾具重量的目的。隨著工業生產規模的擴大和產業結構的多樣化，組合夾具的設計在公差標準和裝配上要求越來越高，對計算機輔助設計的依賴性也越來越高。本文嘗試通過以廣義映射原理為基礎的公理化設計思路進行組合夾具的自動化設計。對廣義映射給出了一些很好的概括和應用方案。

1 廣義映射原理及公理化設計思路

廣義映射原理是一種公理化設計思路，四個不同的設計域分擔了一整個設計過程，即劃分成了用戶域、功能域、物理域和過程域四個不同類型的設計活動。它們分別與用戶要求、功能要求、設計參數和過程信息形成一一映射關系。用戶域主要是通過用戶此時處于查找一個產品、過程、系統或者材料的需要（或屬性）的狀態來描述的。設計流程就是由功能域到物理域再到過程域的映射過程。總體設計過程就是一個由高級別的抽象概述，到低級別的具體詳述過程。如果把產品想象成一套系統，則設計就是把系統分解成一個個子系統，隨之分解為部件，再細分為零件，最后分析得到零件特征的過程。產品的功能層次樹和結構層次樹如圖1所示。

2 組合夾具設計中的廣義映射原理應用

根據某加工零件工藝參數的指標，一般可遇到三種被夾緊零件的表面類型，它們分別為：預處理零件表面域MFs、計劃外加工表面域FFs、預處理零件表面時和刀具加工后留下的處理區域面域MTFs。在夾具組合過程中，通常要滿足以下原則：要力求在預處理零件表面預，即{ FFs}面域上，確保對零件的定位以及夾緊；在空間上，要阻止每一個夾具元件計劃外加工表面域和預處理零件表面域產生交集；當遇到不適合定位夾緊某零件的情況時，要充分考慮到對{FFs}面域有個預判篩選的問題。因此可歸結出兩類用于定位/夾緊零部件的面：外圓面及內圓面平面，同時可稱為圓面及平面圓面。可選擇加工零件的垂直方向、水平方向以及斜面方向。在進行預處理零件表面加工時，通過{FFs}面域可挑選出一組面域集合，命名為零件定位夾緊面面域集合（簡稱PFFs），可用于表面的定位及夾緊。然后根據零件表面情況，確定定位夾緊方案，可將零件定位夾緊面域劃分成夾緊面域（簡稱CFs）和定位面域（簡稱LFs） 。

2.1 定位夾緊零件算法

篩選并組成一套計劃外加工表面域集合{FFs}；通過機床設備條件及零件加工工藝，在面域集合中確定預處理零件的各個表面，形成預處理零件表面域{MFs}；通過剩下的{FFs}面域可挑選出一組面域集合，按規則組合成零件定位夾緊面面域{PFFs}；最后根據零件表面情況將零件定位夾緊面域劃分成夾緊面域（簡稱CFs）和定位面域（簡稱LFs）。

2.2 組合夾具結構設計映射分析

一個零件在空間中具有六個自由度，也就是說在三個直角坐標域x、y、z中，零件既可以順著三個坐標軸方向移動，也可以圍繞這三個坐標軸轉動。因此，只要去除這六個自由度，就可以牢固的定位和夾緊零件。通常情況下采用如下方法消除這些自由度，安裝六個支撐與待加工零件相接觸，確定零件位置以后，然后用互相垂直的平面上的三個限制點來達到消除待加工零件的六自由度。然后結合零件加工工藝需要，確保在零件的定位面域和夾緊面域內組裝成牢固定位夾緊零件的夾具組合，這便是組合夾具的“功能”。達到“功能”要求的同時立即完成組合夾具的“結構”設計，即完成了零件定位夾緊條件的硬性要求，而且需達到易于夾具組合的拆卸及夾具元件的重組。由上可得出“功能”到“結構”的映射關系使得“結構”成為了“功能”的實現形式，這種關系的實現包括兩個步驟：定位/夾緊單元映射；夾具結構設計。

2.2.1 定位/夾緊單元映射

在組合夾具的結構設計中首先要解決定位和夾緊兩個問題。明確總共能要求和總結構要求便能很好的解決這兩個問題，其中總功能要求包括：水平定位功能、垂直定位功能、斜向定位功能、水平夾緊功能、垂直夾緊功能和斜向夾緊功能；相對應的總結構要求包括：水平定位結構、垂直定位結構、斜向定位結構、水平夾緊結構、垂直夾緊結構和斜向夾緊結構。它們一一對應，形成映射關系。表面關聯網絡FaceNet在組合夾具需求域中滿足：

FaceNet=■Face（i）Face1，Face2，Face3…

根據表達式，確立組合夾具定位和夾緊單元的空間布局，同時總結出定位和夾緊表面的空間方位關系。通過各種標準組合夾具元件組裝而成的一套組合夾具結構，該結構有等級層次性特征，可以歸結為一個各層次結構單元組成的空間有序并可度量的向量的集合，其數學模型可以表達為：

F=C■■，D■■，H■■

式中，F是組合夾具整體結構；C■■為層次結構單元代碼；D■■為結構單元特征尺寸向量；H■■為結構單元位置向量；m為結構單元序號，n=1，2，3…；n為結構單元層次號，n=1，2，3…從此數學模型考慮， 任何形式的夾具結構布局/層次模型都可以表達出來。這種形成的“功能”“結構”映射關系可以描述表達出任何夾具結構的功能結構圖。

2.2.2 夾具結構設計

根據定位/夾緊單元映射關系，便可大體繪制出夾具總體結構，主要包括了定位功能部件、夾緊功能部件和支撐功能部件。其中定位功能部件主要從垂直、水平、斜向角度出發形成垂直定位單元、水平定位單元和斜向定位單元，主要部件是鍵和定位銷；類似的夾緊功能部件主要由垂直夾緊單元、水平夾緊單元和斜向夾緊單元，主要部件是螺釘和壓板；對于支撐功能部件來說，主要包括垂直支撐和水平支撐單元，主要部件是角鐵和墊板。最后制定出組合夾具的結構設計方案，如圖2所示。

然后觀察工件定位的準確度，并且在加工過程中，以位置不發生變化，零件不變形為衡量手段，通過計算制造誤差，結合定位、夾緊結構的簡單、緊湊、裝卸工件的方便度來作為組合夾具安全可靠、設計成功的標準。

3 結 語

在本文中合理的運用了廣義映射原理，并開發出了一套融合該原理的組合夾具結構設計的方案。實測證明，組合夾具結構設計和廣義映射原理的結合，證明了廣義映射原理普遍適合組合夾具結構設計的開發，同時進一步豐富和發展了廣義映射原理，適于推廣。

參考文獻：

[1] 徐志剛，秦惠芳，劉宇齊.創新式組合夾具結構設計自動化[J].工程圖學學報，2001，1(1).

[2] 齊爾麥，徐燕申，謝艷.模塊化數控機床概念設計的研究[J].組合機床與自動化加工技術，2003，(1).