自動化生產線中組合面定位誤差分析與研究

陳建剛， 陳杰峰， 張昌明， 趙知辛

（陜西理工學院 機械工程學院，陜西 漢中 723001）

引言

隨著制造業的發展，機械產品的幾何結構復雜化、功能要求多樣化及加工精度標準化等主要因素趨于完善，對機床夾具設計行業提出更高的要求，高速、高效及低耗的加工設備及夾具裝置是現代機械制造業發展的主力軍，機床夾具設計與優化也是提高加工方法和改善加工條件的重要環節。如何有效發揮機床夾具自身功能和快速定位的優勢是機床夾具設計的關鍵，在機械加工工藝過程中，夾具定位誤差是不可避免的，直接影響工件的加工精度和加工質量，對于汽車生產企業，發動機是汽車心臟，其中典型零部件（曲軸、連桿、凸輪軸以及箱體等）需要大量生產，在生產線上組合面定位的應用十分廣泛，組合定位元件的定位誤差影響著工件的加工質量和性能，而關于組合面定位誤差分析報道不是很多，文章就此針對生產一線亟待解決組合面定位誤差的問題進行分析與研究。

1 組合面定位誤差的存在原因

組合面定位是對單一定位元件的優化組合而產生的，具有快速找正、快速定位及快速裝卸等功能，在機床夾具設計中占有很重要的地位，也是機床夾具設計和發展的方向，組合面定位的組合結構根據具體實際應用場合，結構也不同，同時，有些組合定位方式需要不斷地改進與優化，從而降低定位誤差，提高零部件的加工精度，如下頁圖1所示為組合面定位在銑削和鏜削發動機缸體、缸蓋組合面定位的應用實例，定位具體部位為發動機缸體、缸蓋的底面和底面上預留的兩個工藝孔，對于具有一面兩孔特征的箱體類零部件，為實現快速找正、提高加工精度，需設計組合面定位。在圖1中，最初的組合定位元件采用一個面和兩個圓柱銷來定位，解決快速定位、快速找正及生產效率等問題，但對于一批發動機缸體、缸蓋實現組合定位時，由于發動機缸體、缸蓋上的工序尺寸存在公差允許范圍，每個零件在定位時，會有一定的公差允許的偏移量，這樣，采用一個面和兩個圓柱銷對一批發動機缸體、缸蓋定位時，會出現過定位現象，影響該批零件的加工精度和使用性能，為此要對組合面定位的方案進行研究與分析，尋找更優化的組合面定位理論基礎和科學方法。

圖1 組合面定位在銑削和鏜削發動機缸體應用

2 組合面定位模型的建立與自由度分析

對于采用一個面和兩個孔組合面定位實現定位的箱體類零件，工件毛坯上必須具有一個面，該面上存在兩個孔，孔可以在機械加工中鉆削，也可在毛坯鑄造時提前預留。采用一個面和該面上的兩個孔定位的方式，具有快速定位、基準統一以及減小夾具結構的多樣性等優點，但實際定位時，對一批零件進行定位處理，由于制造誤差和加工環境的影響，會出現組合面定位上銷心距和孔心距很難完全重合，即無法實現組合定位的過程。為了研究解決此類問題和定位誤差，建立了如圖2所示為一面兩圓柱銷定位的三維模型作為研究基礎，圓柱銷1和圓柱銷2安裝在底面3的上，底面3的兩邊加工有耳座4以便與機床的工作臺相連接。當采用如圖1所示的組合面定位對具有一面兩孔的箱體類零件定位時，底面限定3個自由度，圓柱銷1限定2個自由度，圓柱銷2限定2個自由度，合計共限定箱體的7個自由度，而在笛卡爾坐標系中，空間任意物體只具有6個自由度，由此可知，一個面和兩個圓柱銷對箱體定位會出現過定位現象，在生產過程中，過定位輕則使得工件發生變形扭曲，重則折斷工件、損傷機床，存在嚴重的安全隱患。

圖2 一面兩圓柱銷組合定位模型

3 過定位的問題解決措施及理論分析

根據組合面定位元件的自身幾何特征和功能特性，通過分析與研究，解決過定位問題的方法如下。

1）根據孔和軸配合關系，改變圓柱銷的直徑分析發現改變圓柱銷的直徑是解決組合面定位存在過定位的方法之一，如圖1所示假設定位銷1與對應孔的中心完全重合，則裝配條件為：定位銷1的最大直徑（d1max）為對應定位孔的最小直徑（D1min）減去對應定位副的最小間隙（X1min），表達式為d1max＝D1min－X1min。現在只需改變定位銷2的直徑，即可滿足組合面定位的工作要求，也可避免過定位帶來的弊端。分析可知減小定位銷2的直徑可以得到如圖3所示兩種極限位置的裝配情況，便于安裝需給定位銷2增加一個最小間隙補償值X2min，則定位銷2的裝配條件為：定位銷2的最大直徑（d2max）為對應定位孔的最小直徑（D2min）減去對應定位副的最小間隙（X2min），表達式為d2max＝D2min－2（δLD＋δLd＋X2min／2），其中δLD、δld為孔間距偏差和銷間距偏差。

圖3 一個面和兩個圓柱銷組合定位極限位置圖

改變圓柱銷的直徑方法可以避免組合面定位的過定位問題，根據圖3所示，當減小定位銷2的直徑的同時，會產生轉角誤差，而且轉角誤差隨著定位銷2的直徑減小，在不斷的增大，直至組合面定位失效。

2）根據轉角誤差形成機理，將圓柱銷設計成菱形銷。

為解決因減小圓柱銷直徑而產生的轉角誤差，通過試驗可以將圓柱銷幾何結構進行優化，在消除組合面定位過定位的同時，也能減小轉角誤差，即對圓柱銷的端面進行優化，將圓形的端面加工成菱形端面，這樣在兩個定位銷連心線方向上，即可實現縮小定位銷直徑的作用，也可在垂直與連心線方向減小轉角誤差的效果，從而提高了組合定位的精度。

為了驗證一個面和一個圓柱銷、一個菱形銷的定位方案可行性，對組合定位效果進行深入研究，通過定位基準的位移誤差的大小分析在評價該方案合理性，如圖4所示為該組合定位基準位移誤差兩種極限位置圖，其中圖4（a）所示當組合面定位兩定位副的間隙以O1為圓心整體逆時針或順時針偏轉的極限位置圖，圖4（b）所示為兩定位副的間隙以O1O2的水平中點為固定點，反方向時偏轉的極限位置圖。圖4中，定位副1的最大間隙為X1max，定位副2的最大間隙X2max，根據幾何比例關系可以推導出整體同方向偏轉角度Δα和反向偏轉角度Δβ計算公式。

圖4 組合定位基準位移誤差兩種極限位置圖

由于具體實際的情況比較復雜，在采用組合面定位計算某一加工尺寸的基準位移誤差時，要考慮加工尺寸的方向和位置，為實現生產一線快速解決組合面定位誤差計算的問題，根據組合面基準位移誤差理論分析建立如圖4所示的工序尺寸分布圖，對圖4中組合定位基準位移誤差兩種極限位置的分析與計算，得到不同的加工位置時的工序尺寸對應的計算公式如表1所示。

表1 一面兩孔定位時基準位移誤差的計算公式

4 結論

1）組合面定位的設計與優化是機床夾具設計的重點，對于具有一個面和兩個孔的典型零部件，采用一面兩銷（其中一個為圓柱銷，一個為菱形銷）定位可以提高定位的速度，也可以減小轉角誤差。

2）基準位移誤差是組合面定位的設計與優化的難點，本文通過兩種極限位置中常用的加工尺寸為研究對象，逐一進行分析，給出工序尺寸在不同位置通用計算公式，可以實現組合定位誤差的快速計算，判斷組合面定位方案的合理性。

3）在生產實踐中，發動機中典型零部件除箱體外，連桿的定位也常采用一面兩孔定位的方法，其定位誤差分析與本文研究的內容一樣。

［1］ 陳建剛.機床夾具中圓偏心夾緊裝置的設計與研究［J］.煤礦機械，2012，33（5）：38－39.

［2］ 陳建剛.機床夾具設計［M］.北京：北京理工大學出版社，2012.