多孔腔零件沖洗夾具裝夾方案的研究*

陳　樺，杜笑天

(西安工業大學 機電工程學院，西安　710021)

多孔腔零件沖洗夾具裝夾方案的研究*

陳樺，杜笑天

(西安工業大學 機電工程學院，西安710021)

摘要：文章依據夾具夾緊定位原理，分析沖洗夾具的定位裝夾結構實現快速裝夾與通用性的局限性。通過比較夾具夾緊機械結構，提出了能夠實現快速裝夾的夾緊結構。以夾緊定位可靠性原則為目標，建立夾緊點優化數學模型，利用線性加權法對夾緊點優化模型進行求解，確立了裝夾結構的改進方案。通過零件穩定性數學模型驗證夾具改進后零件的穩定性。結果表明，該裝夾方案滿足零件的穩定性，改善了裝夾速率。

關鍵詞：快速裝夾；夾緊布局；線性加權；工件穩定性

0引言

在工業急速發展的背景下，郭春華[1-2]提出夾具在向標準化、高效化等方向發展。陶潤亮等[3]對清洗機進行設計中，對沖洗夾具進行分析，采用多工位回轉工作臺，其特點結構緊湊，占地面積小，有利于提高零件沖洗效率。張燦為等[4-5]討論了利用氣動原理和不利用氣動原理控制夾緊元件實現零件裝夾這兩種情況，并對這兩種情況下沖洗夾具的沖洗效率、夾緊穩定性、夾緊結構復雜程度等方面做了對比。

Li[6]等通過夾具-工件接觸剛度建立接觸模型，以最小余能為目標，優化設計夾緊力。Gui[7]等根據所建立的模型，以最小工件位置誤差為目標，對夾緊力大小進行優化設計。Kulanlara K[8]利用遺傳算法對定位點、夾緊點進行位置優化。周孝倫[9]等利用遺傳算法，以加工點出工件位移和工件的彈性變形最小目標，優化夾具布局與夾緊力。秦國華[10-11]等建立夾緊副變形與工件位置誤差關系模型，以最小工件位置誤差為目標，實現夾緊力的優化設計。

以上文獻對夾緊點優化，都是以工件-夾具系統中的接觸模型進行分析，主要以工件變形最小為目標進行優化設計夾緊點。基于以上理論，對于本文所研究沖洗夾具，提出基于工件夾緊定位穩定性為目標，確立對該沖洗夾具夾緊點的改進。為了實現沖洗夾具里的快速裝夾，提出一個通用性好、結構簡單、定位精準高、夾緊可靠且效率高的夾具。

1沖洗夾具分析

沖洗夾具沖洗的零件特點為孔的多樣性，而且繁多存在交叉孔、盲孔、通孔等，如圖1所示。

圖1　零件

沖洗夾具主要組成部件是定位元件、夾緊裝置、夾具體、底座、各種類型可更換噴頭，如圖2所示。沖洗夾具的定位方案采用了“3-2-1”定位原理，沖洗夾具的定位模型如圖3所示，圖中平行四邊形為夾具體表面，Fp為夾緊力。P1、P2為兩個定位銷，P1限制了零件x，y方向的平移自由度，夾具體平面限制零件z方向平移以及x、y軸旋轉自由度，P2限制了零件繞z軸旋轉自由度，此時夾具體上的噴嘴結構起到定位塊的作用，定位方式一面兩銷的，從而限制了零件的六個自由度，實現零件的定位，該定位裝置能夠良好的滿足多孔零件沖洗的準確定位。

圖2　沖洗夾具

圖3　定位模型

沖洗夾具的夾緊結構采用螺栓旋緊裝置進行夾緊，沖洗夾具夾緊結構，由螺柱、手柄、襯套組成，通過旋緊螺柱，使襯套對零件的夾緊。從圖4中可以看出，夾具的夾緊結構專用型比較強，該夾緊結構僅適用于一定孔徑，特定孔位置零件的夾緊，不能滿足沖洗夾具設計中通用性功能，

本文基于以上結構的局限性對其夾緊結構進行優化設計。以夾緊點優化為切入點，改進夾緊方案，提出通用性好、結構簡單、定位精準高、夾緊可靠且效率高的夾具。

圖4　裝夾結構

2夾具的改進2.1夾具裝夾方案提出

從裝夾通用性出發，提出夾具改進方案，經過以上分析，夾具定位點可以滿足多孔腔零件沖洗的精確定位，其定位方案則為一孔兩銷定位。然而原沖洗夾具的一個夾緊點難以實現裝夾的通用性，存在裝夾局限性。對夾具所沖洗的零件分析可知，零件上表面都為平面，各類型孔位置都在其內腔，則可選用上平面為裝夾面，以實現相似零件的裝夾。為了實現夾具沖洗夾具夾持工件穩定性為目標，三點構成的三角形具有穩定性，本文提出具有三個夾緊點的快速裝夾結構，較之原夾具夾緊結構具有更好的穩定性。

夾緊點的確定應該遵循以下原則：①為減少夾緊變形，夾緊點應與定位支撐點對應，使夾緊力作用在支撐上，應該選在工件剛性較好的部位；②夾緊點應該盡量靠近加工表面，減少震動并減少沖洗壓力對該點的力矩。

根據夾緊點確定原則，利用目標函數求解的方法，對沖洗夾具夾緊最優點選擇原則是：

(1)夾緊點構成幾何圖形面積盡可能大，即三個夾緊點在夾具體平面上的三角形投影面積應該盡量大，目標函數y1為：

(1)

式中：Ac為夾緊三角形面積，Amax為在夾緊面上所有可能組成的夾緊三角形面積的最大值。由于沖洗夾具的零件為規則長方體，所以Amax為矩形中最大的三角形面積，即矩形的一半，則式(1)可寫為：

(2)

(2)零件重心與夾緊點構成的三角形面積之和越小越好，夾緊三角形如圖5所示。零件重心坐標落在夾緊點三角形內，則夾緊三角形的面積與夾緊點和重心組成的三個面積和相等。當重心落在夾緊點三角形外，則夾緊三角形的面積與夾緊點和重心組成的三個面積和不相等，而夾緊點與零件重心構成的三角形面積和越小越有利于夾緊穩定，目標函數y2定性表示為：

(3)

圖5　夾緊三角形

那么對最優夾緊點的選擇，利用多目標函數的線性加權優化法，數學模型為：

maxy=λ1·y1+λ2·y2

(4)

式中：λ1、λ1為權重因子。

對于權重因子的取值，依據相對比較法，目標函數y1描述夾緊點構成的幾何圖形盡量大，目標函數y2描述夾緊點與零件重心構成三角形面積和越小越有利，綜合考慮兩個目標函數存在約束關系，可主觀認為重要性程度相同，所以計算時取λ1=λ1=0.5。

對其線性加權數學模型進行求解時，在求解過程中對式(4)進行變形，使其滿足線性關系，即

(5)

利用MATLAB工具箱進行計算以及對函數圖像的繪制，求解得出，在y2的定義域{0,1}內，y值隨著定義域的增大而增大，當y2=1時，Ac=Ag，由此說明重心G點在夾緊三角形內。根據夾緊點確定原則，夾緊三角形越大越有利于零件的夾緊，即取y1=1，那么夾緊三角形面積Ac與最大夾緊三角形Amax相等，從而確定了夾緊三角形的三個點，本論文為了后文穩定性計算的方便，選取夾緊三角形為等腰三角形，在xyz坐標系中，工件受到FP1、FP2、FP3的三個夾緊力，夾緊力作用點構成了等腰三角形，作用點分布如圖6所示，P1、P2為定位點。

圖6　裝夾布局

2.2夾緊結構方案的提出

原夾緊結構，通過螺栓和螺母擰緊進行夾緊，裝夾時需要根據零件孔的不同進行選擇不同直徑孔的螺栓和螺母，對于非標元件就需要制造多種適合裝夾的螺栓螺母結構，不利于裝夾效率的提高。針對以上問題，本文提出在由三個構件組成的裝夾結構如圖7所示。桿3固定在夾具體，桿2可以左右運動，通過對桿件1的旋緊，實現對零件的夾緊。考慮該沖洗夾具在沖洗箱中作業，桿1在垂直方向的伸縮長度為10mm，桿2在水平方向的伸縮長度為20mm。由于桿1的夾緊表面為平面，可適合裝夾夾緊面為平面，且同圖1相類似的零件。

圖7　夾緊結構

2.3夾具改進后工件穩定性驗證

在沖洗夾具的穩定性分析中，利用平衡原理建立穩定性分析數學建模，通過線性規劃最優化方法對建模方程進行求解，最終得到工件裝夾的穩定性[12]。

驗證裝夾結構改進后工件穩定性，需要在工件與夾具工作和不工作狀態下兩種情況進行分析，并且改進后與改進前進行穩定性分析的零件尺寸、重心坐標和工件重量均相同，來說明改進后能否滿足工件的穩定性。當夾具處于不工作狀態時，工件外力僅受到重力作用。根據改進后夾具結構分析可知，零件通過三個夾緊點夾緊，且重力與其夾緊力方向相同，則工件夾持穩定。當夾具處于沖洗過程中，工件在沖洗壓力為5MPa的外力作用下，此時穩定性分析如下。

零件尺寸190×190×90，重心坐標[28，-10，45]T，工件重量Wg=100N。工件的通過對夾具受力分析得出沖洗壓力與坐標點，由于夾具采用一孔兩銷定位方式，在夾具受力過程中，定位元件元件同時受到X、Y軸方向的力，因此選取X、Y軸法向方向的力，定位元件(L1、L2)和夾緊元件(C1、C2、C3)的坐標點如表1所示。

圖8　裝夾布局

裝夾元件位置坐標r單位法向量nLx1[-87,-26,0]T[1,0,0]TLx2[90,36,0]T[1,0,0]TLy1[-87,-26,0]T[0,1,0]TLy2[90,36,0]T[0,1,0]TC1[-87,85,90]T[0,0,-1]TC2[-87,-105,90]T[0,0,-1]TC3[90,-10,90]T[0,0,-1]T

定位元件與夾緊接觸點矩陣：

同理，外力旋量Wt=[-658.4，-180，204.2，-3263.43，-4420，-1111.3]

可得沖洗零件夾具裝夾穩定性線性規劃方程：

y=min-(27Fn1-35Fn2-86Fn3-89Fn4-173Fn5-

求解可得穩定性分析結果如表2所示，顯然

則式(4)有解，所以可得工件夾持穩定。

那么由以上分析可知，沖洗夾具如圖9所示，改進后沖洗夾具如圖10所示。

圖9　沖洗夾具改進前

圖10　沖洗夾具改進后

4結論

本文從沖洗夾具的定位夾緊點與裝夾結構進行分析，提出一套可適應于多種同種類型多孔腔零件的通

用型沖洗夾具，該夾緊結構不僅裝夾簡單，而且可實現快速裝夾。采用線性加權法的建模思想對夾緊點的優化選擇。利用工件穩定性數學模型，在沖洗工作與非工作狀態下，驗證了改進后沖洗夾具的穩定性驗證。

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(編輯趙蓉)

Study on Clamping Scheme of Washing Fixture for Porous Cavity Parts

CHEN Hua，DU Xiao-tian

(College of Mechanical & Electrical Engineering, Xi′an Technological University,Xi′an 710021,China)

Abstract：In this paper, according to locating and clamping princple of fixture,knowledging the li-mitations of rapid clamping and universal fixture by analysing locating and clamping structure of washing fixture.Comparing the mechanical clamping structure of the fixture, the clamping structu-re with rapid clamping can be given.Taking the reliability principle of parts as the goal to establish a mathematical model of the optimization of clamping points,which solved by using the linear we-ighted method, and the improved scheme of the clamping structure is established.Using the stabili-ty of the part to verify the stability of the parts after the fixture is improved.The results show that the clamping scheme can satisfy the stability of parts and improve the loading speed.

Key words：rapid clamping;fixture layout;linear weighted;workpiece stability

文章編號：1001-2265(2016)06-0124-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.033

收稿日期：2015-12-08；修回日期：2016-01-11

*基金項目：陜西省科技統籌創新工程計劃項目(2014KTCQ01-22)

作者簡介：陳樺(1962—)，男，上海人，西安工業大學教授，博士生導師，研究方向為智能制造、制造業信息化、數字化集成制造技術；杜笑天(1990—)，男，陜西華縣人，西安工業大學碩士研究生，研究方向為數字化集成制造技術，(E-mail)duxiaotian0304@163.com。

中圖分類號：TH12；TG65

文獻標識碼：A