機械智能制造工件的自由度與加工要求的關系研究

夏寶林

（四川職業技術學院機械工程系，四川 遂寧 629000）

1.前言

在進行機床夾具設計時，首先應解決工件的定位問題，正確分析工件的加工要求與自由度之間的關系，才能合理確定定位方案，避免出現不合理的定位（如欠定位），或導致夾具結構復雜，或降低加工效率，造成不必要的經濟損失。

2.工件的自由度

工件的自由度是指其在空間位置的不確定 度。可以用六個自由度描述，沿三個坐標軸的移動的自由用表示，繞三個坐標軸的轉動的自由度用表示，如圖1所示。

圖1 工件的自由度

如果工件的六個自由度都存在，其是一個空間自由體，無法完成加工和保證加工要求，因此在加工時必須限制其影響工件在加工過程中正確位置的自由度，自由度的限制是通過定位實現的。

3.工件的定位原理及其應用

利用合理分布的六個支承點限制工件的六個自由度，使工件在夾具中位置完全確定的法則，稱為六點定則。

在實際生產過程中會出現完全定位、不完全定位、欠定位、重復定位四種定位類型。完全定位在批量生產與自動線上應用十分普遍。不完全定位在單件小批量生產中應用較廣，在批量生產與自動線上不能采用完全定時采用。欠定位是絕對不允許出現和采用的。重復定位會產生不良的后果，必須消除其不良后果方可使用，一般在粗加工和半精加工時不用，在精度要求高時，往往會采用。

4.工件的加工表面及加工要求

4.1 加工表面

工件的加工表面常見的有平面、回轉體表面和溝槽幾種類型。其位置由工序基準（點、線、面）進行確定。

平面的位置通過面對點、面對線或面對面三種情況確定。對稱平面通過其對稱中心平面確定其位置。

回轉體表面應通過其回轉中心確定位置。回轉中心為線時，其位置由線對點、線對線或線對面三種情況確定；回轉中心為點時，其位置由點對點、點對線或點對面三種情況確定。

4.2 加工要求

加工要求是指通過機械加工達到零件圖上的技術要求。此處主要指尺寸精度和形位公差。正確分析工件的加工要求，才能準確判斷影響加工要求的自由度，避免采用不合理的定位類型。

圖2 工件的加工要求

運用夾具安裝工件進行加工時，其所能保證的加工要求是指本工序加工時需保證的尺寸精度（不包括定尺寸的表面，如槽的寬度和孔的直徑等）和形位公差（定向與定位）要求，公差分標注的和未標注的兩種。如圖2所示，夾具所能保證的是Z方向鍵槽的深度尺寸H以及X方向的對稱度t和鍵槽底平面與側平面的未注平行度公差。

5.自由度對典型加工表面位置的影響

夾具安裝工件時，是采用調整法加工，因此刀具在加工尺寸方向上的位置固定不變。加工表面是通過刀具在運行平面的相對運動完成的，其正確位置是通過定位時限制影響其位置的自由度保證。

5.1 平面

通過一個點確定加工表面位置時，如圖3 a）所示，需保證的加工要求只有尺寸H。加工表面與工序基準之間是面與點的關系，不會影響基準與刀具運行平面之間的位置關系，只有會影響，并影響H尺寸。因此影響加工表面正確位置的只有。

圖3 對單一平面的影響

通過一條線確定加工表面位置時，如圖3b）所示，需保證的加工要求為尺寸H和加工表面與母線的未注平行度公差。加工表面與工序基準之間是面與線的關系，不會影響基準與刀具運行平面之間的位置關系，和會影響，并影響尺寸H，還會影響平行度。因此影響加工表面正確位置的有和。

通過一個平面確定加工表面位置時，如圖1所示。加工表面與工序基準之間是面與面的關系，需保證的加工要求為尺寸H和加工表面與底平面的兩個方向未注平行度公差，不會影響基準與刀具運行平面之間的位置關系，會影響，并影響H尺寸、還會影響平行度，因此影響加工表面正確位置的有。

5.2 回轉體表面

通過一個點確定加工表面位置時，如球體上的圓柱面、圓錐面或成形回轉面，其均由球心確定其位置。一般只有三個移動自由度會影響其位置。

通過一條線確定加工表面位置時，如圓柱體上的圓柱面、圓錐面或成形回轉面，其均由回轉中心線確定其位置。除了繞其轉動的自由度，其余均會會影響其位置。

圖4 對回轉體表面的影響

通過一個點和一個平面確定加工表面位置時，如圖4所示。加工表面的軸線既要過球心，還與平面成一定的角度，會影響其相對球心的位置。圖4a）會影響軸線與平面的位置；圖4b）會影響軸線與平面的位置。

通過一條線和兩個面確定加工表面位置時，如圓柱體加工一平面后，再在其上加工回轉體表面，其軸線既要過圓柱體的軸線心，還與平面成一定的角度，將圖4的球體變為圓柱體，一般六個自由度都會影響加工表面的位置。

通過三個方向確定加工表面位置時，如非回轉體零件上的回轉體表面，則六個自由度均會影響加工表面的位置。

圓柱面，軸向無尺寸要求，則軸向的移動自由度不會影響其位置，如圖4b）所示。如果坐標軸不通過回轉表面的軸心（或球心），則繞該坐標軸的轉動自由度會影響其位置。

5.3 溝槽

通過一個點確定加工表面位置時，如球體上加工一個槽，參見圖2，兩個方向都是面與點的關系，因此只有和會影響加工表面的位置。

通過一條線確定加工表面位置時，如圓柱體上加工一個槽，如圖2所示，兩個方向都是面與線的關系，因此影響加工表面位置有。

圖5 對溝槽的影響

通過一個點與一個平面確定加工表面的位置，如圖5所示。圖5a）槽的兩側面與球心是面與線的關系，影響其位置的只有和；槽與平面是面與面的關系，底面與平面平行，影響其位置的有，側面與平面垂直，影響其位置的只有；因此，影響其位置的有影響圖5b）位置的則為

通過一線與一個平面確定加工表面的位置，將圖5的球體變為圓柱體，槽與軸心線是面與線的關系，槽與平面是面與面的關系，除了外，其余均會影響加工表面的位置。

通過平面確定加工表面位置時，如非回轉體零件上的不通槽，一般是通過三個平面確定其位置，則六個自由度均會影響加工表面位置。如果是不通槽，則槽長度方向的移動自由度也會影響加工表面的位置。

6.工件的自由度與加工要求的關系

由上述分析可知，工件的自由度分為影響加工要求和不影響加工要求兩類。影響加工要求的自由度會直接工件的距離尺寸和形位公差。移動自由度直接影響距離尺寸，有時也會影響對稱度與位置度；轉動自由度直接影響形位公差，有時也會影響位置尺寸。不影響加工要求的自由度又分為可以限制和不能限制兩種。能夠限制而沒有限制的自由度則只影響工件的加工效率，不能限制的自由度，如回轉體零件繞其回轉中心旋轉的自由度，其既不影響加工要求也不影響加工效率，定位時只能采用不完全定位或重復定位。

7.結束語

工件的加工要求與零件的結構、加工表面的形狀有關，應先正確分析工件的加工要求。自由度與坐標系的建立有關，應先建立坐標系，再分析自由度。影響加工要求的自由度，在定位時必須限制，否則將會出現欠定位，直接影響尺寸精度和形位公差。不影響加工要求的自由度，在定位時可以限制也可以不限制。能夠限制而沒有限制的只會影響加工效率，單件、小批量生產一般都不限制，在大批量加工時均會限制。