機床夾具設計方案的分析與研究

梁鋒

摘要：在加工過程中，機床夾具的工藝性決定了工件的加工質量，其中夾具是機床，刀具，工件的關鍵環節，在夾具設計過程中，確定尺寸，選擇合適的定位元件，夾緊裝置，計算定位誤差都需要人工完成，針對這一問題本文通過利用運動學以及幾何學，優化設計技術，對夾具設計過程中的定位誤差進行準確計算，從而實現夾緊力的優化，并最終實現減少定位誤差，實現夾緊力優化等工作。

關鍵詞：機床夾具；設計方案；分析；研究；

夾具在機械加工過程和裝配，焊接等環節用于固定加工對象，使其夠置于正確的位置，以保證產品的質量，是提高生產率的一種重要裝備，機床夾具是金屬切削機床采用的一種夾具。在機床加工工件時，需要使用夾具將加工件裝好，就是在機床上確定工件對于刀具的位置，這個過程被稱為定位，在機械加工時工件的加工精度是由機床夾取工件構成的加工系統所決定的，只有系統各個部分保持相對的正確關系才能保證工件各個加工面的幾何精度，機床夾具需要在保證高質量，低成本的同時，還應當減少人工輸出。

一，工件定位方案的確立

在加工過程中夾具主要是為了能夠實現工件對于成形運動有正確位置，并保證工件處于該位置時不會受到外力因素而發生變化，規劃工件的定位方案對保證加工質量，提高生產效率，減少生產成本起著重要的作用。然而在實際加工過程中，并不是所有的加工都需要完全定位，在確定定位方案時需要根據工件加工的特征來確定自由度，并且要配合相應的定位元件對工件的定位進行進一步確定。

在施工過程中，工件的自由度被約束的情況下，工件定位存在下列幾種情況。工件的六個自由度全部被限制，此時工件會存在唯一的位置，這種情況被稱為完全定位。如果根據加工要求只需要限制部分自由度，而其他自由度無需限制時，工件雖然不占有確定的唯一位置，但不影響加工要求，此時稱為不完全定位。欠定位，是指工件實際定位所限制的自由度數目，少于加工要求所必須限制的自由度數目。因此，欠定位的結果，將導致出現應該限制的自由度而未予限制的不合理現象，從而無法保證加工要求。所以，在確定工件在夾具中的定位方案時，不允許出現欠定位這樣的原則性錯誤。兩個或者兩個以上定位支承點重復限制同一個自由度，這種重復定位的現象叫做過定位。出現過定位時，將使工件位置不確定。同時，在夾緊情況下，重復限制同一自由度的定位支承間所產生的矛盾、干涉和沖突必將造成工件或定位元件的變形，其結果都將破壞工件定位的要求，從而影響工件的定位精度。因此，在設計時，一般情況下應避免出現過定位現象。

二，定位方案的合理性判定

定位方案主要通過常規經驗判斷和基于運動學的齊次矩陣判定法對定位方案進行分析判斷，首先從常規經驗判別來看，夾具設計過程中，夾具定位裝置的設計是最重要的一個環節，它影響著夾具的結構，而設計定位方案又是夾具整個設計的關鍵，需要確立正確的方案，在整個夾具設計過程中最重要的基礎是要保證定位和理性傳統的夾具，設計過程中主要是依靠人為經驗，而這種經驗，主要體現著是設計人員需要具有全面的知識，在接到設計任務之后，需要對帶夾具進行全面了解，可以到相關生產單元調研某些零件的加工工藝要求之后，分析零件圖紙，確定加工工序，并能夠結合加工需求的特征進行嚴格自由度計算，確定定位基面選擇定位元件等。其中，選擇定位基面需要參照一定的基準進行，而選擇定位元件是可以通過定位方案的資源庫進行選取，因此定位元件和基面的選擇需要設計者利用經驗來發揮。從齊次矩陣判定法方面來看，需要根據工件的加工特征對某些工件進行定位時，需要確定加工的位置參數，因此工件的定位不一定全部都需要限制的六個自由度，而只要應該限制的自由度得到限制，并且能夠有效避免過定位的現象發生，那么這種方案基本上可以判斷是正確的。

三，定位誤差分析

首先從定位誤差計算來看，在加工一批工件時對于刀尺寸是相對于夾具上的特定幾何要素進行調整的，在夾具設計上確定保持對刀尺寸的點線面，這被稱為是對刀基準，比如在加工工件如果以平面在夾具上定位，通常會選用位置誤差比較小的一面進行定位，我們將原件與工件接觸面成為限位平面，平面定位是利用制成的支承板作為安裝和支撐釘之后一次磨出，這種情況下是可以忽略平面度產生的誤差，該平面被稱為是對刀基準。而當工件以外圓在V型上定位為平面時，V型面加工對豎直方向上存在一定的尺寸工序，對刀基準的過兩限位平面的交點應該垂直于平面的交點。

四，夾緊方案的合理分析和優化設計

當工件完成定位之后，為了能夠讓工件處于正確的位置，需要對工件施加一定的夾緊力，如果夾緊力過大時，雖然工件能夠處于穩定狀態，但由于系統承受過大的夾緊力會導致發生工件變形的現象，從而產生夾緊誤差，因此必須合理解決夾緊可靠性和變形的問題。接觸變形理論指出，兩彈性的表面相互接觸時彈性的半平面邊界上的點會發生一定程度的位移，考慮到一個半球形為凸體是與剛性平面接觸的情況，并且變形量與法向接觸荷載的大小相關的，工件被夾緊之后，夾具和工件的這種部分會發生局部變形和技術變形，進而引發工件位于發生一定程度的偏移，接觸力是工件發生偏移的重要影響因素，可以利用總余能原理來獲得空間和夾具系統的接觸力。

夾緊力的優化設計在夾緊過程中，空間會發生變形和位置偏移，進而導致產生夾具誤差，而夾緊方案的合理性就是能夠讓夾緊誤差控制在要求的精度范圍內，夾緊力的大小對于方案的合理性起著決定性的作用，因此需要對夾緊力進行設計優化，設計夾緊方案就是要確定夾緊力的大小和相關的作用點，我們以強剛度工件作為研究對象來探討，該模型首先從靜力平衡約束的角度來看，夾緊力就是能夠在抵抗加工力，施加的重力等外力作用下，能夠讓工件處于平衡狀態，因此，工件的靜力平衡方程如下所示。

同時在裝夾過程中，為了能夠讓定位元件和夾緊元件始終保持接觸狀態，由摩擦錐約束可以知道，接觸力法向分量必須指向工件，

不是在每個接觸點法向接觸力和切向接觸力向量都能必須同時滿足

，夾緊力約束，由夾緊力保持不變獲得的 。最后我們優化模型求解，對于一些已知的定位元件和夾緊位置的定位方案，定位元件的接觸力能夠利用于余能原理進行求解，在實際設計過程中，當發生元件位置偏移時，接觸力也會發生一定程度的改變。本次研究我們提出了基于力平衡對建立工件穩定性的模型，并根據所需要的條件將模型分為閉合和力可行性模型，運用線性規劃對模型進求解，針對夾緊方案的合理性展開探究，優化夾緊力設計，并利用舉例來驗證我們的觀點。

小結

本文通過夾具設計系統中的定位方案規劃，計算定位誤差以及優化夾緊力，并且提出了對刀基準概念，建立了基于對刀基準點誤差的計算模型。本次研究我們通過分析了國內外研究現狀，建立了基于對刀基準定位誤差的定位計算模型，最后利用CTATIA軟件從而建立典型的定位方案資源庫，總結本文所做的一些工作：首先，在對于工件定位和準確性上我們建立工件自由度模型和基于運動學的定位模型，并通過實例證明該定位方案模型能夠實現定位方案的準確判斷，而針對定位誤差計算過程中，我們提出對刀基準概念，并以案例來驗證利用這種計算模型能夠大大提高計算誤差的速度和準確率。為了能夠實現對緊力的優化工作，我們建立了工作穩定性，通過運用優化技術實現對夾緊力的優化。同時由于機床夾緊設計是一個比較復雜的系統，本次研究中針對方案的規劃，最優化的定位方案選擇問題沒有展開探討，且設計夾緊力優化模型時沒有將夾緊元件的制造誤差考慮進內，導致獲得的結果可能不準確。

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