基于多工序加工系統中數控夾具設計應用問題與改進策略

歐陽坤源

（廣東省高級技工學校，廣東 廣州 510800）

基于多工序加工系統中數控夾具設計應用問題與改進策略

歐陽坤源

（廣東省高級技工學校，廣東 廣州 510800）

基于多工序加工系統中數控夾具設計所存在的應用問題，通過基準加工特征關系圖和工件特征公差關系圖的方法，應用圖論原理建立起多工序加工系統的“基準—加工—機床”的關系模型，提出特征面關聯法。本文針對多工序的加工系統中數控夾具設計應用問題與改進策略進行探究。

夾具設計；多工序加工系統；改進策略；應用問題

針對多工序加工系統，在計算機輔助夾具設計（CAFD）和計算機輔助工藝設計（CAPP）方面的研究，其成果是非常多。CAFD 所主要集中的就是夾具構形設計、定位方案設計和夾具結構設計等方面。而 CAPP 所涉及到的就是工藝優化方法、自動化規劃技術和評價方法等方面。在多工序加工過程，提出運用單位方向法、特征面關聯法和矢量判別法，充分利用企業實際數控機床等資源的制造能力，為現代數控夾具的運用和設計提供合理的裝夾方案，提升上產率，縮短工件加工周期，確保工件可以在裝夾中，實現多工位和多工序加工。

1 基于多工序的加工系統中數控夾具設計應用問題

1.1 設計應用問題之裝夾工件件數

在夾具設計的過程之中，應盡量的裝夾多件工件，這是由于裝夾多件工件可以減少換刀的次數和時間，可有效地降低停機頻率，提升數控加工的效率。

1.2 設計應用問題之在機床中夾具的準確定位

在數控機床的加工過程中，對夾具進行準確的定位是非常重要的。所以，當進行數控編程的時候，應該把工件夾緊以及定位在夾具上，應當以工件坐標系的原點作為基礎，之后在機床上準確地安裝夾具，這個時候工件坐標系的原點，在機床的坐標系中就會有一個確定的位置，機床坐標系的原點和這個位置，存在著 X、Y、Z 三個方向的偏置值，這就是所謂的“對刀”，這個值可以經過 G54-G59進行設定。在“對刀”完成之后，就可以確保數控加工程序的正確運行，以及確定了機床坐標系和工件坐標系之間的有效聯系。

1.3 設計應用之更換的問題

為了降低生產的成本，提升更高的經濟效益，以及提升夾具利用效率，就需要在設計加工結構相同或者是相似、尺寸不同的系列產品的零件夾具時，考慮到其所具有的通用性問題，要把其設計成只更換幾個或者是一個零件的通用型的夾具。為了確保夾具的定位精度，夾具體孔之間和定位件外圓的配合是不可以有間隙的。兩者之間所具有的過盈量是不可以太大的，怕會對零件的更換造成一定的障礙和困難，所以在設計時要進行較緊的過渡配合。不僅如此，在定位件中心設計一個螺孔，將大小合適的螺桿擰進其中，這是為了促進定位件可以方便拆卸，這樣的定位件在進行拆卸的時候，就是比較容易被頂出的。

1.4 設計應用問題之夾具設計的剛性需求

數控加工方案在進行確定的時候，一般情況下都會采取工序集中的原則，應當在進行夾具設計的時候，盡量的考慮高剛性。有的時候粗加工和精加工所使用的就是同一套的夾具，當沒有辦法滿足于數控加工的需要的時候，就是假設在夾具設計的時候，不可以將高剛性進行保證的時候。

1.5 夾具設計所具有的其他問題

在進行夾具設計的過程中，應該盡量的保證較少的元件數和較高的剛度，應該確保夾具的每一個定位面相對于機床的坐標原點具有的精確的坐標尺寸，相關人員需要避免夾具和機床之間的空間干涉所。

2 基于多工序的加工系統中數控夾具設計特征關系模型

2.1 圖論理論

圖1 G圖示例

圖2 兩圖合并示例

2.2 圖論應用

（1）圖論應用之 DMG 關系圖。所謂的 DMG關系圖，就是基準加工特征關系圖，是描述工件裝夾規劃重要的關系圖。工件裝夾規劃時，為了保證工件被加工面在機床上相對于刀具具有正確唯一的位勢，就是要在確定夾緊的表面位置之前，先進行定位基準的選擇。所以，DMG圖就具有三個重要元素就 是 DMG 關系圖的數學表達方式。并且在公式GDMG1=中，基準表面特征 D={D1，D2,...，DK}，其中的 D1，D2,...，DK 分別表示第 1、第 2 以及第 k 基準主面。其中定位能力最大的就是第1基準主面，按照這樣推導下去，一般工件在空間最多限制六個自由度，K 在通常的情況下選擇 3，就是我們所常見的“3-2+1”定位的方式。

圖3

（2）圖論應用之 FTG 關系圖。在夾具或者是機床坐標中，如圖3a所示的一樣，選取工件 ABCD四個特征面為例，工件的4種特征公差關系圖，需要以圖論原理建立，如圖3b，3c，3d，3e 所示。由工件按照設計要求的工程圖所確定的，就是具體的那個 FTC，而上述所建立的工件的 FTG 圖，只可以是 4 種 FTG 關系圖中的其中一種，在 FTC 的關系圖中，邊是面面之間和特征面自身的精度關系，記 作 T={T1，T2,...，Tn}； 頂 點 是 工 件 特 征 面， 記作 F={F1，F2,...，Fm}。FTG 關 系 圖 的 數 學 模 型 就是 GFTC={T,T}。

2.3 工序加工系統的“工件 -基準 -加工 -機床”的關系模型

工件加工需要多次裝夾或者是一次裝夾，是由兩個因素所決定的，其中之一就是滿足數控機床的制造能力，另外就是定位精度要求的夾具能力，夾具能力主要的表現在多工位旋轉裝夾和多件裝夾方面，而數控機床制造能力主要的表現在坐標軸的控制上，這就是針對多工序加工系統而言的。需要在 DMG 和 FTG 的基礎上，對企業現有的數控設備的基礎上的充分考慮，提供合理的裝夾方案，給多工序加工系統夾具設計及應用，建立起“工件 -基 準 -加 工 -機 床” 的 DMMT關 系 模 型，GMT={MT，P},GDMMT={GDMC，GMT}。 機 床制 造 能 力 MT={MT1，MT2,...，MTm}，P={P1，P2,...，Pm},MTi ? {X，Y，Z，A，B，C,...} 是 機床制造的加工工序特征。數控機床具有夾具只具單件裝夾能力和三軸 {X,Y,Z}能力，而在加工的系統中，輔助時間占有著較大的比重，也就是對刀和安裝等所占據的時間是比較多的，在很大的程度上把加工的效率降低。

3 結語

在多工序數控加工系統中的工件，數控夾具設計是制約工件多工序加工系統的效率和質量的重要因素。文中從工件的公差特征關系圖、基準加工特征關系圖到“工件 -基準 -加工 -機床”的關系模型，將圖論原理結合了起來，是在提出運用特征關系方法的基礎之上的，結合的是數控機床加工的能力，提出數控夾具的多工位旋轉夾具和多件裝夾的設計方法，對工件在多工序加工系統中進行裝夾規劃。本文從基于多工序的加工系統中，數控夾具設計應用問題出發，研制出多件裝夾夾具的裝置，設計出工件裝夾規劃方案，能夠被廣泛的應用于企業之中，所以在很大的程度上，為多工序加工系統數控夾具的應用、設計、方案規劃，提供了理論的方法。

TG75

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1671-0711（2017）03（下）-0058-02