面向切削加工的孔系柔性夾具自動夾緊規劃研究

王憶

摘 要：工件在加工中往往會受外力影響而破壞原定位，致使工件振動位移，出現加工變形的問題。在工件的加工中，除定位外，還需夾緊，實現夾緊元件、夾緊組件的自動裝配。這需要對柔性夾具進行自動夾緊規劃，確定夾具自動夾緊的方法，設計工件夾緊裝置。本文討論了面向切削加工的孔系柔性夾具自動夾緊規劃研究。

關鍵詞：切削加工 夾具自動夾緊思路 自動裝配

對于孔系柔性夾具而言，自動確定夾緊位置、夾緊組件自動裝配到夾具體中是工件加工中自動夾緊的兩項關鍵任務。面向切削的孔系柔性夾具自動夾緊設計需要遵循工件不移動、工件不振動、工件不變形的原則，通過夾緊避免工件位移而變形，因此需要將位移、振動控制在允許的精度范圍。

一、工件自動夾緊的整體思路

實踐表明，為了使工件不發生位移和振動，需要加大柔性夾具的夾緊力，而為了使工件不變形，又需要確保夾緊力不能過大，夾緊力的確定必須在一定的范圍，夾緊區域也需要精準定位。

根據上述原則，工件自動夾緊的整體設計思路和流程如下：開始→加工表面選擇（法向量法）→確定夾緊方式（線性加權法）→夾緊表面確定（網格劃分、線性加權法）→夾緊點信息獲取（自動裝配理論）→選擇夾緊組件與裝配→命名并保存裝配體→結束。

二、工件夾緊位置的自動確定

1.工件加緊表面的選擇

工件夾緊表面選擇受多因素的影響，應遵循以下原則：一是與主定位面垂直，二是夾緊表面在基準面的投影應與定位三角形區域盡量重合，三是夾緊表面不能是本次裝夾的加工表面。夾緊表面選擇的要素包括夾緊表面面積、距離加工表面距離、投影區與定位區重疊程度，三要素被賦予權重，然后根據以下函數公式確定最佳夾緊面：

其中Amax為候選最大表面面積，A（xi）為候選表面面積?；鶞拭嫱队芭c定位重疊程度用定位點數量衡量，落入基準面定位點越多，說明重疊程度越大。從第三個要素來看，為了盡量減小或避免加工工件的振動和位移，夾緊表面要盡量靠近加工表面，二者間距可通過函數f3（xi）計算獲取，即f3（xi）= ，其中dmax為二者最大距離。

結合工件加工實際情況，以及對工件加工的節本要求，合理確定三項要素的權重值，即分別賦予r1、r2、r3權重，然后計算maxf（xi）即為最佳夾緊表面。

2.工件加緊表面的網格化

從工件加工實踐可知，工件夾緊表面存在無窮個候選夾緊點，如果逐個計算不現實，因此需將夾緊表面網格化，通過簡化計算獲得最佳夾緊點。正確的是利用Solid Works的API函數將表面輪廓線離散化，然后確定基準線段并離散化，進行等間距分割，并結合工件大小確定等級劃分，然后確定間距大小。

工件夾緊表面網格化的過程更直觀的描述如下：以工件夾緊表面形狀，先構建基準線，確定基線方向，將表面劃分為兩個不同方向的區域;以其他端點為起點向基線做垂直線，進而將工件夾緊面劃分為多個區域，進行網格化處理;以兩個定位銷的距離為依據，分割基線，獲得基點;在各劃分區域內獲取基點，并依據向量方向取點，獲得點的個數;如果加工工件的夾緊面的輪廓有內環，在確定基點時需要將內環內的點排除。

3.工件夾緊點的確定

工件夾緊面確定后，需要尋找合適的夾緊力作用點，即夾緊點。工件夾緊點的確定需要考慮工件加工精度、定位可靠性等要素，因此需遵循以下原則。一是夾緊點與支撐點對應，夾緊力作用于支承上，以減小工件加工變形;二是在工件剛性較好的部位選擇夾緊點，避免或減小工件因夾緊力而產生的變形;三是盡量靠近加工表面，盡可能地減小切削力對該點的力矩，減少工件加工過程中的振動效應。

夾緊點的選擇采用目標函數法，取最優值為最佳夾緊點。先在工件加工表面選擇三個夾緊點，盡可能地使這三個夾緊點所構成的三角形平面面積最大，即其在基礎板上的投影面積盡量大，函數公式為：

公式中，Amax表示夾緊點構成三角形面積的最大值，Ac表示三個夾緊點構成三角形面積。之后分析工件重心的位置，在不考慮凹多邊形的情況下，分別分析工件重心在基礎板上的投影位置。

一種情況是，工件重心在基礎板上的投影位置，正好在夾緊點構成三角形在基礎板上的投影區域內，這時三個夾緊點與重心投影點構成三個三角形，這三個三角形的面積之和為夾緊點三角形面積。

另一種情況是，工件重心在基礎板上的投影點，正好位于夾緊點三角形在基礎板上投影區域之外，這時重心投影點與三個夾緊點構成的三角形面積之和大于夾緊點三角形投影面積，這種情況下，三個三角形面積之和越小越好，即重心投影點距離夾緊點三角形投影圖形越近越好。這時的函數計算公式為：

三、夾緊元件的自動裝配

在確定夾緊面與夾緊點后，需要對夾緊件進行裝配。從面向切削加工的孔系柔性夾具要求來看，孔系柔性夾緊件主要有四種，即大型水平夾緊件、快速水平夾緊件、大型垂直夾緊件、快速垂直夾緊件。在夾緊元件的自動裝配中，選擇自上而下的裝配設計，需要在夾緊點附近尋找定位孔，然后實現夾緊組件與工件的自動裝配。

1.夾緊元件定位孔的確定

在確定工件夾緊點的過程中，已經獲知三個夾緊點的位置，因此在確定夾緊元件定位孔時，采用特征遍歷技術來確定定位孔。在確定定位孔時需要利用一些規則，需要先確定夾緊組件的類型，分為兩類：一是快速夾緊件，一面兩孔;二是大型夾緊件，一面一孔。因此在進行夾緊元件定位孔的選擇時，需要在基礎板上找到三個夾緊點分別對應的唯一定位孔。

在實踐操作中，由于基礎板的類型有多種，因此在遍歷基礎板上的孔時，對這些孔進行編碼，每一個孔對應唯一的ID編碼。以象限劃分的方法，將基礎板劃分為四個部分，夾緊點則坐落于基礎板象限的X、Y軸上，或者在四個象限內。在明確的夾緊點坐標情況下，對候選的定位孔進行象限內坐標編碼，而且定位孔坐標必須滿足其與夾緊點坐標一致的條件。在定位孔遍歷時，為了盡可能地避免夾緊元件與工件的干涉，需要從基礎板外圍孔開始，從外圍向內一層層地遍歷孔。

夾緊元件定位孔的確定規則為：先對定位孔進行編碼，之后按照象限和45°對角線，將候選定位孔劃分為多個不同的區域，然后以基礎板中心為圓心點，自外向內逐層地遍歷，最終篩選出最優的孔，確定夾緊組件的唯一定位孔。

2.夾緊元件的自動組裝

在確定工件夾緊表面、工件夾緊點、夾緊元件定位孔之后，對夾緊組件的自動裝配還需要滿足以下條件：一是明確夾緊組件與裝配體之間的裝配關系;二是夾緊點與夾緊組件壓頭的端面圓心重合;三是夾緊組件的基準面與定位孔坐在基礎板的上表面重合;四是垂直壓緊管的軸線必須與已選定的夾緊組件定位孔軸線重合。

用已定位的裝配體配合夾緊組件確定位置關系，為根據需要實現夾緊范圍的自動調整，需要對夾緊組件進行柔性化處理，具體程序操作可用Solid Works的API函數實現，即“Assembly Doc：Comp Config Properties4”。零部件間位置的調整會根據該夾緊組件裝配體配合關系進行，柔性化結束后自動裝配開始。

四、小結

基于平面切削的孔系柔性夾具自動夾緊的設置中，應在原有職能定位的基礎上，經過三個步驟實現裝配體與夾緊組件的自動裝備配，然后分別確定夾緊表面、夾緊點和夾緊件定位孔，之后根據夾緊點的位置，利用Solid Works的虛擬裝配技術實現夾緊元件的自動組裝。

（作者單位：無錫技師學院）