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柔性夹具设计方法与技术

发布日期:2020-07-28 08:46 作者:电竞竞猜 点击:

  柔性夹具设计方法与技术_机械/仪表_工程科技_专业资料。柔性夹具设计方法与技术 · 41 · 技术交流 柔性夹具设计方法与技术 南京航空航天大学 陈蔚芳 范炳炎 谭 彪 缪 薇 [ 摘要] 针对 FMS 中夹 具设计

  柔性夹具设计方法与技术 · 41 · 技术交流 柔性夹具设计方法与技术 南京航空航天大学 陈蔚芳 范炳炎 谭 彪 缪 薇 [ 摘要] 针对 FMS 中夹 具设计 、 制造 、 组 装准备系统自动 化程 度低的 现状 , 重点分 析了 柔性夹 具设 计 依据 、 特点 、 设计方法 , 可为其它 F MS 柔性夹具的设计提供参考依据 。 关键词 :夹具设计 FM S CAD/ CAM 有限元法 [ Abstract] T his paper analyses the basis , characteristic and method of flexible grip .It is for the present situation of grip design , make and assembling preparing automation extent .And it can be a reference fo r the desig n of other flex ible g rip . Keywords :grip desig n F M S CAD/ CAM finite element method 随着机械工业的迅猛发展 、 市场竞争的日益激 烈 , 产品更新换代日趋频繁 , 多品种小批量生产的 企业将占主导地位 , 这都相应要求采用计算机技术 加速机床夹具的准备 , 不仅可以大大缩短夹具设计 周期 , 提高夹具设计质量和效率 , 而且能节省许多 人力 , 使夹具设计人员从繁重的资料检索 、 分析计 算 、 绘图 、 编制技术 文件等工作中解放出来 , 从事 更有意义更有创造性的活动 , 把夹具设计工作提高 到新的水平 。 1 FMS 技术发展要求夹具具有较大柔性 现代机械加工的主要设备是数控机床和数控加 工中心 , 机械制造自动化技术发展表明 , 以数控设 备为基础的数控加工 、 柔性制造系统 ( FM S) 和计 算机集成 制 造 ( CIM) 将 日 益成 为 常 用 的 生产 方 式 。 在 F M S 生产方式下 , 用于 夹持 工件 的机 床夹 具仍然 是不 可缺 少的 , 但迄 今为 止 , FM S 中夹 具 设计 、 制造 、 组装 准备 系统自 动化 程度是 最低 的 , 已成为现代生产系统迫切需要解决的问题 。 为了提 高 F M S 的经 济 效益 , 要求 夹 具具 有 足 够的 柔 性 , 能快速拼装出特定的 FM S 中 全部 加工对 象用 的夹 具 。另 一 方 面 , 从 制 造 系 统 集 成 的 观 点 看 , CAD/ CAPP/ CA M 是计 算 机 集成 制 造 系 统 和柔 性 制造系统进一步完善和实用化的重要技术基础和关 键所在 , 从 80 年代 中期 开始 , 计 算机辅 助夹 具设 计 、 夹具自 动化设计 ( 引入人工智能等技术) 在国 际上普遍受 到重 视 , 和 CAP P 共同 组成 了 CAD 和 CAM 之间的接 口 , 如图 1 所示 。 图 1 FM S 中夹具 CA D/ CA M 系统 2 柔性夹具及其特点 FM S 中加工设备主要是 数控机 床与加 工中心 , 被加工零件结构要素的位置尺寸 是这类机床自动获 取和保证的 , 因此在加工前只要求通过夹具保证 工 件在机床 坐标 系中 位置 的已 知 性 。 此外 , 在 FM S 生产方式下 , 工件尽可能在一次装夹中完成多道 工 序的加工 , 这与专用夹具不同 , 即专用夹具与工 件 的某一道工序相对接变换成夹具 必须与工件的多道 工序或整个加工 过程 相对接 。 这使得 FM S 中夹 具 结构简单 , 数量减少 , 零件加工精度提高 。 FM S 中夹 具结 构特 点是 拼装 结 构 , 它有 一 个 共同的基础板 , 其上 可定 位夹紧 一个 或多个 工件 。 但它又不同于组合夹具 , 它们的区别在于 :组合夹 · 42 · 《航空精密制造技术》 1998 年第 34 卷第 5 期 具理论上可以组装成任一工件的任一道工序用的夹 具 ;柔性夹具则具有某种 “ 专用” 范围 , 它是根据 某一具体 FM S 加工 对象 而设计 制造 的 , 如果 增加 新的加工对象 , 只要其结构外形 、 尺寸 、 定位基准 形式等不超出系统原设计技术指标范围 , 夹具系统 仍可使 用 , 只 需 重新 拼装 即 可 。 这 就是 这 种夹 具 “ 柔性 的含义 。 我们把上述 F M S 中用 的 夹具 称 做 柔性 夹 具 。 因为它是根据特定的 FM S 或 FM C 的加工对象进行 设计并在成组 技术 ( G T) 相 似性 原理基 础上 建立 的夹具系统 , 可 以 做到 夹 具元 件 的 种类 和 数量 最 少 , 但能拼 装出特定的 FM S 中全 部加工 对象 用的 夹具 。 它对一组工件而言是专用 , 但对组内而言是 通用的 。 这与一般 “ 成组夹具” 设计思想类似 , 但 又有差别 。 这种柔性夹具的优点是 :结构简单 、 拼装环节 少 、 刚性好 、 易于满足 F MS 中 工件 频繁 变换 与自 动化加工的需要 ;夹具元件的种类和数量少 , 使建 立 FM S 时工装设计 制造 费用少 ; 存放夹 具及 夹具 元件的面积减少 , 元件检索易行 ;易于实现夹具计 算机辅助设计与拼装 。 综上所述 , 柔性夹具有以下主要特点 : ①是针对特定 FM S 设计制造的夹具系统 。 ②夹具 结构满 足 F MS 数控 加工的 需要 , 结 构简单 , 装卸迅速 , 一次装夹完成多面加工 。 ③具有足够的刚度和强度 , 可更好地适应数 控大切削用量加工 。 ④夹具设计具有通用性 , 夹具系统有足够的 柔性 , 可以 最少的夹具元件系列组装成尽可能多的 夹具 , 以满足 FM S 零件加工需要 。 ⑤夹具元件的拼装环节少 , 从而能提高夹具 总体刚性 , 降低积累误差 。 3 柔性夹具设计方法 3. 1 设计依据 柔性夹具是针对某一具体 FM S 而设计制造 的 , 故不同 的 FM S , 由于 机床 型式 、 零件 种类 等条 件 的不一致 , 必然会存在柔性夹具系统的不一致 。 柔性夹具系统设计时 , 必须做好以下几方面的 工作 : 3. 1. 1 分析 FM S 对柔性夹具 提出的要求 这主要 可从 3 个方面 着手 , 一 是分 析 F M S 待 加工零件 , 要了解待加工零件种类 , 零件的结构特 征 , 零件类 型 , 加工 形式 , 加 工精度和表面粗糙度 要求 , 零 件 材 料等 。 二是 分 析 FM S 使用 的 机 床 。 要了解机床加工工件的大小 , 机床是立式还是卧式 的 , 坐标轴数和联动轴数 。 托盘大小及其结构特点 等 。 三要分析 FM S 对 夹具 材料 、 结构 有无 特殊 要 求 , 如 :夹具重量 、 高度的规定 , 夹具结构及拼 装 要求的规定 , 基础板 材料 的 规定 等 。 如果 FM S 有 测量机的话 , 还应知道测量机的龙门跨度 大小 。 3. 1. 2 分析同类 零件常 规加工 和单 机数控 加工 的 特点 无论专用夹具 、 组合夹具 、 柔性夹具 、 都有 基 本的定位夹紧系统 。 在分析同类零件的其它加工 方 法时 , 要着重了解夹具的定位夹紧机构 , 基础板 的 结构型式 , 进而逐 步明确 FM S 中柔 性夹具 系统 的 结构模式 。 3. 1. 3 采用成组技术思想设计柔性夹具系统 在品种 众多 的零 件 之间 , 存在 着 大 量的 相 似 性 , 只有充分利用这种相似性 , 才能科学地形成 若 干个零件族 , 减少夹具系统设计成本和费 用 。 3. 2 设计方法 3. 2. 1 F M S 产品零件确定 建立柔性 夹具系 统 , 首先 必须 确定 FM S 中 加 工的零件类型 。 如 某厂建 立的 FM S 中确定 的零 件 为 33 种小型的壳体类 零件 ;又 如某 研究所 建立 的 柔性制造系统中确 定的零 件类型 主要 为 12 种航 空 航天结构件 。 零件的确定要依据企业或研究所加 工 的对象特征 、 FM S 建立的规 模及特 点等众 多因素 。 在 F M S 中所加工的零件类型是确定的 。 3. 2. 2 零件结构及工艺分析 零件结构与工艺分析的主要 内容有 : ①了解工件情况 、 工序要求和加工 状态 对 F M S 中所有零件作一认真细致的分析研究 , 包括被加工零件的结构 、 刚性 、 材料 ;零件的加 工 内容 、 加工余量 ;零件定位基准的选择 、 定位基 准 的精度 、 定位基准与加工面的关系 ;夹紧点的选 择 等分析 。 ②了解数控机床 、 刀具的情况 夹具是在机床上安装的 , 夹具结构设计时要 知 道机床的规格 、 联动轴数 、 运动情况 , 同时也要 了 解所用刀具的主要结构尺寸 、 制造精度和技术条 件 等 。 这些对于夹具方案的评价和夹具精度的估算 都 是必不可少的 。 ③利用相似性原理实现分 组 前面已提到 , 成组技术思想是设计夹具硬件 系 统的主要依据之一 , 为此在详细分析夹具结构及 工 艺流程 、 明确夹具 使用 要求 后 , 应利 用零件 结构 、 工艺 、 材料相似性 原理将 FM S 加工 零件划 分成 多 个 “ 零件族” , 这 有利于 夹具结 构模 式的确 定和 精 简。 3. 2. 3 夹具结构模式的确定 柔性夹具设计方法与技术 · 43 · 夹具结 构模 式 随零 件 外形 尺寸 、 数控 机床 型 式 、 工序内容而变化 , 模式确定时要满足下列基本 要求 : ①使零件组内任一种零件迅速而稳定地在夹 具上安装 。 ②具 有良好的 继承 性 ( 特别 是基 础件), 以 适应 FM S 加工零件品种增加的要求 。 ③尽可能采用高效率的夹紧装置 。 ④具有良好的调整性能 , 力求操作简便 , 性 能可靠 。 ⑤注意积累误差的减少以保证足够的刚度 。 ⑥使结构紧凑 、 操作安全 、 可靠 。 柔性夹具系统设计中的关键是确定零件定位及 夹紧最佳方案 , 在拟定和最后确定方案时 , 应注意 下面两个方面 : ①尽可能 使 组内 各零 件 处于 最佳 的 加工 位 置 , 减少机床或刀具行程 , 减少机床和刀具的调整 工作量 。 ②同组零件若结构形状的相似程度较差及有 关尺寸分散程度 较 大时 , 应按 尺 寸 参数 划 分调 整 组。 3. 2. 4 柔性夹具元件系列的确定 夹具结构模式确定后 , 仅表明夹具结构的大致 形态和在数控加工机床上的安装状态 。 究竟这些夹 具由哪些元件组成的 , 哪些是通用标准件 , 哪些是 专用件 , 则 要根据柔性 夹具的 特点 作进一 步分 析 。 只有这样 , 才能建立完善的夹具元件系列 , 保证以 最少的夹具元件系列组 装 F M S 全 部零件 加工 所需 的夹具 , 而 且夹 具元 件的 数量 和种 类要 满足 FM S 提出的同时组装若干套夹具的需要 。 这样既节省夹 具元件的设计制造费用 , 又节省夹具元件的存储空 间 , 便于在加工现场组装 。 3. 3 强度与精度的保证 在一般夹具设计过程中 。 工装设计员常采用类 比法进行结构设计 , 通常能满足要求 , 不需进行复 杂的 计 算 与 分 析 。 对 于 柔 性 夹 具 的 设 计 , 由 于 F M S 加工零件结构 精度 不一 样 、 FM S 对 夹具 设计 提出的要求不一 样 , 再 加 上柔 性 夹 具自 身 的特 点 等 , 夹具基础件有可能做成专用件 , 如孔槽相间的 基础板 , 既可以是平板式的 、 又可以是整体立碑式 的 。 还可以 是组合碑座式的 。 此时 , 如果不加分析 就把基础板制造出 来 , 不仅 达不到 FM S 对夹 具提 出的要求 , 而且会造成极大的浪费和损失 。 例如 , 某 FM S 实验 中心 飞机 导弹结 构件 柔性 夹具系统设计时 , 利用有限元法就作了如下的一些 分析 : ① 基 础板 T 型 槽几 何 尺寸 设 计 与强 度 校 核; ②基础板与托盘的联接螺 栓强度校核 ; ③立碑式夹具基体构形设 计与分析 。 考虑的基体形式有 角铁式 、 T 型式 及箱体 式 3 种 , 由于箱体式结构抗弯能力强 , 又可多面装夹 工 件 , 可优选 采用 这种结 构 , 但 由于 该柔 性夹 具受 重 量限制 , 所以在箱体结构具体设计时既考虑重量 又 要保证足够的刚度以适应柔性加工 。 此时可通过 有 限元分析对正 在 设计 的 夹具 进 行 仿真 , 通过 应 力 与位 移 分析 , 从 多 种方 案 中选 择 一 种最 优 设 计 方 案。 下面以图 2 所示夹具为例 , 简要说明有限元 法 在立碑式夹具基体设计中的应用 。 图 2 立碑式夹具基体 分两种 情况 分析 在 外载 荷作 用 下基 础板 的 变 形 , 一种是立碑座两侧无支撑筋 , 另一种立碑座 两 侧有支撑 筋 ( 基 础 板 的 实 际 尺 寸 为 1280mm × 720mm ×100mm , 由 于立 碑 座只 有 960mm 长 , 因 此两侧各有 160mm 的悬臂 , 见图 3)。 图 3 夹具基础板 ·立碑座两侧无支撑筋 由于图形对 称 , 仅在 一 侧加 载 , 并 且忽 略 T 型 槽部分的厚度 32mm 的影响 , 把 原来 基础板 厚度 由 100mm 增加到 120mm . 建立模型后 , 共有 198 个结 · 44 · 《航空精密制造技术》 1998 年第 34 卷第 5 期 表 1 立碑座两侧无支撑筋最大位移 mm 结点号 154 55 x =0. 002236 x =-0. 002236 最 大 位 移 y =6 . 267 *10 -11 y =-6. 267 *10 -11 z =-0. 01232 z =-0. 01232 表 2 立碑座两侧有支撑筋最大位移 mm 结点号 154 55 x =0. 001361 x =-0. 001347 最 大 位 移 y =-2. 557*10 -11 y =1. 692*10 -11 z =-0 . 005659 z =-0 . 005656 图 4 悬臂部分变形最大 点 , 80 个 8 节点三维实体单元 。 6 个螺栓 固定点为 约束点 , 外 载作用于 154 、 55 号结点 , 计 算所得外 载大小 F v =6286. 81N , 经 SA P91 程 序计 算后 , 最 大位移见表 1 。 ·立碑座两侧有支撑筋 在立碑座两 侧 加上 支 撑 筋后 的 最大 位 移见 表 2。 变形图如图 4 ( 比例 已 放大 ) , 由图 可 看出 悬 臂部分的变形最大 。 因此应在立碑座的相 应位置增 加支撑筋 , 抵挡悬臂部分的变形 , 改进后 的夹具结 构更加合理 。 参考文献 1 李德庆 , 吴锡英·计算 机辅助制 造·北京 :机 械工业 出 版社 , 1992 2 范炳炎·FM S 夹具设计中有 限元法应用的研 究·航空 工 艺技术 , 1994 , ( 5) ( 收稿日期 1998 -05) 欢迎订阅 切削与测量工程杂志 《工具技术》 《 工具技术》 杂志是成都工具研究所主 办的切削 与测量 工程综 合性技 术刊物 。 主 要报道 当前国 内外机械加工中切削与测量技术的 最新进展 , 切 削理论 研究 。 新型 刀具研 制及其 应用 , 数控 工具系 统 、 新型刀具材料 、 涂层技术 、 刀 具 CAD/ CAM 、 刀 具磨损 、 破损在 线监 控技 术 , 新材 料及难 加工 材料的切削与刀具技术 , 汽车 、 摩托车等行 业专用刀 具的开 发 ;新的测 量方法 研究与 新型量 具量仪 开发 , 精密测量技术与质量控制技术 , 加工 过程中 的自动 测量与 精度控 制 , 加工误 差补偿 技术 , 传 感与图像技术 , 智能测量系统 , 电子数显量 具开发 与应用 , 精密量 具量仪 调修与维 护 , 机械 加工方 面的技术革新经验和工厂实用技术 , 技术市 场及技术讲座等 。 本刊适用于机械加工行业的工程技术 人员 、 技术 工人 、 有 关院所及 院校的 科技人 员和师 生等阅 读。 本刊 1999 年定价每期 5. 00 元 , 全年 12 期 60. 00 元 , 国内统一刊号 CN51 -1271/ TH , 邮发代号 62 -32 。

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