面向切削加工的孔系柔性夹具自动夹紧规划研究

王忆

摘 要：工件在加工中往往会受外力影响而破坏原定位，致使工件振动位移，出现加工变形的问题。在工件的加工中，除定位外，还需夹紧，实现夹紧元件、夹紧组件的自动装配。这需要对柔性夹具进行自动夹紧规划，确定夹具自动夹紧的方法，设计工件夹紧装置。本文讨论了面向切削加工的孔系柔性夹具自动夹紧规划研究。

关键词：切削加工 夹具自动夹紧思路 自动装配

对于孔系柔性夹具而言，自动确定夹紧位置、夹紧组件自动装配到夹具体中是工件加工中自动夹紧的两项关键任务。面向切削的孔系柔性夹具自动夹紧设计需要遵循工件不移动、工件不振动、工件不变形的原则，通过夹紧避免工件位移而变形，因此需要将位移、振动控制在允许的精度范围。

一、工件自动夹紧的整体思路

实践表明，为了使工件不发生位移和振动，需要加大柔性夹具的夹紧力，而为了使工件不变形，又需要确保夹紧力不能过大，夹紧力的确定必须在一定的范围，夹紧区域也需要精准定位。

根据上述原则，工件自动夹紧的整体设计思路和流程如下：开始→加工表面选择（法向量法）→确定夹紧方式（线性加权法）→夹紧表面确定（网格划分、线性加权法）→夹紧点信息获取（自动装配理论）→选择夹紧组件与装配→命名并保存装配体→结束。

二、工件夹紧位置的自动确定

1.工件加紧表面的选择

工件夹紧表面选择受多因素的影响，应遵循以下原则：一是与主定位面垂直，二是夹紧表面在基准面的投影应与定位三角形区域尽量重合，三是夹紧表面不能是本次装夹的加工表面。夹紧表面选择的要素包括夹紧表面面积、距离加工表面距离、投影区与定位区重叠程度，三要素被赋予权重，然后根据以下函数公式确定最佳夹紧面：

其中Amax为候选最大表面面积，A（xi）为候选表面面积。基准面投影与定位重叠程度用定位点数量衡量，落入基准面定位点越多，说明重叠程度越大。从第三个要素来看，为了尽量减小或避免加工工件的振动和位移，夹紧表面要尽量靠近加工表面，二者间距可通过函数f3（xi）计算获取，即f3（xi）= ，其中dmax为二者最大距离。

结合工件加工实际情况，以及对工件加工的节本要求，合理确定三项要素的权重值，即分别赋予r1、r2、r3权重，然后计算maxf（xi）即为最佳夹紧表面。

2.工件加緊表面的网格化

从工件加工实践可知，工件夹紧表面存在无穷个候选夹紧点，如果逐个计算不现实，因此需将夹紧表面网格化，通过简化计算获得最佳夹紧点。正确的是利用Solid Works的API函数将表面轮廓线离散化，然后确定基准线段并离散化，进行等间距分割，并结合工件大小确定等级划分，然后确定间距大小。

工件夹紧表面网格化的过程更直观的描述如下：以工件夹紧表面形状，先构建基准线，确定基线方向，将表面划分为两个不同方向的区域;以其他端点为起点向基线做垂直线，进而将工件夹紧面划分为多个区域，进行网格化处理;以两个定位销的距离为依据，分割基线，获得基点;在各划分区域内获取基点，并依据向量方向取点，获得点的个数;如果加工工件的夹紧面的轮廓有内环，在确定基点时需要将内环内的点排除。

3.工件夹紧点的确定

工件夹紧面确定后，需要寻找合适的夹紧力作用点，即夹紧点。工件夹紧点的确定需要考虑工件加工精度、定位可靠性等要素，因此需遵循以下原则。一是夹紧点与支撑点对应，夹紧力作用于支承上，以减小工件加工变形;二是在工件刚性较好的部位选择夹紧点，避免或减小工件因夹紧力而产生的变形;三是尽量靠近加工表面，尽可能地减小切削力对该点的力矩，减少工件加工过程中的振动效应。

夹紧点的选择采用目标函数法，取最优值为最佳夹紧点。先在工件加工表面选择三个夹紧点，尽可能地使这三个夹紧点所构成的三角形平面面积最大，即其在基础板上的投影面积尽量大，函数公式为：

公式中，Amax表示夹紧点构成三角形面积的最大值，Ac表示三个夹紧点构成三角形面积。之后分析工件重心的位置，在不考虑凹多边形的情况下，分别分析工件重心在基础板上的投影位置。

一种情况是，工件重心在基础板上的投影位置，正好在夹紧点构成三角形在基础板上的投影区域内，这时三个夹紧点与重心投影点构成三个三角形，这三个三角形的面积之和为夹紧点三角形面积。

另一种情况是，工件重心在基础板上的投影点，正好位于夹紧点三角形在基础板上投影区域之外，这时重心投影点与三个夹紧点构成的三角形面积之和大于夹紧点三角形投影面积，这种情况下，三个三角形面积之和越小越好，即重心投影点距离夹紧点三角形投影图形越近越好。这时的函数计算公式为：

三、夹紧元件的自动装配

在确定夹紧面与夹紧点后，需要对夹紧件进行装配。从面向切削加工的孔系柔性夹具要求来看，孔系柔性夹紧件主要有四种，即大型水平夹紧件、快速水平夹紧件、大型垂直夹紧件、快速垂直夹紧件。在夹紧元件的自动装配中，选择自上而下的装配设计，需要在夹紧点附近寻找定位孔，然后实现夹紧组件与工件的自动装配。

1.夹紧元件定位孔的确定

在确定工件夹紧点的过程中，已经获知三个夹紧点的位置，因此在确定夹紧元件定位孔时，采用特征遍历技术来确定定位孔。在确定定位孔时需要利用一些规则，需要先确定夹紧组件的类型，分为两类：一是快速夹紧件，一面两孔;二是大型夹紧件，一面一孔。因此在进行夹紧元件定位孔的选择时，需要在基础板上找到三个夹紧点分别对应的唯一定位孔。

在实践操作中，由于基础板的类型有多种，因此在遍历基础板上的孔时，对这些孔进行编码，每一个孔对应唯一的ID编码。以象限划分的方法，将基础板划分为四个部分，夹紧点则坐落于基础板象限的X、Y轴上，或者在四个象限内。在明确的夹紧点坐标情况下，对候选的定位孔进行象限内坐标编码，而且定位孔坐标必须满足其与夹紧点坐标一致的条件。在定位孔遍历时，为了尽可能地避免夹紧元件与工件的干涉，需要从基础板外围孔开始，从外围向内一层层地遍历孔。

夹紧元件定位孔的确定规则为：先对定位孔进行编码，之后按照象限和45°对角线，将候选定位孔划分为多个不同的区域，然后以基础板中心为圆心点，自外向内逐层地遍历，最终筛选出最优的孔，确定夹紧组件的唯一定位孔。

2.夹紧元件的自动组装

在确定工件夹紧表面、工件夹紧点、夹紧元件定位孔之后，对夹紧组件的自动装配还需要满足以下条件：一是明确夹紧组件与装配体之间的装配关系;二是夹紧点与夹紧组件压头的端面圆心重合;三是夹紧组件的基准面与定位孔坐在基础板的上表面重合;四是垂直压紧管的轴线必须与已选定的夹紧组件定位孔轴线重合。

用已定位的装配体配合夹紧组件确定位置关系，为根据需要实现夹紧范围的自动调整，需要对夹紧组件进行柔性化处理，具体程序操作可用Solid Works的API函数实现，即“Assembly Doc：Comp Config Properties4”。零部件间位置的调整会根据该夹紧组件装配体配合关系进行，柔性化结束后自动装配开始。

四、小结

基于平面切削的孔系柔性夹具自动夹紧的设置中，应在原有职能定位的基础上，经过三个步骤实现装配体与夹紧组件的自动装备配，然后分别确定夹紧表面、夹紧点和夹紧件定位孔，之后根据夹紧点的位置，利用Solid Works的虚拟装配技术实现夹紧元件的自动组装。

（作者单位：无锡技师学院）