基于尺寸路徑圖的組合夾具裝配方法研究*

杜夏威，郭 宏，閆獻(xiàn)國(guó)，王曉慧

(太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，太原 030024)

0 引言

隨著CAD 技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行組合夾具設(shè)計(jì)的研究越來(lái)越多，其中包括對(duì)組合夾具自動(dòng)裝配方面提出的一些想法和見(jiàn)解。謝曉文建立了計(jì)算機(jī)輔助組合夾具設(shè)計(jì)(CAMFD)系統(tǒng)的架構(gòu)，提出參數(shù)化的組合夾具元件建模技術(shù)以及基于粗糙集知識(shí)發(fā)現(xiàn)的組合夾具設(shè)計(jì)技術(shù)［1］。沈曉紅等利用VC+ +6.0、MDT、Access 等軟件對(duì)組合夾具元件進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化特征建模和快速查詢夾具元件的幾何信息［2］。陳蔚芳提出了夾具裝配模型分層的思想，將裝配模型分為節(jié)點(diǎn)層和表面層，并通過(guò)引入有效表面和有效路徑的概念，建立了組合夾具工件—元件以及元件—元件的快速裝配模型［3］，但只能應(yīng)用于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的組合夾具。易文等利用Visual Basic 對(duì)Solid-Works 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，采用基于規(guī)則推理技術(shù)(RBR)及基于實(shí)例推理技術(shù)(CBR)的混合推理技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種槽系組合夾具CAD 系統(tǒng)［4］，但未能實(shí)現(xiàn)組合夾具元件的自動(dòng)裝配。王曉慧等人建立了裝配尺寸路徑圖［5］，并將其運(yùn)用于零件裝配中，完成了對(duì)零件尺寸的標(biāo)注。本文提出將尺寸路徑圖的原理運(yùn)用在組合夾具的裝配中，避免了在計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)中，三維模型難以裝配，理論說(shuō)明不夠直觀的問(wèn)題。用尺寸路徑圖的原理對(duì)組合夾具元件進(jìn)行表示，實(shí)現(xiàn)了組合夾具元件的選取及基于實(shí)例推理的夾具裝配方案設(shè)計(jì)。

1 具有尺寸路徑圖元素標(biāo)注的組合夾具元件的建立

1.1 尺寸路徑圖介紹

尺寸路徑圖結(jié)合了圖形表達(dá)直觀而文字描述準(zhǔn)確之共同優(yōu)點(diǎn)，采用文字描述的圖形表達(dá)裝配體的裝配情況。

用英文字母按順序自下往上(或自左到右)依次表示組合夾具中的夾具元件。用數(shù)字加英文字母來(lái)表示該元件的要素(一般都為元件的面)，如圖1 中A 表示該組合夾具元件，1A、2A 分別表示該元件的下表面和上表面。

圖1 對(duì)稱槽方支承元件

如圖2 中，B、C 兩元件堆疊起來(lái)，則除了用1B、3C表示兩元件未接觸的兩個(gè)面外，用2BC 表示兩元件的接觸面［6］。

這樣標(biāo)注的優(yōu)點(diǎn)在于:

(1)從字母中可直觀看出尺寸跟被加工工件有關(guān)的組合夾具元件的數(shù)量，例如某組元件中元件所命名字母中，在字母表中排序最靠后的是I，則表示共有9個(gè)(I 在字母表中順序排第9)元件的尺寸跟被加工工件有關(guān);

(2)字母也可以顯示出元件在組合夾具中的排列次序，有利于自動(dòng)裝配的實(shí)現(xiàn);

(3)反映了元件的裝配情況，例如2AB 表示A、B兩個(gè)元件是緊靠在一起的，結(jié)合面是2 面，而2A3B 則表示元件A 的2 面與元件B 的3 面之間的間隙尺寸;

(4)可以直接看出所有跟被加工工件有關(guān)的尺寸的數(shù)量，便于降低尺寸誤差。尺寸的數(shù)量=裝配夾具要素命名的最大序號(hào)-1。例如，一組裝配夾具最后一個(gè)元件要素名稱為16，則該裝配體有15 個(gè)尺寸影響組合夾具的誤差。

1.2 組合夾具元件的標(biāo)注

元件庫(kù)中每個(gè)元件都由一個(gè)英文字母表示，元件的面是由數(shù)字加字母表示，具體的數(shù)字和字母是根據(jù)元件所在組合夾具中的位置而定。數(shù)字和字母是在組合夾具的某一個(gè)方向上按照一定的順序進(jìn)行分配的，一般按從下往上、從左往右、從前往后的順序。例如某夾具體的支撐部分需要4 個(gè)支承件疊放在一起，給這部分標(biāo)注的時(shí)候就從下往上依次為A、B、C、D。這樣就可以利用尺寸路徑圖來(lái)表示該部分的組合情況即:

1A-2AB-3BC-4CD-5D。

1.3 組合夾具的自動(dòng)裝配

組合夾具方案的選擇上，本文采用CBR 技術(shù)［7］，CBR 就是基于案例的推理技術(shù)。是一種相似或類比的推理方法，它是通過(guò)訪問(wèn)知識(shí)庫(kù)中過(guò)去同類問(wèn)題的求解從而獲得當(dāng)前問(wèn)題解決方案的一種推理模式，簡(jiǎn)言之就是一種借鑒過(guò)去案例來(lái)解決新問(wèn)題的方法，適合于解決知識(shí)不確定、弱理論領(lǐng)域的問(wèn)題，根據(jù)新問(wèn)題的描述進(jìn)行模式匹配的過(guò)程。

首先用戶輸入工件的名稱或其他特征屬性，然后系統(tǒng)開(kāi)始通過(guò)其名稱或其他元件屬性進(jìn)行實(shí)例推理，檢索出相似度高的實(shí)例，然后通過(guò)所加工工件尺寸對(duì)夾具元件尺寸進(jìn)行合理修改，給出若干套方案，再?gòu)脑?kù)中搜索元件類型及數(shù)量是否能滿足方案要求，如能滿足則系統(tǒng)給出最終方案，如不能滿足，系統(tǒng)則自動(dòng)將該方案淘汰。

由此看來(lái)，加工同種類型不同尺寸的工件，只需將一套組合夾具中同種類型的夾具元件換成適合被加工工件尺寸的夾具元件即可。根據(jù)這個(gè)原理，本文利用VB 對(duì)Pro/E 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)出了一套根據(jù)工件尺寸自動(dòng)選擇合適尺寸的夾具元件并自動(dòng)生成尺寸路徑圖的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)實(shí)例介紹

2.1 組合夾具實(shí)例介紹

該實(shí)例中被加工工件為鋼制異徑四通，如圖3 所示，加工對(duì)象為通孔，要在上下兩側(cè)鉆出直徑12mm 通孔［8］。

圖3 被加工工件

通過(guò)CBR 技術(shù)檢測(cè)出組合夾具庫(kù)中的組合夾具模型如圖4 所示。

圖4 組合夾具裝配圖

由于該被加工工件幾何形狀具有回轉(zhuǎn)中心，所以可選用一種回轉(zhuǎn)式組合夾具，該套組合夾具分為基體和回轉(zhuǎn)體兩部分，基體為基礎(chǔ)板和左側(cè)的支承件，回轉(zhuǎn)體包括被加工工件的夾緊件、鉆模板、鉆套及60 寬單槽伸長(zhǎng)板。除了夾緊螺釘及固定夾緊螺釘所需的元件，回轉(zhuǎn)體其他部分都以工件的幾何中心為基準(zhǔn)上下對(duì)稱，所以?shī)A具體的支承部分也需上下對(duì)稱，如圖4 所示。工件一次定位夾緊在回轉(zhuǎn)體上，由一個(gè)圓形定位盤套入工件的左側(cè)中通孔中，限制了工件的X、Z 兩個(gè)方向自由度;60 寬單槽伸長(zhǎng)板抵住工件左側(cè)平面，限制了工件Y 方向自由度以及工件X 和Z 方向的旋轉(zhuǎn)自由度;前后兩面壓緊螺釘?shù)肿」ぜ昂髢蓚?cè)限制了工件Y 方向旋轉(zhuǎn)自由度，從而實(shí)現(xiàn)工件的完全定位。工件右下部用支承釘螺栓起輔助支承的作用，右邊圓形壓板通過(guò)螺栓將工件壓緊。加工時(shí)，鉆頭從工件上部快換鉆套中導(dǎo)入開(kāi)始鉆孔，鉆完上端孔后，松開(kāi)圓形壓板，使回轉(zhuǎn)體連同工件一起旋轉(zhuǎn)180°，兩個(gè)對(duì)定螺栓通過(guò)側(cè)中孔定位支承的孔插入60 寬單槽伸長(zhǎng)板的T 形槽中進(jìn)行定位，再緊固圓形壓板，即可加工與其相對(duì)的另外一個(gè)孔。

本文主要研究由于工件高度發(fā)生變化而引起的支承件重組的問(wèn)題，根據(jù)GB12459 對(duì)焊四通尺寸表［9］可知四通尺寸由中心到端面的尺寸從25mm 到381mm不等，本文從實(shí)際出發(fā)，安排加工尺寸為中心到端面距離分別為98mm 和105mm 的異徑四通，所選用組合夾具元件均為天津市澤爾數(shù)控機(jī)床成套有限公司生產(chǎn)，通過(guò)Pro/E 對(duì)其進(jìn)行逐個(gè)建模與編碼［10］，建立夾具元件庫(kù)。

2.2 零件的定義及裝配模型的選擇

打開(kāi)Pro/E 夾具自動(dòng)裝配界面，輸入被加工工件名稱或工件屬性(圖5)，然后定義工件尺寸(圖6)，如圖中所示裝配圖即為系統(tǒng)通過(guò)CBR 技術(shù)自動(dòng)查找到類似實(shí)例。為滿足工件的高度變化，組合夾具需在豎直方向上做尺寸修改，即圖7 裝配示意圖中夾具體左側(cè)支承件部分。

圖5 零件選擇

圖6 定義零件

圖7 夾具支承件

根據(jù)尺寸路徑圖的命名規(guī)則，每個(gè)夾具元件都用一個(gè)字母表示，而元件的元素有數(shù)字加字母表示，這樣從下往上依次命名。由于支承件組合除了最下面并列的兩個(gè)簡(jiǎn)式方支承(該支承作用是為了保證回轉(zhuǎn)體跟基礎(chǔ)板之間有間隙從而使回轉(zhuǎn)體能順利旋轉(zhuǎn))以外其他支承件上下對(duì)稱，如圖7 中左側(cè)支承件部分，側(cè)中孔鏜孔支承上下的位置對(duì)稱的支承件為類型與尺寸均相同的元件，所以只命名上半部分組合即可。

由于廠商給出的夾具元件代號(hào)能很清楚的識(shí)別出夾具元件的種類及尺寸，所以程序中用廠商所提供的元件代碼對(duì)元件進(jìn)行編碼以代替組合夾具名稱，然后給所要改變高度的支承件編輯尺寸路徑圖。組合夾具中位于支承件中間代號(hào)為433002 的側(cè)中孔鏜孔支承用字母A 表示，該元件底面用1A 表示;與它緊貼在它之上是兩個(gè)并行排列的代號(hào)為20003 的簡(jiǎn)式方支承(由于只計(jì)算高度方向的問(wèn)題，所以只需命名其中一個(gè)簡(jiǎn)式方支承)用字母B 表示。以此類推，代號(hào)25105的60 寬單槽伸長(zhǎng)板用C 表示;另外一個(gè)(由于兩方支承并排，所以高度方向只用考慮一個(gè)即可)代號(hào)為20005 的簡(jiǎn)式方支承為字母D;最頂層代號(hào)34201 的側(cè)中孔定位支承用字母E 表示。這樣該模型的支承件部分的尺寸路徑圖為1A-2AB-3BC-4CD-5DE-6E。系統(tǒng)通過(guò)所編VB 程序開(kāi)始在計(jì)算所需夾具元件總高度，具體過(guò)程如式(1):

式中:H——支承件總高;

h——零件高度196mm;

l——容屑間隙，可通過(guò)公式(2)計(jì)算得出;

L——鉆套細(xì)徑部分長(zhǎng)度，40mm。

式中:d——鉆頭直徑;

可以算出l的范圍:l=(0.7～1.5)×12 =8.4～18(mm)，這樣夾具體高度H即可計(jì)算得出H為292.8～312mm，然后在元件庫(kù)中選擇支承件，組合出在此高度范圍內(nèi)的支承。

2.3 模型的修改及尺寸路徑圖的生成

系統(tǒng)計(jì)算得出:組合夾具支承件部分要在系統(tǒng)通過(guò)CBR 查找出的夾具實(shí)例中增加25mm。

通過(guò)在庫(kù)中篩選，系統(tǒng)檢測(cè)出的組合夾具實(shí)例中側(cè)中孔定位支承和側(cè)中孔鏜孔支承不需做任何調(diào)整，只需改變中間的支承尺寸即可滿足要求，最后擬定出了三套方案，如圖8 所示。

圖8 方案擬定

方案一:用兩個(gè)代號(hào)為20109 的60mm 厚對(duì)稱槽方支承并行排列替換掉代號(hào)為20003 和20005 的四個(gè)簡(jiǎn)式方支承(每層需兩個(gè)同樣的簡(jiǎn)式方支承并排)，并給出組合夾具體所需夾具元件總個(gè)數(shù)36。還有另外兩種方案:方案二用代號(hào)20107 高為30mm 的對(duì)稱槽方支承與代號(hào)20109 的60mm 高的對(duì)稱槽方支承替換掉60 寬單槽伸長(zhǎng)板和兩個(gè)簡(jiǎn)式方支承，但是該方案每層元件需要兩個(gè)同類型對(duì)稱槽方支承并行排列，而用60 寬單槽伸長(zhǎng)板每層只需一個(gè)元件，由于支承件上下對(duì)稱，所以所需元件總個(gè)數(shù)比方案一多兩個(gè)，共需38個(gè)元件;方案三則用20mm 高對(duì)稱槽方支承(20106)與80mm 高對(duì)稱槽方支承(20110)同樣替換掉方案二中所替換元件，同樣需要38 個(gè)夾具元件。從夾具體的剛性和裝配復(fù)雜程度上來(lái)說(shuō)，由于方案一所用夾具元件數(shù)最少所以更為合理，因此，用戶可在如圖9 的界面中選擇方案一。

這樣由下往上，各元件為A:側(cè)中孔鏜孔支承(433002)、B:60mm 厚對(duì)稱槽方支承(20109)、C:60寬單槽伸長(zhǎng)板(25105)、D:側(cè)中孔定位支承(34201)，由下往上的尺寸路徑圖為1A-2AB-3BC-4CD-5D(如圖9)，很清楚可以看出新添加的對(duì)稱槽方支承由字母B表示。而在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)算過(guò)程當(dāng)中，程序都以數(shù)字加字母的代號(hào)形式調(diào)用所需元件，并最終生成尺寸路徑圖。

圖9 方案選擇

3 結(jié)論

本文將數(shù)字加字母的尺寸路徑圖原理運(yùn)用于組合夾具裝配過(guò)程，用戶可根據(jù)尺寸路徑圖中字母及字母所表示的代號(hào)選取所需的實(shí)體夾具元件完成夾具體的實(shí)體裝配;如果用工人計(jì)算也可實(shí)現(xiàn)組合夾具的裝配，但是需要工人對(duì)工廠現(xiàn)有組合夾具的尺寸及數(shù)量都要相當(dāng)熟悉，而此系統(tǒng)則不對(duì)工人有這方面的要求。這種采用字母和數(shù)字表示可重組組合夾具模型的方法，降低了通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)夾具模型自動(dòng)裝配的復(fù)雜程度。本文僅就孔加工進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，下一步研究工作，將就此方法在銑削加工中的組合夾具設(shè)計(jì)應(yīng)用展開(kāi)。

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