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        基于機械對稱性的夾具對稱性及應(yīng)用

        2015-09-17 07:46:30唐耀紅何翠群
        關(guān)鍵詞:對稱性夾具原理

        唐耀紅,何翠群

        (1.漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院;2.南昌工程學(xué)院)

        0 引言

        對稱性廣泛存在于機械工程領(lǐng)域,但對其系統(tǒng)研究和應(yīng)用尚不多見.浙江大學(xué)機械設(shè)計研究所馮培恩、馬志勇等人對機械工程領(lǐng)域內(nèi)的對稱性進行了深入研究,初步建立了機械對稱性的理論體系[1-2];馬志勇、邱清盈等人研究了機械對稱性的概念體系,將機械領(lǐng)域的對稱性歸納為結(jié)構(gòu)對稱性、原理對稱性和功能對稱性[2];浙江大學(xué)曾令斌在其博士論文《機械功能原理對稱的概念及其應(yīng)用知識體系的研究》中提出了機械功能原理效用對稱性的概念和層次結(jié)構(gòu)體系,深入研究了機械功能效用對稱應(yīng)用知識體系、機械原理效用對稱應(yīng)用知識體系,建立了機械功能原理對稱輔助創(chuàng)新設(shè)計平臺[3];劉嶼對機械結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)對稱性進行了研究,建立了機械結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)對稱性概念體系,開發(fā)了計算機輔助機械對稱性知識挖掘與應(yīng)用的軟件平臺[4];馬友才將對稱群理論引入機械對稱性的研究中,研究了機械零件對稱性在其可制造設(shè)計中的應(yīng)用[5].該文借鑒機械對稱性的概念體系及作用原理,提出了夾具對稱性的概念體系、作用原理及應(yīng)用思路,將為夾具的設(shè)計、制造和管理開辟一個全新的空間和視角,對CAFD的進一步開發(fā)應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)作用.

        1 夾具對稱性概念及層次結(jié)構(gòu)

        夾具對稱性是機械對稱性的一個不可或缺分支.夾具系統(tǒng)中存在的多個組成要素(如夾具結(jié)構(gòu)、夾具功能、夾具原理等)之間所具有的相互可替代性、一些有規(guī)律的重復(fù)性或不變性稱為夾具對稱性.夾具對稱性同樣具備三大要素:對稱主體、對稱組元及對稱基準(zhǔn)[2-6].對稱主體是夾具對稱性的某種或多種載體,如夾具原理與功能、夾具制造方法等;對稱組元是具有對稱特性的多個夾具組成要素,如實現(xiàn)夾緊的多個夾緊方案;對稱基準(zhǔn)指的是滿足夾具對稱性的參照或標(biāo)準(zhǔn),如定位銷的旋轉(zhuǎn)軸.為擴展和完善現(xiàn)有機械對稱性概念體系,進一步提高計算機輔助夾具設(shè)計的智能化與自動化水平,該文提出了夾具對稱性的概念體系及層次結(jié)構(gòu),如圖1所示.

        圖1 夾具對稱性分類體系

        夾具對稱性Sf= <Ss,Sp,Sc,St> ,其中Ss為結(jié)構(gòu)對稱性,Sp為原理對稱性,Sc為功能對稱性,St為時空對稱性.

        1.1 結(jié)構(gòu)對稱性

        如果夾具在結(jié)構(gòu)域內(nèi)具有一個或多個空間結(jié)構(gòu)按照一定規(guī)律呈現(xiàn)出不變性或重復(fù)性,則稱夾具這樣的空間結(jié)構(gòu)存在結(jié)構(gòu)對稱性.結(jié)構(gòu)對稱性的對稱主體是夾具的空間結(jié)構(gòu);對稱組元為一個或多個按照一定規(guī)律呈現(xiàn)出不變性或重復(fù)性的夾具結(jié)構(gòu)體;對稱基準(zhǔn)為夾具整體或元件中的幾何元素以及時間.結(jié)構(gòu)對稱性Ss=<Ssj,Ssm,Ssc>,其中Ssj為結(jié)構(gòu)靜態(tài)對稱性,Ssm為結(jié)構(gòu)動態(tài)對稱性,Ssc為結(jié)構(gòu)靜動態(tài)對稱性.

        如果夾具系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上具有多個相同的部分,且其空間位置對于某個或多個夾具幾何基準(zhǔn)具有規(guī)律性或規(guī)則性的分布特點,且其大小不變或變化有規(guī)律,則稱該夾具系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)靜態(tài)對稱性.例如,如圖2所示是某焊接夾具的舉升機構(gòu),該機構(gòu)采用單氣缸雙導(dǎo)桿結(jié)構(gòu),其導(dǎo)桿在該夾具空間結(jié)構(gòu)上就具備結(jié)構(gòu)靜態(tài)對稱性.

        圖2 焊接夾具舉升機構(gòu)

        如果夾具系統(tǒng)的單個或多個夾具單元具有規(guī)律性隨時間變化的過程,那么該夾具系統(tǒng)就具有結(jié)構(gòu)動態(tài)對稱性.例如,夾具的液壓夾緊機構(gòu)中,液壓缸活塞及活塞桿的運動過程隨時間呈現(xiàn)有規(guī)律的運動狀態(tài),重復(fù)實現(xiàn)釋放——夾緊動作.

        如果夾具系統(tǒng)中存在空間位置隨時間變化而變化的結(jié)構(gòu)對稱的夾具單元,且在變化過程中其結(jié)構(gòu)對稱狀態(tài)保持不變,則稱該夾具系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)靜動態(tài)對稱性.例如,如圖3所示的三爪卡盤,其3個卡爪在空間上是周向?qū)ΨQ的,在卡盤工作過程時卡爪做開合運動并始終保持3個卡爪的周向?qū)ΨQ狀態(tài),所以此卡盤具有結(jié)構(gòu)靜動態(tài)對稱性.

        圖3 機床卡盤

        1.2 原理對稱性

        在夾具系統(tǒng)中,對于某一(種)夾具功能所需要的夾具原理,若有多個(種)夾具原理或夾具原理的組合都能實現(xiàn)該一(種)夾具功能,就可認為這多個(種)夾具原理或夾具原理的組合之間具有夾具原理對稱性.根據(jù)對稱性三大要素可知,夾具原理是夾具原理對稱性的對稱主體,能實現(xiàn)相同夾具功能的多個(種)夾具原理或其組合就是對稱組元,而對稱基準(zhǔn)則是這些夾具原理要去實現(xiàn)的相同夾具功能.原理對稱性Sp=<Spe,Spd,Sps>,其中Spe表示原理交換對稱性,Spd表示原理分解/組合對稱性,Sps表示原理選擇對稱性.

        若存在多個(種)夾具原理,而這些夾具原理又都能夠單獨去實現(xiàn)同一夾具功能,那么就稱對于要實現(xiàn)的夾具功能而言,這多個(種)夾具原理之間具有原理交換對稱性.比如說,采用斜楔原理、螺旋原理、液壓原理、氣壓原理、電磁原理等等都能各自獨立實現(xiàn)夾具的夾緊功能,所以這些原理之間就具有原理交換對稱性.

        假設(shè)某一單個夾具原理與將多個(種)夾具原理組合起來形成的原理組合體能獲得同一夾具功能,就稱這單個夾具原理與原理組合體之間就有原理分解/組合對稱性,即多個(種)夾具原理的組合體相對于單個夾具原理具有原理分解對稱性,而單個夾具原理相對于多(種)夾具原理的組合體具有原理組合對稱性.例如,夾具夾緊機構(gòu)的動力源,既可采用氣動夾緊,也可采用氣壓與液壓組合夾緊,顯然,氣動夾緊與氣壓與液壓組合夾緊之間就有了原理分解/組合對稱性.

        夾具原理選擇對稱性是指假如有多種夾具原理同時存在于夾具系統(tǒng)中也都可實現(xiàn)同一夾具功能,但在同一時間內(nèi)只允許其中的一種夾具原理產(chǎn)生作用,而不允許多種夾具原理同時產(chǎn)生作用.例如液壓夾具的液壓控制回路都安裝了溢流閥和安全閥,二者都是用來降低液壓系統(tǒng)的壓力.在正常情況下,是溢流閥起作用,只有當(dāng)溢流閥失效使得系統(tǒng)壓力超過安全閥設(shè)定的壓力時,安全閥開始工作,以保證系統(tǒng)安全.

        1.3 功能對稱性

        如果多個(種)夾具功能或功能組合可以實現(xiàn)相同的上一層夾具功能,則稱對于其實現(xiàn)的上一層夾具功能而言,這多個(種)夾具功能或功能組合之間存在功能對稱性.在這里,夾具手段功能是其對稱主體;能實現(xiàn)相同上一層夾具功能的多個(種)夾具手段功能或功能組合是對稱組元;對稱基準(zhǔn)則是相同目的夾具功能.功能對稱性Sc= <Sce,Scd,Scs> .Sce表示功能交換對稱性,Scd表示功能分解/組合對稱性,Scs表示功能選擇對稱性.

        若同一上層夾具功能既可用單個夾具功能來實現(xiàn),也可用多種夾具功能的組合來獲得,那么以這一上層夾具功能為基準(zhǔn),就稱這單夾具功能對于夾具功能組合存在功能組合對稱性,而夾具功能組合相對于該單夾具功能存在功能分解對稱性.假設(shè)存在多種夾具功能,而它們中每種夾具功能都可以單獨實現(xiàn)相同的上層夾具功能,則這多種夾具功能之間的相互可替代性就叫功能交換對稱性.

        圖4 夾具定位功能

        如圖4所示,夾具的定位功能是限制工件的6個自由度(F),可用平面定位f1、圓柱孔定位f2、圓柱面定位f3和特殊表面定位f4等來實現(xiàn).f1和f2作為子功能并用時相對于上層功能F具有功能分解對稱性;分別采用時,f1和f2之間則具有功能交換對稱性.

        如果夾具系統(tǒng)中存在多種夾具功能,它們都能同時實現(xiàn)相同的上一層夾具功能,但同時只允許選擇其中的一種夾具功能時,相對于其實現(xiàn)的上一層夾具功能而言,就稱這些夾具功能之間存在功能選擇對稱性.例如,氣動夾具的氣壓控制系統(tǒng)為實現(xiàn)減壓(A)的功能,采用減壓閥減壓(a1)和安全閥減壓(a2)的方案.在正常情況下采用減壓閥減壓(a1),只有在減壓閥異常或失效時,安全閥減壓(a2)才開始作用.因此,功能a1與a2之間相對于A而言具有功能選擇對稱性.

        1.4 時空對稱性

        夾具的時空對稱性是指同一套夾具在使用、管理過程中具有時間或空間上的規(guī)律性的重復(fù)性.例如,在加工一批相同零件的同一道工序中使用的夾具,就具有典型的時間對稱性;而用多臺相同機床并行加工一批相同零件的同一道工序所用的夾具,則是典型的空間對稱性的體現(xiàn).

        2 夾具對稱性的應(yīng)用

        夾具對稱性以整個夾具域為研究對象,涉及到夾具設(shè)計、夾具制造和夾具維護與管理等主要環(huán)節(jié).夾具對稱性概念體系及層次結(jié)構(gòu)的建立,必會對夾具域的活動具有不可忽視的指導(dǎo)和引導(dǎo)作用.

        2.1 結(jié)構(gòu)對稱性的應(yīng)用

        夾具的結(jié)構(gòu)對稱性在夾具域的應(yīng)用主要在3個方面:(1)利用結(jié)構(gòu)對稱性滿足夾具整體構(gòu)形和夾具元件標(biāo)準(zhǔn)化的需求和約束;(2)利用結(jié)構(gòu)對稱性對夾具設(shè)計的過程和結(jié)果進行可制造性評價;(3)利用結(jié)構(gòu)對稱性提高夾具定位精度和夾緊可靠性.

        2.2 原理功能對稱性的應(yīng)用

        夾具設(shè)計的關(guān)鍵是裝夾規(guī)劃和構(gòu)形設(shè)計.可以利用具有對稱性的夾具原理或(和)功能解來實現(xiàn):(1)拓展和優(yōu)化夾具裝夾方案與結(jié)構(gòu)方案,獲得最優(yōu)的夾具設(shè)計結(jié)果;(2)夾具功能原理到夾具構(gòu)形設(shè)計的需求、約束和規(guī)則求解;(3)夾具系列化,減少夾具庫存,節(jié)約制造資源,縮短夾具準(zhǔn)備時間;(4)提高夾具的通用性.

        2.3 時空對稱性的應(yīng)用

        利用夾具的時空對稱性,企業(yè)可依據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)計劃或訂單:(1)系統(tǒng)規(guī)劃夾具計劃,提高夾具可重用性;(2)合理維護、管理夾具,實現(xiàn)企業(yè)級夾具統(tǒng)籌調(diào)配.

        3 基于夾具功能對稱性的夾具設(shè)計思路

        利用夾具功能對稱性,通過建立夾具功能模型和夾具功能集及夾具結(jié)構(gòu)集,構(gòu)造夾具功能集——夾具結(jié)構(gòu)算法,在夾具設(shè)計知識、規(guī)則的支持下,獲得夾具結(jié)構(gòu),是夾具對稱性應(yīng)用的核心和關(guān)鍵.

        3.1 夾具功能模型

        夾具的總體功能包括不允許過定位和欠定位、夾緊可靠和夾具約束等[7].夾具設(shè)計時一個重要任務(wù)就是將夾具的功能向夾具結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化,所以夾具功能分析的重點是對夾具總功能進行分級分解,一直分解成最小的夾具功能單元,方便得到夾具功能與夾具結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系.每個功能單元可以用其具體的行為狀態(tài)參數(shù)描述,如圖5所示.

        3.2 夾具功能集與夾具結(jié)構(gòu)集

        夾具的功能是由一定的夾具結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的,因此夾具功能和夾具結(jié)構(gòu)之間一定存在著某種或某些對應(yīng)關(guān)系,但是這種對應(yīng)關(guān)系不可能是一一對應(yīng)關(guān)系(即某種夾具功能不會只對應(yīng)一種夾具結(jié)構(gòu),反之亦然).為了研究這種對應(yīng)關(guān)系,首先必須建立起由所有夾具功能組成的夾具功能集合和由夾具結(jié)構(gòu)構(gòu)成的夾具結(jié)構(gòu)集合.

        定義1 夾具功能集.是對夾具功能進行分解后形成的所有最小的夾具功能的集合,用F表示.F={F1,F(xiàn)2,…,F(xiàn)n},其中F1,F(xiàn)2,…,F(xiàn)n為最小的夾具功能單元.在夾具功能集內(nèi),F(xiàn)i和Fj同屬某類夾具功能時,具有功能對稱性.

        定義2 夾具結(jié)構(gòu)集.是能夠匹配至少一種(個)最小夾具功能的夾具元件的集合,用C表示.C={C1,C2,…,Cm},其中C1,C2,…,Cm為夾具元件.

        圖5 夾具功能模型

        3.3 夾具功能—夾具結(jié)構(gòu)算法

        由夾具對稱性可知,夾具功能與夾具結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系是多對多的對應(yīng)關(guān)系,即某種夾具功能可能有多種夾具結(jié)構(gòu)來實現(xiàn),而某一夾具結(jié)構(gòu)則可能滿足多種夾具功能.為找到某一夾具功能所對應(yīng)的夾具結(jié)構(gòu),需要在二者之間確定某種匹配關(guān)系,即夾具功能——夾具結(jié)構(gòu)算法.由于可以實現(xiàn)某一夾具功能的多種夾具結(jié)構(gòu)之間差別并不大,這就給夾具設(shè)計者帶來困擾;同時,夾具設(shè)計者的經(jīng)驗往往對夾具設(shè)計產(chǎn)生很大影響,因此不大可能用某種確定的函數(shù)關(guān)系給出夾具功能與夾具結(jié)構(gòu)之間的匹配關(guān)系,因此,可運用模糊方法給出夾具功能與結(jié)構(gòu)之間的匹配關(guān)系,根據(jù)夾具的功能需求,實現(xiàn)功能向結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換,獲取該功能的夾具結(jié)構(gòu).

        運用模糊方法給出夾具功能與結(jié)構(gòu)之間的算法的關(guān)鍵是建立夾具功能到夾具結(jié)構(gòu)之間的模糊匹配關(guān)系,該關(guān)系可以用模糊矩陣(R)進行表達.

        設(shè)R是一個n×m維矩陣,R的行表示有n個夾具功能,R的列表示有m種(個)與夾具功能對應(yīng)的夾具結(jié)構(gòu).R的元素rij是根據(jù)夾具規(guī)則和知識確定的夾具功能與夾具結(jié)構(gòu)相匹配的程度,該匹配程度往往是模糊的,用介于0和1之間的數(shù)字來表達.

        由夾具功能模型可知,夾具功能可以用影響該夾具功能的狀態(tài)參數(shù)進行表達,如影響定位功能的主要狀態(tài)參數(shù)有定位面的分類、大小、限制的自由度、表面粗糙度等.可根據(jù)影響夾具功能的狀態(tài)參數(shù)建立夾具功能到夾具結(jié)構(gòu)之間的模糊匹配關(guān)系矩陣R.

        夾具功能—夾具結(jié)構(gòu)算法過程為:根據(jù)待加工工件的工序信息進行功能分析→確定夾具功能集→確定影響夾具功能的狀態(tài)參數(shù)→利用狀態(tài)參數(shù)將夾具功能集模糊化→得到模糊參數(shù)表示的夾具功能集→根據(jù)知識確定R→得到夾具結(jié)構(gòu)集→根據(jù)規(guī)則得到夾具結(jié)構(gòu).

        4 結(jié)束語

        夾具對稱性無疑是機械對稱性領(lǐng)域內(nèi)的一個重要內(nèi)容,該文提出的夾具對稱性概念體系及其層次結(jié)構(gòu),以及其作用原理和應(yīng)用思路,是對機械對稱性理論體系及其應(yīng)用的又一補充和完善.建立的夾具功能模型、給出的夾具功能集和夾具結(jié)構(gòu)集的定義、并在此基礎(chǔ)上提出的夾具功能——夾具結(jié)構(gòu)算法的思路,為夾具的方案設(shè)計開辟了一種新的視覺,有利于計算機輔助夾具設(shè)計的開發(fā)與完善.

        [1] 馮培恩,馬志勇,等.從自然科學(xué)到工程科學(xué)的對稱性本體論研究[J].自然科學(xué)進展,2008,18(12):1441-1450.

        [2] 馬志勇,邱清盈,等.機械對稱性的概念體系及其應(yīng)用方法[J].浙江大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版,2010,44(12):2354-2359.

        [3] 曾令斌.機械功能原理對稱的概念及其應(yīng)用知識體系的研究[D].浙江大學(xué)博士學(xué)位論文,2013.1.

        [4] 劉嶼.機械對稱性知識挖掘方法及其在機械結(jié)構(gòu)選裝對稱性中的應(yīng)用[D].浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.6.

        [5] 馬友才.機械零件對稱群分析及其在可制造性中的應(yīng)用[D].浙江大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012.3.

        [6] 馮培恩,劉偉平,等.機械制造工藝對稱性的概念體系及其應(yīng)用思路[J].工程設(shè)計學(xué)報,2010,17(3):161-167.

        [7] 劉長安,楊志宏,等.基于功能特征結(jié)構(gòu)映射的夾具設(shè)計模型與方法[J].計算機集成制造系統(tǒng),2006,12(8):1192-1197.

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