陳　樺，杜笑天

(西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安　710021)

多孔腔零件沖洗夾具裝夾方案的研究*

陳樺，杜笑天

(西安工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，西安710021)

摘要：文章依據(jù)夾具夾緊定位原理，分析沖洗夾具的定位裝夾結(jié)構(gòu)實現(xiàn)快速裝夾與通用性的局限性。通過比較夾具夾緊機械結(jié)構(gòu)，提出了能夠?qū)崿F(xiàn)快速裝夾的夾緊結(jié)構(gòu)。以夾緊定位可靠性原則為目標(biāo)，建立夾緊點優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，利用線性加權(quán)法對夾緊點優(yōu)化模型進行求解，確立了裝夾結(jié)構(gòu)的改進方案。通過零件穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型驗證夾具改進后零件的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，該裝夾方案滿足零件的穩(wěn)定性，改善了裝夾速率。

關(guān)鍵詞：快速裝夾；夾緊布局；線性加權(quán)；工件穩(wěn)定性

0引言

在工業(yè)急速發(fā)展的背景下，郭春華[1-2]提出夾具在向標(biāo)準(zhǔn)化、高效化等方向發(fā)展。陶潤亮等[3]對清洗機進行設(shè)計中，對沖洗夾具進行分析，采用多工位回轉(zhuǎn)工作臺，其特點結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，有利于提高零件沖洗效率。張燦為等[4-5]討論了利用氣動原理和不利用氣動原理控制夾緊元件實現(xiàn)零件裝夾這兩種情況，并對這兩種情況下沖洗夾具的沖洗效率、夾緊穩(wěn)定性、夾緊結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度等方面做了對比。

Li[6]等通過夾具-工件接觸剛度建立接觸模型，以最小余能為目標(biāo)，優(yōu)化設(shè)計夾緊力。Gui[7]等根據(jù)所建立的模型，以最小工件位置誤差為目標(biāo)，對夾緊力大小進行優(yōu)化設(shè)計。Kulanlara K[8]利用遺傳算法對定位點、夾緊點進行位置優(yōu)化。周孝倫[9]等利用遺傳算法，以加工點出工件位移和工件的彈性變形最小目標(biāo)，優(yōu)化夾具布局與夾緊力。秦國華[10-11]等建立夾緊副變形與工件位置誤差關(guān)系模型，以最小工件位置誤差為目標(biāo)，實現(xiàn)夾緊力的優(yōu)化設(shè)計。

以上文獻對夾緊點優(yōu)化，都是以工件-夾具系統(tǒng)中的接觸模型進行分析，主要以工件變形最小為目標(biāo)進行優(yōu)化設(shè)計夾緊點?；谝陨侠碚摚瑢τ诒疚乃芯繘_洗夾具，提出基于工件夾緊定位穩(wěn)定性為目標(biāo)，確立對該沖洗夾具夾緊點的改進。為了實現(xiàn)沖洗夾具里的快速裝夾，提出一個通用性好、結(jié)構(gòu)簡單、定位精準(zhǔn)高、夾緊可靠且效率高的夾具。

1沖洗夾具分析

沖洗夾具沖洗的零件特點為孔的多樣性，而且繁多存在交叉孔、盲孔、通孔等，如圖1所示。

圖1　零件

沖洗夾具主要組成部件是定位元件、夾緊裝置、夾具體、底座、各種類型可更換噴頭，如圖2所示。沖洗夾具的定位方案采用了“3-2-1”定位原理，沖洗夾具的定位模型如圖3所示，圖中平行四邊形為夾具體表面，F(xiàn)p為夾緊力。P1、P2為兩個定位銷，P1限制了零件x，y方向的平移自由度，夾具體平面限制零件z方向平移以及x、y軸旋轉(zhuǎn)自由度，P2限制了零件繞z軸旋轉(zhuǎn)自由度，此時夾具體上的噴嘴結(jié)構(gòu)起到定位塊的作用，定位方式一面兩銷的，從而限制了零件的六個自由度，實現(xiàn)零件的定位，該定位裝置能夠良好的滿足多孔零件沖洗的準(zhǔn)確定位。

圖2　沖洗夾具

圖3　定位模型

沖洗夾具的夾緊結(jié)構(gòu)采用螺栓旋緊裝置進行夾緊，沖洗夾具夾緊結(jié)構(gòu)，由螺柱、手柄、襯套組成，通過旋緊螺柱，使襯套對零件的夾緊。從圖4中可以看出，夾具的夾緊結(jié)構(gòu)專用型比較強，該夾緊結(jié)構(gòu)僅適用于一定孔徑，特定孔位置零件的夾緊，不能滿足沖洗夾具設(shè)計中通用性功能，

本文基于以上結(jié)構(gòu)的局限性對其夾緊結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。以夾緊點優(yōu)化為切入點，改進夾緊方案，提出通用性好、結(jié)構(gòu)簡單、定位精準(zhǔn)高、夾緊可靠且效率高的夾具。

圖4　裝夾結(jié)構(gòu)

2夾具的改進2.1夾具裝夾方案提出

從裝夾通用性出發(fā)，提出夾具改進方案，經(jīng)過以上分析，夾具定位點可以滿足多孔腔零件沖洗的精確定位，其定位方案則為一孔兩銷定位。然而原沖洗夾具的一個夾緊點難以實現(xiàn)裝夾的通用性，存在裝夾局限性。對夾具所沖洗的零件分析可知，零件上表面都為平面，各類型孔位置都在其內(nèi)腔，則可選用上平面為裝夾面，以實現(xiàn)相似零件的裝夾。為了實現(xiàn)夾具沖洗夾具夾持工件穩(wěn)定性為目標(biāo)，三點構(gòu)成的三角形具有穩(wěn)定性，本文提出具有三個夾緊點的快速裝夾結(jié)構(gòu)，較之原夾具夾緊結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性。

夾緊點的確定應(yīng)該遵循以下原則：①為減少夾緊變形，夾緊點應(yīng)與定位支撐點對應(yīng)，使夾緊力作用在支撐上，應(yīng)該選在工件剛性較好的部位；②夾緊點應(yīng)該盡量靠近加工表面，減少震動并減少沖洗壓力對該點的力矩。

根據(jù)夾緊點確定原則，利用目標(biāo)函數(shù)求解的方法，對沖洗夾具夾緊最優(yōu)點選擇原則是：

(1)夾緊點構(gòu)成幾何圖形面積盡可能大，即三個夾緊點在夾具體平面上的三角形投影面積應(yīng)該盡量大，目標(biāo)函數(shù)y1為：

(1)

式中：Ac為夾緊三角形面積，Amax為在夾緊面上所有可能組成的夾緊三角形面積的最大值。由于沖洗夾具的零件為規(guī)則長方體，所以Amax為矩形中最大的三角形面積，即矩形的一半，則式(1)可寫為：

(2)

(2)零件重心與夾緊點構(gòu)成的三角形面積之和越小越好，夾緊三角形如圖5所示。零件重心坐標(biāo)落在夾緊點三角形內(nèi)，則夾緊三角形的面積與夾緊點和重心組成的三個面積和相等。當(dāng)重心落在夾緊點三角形外，則夾緊三角形的面積與夾緊點和重心組成的三個面積和不相等，而夾緊點與零件重心構(gòu)成的三角形面積和越小越有利于夾緊穩(wěn)定，目標(biāo)函數(shù)y2定性表示為：

(3)

圖5　夾緊三角形

那么對最優(yōu)夾緊點的選擇，利用多目標(biāo)函數(shù)的線性加權(quán)優(yōu)化法，數(shù)學(xué)模型為：

maxy=λ1·y1+λ2·y2

(4)

式中：λ1、λ1為權(quán)重因子。

對于權(quán)重因子的取值，依據(jù)相對比較法，目標(biāo)函數(shù)y1描述夾緊點構(gòu)成的幾何圖形盡量大，目標(biāo)函數(shù)y2描述夾緊點與零件重心構(gòu)成三角形面積和越小越有利，綜合考慮兩個目標(biāo)函數(shù)存在約束關(guān)系，可主觀認(rèn)為重要性程度相同，所以計算時取λ1=λ1=0.5。

對其線性加權(quán)數(shù)學(xué)模型進行求解時，在求解過程中對式(4)進行變形，使其滿足線性關(guān)系，即

(5)

利用MATLAB工具箱進行計算以及對函數(shù)圖像的繪制，求解得出，在y2的定義域{0,1}內(nèi)，y值隨著定義域的增大而增大，當(dāng)y2=1時，Ac=Ag，由此說明重心G點在夾緊三角形內(nèi)。根據(jù)夾緊點確定原則，夾緊三角形越大越有利于零件的夾緊，即取y1=1，那么夾緊三角形面積Ac與最大夾緊三角形Amax相等，從而確定了夾緊三角形的三個點，本論文為了后文穩(wěn)定性計算的方便，選取夾緊三角形為等腰三角形，在xyz坐標(biāo)系中，工件受到FP1、FP2、FP3的三個夾緊力，夾緊力作用點構(gòu)成了等腰三角形，作用點分布如圖6所示，P1、P2為定位點。

圖6　裝夾布局

2.2夾緊結(jié)構(gòu)方案的提出

原夾緊結(jié)構(gòu)，通過螺栓和螺母擰緊進行夾緊，裝夾時需要根據(jù)零件孔的不同進行選擇不同直徑孔的螺栓和螺母，對于非標(biāo)元件就需要制造多種適合裝夾的螺栓螺母結(jié)構(gòu)，不利于裝夾效率的提高。針對以上問題，本文提出在由三個構(gòu)件組成的裝夾結(jié)構(gòu)如圖7所示。桿3固定在夾具體，桿2可以左右運動，通過對桿件1的旋緊，實現(xiàn)對零件的夾緊?？紤]該沖洗夾具在沖洗箱中作業(yè)，桿1在垂直方向的伸縮長度為10mm，桿2在水平方向的伸縮長度為20mm。由于桿1的夾緊表面為平面，可適合裝夾夾緊面為平面，且同圖1相類似的零件。

圖7　夾緊結(jié)構(gòu)

2.3夾具改進后工件穩(wěn)定性驗證

在沖洗夾具的穩(wěn)定性分析中，利用平衡原理建立穩(wěn)定性分析數(shù)學(xué)建模，通過線性規(guī)劃最優(yōu)化方法對建模方程進行求解，最終得到工件裝夾的穩(wěn)定性[12]。

驗證裝夾結(jié)構(gòu)改進后工件穩(wěn)定性，需要在工件與夾具工作和不工作狀態(tài)下兩種情況進行分析，并且改進后與改進前進行穩(wěn)定性分析的零件尺寸、重心坐標(biāo)和工件重量均相同，來說明改進后能否滿足工件的穩(wěn)定性。當(dāng)夾具處于不工作狀態(tài)時，工件外力僅受到重力作用。根據(jù)改進后夾具結(jié)構(gòu)分析可知，零件通過三個夾緊點夾緊，且重力與其夾緊力方向相同，則工件夾持穩(wěn)定。當(dāng)夾具處于沖洗過程中，工件在沖洗壓力為5MPa的外力作用下，此時穩(wěn)定性分析如下。

零件尺寸190×190×90，重心坐標(biāo)[28，-10，45]T，工件重量Wg=100N。工件的通過對夾具受力分析得出沖洗壓力與坐標(biāo)點，由于夾具采用一孔兩銷定位方式，在夾具受力過程中，定位元件元件同時受到X、Y軸方向的力，因此選取X、Y軸法向方向的力，定位元件(L1、L2)和夾緊元件(C1、C2、C3)的坐標(biāo)點如表1所示。

圖8　裝夾布局

裝夾元件位置坐標(biāo)r單位法向量nLx1[-87,-26,0]T[1,0,0]TLx2[90,36,0]T[1,0,0]TLy1[-87,-26,0]T[0,1,0]TLy2[90,36,0]T[0,1,0]TC1[-87,85,90]T[0,0,-1]TC2[-87,-105,90]T[0,0,-1]TC3[90,-10,90]T[0,0,-1]T

定位元件與夾緊接觸點矩陣：

同理，外力旋量Wt=[-658.4，-180，204.2，-3263.43，-4420，-1111.3]

可得沖洗零件夾具裝夾穩(wěn)定性線性規(guī)劃方程：

y=min-(27Fn1-35Fn2-86Fn3-89Fn4-173Fn5-

求解可得穩(wěn)定性分析結(jié)果如表2所示，顯然

則式(4)有解，所以可得工件夾持穩(wěn)定。

那么由以上分析可知，沖洗夾具如圖9所示，改進后沖洗夾具如圖10所示。

圖9　沖洗夾具改進前

圖10　沖洗夾具改進后

4結(jié)論

本文從沖洗夾具的定位夾緊點與裝夾結(jié)構(gòu)進行分析，提出一套可適應(yīng)于多種同種類型多孔腔零件的通

用型沖洗夾具，該夾緊結(jié)構(gòu)不僅裝夾簡單，而且可實現(xiàn)快速裝夾。采用線性加權(quán)法的建模思想對夾緊點的優(yōu)化選擇。利用工件穩(wěn)定性數(shù)學(xué)模型，在沖洗工作與非工作狀態(tài)下，驗證了改進后沖洗夾具的穩(wěn)定性驗證。

[參考文獻]

[1] 郭春華.現(xiàn)代機床夾具的現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2014(6)：135.

[2] 邵連英.加工中心自動交換工作臺的兩種定位和夾緊結(jié)構(gòu)[J].組合機床與自動化加工技術(shù)， 2007(8)：86-87.

[3] 陶潤亮，王利明，尤祺，等.VE泵柱塞外徑 回轉(zhuǎn)臺式自動刷毛刺清洗機設(shè)計[J].現(xiàn)代車用動力，2011，142(2)：53-55.

[4] 卿前茂，姜莉莉，周鑫，等.連桿清洗設(shè)備的氣動夾具設(shè)計[J].液壓與氣動，2012(10)：59-62.

[5] 張燦為，姜莉莉，陳伯豪，等.發(fā)動機連桿清洗夾具方案的研究[J].機床與液壓，2014，42(20)：25-27.

[6] Li B,Melkote N.Fixture clamping force optimiza-tion and its impact on workpiece location accura-cy[J].Advanced Manufacturing Technology,2001,17:104-113.

[7] Gui X W,et al. Modeling of frictional elastic fixtu-re workpiece system for improving location acc- uracy[J].Institute of Industrial Engineers Transa-ctions,1996,28:821-827.

[8] Kulankara K,Melkote SN.Maehining fixture layo-ut optimization using the genetic algorit.Internati-onal Journal of Maehine Tools&Manufaeture,200040(4):579-598.

[9] 周孝倫，張衛(wèi)紅，秦國華,等.基于遺傳算法的夾具布局和夾緊力同步優(yōu)化[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2005，24(3)：339-342.

[10] 秦國華，張衛(wèi)紅，周孝倫.夾緊方案的數(shù)學(xué)建模及夾緊力的優(yōu)化設(shè)計[J].機械科學(xué)與技術(shù)，2008, 24(4)：438-446.

[11] 謝友寶，吳竹溪.夾具夾緊方案優(yōu)化設(shè)計[J].現(xiàn)代機械工程，2005(6)：67-89.

[12] 秦國華，張衛(wèi)紅，萬敏.基于線性規(guī)劃的工件穩(wěn)定性建模及其應(yīng)用[J].機械工程學(xué)報，2005，41(9)：33-34.

(編輯趙蓉)

Study on Clamping Scheme of Washing Fixture for Porous Cavity Parts

CHEN Hua，DU Xiao-tian

(College of Mechanical & Electrical Engineering, Xi′an Technological University,Xi′an 710021,China)

Abstract：In this paper, according to locating and clamping princple of fixture,knowledging the li-mitations of rapid clamping and universal fixture by analysing locating and clamping structure of washing fixture.Comparing the mechanical clamping structure of the fixture, the clamping structu-re with rapid clamping can be given.Taking the reliability principle of parts as the goal to establish a mathematical model of the optimization of clamping points,which solved by using the linear we-ighted method, and the improved scheme of the clamping structure is established.Using the stabili-ty of the part to verify the stability of the parts after the fixture is improved.The results show that the clamping scheme can satisfy the stability of parts and improve the loading speed.

Key words：rapid clamping;fixture layout;linear weighted;workpiece stability

文章編號：1001-2265(2016)06-0124-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.06.033

收稿日期：2015-12-08；修回日期：2016-01-11

*基金項目：陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目(2014KTCQ01-22)

作者簡介：陳樺(1962—)，男，上海人，西安工業(yè)大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為智能制造、制造業(yè)信息化、數(shù)字化集成制造技術(shù)；杜笑天(1990—)，男，陜西華縣人，西安工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為數(shù)字化集成制造技術(shù)，(E-mail)duxiaotian0304@163.com。

中圖分類號：TH12；TG65

文獻標(biāo)識碼：A