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中國.北京.2006.10.9-15
2006年電氣和電子工程師協(xié)會/型鋼的會議錄
討論智能機(jī)器人和操作系統(tǒng)的國際會議
新穎的夾具設(shè)計和基于虛擬現(xiàn)實(shí)的裝配系統(tǒng)
彭高亮 劉文建
哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院
中國.哈爾濱150001.pg17782@hit.edu.cn
摘要—模塊化的裝配是工業(yè)制造中很重要的一個方面，這篇論文討論的是桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對模塊化裝配設(shè)計的作用。對于虛擬環(huán)境設(shè)計，論文提出了設(shè)計方法，這種方法可以幫助設(shè)計師，使他們的設(shè)計可行有效。論文在層次數(shù)據(jù)模型的基礎(chǔ)上，提出了組合夾具裝配的方法。在這些結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在虛擬環(huán)境中，用戶可以在設(shè)計和裝配過程中操縱虛擬模型。此外，人們正在討論如何實(shí)施在加工仿真生產(chǎn)經(jīng)行檢測，最后，案例研究證明了該系統(tǒng)的功能。與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)相比，論文中還為模塊化裝配提出了一個合理的便攜式解決方案設(shè)計。
指數(shù)計算—組合夾具，桌面虛擬現(xiàn)實(shí)，裝配設(shè)計，加工模擬結(jié)果一覽表
Ⅰ.介 紹
模塊化裝配是工業(yè)制造的一個重要方面，準(zhǔn)確的設(shè)計夾具對確保產(chǎn)品質(zhì)量，精度，準(zhǔn)確性，以及完成部分加工是非常重要的。組合夾具是在安全，準(zhǔn)確位置，為交匯處和高標(biāo)準(zhǔn)組件提供支持的一種系統(tǒng)，并支持整個加工過程中的工件【1】。一般來講，夾具設(shè)計者通過經(jīng)驗(yàn)或反復(fù)試驗(yàn)的方法就能確定夾具計劃是不是合適。隨著計算機(jī)技術(shù)，計算機(jī)輔助設(shè)計的出現(xiàn)，計算機(jī)已在組合夾具設(shè)計領(lǐng)域普遍應(yīng)用。
一般情況下，與夾具設(shè)計相關(guān)的活動，即裝配刨，夾具元件設(shè)計，夾具布局設(shè)計，是在機(jī)床發(fā)展的下游才會去考慮。這些古老的做法對銜接設(shè)計和制造都是很不利的。例如，很少有系統(tǒng)能合并機(jī)械檢測的一系列功能。這就導(dǎo)致了在夾具設(shè)計和制造之間產(chǎn)生了一個缺口，這個缺口使得人們不能在設(shè)計階段【2】考慮刀具路徑。因此，在制造設(shè)計中，人們重新設(shè)計也無法避免刀具被夾具元件妨礙的問題。所以，為了把機(jī)系列夾具領(lǐng)入柔性制造的舞臺，更系統(tǒng)，更自然的設(shè)計環(huán)境是人們必須去研究的。
一個綜合的，立體的，互動的環(huán)境通常由計算機(jī)來實(shí)現(xiàn)。在數(shù)十年之內(nèi)【4】，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都是能起到很大作用的人機(jī)接口。在制造業(yè)中，虛擬現(xiàn)實(shí)也有很大的應(yīng)用潛力，它可以在實(shí)際生產(chǎn)之前解決很多問題，從而避免出現(xiàn)一些代價高昂的錯誤。在過去的十年，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)步，為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不同的工程中的應(yīng)用提供了推動作用，例如產(chǎn)品設(shè)計【5】，裝配【6】，加工仿真【7】，培訓(xùn)【8】。本文的目的要闡述如何建立一個基于虛擬現(xiàn)實(shí)的模塊化夾具設(shè)計系統(tǒng)（VMJFDS）。第一步就是為模塊化設(shè)計裝置制定一個綜合的，擬真的環(huán)境。這種應(yīng)用程序在運(yùn)用了自然和啟發(fā)性的方式，這種方式在設(shè)計夾具方面是有優(yōu)勢的，它可以在使用條件，縮短交貨時間，提高夾具生產(chǎn)力和經(jīng)濟(jì)性等諸多方面形成良好的匹配。
Ⅱ.擬議系統(tǒng)的概敘
擬議的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系是基于系統(tǒng)功能要求的模塊，由圖1所示。在系統(tǒng)水平上，有3個擬議模塊的設(shè)計，即圖形界面（GUI），虛擬環(huán)境（VE）和文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫模塊。對于任何一個模塊，某種功能要求由一組對象來實(shí)現(xiàn)。在這篇論文中，詳細(xì)的對象設(shè)計和實(shí)施都省略了。相反，這三個模塊的概簡要說明如下：
1） 圖形界面（GUI）：大體上說圖形用戶界面是一個友好界面，它用于整合虛擬環(huán)境，組合夾具設(shè)計。
2） 虛擬環(huán)境（VE）：虛擬環(huán)境用三維模型把組合夾具系統(tǒng)、虛擬環(huán)境及其組成部分的導(dǎo)航和操作步驟顯示給用戶，如圖所示1，虛擬環(huán)境模塊包括兩部分，即裝配設(shè)計環(huán)境和加工仿真環(huán)境。用戶選擇適當(dāng)?shù)脑?，把這些元件寫在裝配設(shè)計方面的辦公區(qū)域內(nèi)，然后，用執(zhí)導(dǎo)系統(tǒng)把最終的夾具系統(tǒng)建立起來，人們就能把選中的元件逐個的組合起來。
圖1，概述基于組合夾具設(shè)計系統(tǒng)的桌面虛擬現(xiàn)實(shí)
3） 數(shù)據(jù)庫：數(shù)據(jù)庫存放著所有模型的環(huán)境和夾具模塊元件以及該領(lǐng)域的知識和一些典型的例子。如圖1所示，顯示了5個數(shù)據(jù)庫，其中知識和規(guī)則單元是該系統(tǒng)最重要的地方，它管轄著所有夾具設(shè)計的原則。
Ⅲ. 程序化組合夾具設(shè)計
在本節(jié)中，作者提出了在虛擬環(huán)境中有啟發(fā)性的組合夾具設(shè)計程序。除了三維技術(shù)的深入，用戶擁有和真實(shí)世界一樣的操作感覺，這個過程還有情報功能。在設(shè)計過程中，采用智能推理的方法把一些典型的案件和建議提供給用戶作參考，如實(shí)例推理（CBR）和常規(guī)推理（RBR）。此外，相關(guān)知識和規(guī)則作為幫助頁面展現(xiàn)給用戶，用戶就可以在設(shè)計過程中輕松瀏覽了。
概述組合夾具設(shè)計過程總結(jié)，如圖2。虛擬環(huán)境之后就是草簽和工件加載，第一步是夾具規(guī)劃。在這個步驟中，首先用戶決定了夾具計劃，即指定交互夾具要面臨的工件。
為了幫助用戶成功決策，一些有用的個案，以及他們的夾具計劃將通過自動推理檢索方法提供給用戶。一旦選定了要使用的夾具，用戶到就能指定的夾具點(diǎn)。在這這項(xiàng)任務(wù)中，計算機(jī)還給出了一些建議和規(guī)則。
夾具規(guī)劃后，下一步就是夾具元件選擇、設(shè)計階段。在這個階段，用戶可以選擇合適的夾具元件和組裝成夾具需要的特殊部分。根據(jù)該夾具點(diǎn)的空間信息與基本夾具和工件的關(guān)系，一些典型的夾具元件的選擇和建議可以自動提交給用戶，這些都將有助于為用戶服務(wù)。經(jīng)過規(guī)劃和夾具元件選擇這個設(shè)計階段后，下一階段就是把選擇的夾具元件連接到基板上經(jīng)行交互裝配設(shè)計。
當(dāng)外形裝配完成，在加工范圍內(nèi)對結(jié)果進(jìn)行檢查和評估。在這種環(huán)境中執(zhí)行的任務(wù)包括裝配規(guī)劃，加工仿真和夾具評價。裝配規(guī)劃是用于獲得最佳的裝配順序和得到裝配各組件準(zhǔn)確的路徑。加工仿真負(fù)責(zé)制造時的交互檢測。夾具評價是將檢查和評估設(shè)計的結(jié)果。最后，整個設(shè)計過程是在很自然的方式下進(jìn)行，這都得益于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。此外，展示的內(nèi)容和知識可以告訴用戶怎樣才能選擇最好的設(shè)計決策。
Ⅳ. 組合夾具建模
a. 組合夾具結(jié)構(gòu)分析
夾具元件組合起來的一個功能是為了在基板和工件【11】之間創(chuàng)造連接點(diǎn)。一般來說，根據(jù)其結(jié)構(gòu)的基本特征，組合夾具結(jié)構(gòu)可分為3個功能單元，即定位裝置，夾緊裝置，和支持單位。許多夾具元件可能由一個或多個元件組成，其中只有一個元件作為一個定位器，支持器或夾鉗。組合夾具裝配的主要任務(wù)是選擇的支持，定位，夾緊及附件生成夾具，使他們能夠?qū)⒐ぜB接到基板。
通過分析模塊化裝置的實(shí)際應(yīng)用，人們發(fā)現(xiàn)，模塊化裝置通過選擇合適的夾具元件構(gòu)造成夾具，然后把這些夾具安裝到基板上。因此，這些夾具可視為組合夾具系統(tǒng)的部件。此外，組合夾具系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)圖3中表現(xiàn)出來。
圖 2，擬議組合夾具系統(tǒng)程序設(shè)計
b.在虛擬現(xiàn)實(shí)中，用分層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型代表組合夾具
相應(yīng)的虛擬環(huán)境可能含有數(shù)以百萬計的幾何多邊形圖元，這是很正常的。在過去的幾年中，若干個模型計劃，例如作為BSP樹[10]和八叉樹，已提議組成多邊形模型。然而，模塊化設(shè)計的應(yīng)用，相互作用的影響,現(xiàn)場也是動態(tài)變化。例如，在設(shè)計過程中，部分模塊可能改變其空間位置，方向和裝配關(guān)系。
圖3.模塊化夾具系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)
這表明一個靜態(tài)的畫面，如BSP樹，是不夠的。此外，上述模型只能在系統(tǒng)組件的水平上表現(xiàn)夾具布局結(jié)構(gòu)。然而，關(guān)于夾具元件之間的裝配關(guān)系，是指裝配特征之間的嚙合關(guān)系，這些都不會去關(guān)注。在本節(jié)中，為了描繪組合夾具系統(tǒng)，我們提出一個層次化結(jié)構(gòu)和基于約束的數(shù)據(jù)模型，實(shí)時可視化和精確的3D操縱的虛擬環(huán)境。
圖4所示，在高級別的元件模型用于涉及交互式裝配的拆散操作。它證明了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和鏈接組件之間的關(guān)系。以高級別模型為代表的信息可分為兩種類型，即組件對象和裝配關(guān)系。組件對象可以是一個組件或一個部分。一個組件包括各個部分之間的零件和他們的組裝的關(guān)系。
圖. 4層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模型的虛擬環(huán)境
中層基礎(chǔ)模型特征的是建立功能和限制功能。在一般的情況下，在裝配中，裝配關(guān)系往往被視為交配關(guān)系。因此，基礎(chǔ)特征模型用來描述裝配關(guān)系，在裝配操作中，為精確的空間關(guān)系提供必要的信息。在這個模型中，只考慮兩個不同元件之間的特征關(guān)系。下面專題討論，在夾具元件模塊化建模在一個元素之間的功能關(guān)系。
低級別的多邊形基礎(chǔ)模型對應(yīng)以上兩個級別的模型：實(shí)時可視化和層次模型。它描述了以一個相互聯(lián)系的三角曲面網(wǎng)格作為整個表面，更多關(guān)于如何將一個元素組織成多邊形，將在下一節(jié)討論，。
C.夾具元件模塊化建模
眾所周知，在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，夾具元件模塊化建模只是表示為多邊形的數(shù)目。將CAD系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換到VR系統(tǒng)中，拓?fù)潢P(guān)系和參數(shù)信息中的結(jié)果將會丟失。為了避免這些問題出現(xiàn)，本節(jié)我們將討論夾具元件建模的計劃。
夾具元件模塊化是以標(biāo)準(zhǔn)尺寸為依據(jù)預(yù)先制造的部件。計劃夾具設(shè)計完之后，接下來的任務(wù)是選擇合適標(biāo)準(zhǔn)的元件，裝配這些元件以形成一個可行的夾具系統(tǒng)。因此，在建議的制度下，需要考慮夾具元件裝配功能。
在這篇論文中，裝配特征是作為一個夾具的屬性，這個屬性提供相關(guān)的確切信息來保證夾具的模塊化設(shè)計和組裝/拆卸。以下八個功能被定義為組合夾具元件的裝配特征：支持面，被支持面，定位孔，擴(kuò)孔孔，螺紋孔，固定槽，和螺栓。除了類型和尺寸等特征信息外，其他參數(shù)，如相對位置，元素在局部坐標(biāo)系統(tǒng)中的定位特征等，在夾具元件的數(shù)據(jù)庫中都用幾何模型記錄下來。當(dāng)一個元件和另一個元件組裝起來時候的，檢索出來的交配功能信息可以決定兩個元件的空間關(guān)系。更多關(guān)于裝配特征及其交配關(guān)系的資料進(jìn)行了討論參考詳情[11]。
D.在虛擬環(huán)境中以約束為基礎(chǔ)的夾具裝配
1）夾具元件之間的裝配關(guān)系
交配關(guān)系是在裝配現(xiàn)場組裝是被定義的。根據(jù)上一節(jié)總結(jié)的裝配特征，交配夾具元件有五種關(guān)系類型。即依賴關(guān)系，擬合關(guān)系，螺紋嚙合，交叉關(guān)系，和 T型槽配合關(guān)系，如圖 5所示?；谶@些交配關(guān)系，我們可以推斷，任何兩個元件夾具可能的裝配關(guān)系。
2）裝配關(guān)系的推理
一般來說，兩個組裝零件的裝配關(guān)系是代表著它們的組裝交配功能。上面的部分，我們定義了夾具元件之間五個基本交配關(guān)系。因此，通過可能出現(xiàn)的裝配關(guān)系決定啟用那種可能的交配特征。為了在下一階段的裝配，把這些可能的夾具裝配關(guān)系存放在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中（ARDB）。
然而，當(dāng)夾具復(fù)雜，復(fù)合夾具元件的數(shù)量多時，要花費(fèi)很多時間來推斷和處理這些可能的裝配關(guān)系。為了避免這種情況，首先我們要確定可能的組裝元件對。但是為了避免推理夾具和底板的之間的裝配關(guān)系，我們絕對不能將他們組裝在一起。在這個階段，人們利用一些規(guī)則來尋找可能的元件組裝對。組裝的推理算法類似于在文獻(xiàn)[12]中討論的。因此，詳細(xì)的算法描述在這篇論文中被忽略了。
3）基于約束的夾具裝配
進(jìn)行裝配關(guān)系推理的之后，所有被選擇的可能的裝配關(guān)系都建立在ARDB中，并被保存起來。在這些關(guān)系的基礎(chǔ)上，人們可以把單個零件組裝成夾具系統(tǒng)。這部分是討論關(guān)于在虛擬環(huán)境中互動裝配的操作。單一的裝配過程如圖5所示，并介紹了兩個簡單的部件裝配如圖6所示。
一般來說，裝配操作過程分為三個步驟，即裝配關(guān)系的認(rèn)識，
約束的分析和應(yīng)用，基于約束的議案。
首先，技師選擇一個元件，將它移動給組裝組件。在移動過程中，一旦推理組裝和組裝組件的被檢測到，推斷特征就能選中了。如果這兩個特征是在ARDB數(shù)據(jù)庫中的儲存的裝配關(guān)系之一，他們將突出顯示，并等待用戶確認(rèn)。一旦被用戶確認(rèn)，這種被確認(rèn)的裝配關(guān)系將運(yùn)用約束理論來分析和解決問題，這是為了平移調(diào)整組裝元件的方向，以滿足這兩個組件的位置關(guān)系，以及應(yīng)用新的約束來組裝元件。當(dāng)應(yīng)用了新的約束，對裝配元件的運(yùn)動將被映射到一個約束空間。這樣做的目的，可以通過3D移動數(shù)據(jù)，把物體的輸入裝置轉(zhuǎn)換成允許的移動。基于約束的運(yùn)動不但保證了組件的可獲得確切位置，而且還保證了在將來的運(yùn)動中，現(xiàn)有的約束不會受到侵犯。繼續(xù)運(yùn)用確認(rèn)和約束的裝配關(guān)系，這種裝配元件將能到達(dá)最終的位置。
Ⅴ.加工仿真
a. 制造的相互影響
在加工過程中，與夾具有關(guān)的有多種類型的制造交互作用都有可能發(fā)生。這些相互作用可以分為兩大類別如下圖所示，即靜態(tài)的相互作用和動態(tài)的相互作用。
1）靜態(tài)的相互作用是指夾具部件之間的干擾、夾具組件和機(jī)器工具之間的干涉、在工件安裝中夾具元件和機(jī)械加工工件之間的干擾.
2）動態(tài)交互是指參考夾具的相互作用，它發(fā)生在一個單一的工具和操作時的夾具用在切割過程中操作可能會發(fā)生碰撞。
一般來說，加工過程和刀具路徑等方面是沒有考慮在夾具設(shè)計階段的。因此，這些相互作用可能常常發(fā)生在實(shí)際制造過程中。所以，機(jī)械師們必須花很多時間去查明和解決這些相互作用, 它往往導(dǎo)致夾具系統(tǒng)修改或重新設(shè)計，這是繁瑣和昂貴工程。
b. 干擾檢測
但是目前的商業(yè)軟件，如VERICUT軟件，在實(shí)際加工
工件之前，這些軟件可以模擬數(shù)控加工來檢測刀具路徑錯誤和低效率的運(yùn)動。在部分編程階段，它可用于避免一些錯誤，如損壞燈具，打斷刀具，或撞毀機(jī)器等. 然而，這些軟件價格昂貴，而且面向數(shù)控編程，不適合的夾具設(shè)計。在夾具的設(shè)計階段，應(yīng)確保避免相關(guān)的夾具之間的相互作用。在這個
系統(tǒng)中，當(dāng)夾具配置齊全后，加工仿真模塊是提交給用戶
識別，讓用戶來解決他們之間的相互作用。在加工仿真環(huán)境中，提供了機(jī)床的三維數(shù)字模型。人們可在工作臺上組裝工件和安裝夾具組件，正如加工工程師做的實(shí)際的網(wǎng)站上一樣。在安裝過程，組件和夾具工件移動到它們的裝配位置。干擾檢查模塊被執(zhí)行。如果發(fā)生干擾，推斷的對象將被顯現(xiàn)。它
可以調(diào)整裝配順序或裝配路徑這樣可避免的干擾。但是，如果不能避免干擾，用戶就必須更改元件或夾具單元。
安裝后的工件，刀具的運(yùn)動是在CAM系統(tǒng)中，根據(jù)模擬生成的刀具路徑。對于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，穩(wěn)固，動態(tài)，優(yōu)越的三維圖形允許刀具運(yùn)動在屏幕上可視化的表現(xiàn)出來。因此，模擬刀具路徑允許用戶關(guān)閉檢查，如果發(fā)生的干擾，并提供干擾信息。
Ⅵ.建議制度的執(zhí)行情況與個案研究
A. 桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)接口
為了裝備最后的部分，夾具設(shè)計工程師用一個自然界面來實(shí)現(xiàn)更有效的設(shè)計。在圖形用戶界面參考了虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)軟件，通過隱藏窗口的大多數(shù)內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)設(shè)計的。在圖形用戶界面（圖7）包括虛擬現(xiàn)實(shí)顯示一個主窗口，一個右手組成工具欄和狀態(tài)欄底部的輸出按鈕。系統(tǒng)和用戶之間的交互鼠標(biāo)和鍵盤輸入通過實(shí)現(xiàn)。該工具欄為開發(fā)的系統(tǒng)提供的所有的功能。
圖七.圖形用戶界面組合夾具設(shè)計系統(tǒng)
B 研究案例
在模塊化夾具設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)出桌面虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)用一個個例完美的闡述。工件加工過程如圖 6。面銑刀在頂面執(zhí)行，隨后就完成了來那個臺階孔。為了工件步驟和指導(dǎo)步驟，用戶設(shè)計了這是一個模塊化的夾具系統(tǒng)。該夾具規(guī)劃模塊已應(yīng)用于一個可行的設(shè)計方案。在這個模塊中，定位，夾緊和支持的面，以及定位，支持和夾緊點(diǎn)，則取決于相應(yīng)的的知識基礎(chǔ)和夾具啟發(fā)式規(guī)則。
在此之后，用戶在元素存放區(qū)探索并選擇適當(dāng)?shù)膴A具元件完成夾具上各點(diǎn)的空間要求。當(dāng)完成后，用戶移動到裝配設(shè)計區(qū)域，把選定的元素放在在書桌上，如圖所示 8（a）。下一個的任務(wù)是選定元件來完成夾具結(jié)構(gòu)分布。在虛擬環(huán)境中，用戶可以自然的方式裝配夾具元件。如圖所示圖。 8（b）項(xiàng)，例如模塊化的夾具系統(tǒng)的最后配置，工件的形成。
當(dāng)夾具配置完成后，下一階段是加工推理的模擬檢測。如圖9（a）和圖9（b）項(xiàng)所示，夾具系統(tǒng)的構(gòu)建安裝在一臺數(shù)控機(jī)床并且模擬了刀具路徑執(zhí)行情況。
Ⅶ.結(jié)論
對于組合夾具的設(shè)計制造，我們已經(jīng)提出并制定了桌面虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境 。提供了該建議的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，即裝配設(shè)計環(huán)境和加工仿真環(huán)境的設(shè)計。通過分析組合夾具結(jié)構(gòu)，層次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)模塊，以及XML提出了基礎(chǔ)夾具元件。從而準(zhǔn)確在虛擬現(xiàn)實(shí)模型中操作，實(shí)現(xiàn)組合夾具設(shè)計和裝配。此外，還要總結(jié)夾具元件之間的裝配關(guān)系和描述在虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中的裝配操作過程的。加工制造業(yè)的模擬檢查中，使用該方法。最后一個案例研究的提出，用來說明我們的集成系統(tǒng)。
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【9】 Zhong Y. M., Wolfgang M. W., Ma. W. Y.，“直觀，準(zhǔn)確的固體造型限制導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境“，第六屆國際可視化信息會議（IV'02）[?]，英國倫敦，2002，第389 - 398頁。
【10】 Naylor BF，“樹集合圖像描述，連續(xù)的三維幾何模型”In：電力系統(tǒng)及其圖形連接'92，加拿大溫哥華，1992年5月，第201-212頁。
【11】 Yong Bai, Rong Y.，“，模塊化建模和裝配夾具元件關(guān)系的分析，來實(shí)現(xiàn)自動化夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計“工程設(shè)計與自動化，4（2），1998年，第147-162頁。
【12】 Ram Anantha，, Glenn A. Krammer and Richard H. Crawford，“幾何約束裝配建模”，計算機(jī)輔助設(shè)計，28（9），1996，第707 - 722頁。
機(jī)械加工工序卡
產(chǎn)品型號
零件圖號
產(chǎn)品名稱
齒輪套
零件名稱
齒輪套
共
2
頁
第
1
頁
車間
工序號
工序名稱
材 料 牌 號
3
粗鏜
毛 坯 種 類
毛坯外形尺寸
每毛坯可制件數(shù)
每 臺 件 數(shù)
鍛件
114×67
1
1
設(shè)備名稱
設(shè)備型號
設(shè)備編號
同時加工件數(shù)
臥式鏜床
T68
1
夾具編號
夾具名稱
切削液
專用夾具
工位器具編號
工位器具名稱
工序工時
準(zhǔn)終
單件
9.33
工步號
工 步 內(nèi) 容
工 藝 裝 備
主軸轉(zhuǎn)速
切削速度
進(jìn)給量
背吃刀量
進(jìn)給次數(shù)
工步工時
r/min
m/min
mm/r
mm
機(jī)動
輔助
1
粗銑?30?內(nèi)孔，單邊加工余量為1.3mm
專用夾具,鏜刀,內(nèi)徑百分深度百分尺
500
45.55
0.74
1.3
1
9.33s
設(shè) 計（日 期）
審 核（日期）
標(biāo)準(zhǔn)化（日期）
會 簽（日期）
標(biāo)記
處數(shù)
更改文件號
簽 字
日 期
標(biāo)記
處數(shù)
更改文件號
簽 字
日 期
2016.1.27
太原理工大學(xué)
機(jī)械加工工序卡
產(chǎn)品型號
零件圖號
產(chǎn)品名稱
齒輪套
零件名稱
齒輪套
共
2
頁
第
1
頁
車間
工序號
工序名稱
材 料 牌 號
8
半精鏜
毛 坯 種 類
毛坯外形尺寸
每毛坯可制件數(shù)
每 臺 件 數(shù)
鍛件
111×64
1
1
設(shè)備名稱
設(shè)備型號
設(shè)備編號
同時加工件數(shù)
臥式鏜床
T68
1
夾具編號
夾具名稱
切削液
專用夾具
工位器具編號
工位器具名稱
工序工時
準(zhǔn)終
單件
工步號
工 步 內(nèi) 容
工 藝 裝 備
主軸轉(zhuǎn)速
切削速度
進(jìn)給量
背吃刀量
進(jìn)給次數(shù)
工步工時
r/min
m/min
mm/r
mm
機(jī)動
輔助
1
半精鏜?30內(nèi)孔，雙邊加工余量為1mm，鏜倒角。
專用夾具,鏜刀,內(nèi)徑百分深度百分尺
800
75.4
0.37
0.5
1
12.17s
設(shè) 計（日 期）
審 核（日期）
標(biāo)準(zhǔn)化（日期）
會 簽（日期）
標(biāo)記
處數(shù)
更改文件號
簽 字
日 期
標(biāo)記
處數(shù)
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日 期
2016.1.27
機(jī)械加工工藝過程卡片
產(chǎn)品型號
零件圖號
產(chǎn)品名稱
齒輪套
零件名稱
齒輪套
共
1
頁
第
1
頁
材 料 牌 號
45鋼
毛 坯 種 類
鍛件
毛坯外形尺寸
114×67
每毛坯可制件數(shù)
1
每 臺 件 數(shù)
1
備 注
工
序
號
工 名
序 稱
工 序 內(nèi) 容
車
間
工
段
設(shè) 備
工 藝 裝 備
工 時 /s
準(zhǔn)終
單件
1
鍛造
2
時效處理
3
粗鏜
粗鏜?30?內(nèi)孔，雙邊加工余量為3mm。
T68臥式鏜床
內(nèi)徑百分尺、深度百分尺、專用夾具、硬質(zhì)合金鏜刀
9.33
4
粗車
粗車?63外圓，雙邊加工余量為3mm。粗車齒輪右端面，加工余量為1.5mm。
C620-1臥式車床
硬質(zhì)合金車刀、游標(biāo)卡尺、外徑千分尺、專用夾具
25.4
5
粗鏜
粗鏜?32內(nèi)孔，雙邊加工余量為6mm，鏜倒角。
T68臥式鏜床
內(nèi)徑百分尺、深度百分尺、專用夾具、硬質(zhì)合金鏜刀
10.3
6
粗車
粗車?40端面，齒輪左端面，加工余量為1.5mm。粗車?42外圓，雙邊加工余量為3mm。粗車?40外圓，雙邊加工余量為2mm
C620-1臥式車床
硬質(zhì)合金車刀、游標(biāo)卡尺、外徑千分尺、專用夾具
77.95
7
拉鍵槽
拉鍵槽
L6110臥式拉床
鍵槽拉刀、專用夾具、
20
8
半精鏜
半精鏜?30內(nèi)孔，雙邊加工余量為1mm，鏜倒角。
T68臥式鏜床
內(nèi)徑百分尺、深度百分尺、專用夾具、硬質(zhì)合金鏜刀
12.17
9
半精車
半精車?63外圓，雙邊加工余量為1mm。半精車齒輪右端面，加工余量為0.5mm。車倒角。
C620-1臥式車床
硬質(zhì)合金車刀、游標(biāo)卡尺、外徑千分尺、專用夾具
16.2
10
半精車
半精車?40端面，齒輪左端面，加工余量為0.5mm。半精車?42外圓，雙邊加工余量為1mm。半精車?40外圓，雙邊加工余量為1mm。車溝槽，倒角。
C620-1臥式車床
硬質(zhì)合金車刀、游標(biāo)卡尺、外徑千分尺、專用夾具
26.87
11
鉆孔
鉆Φ8.5孔
Z518立式鉆床
游標(biāo)卡尺、專用夾具、直柄麻花鉆
3.9
12
滾齒
滾齒
Y3150滾齒機(jī)
公法線百分尺、高速鋼單頭滾刀、專用夾具
96.97
13
淬火
淬火
14
磨削
磨削?40，?42外圓，雙邊加工余量為0.4mm。
M114W萬能外圓磨床
砂輪、專用夾具、
65
15
磨削
磨削?30內(nèi)孔，雙加工余量為0.4mm
M2110
砂輪、專用夾具
63
16
終檢
設(shè) 計（日 期）
校 對（日期）
審 核（日期）
標(biāo)準(zhǔn)化（日期）
會 簽（日期）
2016.1.27
標(biāo)記
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日 期
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日 期
課 程 設(shè) 計 說 明 書
課程名稱：機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計
設(shè)計題目：齒輪套零件的機(jī)械加工工藝規(guī)程及工藝裝備設(shè)計
姓 名：
專業(yè)班級：
指導(dǎo)教師：
2016年1月27日
理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院
3
太原理工大學(xué)課程設(shè)計說明書
目錄
摘要 3
第一章 緒論 4
第二章 齒輪套的加工工藝規(guī)程規(guī)定 5
2.1 零件的分析 5
2.1.1零件的作用 5
2.1.2零件的工藝分析 5
2.2 確定生產(chǎn)類型 6
2.3 確定毛坯 6
2.3.1 確定毛坯種類 6
2.3.2 確定鑄造加工量及形狀 6
2.3.3 繪制毛坯圖 8
2.4 工藝規(guī)程設(shè)計 8
2.4.1 選擇定位基準(zhǔn) 8
2.4.2 制定工藝路線 9
2.4.3 選擇加工設(shè)備和工藝設(shè)備 10
2.4.4 機(jī)械加工余量、工序尺寸及公差的確定 11
2.5 確定切削用量及基本工時 13
2.5.1粗鏜Φ30內(nèi)孔 13
2.5.2粗車Φ67外圓及齒輪右端面 13
2.5.3粗鏜Φ32內(nèi)孔 16
2.5.4 粗車左端面及Φ46.4外圓、Φ43.4外圓 17
2.5.5拉鍵槽 18
2.5.6半精鏜Φ30內(nèi)孔 19
2.5.7 半精車Φ63 20
2.5.8半精車Φ43.4，Φ41.4外圓，端面 21
2.5.9鉆Φ8.5孔 23
2.5.10滾齒 24
2.5.11 磨削外圓 25
2.5.12 磨削內(nèi)孔 26
2.6 本章小結(jié) 27
第三章 鏜Φ30內(nèi)孔夾具設(shè)計 28
3.1設(shè)計要求 28
3.2 夾具設(shè)計 28
3.2.1 定位基準(zhǔn)的選擇 28
3.2.2 切削力及夾緊力的計算 28
3.3 定位誤差的分析 31
參考文獻(xiàn) 33
致謝 34
摘要
本文是對齒輪套零件加工應(yīng)用及加工的工藝性分析，主要包括對零件圖的分析、毛坯的選擇、零件的裝夾、工藝路線的制訂、刀具的選擇、切削用量的確定、加工工藝文件的填寫。選擇正確的加工方法，設(shè)計合理的加工工藝過程。此外還對軸承座零件的一道工序的加工設(shè)計了專用夾具.
機(jī)床夾具的種類很多，其中，使用范圍最廣的通用夾具，規(guī)格尺寸多已標(biāo)準(zhǔn)化，并且有專業(yè)的工廠進(jìn)行生產(chǎn)。而廣泛用于批量生產(chǎn)，專為某工件加工工序服務(wù)的專用夾具，則需要各制造廠根據(jù)工件加工工藝自行設(shè)計制造。本論文夾具設(shè)計的主要內(nèi)容是設(shè)計齒輪套齒輪上加工Φ30孔的鏜床夾具設(shè)計。
太原理工大學(xué)課程設(shè)計說明書
第一章 緒論
機(jī)械制造業(yè)是制造具有一定形狀位置和尺寸的零件和產(chǎn)品，并把它們裝備成機(jī)械裝備的行業(yè)。機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品既可以直接供人們使用，也可以為其它行業(yè)的生產(chǎn)提供裝備，社會上有著各種各樣的機(jī)械或機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品。我們的生活離不開制造業(yè)，因此制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要行業(yè)，是一個國家或地區(qū)發(fā)展的重要基礎(chǔ)及有力支柱。從某中意義上講，機(jī)械制造水平的高低是衡量一個國家國民經(jīng)濟(jì)綜合實(shí)力和科學(xué)技術(shù)水平的重要指標(biāo)。
齒輪套零件加工工藝及夾具設(shè)計是在學(xué)完了機(jī)械制圖、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)、機(jī)械設(shè)計、機(jī)械工程材料等的基礎(chǔ)下，進(jìn)行的一個全面的考核。正確地解決一個零件在加工中的定位，夾緊以及工藝路線安排，工藝尺寸確定等問題，并設(shè)計出專用夾具，保證尺寸證零件的加工質(zhì)量。本次設(shè)計也要培養(yǎng)自己的自學(xué)與創(chuàng)新能力。因此本次設(shè)計綜合性和實(shí)踐性強(qiáng)、涉及知識面廣。所以在設(shè)計中既要注意基本概念、基本理論，又要注意生產(chǎn)實(shí)踐的需要，只有將各種理論與生產(chǎn)實(shí)踐相結(jié)合，才能很好的完成本次設(shè)計。
本次設(shè)計水平有限，其中難免有缺點(diǎn)錯誤，敬請老師們批評指正。
第二章 齒輪套的加工工藝規(guī)程規(guī)定
2.1 零件的分析
2.1.1零件的作用
題目所給的零件是齒輪套。齒輪套是屬于齒輪的一種。齒輪套的用途很廣泛，是各種機(jī)械設(shè)備零件中的重要零件，例如機(jī)床，飛機(jī)，輪船等等都要使用齒輪套。齒輪套的主要作用是調(diào)整機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速和力矩，傳遞動力；改變動力輸出的旋轉(zhuǎn)方向等。
2.1.2零件的工藝分析
圖2.1 齒輪套零件圖
零件的材料為45鋼，鍛造性能和切削加工性能優(yōu)良。以下是齒輪套需要加工的表面以及加工表面之間的位置要求：
(1) 中心圓孔,Φ32，Φ30。
(2) 端面與中心孔有垂直度
(4) 外圓表面與中心孔Φ30有位置關(guān)系。
由上面分析可知，可以先粗加工加工齒輪套內(nèi)孔，然后以此作為基準(zhǔn)加工Φ30孔，再以孔為基準(zhǔn)采用專用夾具進(jìn)行精加工，并且保證位置精度要求。再根據(jù)各加工方法的經(jīng)濟(jì)精度及機(jī)床所能達(dá)到的位置精度，并且此齒輪套零件沒有復(fù)雜的加工曲面，所以根據(jù)上述技術(shù)要求采用常規(guī)的加工工藝均可保證。
2.2 確定生產(chǎn)類型
已知此軸承座零件的生產(chǎn)類型屬于中批量生產(chǎn)，所以初步確定工藝安排為：加工過程劃分階段；工序應(yīng)當(dāng)分散；加工設(shè)備以通用設(shè)備為主，大量采用專用工裝。
2.3 確定毛坯
2.3.1 確定毛坯種類
零件材料為45鋼?？紤]零件結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)批量大，毛坯精度要求不高，從高效低成本綜合考慮，選擇模鍛成型鍛造毛坯。
2.3.2 確定鑄造加工量及形狀
查《機(jī)械制造工藝設(shè)計簡明手冊》表2.2-25
確定加工余量及鍛件毛坯尺寸如下表：
表2.1 毛坯尺寸
零件尺寸
單面加工余量
鍛件尺寸
110
2
114
19
2
23
Φ40
3.2
Φ46.4
Φ42
2.2
Φ46.4
Φ30
2
Φ26
Φ63
2
Φ67
查《機(jī)械制造工藝設(shè)計簡明手冊》表2.2-13
確定毛坯尺寸偏差如下表：
表1.2 毛坯尺寸偏差
鍛件尺寸
偏差
114
114-0.61.2
23
23-0.20.8
Φ46.4
Φ464-0.51.1
Φ26
Φ26-10.4
Φ67
Φ67-0.51.1
2.3.3 繪制毛坯圖
圖2.2 齒輪套毛坯圖
2.4 工藝規(guī)程設(shè)計
2.4.1 選擇定位基準(zhǔn)
1）粗基準(zhǔn)的選擇
以零件的內(nèi)孔為主要的定位粗基準(zhǔn)，以左端面輔助粗基準(zhǔn)。
2）精基準(zhǔn)的選擇
考慮要保證零件的加工精度和裝夾準(zhǔn)確方便，依據(jù)“基準(zhǔn)重合”原則和“基準(zhǔn)統(tǒng)一”原則，以加工后的Φ30為主要的定位精基準(zhǔn)，以已加工的右平面輔助的定位精基準(zhǔn)。
3）在鉆孔時以鍛造的孔一側(cè)作輔助定位基準(zhǔn)
2.4.2 制定工藝路線
根據(jù)零件的幾何形狀、尺寸精度及位置精度等技術(shù)要求，以及加工方法所能達(dá)到的經(jīng)濟(jì)精度，在生產(chǎn)綱領(lǐng)已確定的情況下,可以考慮采用各種機(jī)床配以專用夾具,并盡量使工序集中來提高生產(chǎn)率。除此之外，還應(yīng)當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)效果，以便使生產(chǎn)成本盡量下降。選擇零件的加工方法及工藝路線方案如下：
表2.3 工藝路線
工序一
鍛造
工序二
時效處理
工序三
粗鏜Φ30內(nèi)孔
工序四
粗車齒輪右端面，粗車Φ63外圓
工序五
粗鏜Φ32內(nèi)孔，鏜倒角
工序六
粗車Φ40端面，粗車齒輪左端面，粗車Φ42外圓，粗車Φ40外圓
工序七
拉鍵槽
工序八
半精鏜Φ30內(nèi)孔，鏜倒角
工序九
半精車齒輪右端面，半精車Φ63外圓，車倒角
工序十
半精車Φ40端面，半精車齒輪右端面，半精車Φ42外圓，半精車Φ40外圓，車倒角、溝槽
工序十一
鉆Φ8.5孔
工序十二
滾齒
工序十三
淬火
工序十四
磨削Φ42外圓，磨削Φ40外圓
工序十五
磨削Φ30內(nèi)孔
工序十六
終檢入庫
2.4.3 選擇加工設(shè)備和工藝設(shè)備
1）機(jī)床的選擇
工序四、六、九、十、采用C620-1臥式車床
工序三、五、八采用T68臥式鏜床
工序十一采用Z3025立式鉆床
工序七采用L6110臥式拉床
工序十二采用Y3150滾齒機(jī)
工序十四采用M114W萬能外圓磨床
工序十五采用M2110內(nèi)圓磨床
2）選擇夾具
該齒輪套的生產(chǎn)綱領(lǐng)為大批生產(chǎn)，所以采用專用夾具。
3）選擇刀具
在車床上加工的各工序，采用硬質(zhì)合金車刀即可保證加工質(zhì)量，鉆床加工采用高速鋼復(fù)合鉆頭，零件加工內(nèi)孔較小，使用硬質(zhì)合金鏜刀加工。
4）選擇量具
加工的孔均采用極限量規(guī)。
5）其他
對垂直度誤差采用千分表進(jìn)行檢測，對角度尺寸利用專用夾具保證，其他尺寸采用通用量具即可。
2.4.4 機(jī)械加工余量、工序尺寸及公差的確定
1）圓柱面工序尺寸的確定：
表2.2 圓柱面工序尺寸
加工表面
加工內(nèi)容
單邊加工余量
精度等級
工序尺寸
表面粗糙度
工序余量
最小
最大
Φ32
粗鏜
3
IT12
Φ32
12.5
3
3.105
Φ30
粗鏜
1.3
IT12
Φ28.6
6.3
1.5
1.605
半精鏜
0.5
IT8
Φ29.6
3.2
0.435
0.5115
磨削
0.2
IT7
Φ30
1.6
0.1835
0.2105
Φ40
粗車
1
IT12
Φ41.4
6.3
1
1.125
半精車
0.5
IT9
Φ40.4
3.2
0.375
0.531
磨削
0.2
IT8
Φ40
0.8
0.169
0.2125
Φ42
粗車
1.5
IT12
Φ43.4
6.3
1.5
1.625
半精車
0.5
IT9
Φ42.4
3.2
0.375
0.531
磨削
0.2
IT8
Φ42
0.8
0.169
0.2125
Φ63
粗車
1.5
IT12
Φ64
6.3
1.5
1.625
半精車
0.5
IT9
Φ63
3.2
0.375
0.55
2) 軸向工序尺寸的確定
表2.3 軸向工序尺寸
加工內(nèi)容
加工余量
基本尺寸
經(jīng)濟(jì)精度
粗車齒輪右端面
1.5
112.5
IT12
粗車Φ40端面
1.5
111
IT12
粗車齒輪左端面
1.5
20
IT12
半精車齒輪右端面
0.5
110.5
IT9
半精車Φ40端面
0.5
110
IT9
半精車齒輪左端面
0.5
19
IT9
2.5 確定切削用量及基本工時
2.5.1粗鏜Φ30內(nèi)孔
所選用刀具為YT5硬質(zhì)合金鏜刀,選用T68臥式鏜床。
1）確定切削深度ap
ap=1.3mm
2）確定進(jìn)給量f
根據(jù)《實(shí)用機(jī)械加工工藝手冊》表9-145，查得粗鏜時，選用硬質(zhì)合金刀頭，加工材料為鋼時：
v=40~60m/min f=0.3~1.0mm/r
按機(jī)床的進(jìn)給量（表4.2—21），選擇，
f=0.74mm/r
3）確定機(jī)床轉(zhuǎn)速n
n=500r/min=8.33r/s
4）計算基本工時
選鏜刀的主偏角kr=45°，則L1=3.5mm，L=54mm，L2=L3=0,f=0.74mm/r ，n=8.33r/s則：
T=3.5+540.74×8.33=9.33S
2.5.2粗車Φ67外圓及齒輪右端面
本工序?yàn)榇周?。已知加工材料?5鋼，σb=670Mpa，鍛件，有外皮，機(jī)床為C620-1臥式車床，工件裝在專用夾具中。
確定粗車外圓Φ67外圓的切削用量 所選刀具為YT5硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀。根據(jù)《切削用量簡明手冊》第一部分表1.1，由于C620-1機(jī)床中心高為200mm（表1.30），故選擇刀桿尺寸B×H=16mm ×25mm,刀片厚度為4.5mm。根據(jù)表1.3，選擇車刀形狀為卷屑槽帶倒菱形前刀面，前角γ0=12°，后角α0=6°，主偏角κ0=90°，副偏角κ0'=10°，刃傾角λ0=0°，刀尖圓弧半徑r=0.8mm。
1) 確定切削深度ap 最大單邊加工余量為2.2mm，可在一次走刀完成，故粗加工余量取1.5mm，
2) 確定進(jìn)給量f 根據(jù)表《切削用量簡明手冊》表1.4，在粗車鋼料，刀桿尺寸為16mm × 25mm，ap≤3mm，工件直徑在60~100mm時，
f=0.4~0.7mm/r
按C620-1車床說明書選擇
f=0.55mm/r
確定的進(jìn)給量尚需滿足車床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的要求，故需進(jìn)行校驗(yàn)。
根據(jù)C620-1車床說明書，其進(jìn)給機(jī)構(gòu)允許的進(jìn)給力Fmax=3530N,
根據(jù)表《切削用量簡明手冊》1.21，但鋼料σb=570~670Mpa，ap≤2mm，f≤0.75mm，κr=45°，v=65m/s（預(yù)計）時，進(jìn)給力F=760N，
Ff的修正系數(shù)為kγ0Ff=1.0，kλsFf=1.0，kκrFf=1.17(表1.29—2)，故實(shí)際進(jìn)給力Ff=760×1.17=889.2N
由于切削時進(jìn)給力小于機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)允許的進(jìn)給力，故所選的f=0.65mm/r可用。
3） 選擇車刀磨鈍標(biāo)準(zhǔn)及耐用度 根據(jù)《切削用量簡明手冊》表1.9，車刀后刀面最大磨損量取為1mm，可轉(zhuǎn)位車刀耐用度T=30min。
4）確定切削速度v 切削速度v可根據(jù)公式計算，也可直接由表中查出?，F(xiàn)采用查表法確定切削速度。
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表1.10，但用YT15硬質(zhì)合金車刀加工σb=600~700Mpa鋼料，ap≤3mm，f≤0.75mm/r，切削速度v=109m/min。
切削速度的修正系數(shù)ksv=0.8，ktv=0.65，kκrv=0.81，kTv=1.15，kMv=kkv=1.0(均見表1.28)，故
V=109×0.8×0.65×0.81×1.15m/min=52.8m/min
n=1000vπd=1000×52.5π×67=250.85r/min，
按C620-1機(jī)床轉(zhuǎn)速（表4.2-8），選擇
n=230r/min
此時實(shí)際切削速度VC=48.41m/min。
5）校驗(yàn)機(jī)床功率 由《切削用量簡明手冊》表1.24，但σb=580~970Mpa，HBS=166~277，ap≤2.0mm，f≤0.6mm/r，v≤57m/min時，Pc=1.7kw
切削功率的修正系數(shù)kκrPc=1.17，kγ0Pc=kMpc=kKPc=1.0，kTPc=1.13，kSPc=0.8，ktPc=0.65（表1.28），故實(shí)際切削時的功率為： Pc=0.72KW
根據(jù)《切削用量簡明手冊》表1.30，但n=230r/min，機(jī)床主軸允許功率PE=5.9KW，Pc
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