一种消除元件误差的孔系组合夹具系统

A hole-pin modular fixture system for eliminating the component inaccuracyYANG Kangyi。WU Yuguang(Hangzhou Dianzi University，Hangzhou 310018，CHN)Abstract：A hole-pin modular fixture automatic designing method which can eliminate the component inaccuracy ofthe fixture is proposed in this paper，and a hole-pin modular fixture system combining software andhardware is designed.The dependence of the fixture manufacturing accuracy is avoided by this system ，which can reduce the fixture manufacturing accuracy，then enormously reduce the cost of the hole-pinmodular fixture.First，an ideal fixture locating plan is created using the theoretical size.Then the trueposition of the work-piece relative to the fixture considering the actual size of components is solved withthe establishment of a mathematical mode1.Finally，a software prototype system is developed based onthe secondary developing tools Pro/Toolkit and language VC6.0 on the Pro/E developing platform。

Keywords：Locating Plan；Automatic Design；Hole-pin Modular Fixture；Eliminate Component Inaccuracy常规的孔系组合夹具由基村和-组可拆装的定位元件和夹紧元件组成，基村上有阵列布置的具有精确间距的定位孔和紧固孔，根据工件的具体形状，将夹具元件安装到基村适当的定位孔上来组成-个夹具整体∽系组合夹具元件简单、结构紧凑，但是目前仍有两个问题制约着它的进-步推广。首先，孔系组合夹具的元件只能安装在基村的定位孑L上，元件位置不能实现随意调节，使得其定位装夹方案的设计只能依靠个人经验和反复试凑，效率低且工作量大；其次，孔系组合夹具的制造成本很高，主要是由于夹具基村上定位孔的位置精度和夹具定位元件的尺寸精度要求很高。

针对定位方案设计，已有很多学者进行了深入的研究。Goldberg利用枚举算法在孔系组合夹具上自动国家自然科学基金资助项目(51175132，50875069)找出工件侧面定位元件位置。Gologlu利用启发式规则与几何推理-起来支持特征归类，优先考虑特征加工和定位基准选择 。融亦鸣等以基村上定位孔的位置为参数建立定位元件必须满足的非线性方程组，首先判断非线性方程是否有解，进而解非线性方程组求出定位元件位置 。Perreroans开发了可以进行装夹规划如输入定位、夹紧、支撑表面等的专家系统，并可通过专家系统实现组合夹具元件的组装 。

这些方法能够使用的前提是必须具有很高定位精度的夹具 ，而通过提高夹具元件精度来提高定位精度的方法显然会更大地增加夹具的制造成本。因此，针对这- 问题，本文提出了另-种孔系组合夹具开发思路，即在夹具定位方案设计过程中采用夹具元件的实际尺寸，使得工件的定位误差计算结果已剔除基村和定硒 型2O ： 。0平昂 删位元件的制造误差。

采用夹具元件实际尺寸的孔系组合夹具系统由孔系组合夹具硬件和与之相配套的定位方案生成软件组成。夹具基村的全部定位孑L位置和全部定位元件的尺寸经过测量，并将测量数据固化在定位方案 自动设计软件内，由于使用定位元件的实际测量尺寸计算工件在夹具中的位置，因此该位置只包含了工件定位表面的误差，而没有定位元件的尺寸误差和几何误差，因此将该软件计算得到的工件位置信息送入数控加工设备可比现有组合夹具具有更好的定位精度。更重要的是，这-系统避免了对夹具制造精度的依赖，从而大大降低了孑L系组合夹具的制造成本。

1 理想夹具的定位方案设计1.1 平面定位方案类型所谓平面定位是指工件以-个表面为主要定位面，以若干个与主定位面垂直的表面为侧定位面的平面定位方案。根据工件的形状和定位要求，平面定位除了主定位面限制工件的3个 自由度，还需要 1～3个侧定位基准表面来限制剩余的3个 自由度。典型的平面定位方案类型为 3-2-1定位，即工件 2个互不平行的侧定位表面分别限制工件剩余的 2个和 1个 自由度。更为-般的定位方式类型是 3-1-1-1定位 ，即工件的3个互不平行的侧定位表面分别限制工件的-个 自由度来实现工件的完全定位。

平面定位情况下计算工件相对于夹具的位置时，可将工件侧定位面向主定位面投影。投影得到的轮廓是直线和圆弧的各种组合。常见的定位元件包括圆柱销、狭长平面、V形块等，其中狭长平面与工件平面接触定位等效于狭长平面的两个端点与直线基准相接触。因此计算工件相对于夹具的位置时，定位元件的投影可以简化为圆虎直线、点3种。

)(a)两直线，圆柱销- )(c)两直线，混合定位～ )(e)直线圆弧，混合定位 - - · )(b)直线圆弧，圆柱销～ - )(d)直线隧弧，混合定位～ )(f)两圆弧，混合定位◎-- ，图1 两条定位边的定位情况I 等 oFunclion Unils功能都件图 1为3-2-1定位模式下的定位基准和定位元件的各种组合情况，图2为3～l-1-1定位模式下定位基准和定位元件的各种组合情况。

、 . 、 - ，，(a)三直线基准，圆柱销定位l～ - (c)两圆弧-直线基准，圆柱销定位. . 。

(e)两圆弧 -直线基准，(b)两直线-圆基准，圆柱销定位c～ . 、- (d)三圆基准，圆柱销定位. . 。

(f)三圆基准，混合定位 混合定位图2 三条定位边的定位情况1.2 理想夹具的定位方案确定方法介绍理想夹具定位方案的确定方法主要以文献 为理论依据，算法的基本思想是根据已知的定位边界首先确定前两个定位元件的可能集合位置，然后将给定的两个定位元件和相应的定位边界的关系看作是-种平面四杆机构。基村就是连杆平面，基村上每-个定位孔的运动轨迹都是-条连杆曲线，利用连杆曲线与工件其他定位边界求交方法确定第 3个定位销在基存上的全部可行位置。

定位方案确定方法的总体流程为：首先交互指定工件的主定位面和候选侧定位面，将指定的侧定位面向主定位面进行投影，得到工件投影，将工件的投影轮廓 向外作距离为圆柱销半径值的等距线，称为工件扩展边界，如图3所示。再根据扩展边界信息 自动确定定位孔 编号。下面以侧定位面为平面图3 工件扩展边界的3-2-1定位方案为例说明计算定位孔位置的算法。

首先，设第 1个定位销位于基村坐标原点，则 3- 2-1定位规则的总体算法为：(1)对于给定的扩展边界 e (i1～n，n为定位边界的数量)，求出能同时与ei保持接触的所有第 2个定位销的位置集合5。

(2)对于给定的定位边界 e 和相应的-对定位销(第 1、第 2定位销)的位置 S (S ∈S)，在保证 e 与 Is的两个定位销接触的条件下，求出工件的另-条扩展· 125 ·功能都件 Funclon Unils边 e (k1～n，k≠i)上与 e 接触的所有第 3个定位销的集合 。

(3)集合 中的每个定位销 r仇(r仉∈R)与 .s 的两个定位销位置构成工件的-个定位方案 。

确定定位方案的具体算法在文献[8]中已详细介绍，在此不做重复。在上述算法中分别用 U和 来表示定位孔水平和竖直方向的序号，并且规定第 1定位销的U0， 0，最后得到的第2第 3定位销 U和W的值都是以第 1定位销为基准。如图4所示定位方案，Ul0， l0；20， 20；U30， 30。

图4 3-2-1定位方案2 采用元件实际尺寸的工件位置确定算法2.1 定位元件测量尺寸的存储实际位置定位方案设计主要是对基村定位孔和定位元件进行编号。

首先对所有的定位孔和紧固孔进行统-编号。以17×17的正方形基村为例，第-步建立基村坐标系，先以第9行第 9列孔的中心作为基村原点，再令轴经过第九行方向离原点最远的孔中心，以这两个孑L为基准建立基村坐标系。然后用-个 17×17的矩阵来对所有孔进行编号，矩阵的第 i、 个元素表示第i行第. U孔(i，. )。其中原点所对应的孑L编号为(8，8)且所对应的孔为定位孔，又由于孔系组合夹具基础板的定位孔和紧固孑L间隔布置，所以所有的定位孑L的编号 i、 值必同为奇数或同为偶数。最后在坐标测量机上测量出每个定位孑L在基村坐标系中的坐标，在程序中建立两个二维数组来存储每-个孔的 、Y坐标值。同理，将全部定位销的尺寸进行测量，并将尺寸数据存放在软件的常数数表中，如对每-个已编号的定位销，在程序中建立-个-维数组来存储每-个定位销的半径，数组的索引号与定位销编号对应。基村的定位孑L与定位销的配合采用锥孔配合，从而消除了销孑L配合的间隙所造成的定位误差。

· 126 ·根据上文基村孑L的编号方法，再结合 1.2节定位方案算法得到的-个定位方案中的定位销所对应定位孔的 、 值，就可以获得定位孔的编号。如图4中，孑L(8，8)为基村原点，则该定位方案中每个定位销所对应的定位孑L编号为(8 ，8 )，如图中所示的第1、2、3定位销分别对应(8，8)、(8，10)和(5，13)3个定位孔。

2.2 实际位置下的工件位置计算模型1.2节的孑L系组合夹具定位方案是假设全部定位孔的间距和全部定位元件的尺寸-致的情况下获得的，定位方案的信息包括定位元件安装在基村上的定位孔的编号。当考虑了定位孑L的实际坐标值和定位元件的具体尺寸之后，工件在基村上的定位位置需要重新计算。为建立工件相对于夹具的位置关系，可根据定位元件与工件的接触关系建立方程。以下以图2a所示三直线基准、圆柱销定位的3-1-1-1定位方式为例说明建立定位元件与工件位置关系的数学模型 ，如图 5所示 。

图5 直线边定位的定位元件与工件位置通用计算模型图5中。 厂y，为夹具坐标系，工件坐标系 o -.f-X- y 建立在基准直线 B 上。工件在夹具坐标系中的位置撒于工件和定位元件的安装位置和工件本身的形状尺寸，工件相对于夹具的位置可用 o - -Y 在 01- ，- y，中的坐标关系表示，即由原点 o 的坐标(o ，o )和轴的倾角 0确定。基准直线 B。，B 相对于 日 的位置可以用参数(t ，0 )和(t：，0：)来表示。南于基准直线与基准坐标系的 轴重合，日 的方程为：Y-0 tan( -O ) (1)同样，以基准直线 B 的位置参数(O ，O ，0)为变量建立基准B 和 B 的直线方程。根据点到直线的距离公式，建立3个基准与相应的圆柱销中心、半径之问的位置关系公式：国 警奢 ulo耳弗 卅I功能部件 Funcli0nu s基于 GSK988T数控系统的单机自动上下料系统设计侯春明 李进冬 田 野(沈阳机床股份有限公司，辽宁 沈阳 110142)摘 要：以两轴数控车床为基础，应用 GSK988T数控系统，采用用户变量及拈化程序设计方法。通过增加- 个伺服轴和料库装置进行工件搬运，实现机床加工与自动上下料高速契合，满足用户自动化加工需求。

关键词：自动上下料 988T数控系统 拈化中图分类号：TP23 文献标识码：ADesign of automatic loader system for single lathe based on GSK988T CNC systemHOU Chunming，LI Jindong，TIAN Ye(Shenyang Machine Tool Co.，Ltd.-Shenyang 1 10142，CHN)Abstract：Based on two axes CNC lathe，by using the user variables and modular program method of GSK988TCNC system ，through adding one servo axis and pads loader to realize the automatic pads loading.Itcan satisfy the requirement of automatic processing。

Keywords：Automatic Pads Loading；GSK988T CNC System；Modular Program Method随着国内经济的迅速增长，生产规模的迅速扩大，导致许多企业在招聘技术工人时出现用工短缺现象，而且所招聘的员工技术水平参差不齐，极易在机械加工中出现各类问题，同时因用工荒”的出现，无形中增加了企业的用人成本。在此情况下，使用机械手自动上下料装置代替人力无疑成为最佳应对办法。

笔者公司根据市场变化，为满足客户需求，在现有机床产品基础上，增加自动上下料装置等辅助装置，不仅有效地提高了工作效率，也为用户节约了大量的用工成本。本款机床就是笔者公司根据客户需要量身打下的工件定位方案三维模型图，并 自动计算工件相对于夹具的实际位置。

4 结语本文针对孔系组合夹具存在的两点问题，提出了- 种能消除元件误差的孔系组合夹具定位方案自动设计方法。通过对 Pr0/E软件进行二次开发，研制-套低精度的夹具硬件和与之配套的定位方案自动生成软件，能够自动生成工件实际位置下的定位方案。

下-步将研究考虑圆柱销，V形拼块，平面菱形销多种组合下的实际位置定位方案 自动设计。