一種汽車類零件夾具設(shè)計(jì)認(rèn)證方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及汽車類零件的夾具的設(shè)計(jì)認(rèn)證方法，屬于精密測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著3D打印技術(shù)越來(lái)越多的應(yīng)用在工程領(lǐng)域，由于其顯著的抗壓性、耐磨損性、抗 腐蝕性及熱穩(wěn)定性等優(yōu)越的機(jī)械特性，使得該技術(shù)在夾具設(shè)計(jì)制造過(guò)程中得到廣泛的應(yīng) 用。盡管目前世界主流3D打印廠家都在嘗試制造不同領(lǐng)域不同尺寸規(guī)格類的夾具，但是由 于技術(shù)手段不成熟，還缺乏統(tǒng)一的檢測(cè)方法和標(biāo)準(zhǔn)，從而導(dǎo)致檢測(cè)效率低下、檢測(cè)結(jié)果不可 靠等問(wèn)題。不論是3D打印類夾具還是傳統(tǒng)夾具，都因其定位銷的品種多樣，幾何形狀復(fù)雜使 得在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)夾具的過(guò)程中其檢驗(yàn)認(rèn)證環(huán)節(jié)不能夠完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。
[0003] 在夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中有各式各樣不同幾何形狀的定位銷，每種類型的定位銷可以限 定不同方向以及提供不同個(gè)數(shù)的定位約束。這樣在夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中不僅需要對(duì)定位銷類型 進(jìn)行選擇，同時(shí)還需要對(duì)定位銷的個(gè)數(shù)進(jìn)行配置。目前普遍采用的做法是對(duì)復(fù)雜形狀的定 位銷進(jìn)行幾何簡(jiǎn)化處理，即把它等效的簡(jiǎn)化為只反映約束自由度的替代體。
[0004] 常用的方法可以大致分為兩類，一是憑經(jīng)驗(yàn)判斷；二是最早在國(guó)外提出的等效定 位點(diǎn)法。前者主要是憑設(shè)計(jì)者積累的經(jīng)驗(yàn)，該方法只適用于單件小批量生產(chǎn)，尤其自動(dòng)化程 度不高，并且對(duì)于計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)設(shè)計(jì)的夾具不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的設(shè)計(jì)檢驗(yàn)認(rèn)證，因此不能滿 足現(xiàn)代化技術(shù)生產(chǎn)需要。后者等效定位點(diǎn)法是將定位銷等效為一個(gè)或多個(gè)定位點(diǎn)，通過(guò)該 方法可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助認(rèn)證，但是對(duì)于定位點(diǎn)的選擇及定義沒(méi)有統(tǒng)一的原則或標(biāo)準(zhǔn)，在 一定程度上也是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)判斷，尤其對(duì)于形狀復(fù)雜件，并未給出具體的解決方法。
[0005] 借助于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)生產(chǎn)出各種復(fù)雜形狀的定位零件。對(duì)于如何對(duì)多個(gè)定 位銷的組合使用，尤其包含了復(fù)雜形狀定位銷時(shí)，如何能夠?qū)崿F(xiàn)計(jì)算機(jī)集成設(shè)計(jì)認(rèn)證的方 法還鮮有系統(tǒng)研究，阻礙了傳統(tǒng)夾具的集成制造以及3D打印夾具的發(fā)展應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明提出了一種汽車類零件的夾具設(shè)計(jì)認(rèn)證方法，這種方法很好的解決了復(fù)雜 夾具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)認(rèn)證自動(dòng)化問(wèn)題。該方法利用與拓?fù)浜凸に囅嚓P(guān)表面理論，該理論將 所有的幾何形狀表面劃分為七大類，每一類表面由最小幾何基準(zhǔn)要素定義，這樣夾具所提 供的約束自由度通過(guò)簡(jiǎn)單的布爾運(yùn)算獲得，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集成。在夾具認(rèn)證過(guò)程中，任何復(fù)雜 形狀的定位銷可以抽象成為最基本的點(diǎn)、線、面的一種或任意幾種的組合形式，即7中基本 表面類型中的任意一類。根據(jù)產(chǎn)品幾何規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的定義進(jìn)而可以獲得每個(gè)定位銷的空間 自由度的方向、形式以及個(gè)數(shù)，再通過(guò)布爾運(yùn)算可計(jì)算出夾具能夠提供的約束自由度條件。
[0007] 通過(guò)新一代產(chǎn)品幾何規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的拓?fù)渑c工藝相關(guān)聯(lián)表面理論將不同形狀的定 位銷劃分為7種基本表面類型中的任意一類。
[0008] 7種基本表面類型中每一類中的點(diǎn)、線、面的組合形式由新一代產(chǎn)品與幾何技術(shù)規(guī) 范標(biāo)準(zhǔn)中定義的最小幾何基準(zhǔn)要素確定。
[0009] 夾具中每個(gè)定位銷提供的運(yùn)動(dòng)自由度由產(chǎn)品幾何規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中的拓?fù)渑c工藝相關(guān) 聯(lián)表面理論唯一確定。
[0010] 夾具能夠提供的約束自由度條件由對(duì)定位銷的運(yùn)動(dòng)自由度的布爾運(yùn)算計(jì)算獲得。 [0011]該方法不僅適用于傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)認(rèn)證同時(shí)適用于3D打印類夾具的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì) 認(rèn)證過(guò)程。
[0012]夾具的定位銷對(duì)工件的支撐定位過(guò)程用新一代產(chǎn)品幾何規(guī)范來(lái)解釋就是配合表 面限制工件的自由度的過(guò)程。每個(gè)工件在歐幾里得空間里有6個(gè)空間自由度，3個(gè)平移運(yùn)動(dòng) 自由度和3個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度，通過(guò)配置定位銷的類型與個(gè)數(shù)使工件減少1個(gè)或多個(gè)自由度從而 限定其在空間中的運(yùn)動(dòng)。由最小幾何基準(zhǔn)要素定義可以將空間的幾何表面形狀劃分為7類 (如圖1所示），即平面類、球面類、圓柱面類、棱柱面類、回轉(zhuǎn)面類、螺紋面類以及自由表面 類。相應(yīng)的該7類表面提供的自由度為3個(gè)自由度(2個(gè)平移1個(gè)旋轉(zhuǎn)）、3個(gè)自由度(3個(gè)旋轉(zhuǎn)）、 2個(gè)自由度（1個(gè)平移1個(gè)旋轉(zhuǎn)）、1個(gè)自由度（1個(gè)平移）、1個(gè)自由度（1個(gè)旋轉(zhuǎn)）、1個(gè)自由度(1個(gè) 旋轉(zhuǎn)）以及〇個(gè)自由度。
[0013]在夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中驗(yàn)證定位銷的設(shè)計(jì)是否合理，即其提供的約束自由度和夾具的 功能需求是否一致的判斷可通過(guò)拓?fù)浜凸に囅嚓P(guān)表面技術(shù)結(jié)合簡(jiǎn)單的布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)。其具 體過(guò)程為:①根據(jù)最小幾何基準(zhǔn)要素定義將所有的定位銷劃分為7類基本幾何表面形狀中 的任意一類。這樣能夠?qū)⒉煌螤畹亩ㄎ讳N根據(jù)其幾何內(nèi)蘊(yùn)性劃分為7類表面形狀中的任 意一類或幾類的組合形式，從而簡(jiǎn)化了幾何形狀對(duì)定位作用的影響，而抽象為最小幾何基 準(zhǔn)要素，即點(diǎn)、線、面和其組合形式(如圖2所示）。②根據(jù)基本幾何表面形狀判定每個(gè)定位銷 所提供的自由度。根據(jù)定位銷的表面類型，即通過(guò)最小幾何基準(zhǔn)要素通過(guò)數(shù)學(xué)方式無(wú)歧義 的定義每個(gè)定位表面的自由度，從而避免了傳統(tǒng)方法依靠經(jīng)驗(yàn)以及"具體問(wèn)題具體分析"的 人為參與的判斷方法，③建立夾具的局部空間坐標(biāo)系并通過(guò)布爾運(yùn)算計(jì)算夾具定位銷所能 提供的約束自由度的個(gè)數(shù)及方向（如圖3所示）。通過(guò)建立坐標(biāo)系確定自由度的方向及正負(fù) 從而實(shí)現(xiàn)自由度的布爾運(yùn)算，該方法能夠支持夾具自由度的數(shù)學(xué)計(jì)算便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集 成。④對(duì)夾具設(shè)計(jì)合格性認(rèn)證。由于主流計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件(如Cat ia，Sol idworks等）中 使用拓?fù)浜凸に嚤砻嫦嚓P(guān)技術(shù)獲取幾何特征對(duì)象，因此，通過(guò)該方法對(duì)夾具進(jìn)行合格性認(rèn) 證便于數(shù)據(jù)傳遞以及計(jì)算機(jī)集成。
[0014] 以上夾具設(shè)計(jì)認(rèn)證過(guò)程用數(shù)學(xué)形式表示為如下過(guò)程。定義夾具上有η個(gè)定位銷，各 定位銷分別表示為L(zhǎng)i，L2. . .Ln;對(duì)其建立空間坐標(biāo)系后找出相應(yīng)的最小幾何基準(zhǔn)要素，從而 根據(jù)拓?fù)渑c工藝相關(guān)表面定義將自由度表示為# 的形式， 則n個(gè)定位銷所能夠產(chǎn)生的自由度為：
[0015] |f = D0Fs(Li) nD0Fs(L2) nDOFs(Lm) nDOFs(Ln)
[0016] = {χ: xELi Λ xEL2 Λ xELmA xELn}
[0017]而相應(yīng)的夾具對(duì)工件產(chǎn)生的約束自由度I'f為l'f = 6+，--If。
[0018] 通過(guò)拓?fù)浜凸に嚤砻嫦嚓P(guān)理論方法對(duì)夾具的設(shè)計(jì)進(jìn)行認(rèn)證，即對(duì)其提供的定位能 力進(jìn)行驗(yàn)證是一種通用性的設(shè)計(jì)方法，該方法區(qū)別于傳統(tǒng)的人為參與的判斷過(guò)程，依靠數(shù) 學(xué)表達(dá)，使得驗(yàn)證結(jié)果具有普遍性、唯一性、準(zhǔn)確性和可溯源性。解決了尤其是3D打印夾具 依靠計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段進(jìn)行設(shè)計(jì)加工，而缺少一致性的計(jì)算機(jī)集成的驗(yàn)證技術(shù)方法。
[0019] 本發(fā)明的新型夾具設(shè)計(jì)認(rèn)證方法有以下顯著特點(diǎn)：
[0020] 1、一致的數(shù)學(xué)表達(dá)，避免傳統(tǒng)方法中憑借人為經(jīng)驗(yàn)以及"具體問(wèn)題具體分析"的弊 端；
[0021] 2、簡(jiǎn)化了種類繁多的定位銷的幾何形狀，抽象為最基本的點(diǎn)、線、面，或其組合；
[0022] 3、夾具提供的約束自由度可通過(guò)簡(jiǎn)單布爾運(yùn)算實(shí)現(xiàn)，便于數(shù)據(jù)傳遞和計(jì)算；
[0023] 4、拓?fù)浜凸に嚤砻嫦嚓P(guān)技術(shù)的應(yīng)用便于計(jì)算機(jī)的集成應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1定位銷的七種基本表面類型分類
[0025] 圖2不同類型表面定位銷的最小基準(zhǔn)幾何要素集 [0026]圖3七種類型表面的自由度識(shí)別
[0027]圖4定位銷的配置方式及認(rèn)證分析
【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下結(jié)合具體加工實(shí)例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明：
[0029] 當(dāng)一個(gè)夾具上存在3個(gè)定位銷，其中2個(gè)為圓柱形銷以及1個(gè)為不規(guī)則形狀的 棱形銷D，且圓柱銷的安置方位不同時(shí)，如圖4所示，則該夾具能夠限定的工件運(yùn)動(dòng)自由度ξ 'f的求解過(guò)程為：
[0030] 1)首先分別對(duì)這兩種定位銷進(jìn)行曲面類型劃分。圓柱銷劃分為圓柱曲面類，棱形 銷劃分為棱形曲面類。
[0031] 2)建立夾具以及每個(gè)定位銷的局部坐標(biāo)系。通過(guò)轉(zhuǎn)換矩陣建立工件與各個(gè)定位銷 的矩陣轉(zhuǎn)換關(guān)系為：
[0032]
[0033