广义映射原理在组合夹具结构自动化设计的应用研究

摘 要：文章结合广义映射原理完成了对组合夹具结构自动化设计的分析研究。并通过数学模型的建立，分析了组合夹具“功能”、“结构”映射,对组合夹具的设计提出新的设计理念,实测证明，该设计方案下的组合夹具可靠、性能优越，适于推广。

关键词：广义映射；组合夹具；功能；结构；表面关联网络

中图分类号：TG75 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）17-0044-02

组合夹具以机床夹具零部件标准化为基础，预先设计制造好一系列零部件，这些零部件的形状和规格尺寸各不相同，然后根据组合化的准则，面向工件的加工要求，开发组装成专用夹具。待生产工件完成时，可以解体组合夹具，留待以后重新组装使用。

在对零部件进行生产加工时，组合夹具必不可少。它最适合于品种多、产品变化快、新产品试制和单件小批量生产等场合，在批量生产中可以利用组合夹具代替临时短缺的专用夹具，以满足生产要求。针对不同的生产工件利用组合夹具原件组装成相应的夹具。数控机床和柔性制造单元的出现，极大地带动了组合夹具技术的进步，拓展了组合夹具的应用领域。此外，不同系列的组合夹具元件还可以通过过度原件共同组装在一套组合夹具上，以达到缩小组合夹具尺寸和减轻夹具重量的目的。随着工业生产规模的扩大和产业结构的多样化，组合夹具的设计在公差标准和装配上要求越来越高，对计算机辅助设计的依赖性也越来越高。本文尝试通过以广义映射原理为基础的公理化设计思路进行组合夹具的自动化设计。对广义映射给出了一些很好的概括和应用方案。

1 广义映射原理及公理化设计思路

广义映射原理是一种公理化设计思路，四个不同的设计域分担了一整个设计过程，即划分成了用户域、功能域、物理域和过程域四个不同类型的设计活动。它们分别与用户要求、功能要求、设计参数和过程信息形成一一映射关系。用户域主要是通过用户此时处于查找一个产品、过程、系统或者材料的需要（或属性）的状态来描述的。设计流程就是由功能域到物理域再到过程域的映射过程。总体设计过程就是一个由高级别的抽象概述，到低级别的具体详述过程。如果把产品想象成一套系统，则设计就是把系统分解成一个个子系统，随之分解为部件，再细分为零件，最后分析得到零件特征的过程。产品的功能层次树和结构层次树如图1所示。

2 组合夹具设计中的广义映射原理应用

根据某加工零件工艺参数的指标，一般可遇到三种被夹紧零件的表面类型，它们分别为：预处理零件表面域MFs、计划外加工表面域FFs、预处理零件表面时和刀具加工后留下的处理区域面域MTFs。在夹具组合过程中，通常要满足以下原则：要力求在预处理零件表面预，即{ FFs}面域上，确保对零件的定位以及夹紧；在空间上，要阻止每一个夹具元件计划外加工表面域和预处理零件表面域产生交集；当遇到不适合定位夹紧某零件的情况时，要充分考虑到对{FFs}面域有个预判筛选的问题。因此可归结出两类用于定位/夹紧零部件的面：外圆面及内圆面平面，同时可称为圆面及平面圆面。可选择加工零件的垂直方向、水平方向以及斜面方向。在进行预处理零件表面加工时，通过{FFs}面域可挑选出一组面域集合，命名为零件定位夹紧面面域集合（简称PFFs），可用于表面的定位及夹紧。然后根据零件表面情况，确定定位夹紧方案，可将零件定位夹紧面域划分成夹紧面域（简称CFs）和定位面域（简称LFs） 。

2.1 定位夹紧零件算法

筛选并组成一套计划外加工表面域集合{FFs}；通过机床设备条件及零件加工工艺，在面域集合中确定预处理零件的各个表面，形成预处理零件表面域{MFs}；通过剩下的{FFs}面域可挑选出一组面域集合，按规则组合成零件定位夹紧面面域{PFFs}；最后根据零件表面情况将零件定位夹紧面域划分成夹紧面域（简称CFs）和定位面域（简称LFs）。

2.2 组合夹具结构设计映射分析

一个零件在空间中具有六个自由度，也就是说在三个直角坐标域x、y、z中，零件既可以顺着三个坐标轴方向移动，也可以围绕这三个坐标轴转动。因此，只要去除这六个自由度，就可以牢固的定位和夹紧零件。通常情况下采用如下方法消除这些自由度，安装六个支撑与待加工零件相接触，确定零件位置以后，然后用互相垂直的平面上的三个限制点来达到消除待加工零件的六自由度。然后结合零件加工工艺需要，确保在零件的定位面域和夹紧面域内组装成牢固定位夹紧零件的夹具组合，这便是组合夹具的“功能”。达到“功能”要求的同时立即完成组合夹具的“结构”设计，即完成了零件定位夹紧条件的硬性要求，而且需达到易于夹具组合的拆卸及夹具元件的重组。由上可得出“功能”到“结构”的映射关系使得“结构”成为了“功能”的实现形式，这种关系的实现包括两个步骤：定位/夹紧单元映射；夹具结构设计。

2.2.1 定位/夹紧单元映射

在组合夹具的结构设计中首先要解决定位和夹紧两个问题。明确总共能要求和总结构要求便能很好的解决这两个问题，其中总功能要求包括：水平定位功能、垂直定位功能、斜向定位功能、水平夹紧功能、垂直夹紧功能和斜向夹紧功能；相对应的总结构要求包括：水平定位结构、垂直定位结构、斜向定位结构、水平夹紧结构、垂直夹紧结构和斜向夹紧结构。它们一一对应，形成映射关系。表面关联网络FaceNet在组合夹具需求域中满足：

FaceNet=■Face（i）Face1，Face2，Face3…

根据表达式，确立组合夹具定位和夹紧单元的空间布局，同时总结出定位和夹紧表面的空间方位关系。通过各种标准组合夹具元件组装而成的一套组合夹具结构，该结构有等级层次性特征，可以归结为一个各层次结构单元组成的空间有序并可度量的向量的集合，其数学模型可以表达为：

F=C■■，D■■，H■■

式中，F是组合夹具整体结构；C■■为层次结构单元代码；D■■为结构单元特征尺寸向量；H■■为结构单元位置向量；m为结构单元序号，n=1，2，3…；n为结构单元层次号，n=1，2，3…从此数学模型考虑, 任何形式的夹具结构布局/层次模型都可以表达出来。这种形成的“功能”“结构”映射关系可以描述表达出任何夹具结构的功能结构图。

2.2.2 夹具结构设计

根据定位/夹紧单元映射关系，便可大体绘制出夹具总体结构，主要包括了定位功能部件、夹紧功能部件和支撑功能部件。其中定位功能部件主要从垂直、水平、斜向角度出发形成垂直定位单元、水平定位单元和斜向定位单元，主要部件是键和定位销；类似的夹紧功能部件主要由垂直夹紧单元、水平夹紧单元和斜向夹紧单元，主要部件是螺钉和压板；对于支撑功能部件来说，主要包括垂直支撑和水平支撑单元，主要部件是角铁和垫板。最后制定出组合夹具的结构设计方案，如图2所示。

然后观察工件定位的准确度，并且在加工过程中，以位置不发生变化，零件不变形为衡量手段，通过计算制造误差，结合定位、夹紧结构的简单、紧凑、装卸工件的方便度来作为组合夹具安全可靠、设计成功的标准。

3 结 语

在本文中合理的运用了广义映射原理，并开发出了一套融合该原理的组合夹具结构设计的方案。实测证明，组合夹具结构设计和广义映射原理的结合，证明了广义映射原理普遍适合组合夹具结构设计的开发，同时进一步丰富和发展了广义映射原理，适于推广。

参考文献：

[1] 徐志刚,秦惠芳,刘宇齐.创新式组合夹具结构设计自动化[J].工程图学学报,2001,1(1).

[2] 齐尔麦,徐燕申,谢艳.模块化数控机床概念设计的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2003,(1).