銑削轉(zhuǎn)子泵葉片槽的分度夾具設(shè)計(jì)【CAD+UG】,CAD+UG,銑削轉(zhuǎn)子泵葉片槽的分度夾具設(shè)計(jì)【CAD+UG】,銑削,轉(zhuǎn)子泵,葉片,分度,夾具,設(shè)計(jì),cad,ug 任務(wù)書 題目 銑削轉(zhuǎn)子泵葉片槽的分度夾具設(shè)計(jì) （任務(wù)起止日期 2013年 12月 20 日～ 2014年 5月 20 日） 學(xué)院 專業(yè) 班 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 系 主 任 二級(jí)學(xué)院院長(zhǎng) 課題內(nèi)容 設(shè)計(jì)用于臥式銑床加工葉片泵轉(zhuǎn)子葉片槽的分度銑床夾具。已知條件為： 葉片泵轉(zhuǎn)子工件零件圖，工件以花鍵孔及端面為定位基準(zhǔn)。 銑刀每次加工一個(gè)槽，通過分度裝置使工件轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度到達(dá)加工位置，以便完成其它槽的加工。 課題任務(wù)要求 1. 根據(jù)課題要求，確定分度銑床夾具的設(shè)計(jì)方案，完成銑削切削力的計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定夾具各零件的幾何參數(shù)和幾何尺寸； 2. 完成夾具體各個(gè)零件的三維實(shí)體建模和總體裝配； 3. 輸出6張主要零件圖和一張總體裝配圖； 5. 完成畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書一份以及論文綜述和外文翻譯。 主要參考文獻(xiàn)（由指導(dǎo)教師選定） 1. 濮良貴主編，機(jī)械設(shè)計(jì)，高等教育出版社，2003 2. 陳鐵鳴主編，新編機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)圖冊(cè)，高等教育出版社，2003 3. 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1990 4. 吳拓編著，現(xiàn)代機(jī)床夾具設(shè)計(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社，2011 5. 李長(zhǎng)春等編著，UG NX4.0基礎(chǔ)教程，人民郵電出版社，2008 6. 胡家秀主編，簡(jiǎn)明機(jī)械零件設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社 2003 7. 手冊(cè)編輯委員會(huì)編 現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 2002 同組設(shè)計(jì)者 注：1、任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫； 2、任務(wù)書在第七學(xué)期期末下達(dá)給學(xué)生。 學(xué)生完成畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作進(jìn)度計(jì)劃表 序號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作任務(wù) 工 作 進(jìn) 度 日 程 安 排 周次 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 1 調(diào)研、收集資料，完成開題報(bào)告、譯文和文獻(xiàn)綜述 — — — — — 2 擬定設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行夾緊定位分析和計(jì)算 — — — — 3 進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和幾何計(jì)算，完成草圖設(shè)計(jì) — — — — 4 三維實(shí)體建模和裝配 — — — — 5 完成并輸出部件裝配圖和零件工作圖 — — — — 6 編寫設(shè)計(jì)說明書 — — — — 7 答 辯 — — 注：1、此表由指導(dǎo)教師填寫； 2、此表每個(gè)學(xué)生一份，作為畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）檢查工作進(jìn)度之依據(jù)； 3、進(jìn)度安排用“—”在相應(yīng)位置畫出。 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）階段工作情況檢查表 時(shí)間 第 一 階 段 第 二 階 段 第 三 階 段 內(nèi)容 組織紀(jì)律 完 成 任 務(wù) 情 況 組織紀(jì)律 完 成 任 務(wù) 情 況 組織紀(jì)律 完 成 任 務(wù) 情 況 檢 查 情 況 教師簽字 簽字 日期 簽字 日期 簽字 日期 注：1、此表由指導(dǎo)教師認(rèn)真填寫（要求手寫）； 2、“組織紀(jì)律”一欄根據(jù)學(xué)生具體執(zhí)行情況如實(shí)填寫； 3、“完成任務(wù)情況”一欄按學(xué)生是否按進(jìn)度保質(zhì)保量完成任務(wù)的情況填寫； 4、對(duì)違紀(jì)和不能按時(shí)完成任務(wù)者，指導(dǎo)教師可根據(jù)情節(jié)輕重對(duì)該生提出警告或不能參加答辯的建議。 開 題 報(bào) 告 題 目 銑削轉(zhuǎn)子泵葉片槽的分度夾具 二級(jí)學(xué)院 專 業(yè) 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)教師 系 主 任 時(shí) 間 1、 本課題國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析 由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)控、加工中心機(jī)床的特點(diǎn),對(duì)機(jī)床夾具的使用性能和結(jié)構(gòu)提出了更高更新的要求,需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、強(qiáng)度高和通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)、柔性高的新型夾具系統(tǒng)。這種夾具能適應(yīng)不同的機(jī)床、不同的產(chǎn)品或同一產(chǎn)品不同的規(guī)格型號(hào),能最大限度地滿足各種機(jī)床夾具的需要。以組合夾具為基礎(chǔ)的柔性?shī)A具就是根據(jù)以上的要求設(shè)計(jì)制造的,這種柔性?shī)A具的特點(diǎn)是:元件規(guī)格統(tǒng)一化、元件性能多功能化、元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、模塊化、夾緊工件快速自動(dòng)化、重復(fù)使用可調(diào)化、組裝管理微機(jī)化。柔性?shī)A具是現(xiàn)代夾具的一個(gè)主要發(fā)展方向。柔性?shī)A具是由一套預(yù)先制造好的各種不同形狀、不同尺寸規(guī)格、不同功能的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化元件、合件組裝而成的。柔性?shī)A具元件、合件具有較好的互換性和較高的精度及耐磨性。柔性?shī)A具能保證工件在規(guī)定的坐標(biāo)位置上準(zhǔn)確定位和牢固的夾緊,也就是說能保證工件相對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)具有準(zhǔn)確和穩(wěn)定可靠的坐標(biāo)位置。這種夾具具有較高的剛度和精度,在粗加工時(shí)能承受較大的切削用量,以充分發(fā)揮數(shù)控、加工中心機(jī)床的生產(chǎn)能力,在精加工時(shí)能更好地保證工件定位基準(zhǔn)和加工表面的位置精度,還能根據(jù)數(shù)控、加工中心機(jī)床的要求保證夾具應(yīng)允許刀具接近盡可能更多的被加工表面甚至全部被加工表面,可減少機(jī)床的停機(jī)時(shí)間,在夾具上還能一次裝夾多個(gè)工件同時(shí)依次加工,可以減少夾具、刀具、工件系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間,還能減少刀具的更換次數(shù)和刀具的調(diào)整時(shí)間,更好地發(fā)揮數(shù)控、加工中心機(jī)床的高效性能。柔性?shī)A具元件可以通過組裝、使用、拆卸、再組裝重復(fù)使用。柔性?shī)A具元件分三個(gè)系列:槽系列夾具元件、孔系列夾具元件、光面系列夾具元件。 隨著機(jī)械制造業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式逐步被中小批量生產(chǎn)模式所取代，機(jī)械制造系統(tǒng)欲適應(yīng)這種變化需具備較高的柔性。國(guó)外已把柔性制造系統(tǒng)(FMS)作為開發(fā)新產(chǎn)品的有效手段，并將其作為機(jī)械制造業(yè)的主要發(fā)展方向。柔性化的著眼點(diǎn)主要在機(jī)床和工裝兩個(gè)方面，組合夾具是工裝柔性化的重點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，先進(jìn)制造技術(shù)不斷得到發(fā)展。柔性制造技術(shù)、集成制造技術(shù)將是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的主流。未來制造過程將變得更智能化，制造企業(yè)適應(yīng)市場(chǎng)的能力更強(qiáng)。柔性制造技術(shù)由于其高效、靈活的特性使其成為實(shí)施敏捷制造、并行工程、精益生產(chǎn)和智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)，且應(yīng)用日益廣泛，已成為整個(gè)機(jī)構(gòu)制造領(lǐng)域的核心技術(shù)，而組合夾具由于其靈活性，已成為現(xiàn)代夾具的主要發(fā)展方向，在制造業(yè)中發(fā)揮著重要作用。 2、 本人對(duì)課題任務(wù)書提出的任務(wù)要求及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的可行性分析（只限工科類） 1.設(shè)計(jì)要求： 用于臥式銑床加工葉片泵轉(zhuǎn)子葉片槽的分度銑床夾具。銑刀每次加工一個(gè)槽，通過分度裝置使工件轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度到達(dá)加工位置，以便完成其它槽的加工。 2. 夾具要求：主要由定位裝置、夾緊裝置、夾具體、連接元件、對(duì)刀元件組成。銑削加工時(shí)，切削力較大，又是斷續(xù)切削，振動(dòng)較大，因此銑床夾具的夾緊力要求較大，夾具剛度、強(qiáng)度要求都比較高。另外設(shè)計(jì)要求需要操作方便、省力、安全。夾具元件應(yīng)滿足通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。 3. 結(jié)論：銑床夾具主要用于加工零件上的平面、凹槽、花鍵及各種成型面，是最常用的夾具之一。通過查閱相關(guān)設(shè)計(jì)資料本課題設(shè)計(jì)是可行的。目前，世界上許多國(guó)家在計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)方面，都做了大量工作。但是我國(guó)在該項(xiàng)領(lǐng)域中還處于研究階段。計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)是通過計(jì)算機(jī)軟件程序來完成夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總裝圖和零件圖的繪制，以及制定出夾具零件的制造工藝等主要工作的計(jì)算機(jī)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)分支。 3、 本課題的關(guān)鍵問題及解決問題的思路 1.保證加工精度 這是必須做到的最基本要求，其關(guān)鍵是正確的定位、夾緊和導(dǎo)向方案，夾具制造的技術(shù)要求，定位誤差的分析和驗(yàn)算。 2.夾具的總體方案應(yīng)與年生產(chǎn)綱領(lǐng)相適應(yīng) 在大批量生產(chǎn)時(shí)，盡量采用快速與高效的定位、夾緊機(jī)構(gòu)和動(dòng)力裝臵，提高自動(dòng)化程度，符合生產(chǎn)節(jié)拍要求。在中、小批量生產(chǎn)時(shí)，具應(yīng)有一定的可調(diào)性，以適應(yīng)多品種工件的加工。 3.安全、方便、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度 機(jī)床夾具要有工作安全性考慮，必要時(shí)加裝保護(hù)裝臵。要符合工人的操作位臵和習(xí)慣，有合適的工件裝卸位臵和空間，使工人操作方便。大批量生產(chǎn)和工件笨重時(shí)，盡可能減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度。 4.排屑順暢 機(jī)床夾具中積聚切屑會(huì)影響到工件的定位精度，切屑的熱量會(huì)使工件和夾具產(chǎn)生熱變形，影響加工精度。清理切屑將增加輔助時(shí)間、降低生產(chǎn)率，因此夾具設(shè)計(jì)中要對(duì)排屑問題給予足夠的重視。 5.機(jī)床夾具應(yīng)具有良好的強(qiáng)度、剛度和結(jié)構(gòu)工藝性 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮方便制造、檢測(cè)、調(diào)整和裝配，有利于提高夾具的制造精度 4、 完成本課題所需的工作條件（如工具書、計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)、調(diào)研等）及解決辦法 1. 濮良貴主編，機(jī)械設(shè)計(jì)，高等教育出版社，2003 2. 陳鐵鳴主編，新編機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)圖冊(cè)，高等教育出版社，2003 3. 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)，上海科學(xué)技術(shù)出版社，1990 4. 吳拓編著，現(xiàn)代機(jī)床夾具設(shè)計(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社，2011 5. 李長(zhǎng)春等編著，UG NX4.0基礎(chǔ)教程，人民郵電出版社，2008 6. 胡家秀主編，簡(jiǎn)明機(jī)械零件設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社 2003 7. 手冊(cè)編輯委員會(huì)編 現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 2002 8. 計(jì)算機(jī)（需要安裝UG 機(jī)械設(shè)計(jì)CAD） 5、工作方案分析及進(jìn)度計(jì)劃（工作思路） 第一周到第五周：調(diào)研、收集資料，完成開題報(bào)告、譯文和文獻(xiàn)綜述調(diào)研、收集資料，完成開題報(bào)告、譯文和文獻(xiàn)綜述 第五周到第八周：擬定設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行夾緊定位分析和計(jì)算 第七周到第十周：進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和幾何計(jì)算，完成草圖設(shè)計(jì) 第九周到第十二周：三維實(shí)體建模和裝配 第十二周到第十六周：完成并輸出部件裝配圖和零件工作圖 第十四周到第十七周：編寫設(shè)計(jì)說明書 第十七周到第十八周：答辯 報(bào)告人：(手簽名) 年 月 日 指導(dǎo)教師意見 （要求手寫） 指導(dǎo)教師：(手簽名) 　　 年 月 日 開題報(bào)告應(yīng)根據(jù)教師下發(fā)的設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書，在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立撰寫。 文獻(xiàn)綜述 銑削轉(zhuǎn)子夾具 引言 通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，我真正認(rèn)識(shí)到理論和實(shí)踐的結(jié)合的重要性，并培養(yǎng)了我綜合運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)和實(shí)際操作知識(shí)去理性的分析問題和解決實(shí)際工作中的一般技術(shù)問題的能力。使我建立正確的設(shè)計(jì)思想，掌握工藝設(shè)計(jì)的一般程序，規(guī)范和方法，并進(jìn)一步鞏固、深化地吸收和運(yùn)用了所學(xué)的基本理論知識(shí)和基本操作技能。還有，它提高了我設(shè)計(jì)計(jì)算、繪圖、編寫加工程序還有正確使用技術(shù)資料、標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)等工具書的獨(dú)立工作能力，更培養(yǎng)了我用于創(chuàng)新的精神及嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)工作作風(fēng)。 由于本人能力有限，缺少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)中存在錯(cuò)漏在所難免，敬請(qǐng)各位老師指出批改，讓我能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)修改并認(rèn)識(shí)自己的不足，使我能夠在今后的工作學(xué)習(xí)中能夠避免再犯同樣的錯(cuò)漏。向在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中的老師表示我虔誠(chéng)和衷心的感謝。 1夾具 機(jī)床夾具是在切削加工過程中，用以準(zhǔn)確確定工件位置并將其牢固的夾緊的工藝裝備。它的主要作用是：可靠的保證工件的加工精度，提高加工效率，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，充分發(fā)揮和擴(kuò)大機(jī)床的工藝性能。因此，機(jī)床夾具在機(jī)械制造中咱有重要的地位。 在機(jī)械制造工業(yè)中，為了達(dá)到保證產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，提高勞動(dòng)生產(chǎn)條件提高勞動(dòng)生產(chǎn)率及降低勞動(dòng)成本的目的，在工藝過程中，除機(jī)床等設(shè)備外，還大量使用著各種工藝裝備。它包括：夾具、模具、刀具、輔助工具及測(cè)量工具等。因此，廣義的說，夾具是一種保證產(chǎn)品質(zhì)量并便利和加速工藝過程的一種工藝裝備。不同的夾具，其結(jié)構(gòu)形式、工作情況、設(shè)計(jì)原則都不同。但就其數(shù)量在生產(chǎn)中所占的地位來說，應(yīng)以“機(jī)床夾具”為首。 所謂機(jī)床夾具，就是機(jī)床上所使用的一種輔助設(shè)備，用它來準(zhǔn)確的確定工件與刀具的準(zhǔn)確位置，即將工件的定位及加緊，以完成加工所需的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。所以機(jī)床夾具是用以使工件和夾緊的機(jī)床附加裝置。 摘要 制造業(yè)中廣泛應(yīng)用的夾具，是產(chǎn)品制造各工藝階段中十分重要的工藝裝備之一，生產(chǎn)中所使用夾具的質(zhì)量、工作效率，及夾具使用的可靠性，都對(duì)產(chǎn)品的加工質(zhì)量及生產(chǎn)效率有著決定性的影響。 首先對(duì)夾具的概念進(jìn)行了解，再進(jìn)行機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)，從定位到誤差分析再到確保加工精度，然后計(jì)算出加緊力確定加緊點(diǎn)位數(shù)等細(xì)節(jié)計(jì)算。 關(guān)鍵詞 定位；加工精度；定位點(diǎn)；夾緊力 2發(fā)展方向、趨勢(shì) 由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展以及數(shù)控、加工中心機(jī)床的特點(diǎn),對(duì)機(jī)床夾具的使用性能和結(jié)構(gòu)提出了更高更新的要求,需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、強(qiáng)度高和通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)、柔性高的新型夾具系統(tǒng)。這種夾具能適應(yīng)不同的機(jī)床、不同的產(chǎn)品或同一產(chǎn)品不同的規(guī)格型號(hào),能最大限度地滿足各種機(jī)床夾具的需要。以組合夾具為基礎(chǔ)的柔性?shī)A具就是根據(jù)以上的要求設(shè)計(jì)制造的,這種柔性?shī)A具的特點(diǎn)是:元件規(guī)格統(tǒng)一化、元件性能多功能化、元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化、模塊化、夾緊工件快速自動(dòng)化、重復(fù)使用可調(diào)化、組裝管理微機(jī)化。柔性?shī)A具是現(xiàn)代夾具的一個(gè)主要發(fā)展方向。柔性?shī)A具是由一套預(yù)先制造好的各種不同形狀、不同尺寸規(guī)格、不同功能的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化元件、合件組裝而成的。柔性?shī)A具元件、合件具有較好的互換性和較高的精度及耐磨性。柔性?shī)A具能保證工件在規(guī)定的坐標(biāo)位置上準(zhǔn)確定位和牢固的夾緊,也就是說能保證工件相對(duì)于機(jī)床坐標(biāo)原點(diǎn)具有準(zhǔn)確和穩(wěn)定可靠的坐標(biāo)位置。這種夾具具有較高的剛度和精度,在粗加工時(shí)能承受較大的切削用量,以充分發(fā)揮數(shù)控、加工中心機(jī)床的生產(chǎn)能力,在精加工時(shí)能更好地保證工件定位基準(zhǔn)和加工表面的位置精度,還能根據(jù)數(shù)控、加工中心機(jī)床的要求保證夾具應(yīng)允許刀具接近盡可能更多的被加工表面甚至全部被加工表面,可減少機(jī)床的停機(jī)時(shí)間,在夾具上還能一次裝夾多個(gè)工件同時(shí)依次加工,可以減少夾具、刀具、工件系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間,還能減少刀具的更換次數(shù)和刀具的調(diào)整時(shí)間,更好地發(fā)揮數(shù)控、加工中心機(jī)床的高效性能。柔性?shī)A具元件可以通過組裝、使用、拆卸、再組裝重復(fù)使用。柔性?shī)A具元件分三個(gè)系列:槽系列夾具元件、孔系列夾具元件、光面系列夾具元件。 a．夾具元件多功能模塊化 能單獨(dú)使用也能與其他元件組合在一起使用的多功能模塊化單元體的比例將進(jìn)一步增加。如現(xiàn)在使用的各種定位夾緊座、定位壓緊支承、精密虎鉗等模塊式單元體具有定位、夾緊以及調(diào)節(jié)的綜合功能,可以一件單獨(dú)使用,也可以幾件組裝在一起使用,T 形基礎(chǔ)、方箱能組裝成一次能裝夾多件相同或不相同的工件的夾具,使用這種夾具可以減少機(jī)床的停機(jī)時(shí)間,最大限度發(fā)揮數(shù)控、加工中心機(jī)床的高效性能。 b．高強(qiáng)度、高剛性、高精度 為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,縮短工件的加工工時(shí),工件的加工已向著高速、大切削量方向發(fā)展,工序高度集中,工件定位夾緊后要依次完成銑、鉆、鏜等多工序的加工。切削力的大小、方向在不斷地變化,這就需要柔性?shī)A具本身要有較高的使用強(qiáng)度和剛度,才能滿足工件的加工精度。 c．專用夾具、組合夾具、成組夾具一體化 現(xiàn)代化加工設(shè)備的多功能化,使工藝過程高度集中、工件一次定位裝夾后能完成多工序加工,這就需要一種通用而又能重復(fù)使用的組合可調(diào)式的夾具系統(tǒng),它是由一系列統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化的元件和合件組成,利用這些元件、合件組裝成各種不同形式、不同結(jié)構(gòu)、可重復(fù)使用的夾具,供單件或中小批量生產(chǎn)使用。這種夾具系統(tǒng)保留了組合夾具的各種優(yōu)點(diǎn),組裝又像專用夾具那樣簡(jiǎn)單可靠,又有可調(diào)整元件,保留了成組夾具的優(yōu)點(diǎn)。為了便于夾具與機(jī)床定位連接,夾具基體有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的定位連接位置,使之專用、組合、成組夾具向著一體化、組合化方向發(fā)展以滿足現(xiàn)代化加工設(shè)備的需要。 d．工件夾緊快速化、自動(dòng)化 為縮短工件加工中的輔助時(shí)間,減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度,工件的裝夾、拆卸也需要機(jī)械化、自動(dòng)化。工件的夾緊由原來的單一功能的壓緊件、緊固件發(fā)展為可以調(diào)整的模塊,以便實(shí)現(xiàn)快速組裝和快速夾緊。對(duì)于批量大的一些零件的加工,液壓夾具、氣動(dòng)夾具可實(shí)現(xiàn)工件自動(dòng)化快速夾緊。 3夾具的應(yīng)用 隨著機(jī)械制造業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式逐步被中小批量生產(chǎn)模式所取代，機(jī)械制造系統(tǒng)欲適應(yīng)這種變化需具備較高的柔性。國(guó)外已把柔性制造系統(tǒng)(FMS)作為開發(fā)新產(chǎn)品的有效手段，并將其作為機(jī)械制造業(yè)的主要發(fā)展方向。柔性化的著眼點(diǎn)主要在機(jī)床和工裝兩個(gè)方面，組合夾具是工裝柔性化的重點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異，先進(jìn)制造技術(shù)不斷得到發(fā)展。柔性制造技術(shù)、集成制造技術(shù)將是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的主流。未來制造過程將變得更智能化，制造企業(yè)適應(yīng)市場(chǎng)的能力更強(qiáng)。柔性制造技術(shù)由于其高效、靈活的特性使其成為實(shí)施敏捷制造、并行工程、精益生產(chǎn)和智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)，且應(yīng)用日益廣泛，已成為整個(gè)機(jī)構(gòu)制造領(lǐng)域的核心技術(shù)，而組合夾具由于其靈活性，已成為現(xiàn)代夾具的主要發(fā)展方向，在制造業(yè)中發(fā)揮著重要作用。 4結(jié)論 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)是工藝裝備設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要組成部分，是保證產(chǎn)品質(zhì)量和提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)深入生產(chǎn)實(shí)際，進(jìn)行調(diào)查研究，吸取國(guó)內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)，制定出合理的設(shè)計(jì)方案，一般夾具設(shè)計(jì)步驟如下：? 1.?深入生產(chǎn)實(shí)際調(diào)查研究? 在深入生產(chǎn)實(shí)際調(diào)查研究中，應(yīng)掌握下面一些資料。? 1）工件圖紙：詳細(xì)閱讀工件圖紙，了解工件被加工表面的技術(shù)要求，該件在機(jī)器中的位置和作用，以及裝配中的特殊要求。? 2）工藝文件：了解工件的工藝過程，本工序的加工要求，工件已加工面及待加工面的狀態(tài)，基準(zhǔn)面選擇的情況，可用的機(jī)床設(shè)備的主要規(guī)格，與夾具連接部分的尺寸及切削用量等。? 3）生產(chǎn)綱領(lǐng)：夾具的結(jié)構(gòu)形式應(yīng)與工件批量大小相適應(yīng)，做到經(jīng)濟(jì)合理。? 4）制造與使用夾具的情況：有無通用零部件可供選用；工廠有無壓縮空氣站；制造和使用夾具的工人的技術(shù)狀況等。? 2.?確定工件的定位方法和刀具的導(dǎo)向方式? 工件在夾具中的定位應(yīng)符合定位原理。合理地設(shè)置定位件和導(dǎo)向件。設(shè)計(jì)定位件和導(dǎo)向件時(shí)，應(yīng)盡量采用通用標(biāo)準(zhǔn)。? 3.?確定工件的夾緊方式和設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)? 夾緊力的作用點(diǎn)和方向應(yīng)符合夾緊原則。進(jìn)行夾緊力的分析和計(jì)算，以確定夾緊元件和傳動(dòng)裝置的主要尺寸。? 4.?確定夾具其他部分的結(jié)構(gòu)形式?如分度裝置、對(duì)刀元件和夾具體等。?5.?繪制夾具總裝配圖? 在繪制總裝配圖時(shí)，盡量采用1：1比例，主視圖應(yīng)選取面對(duì)操作者的工作位置。繪圖時(shí)，先用紅線或雙點(diǎn)劃線畫出工件的輪廓和主要表面，如定位表面，夾緊表面和被加工表面等。其中，被加工表面用網(wǎng)紋線或粗實(shí)線畫出加工余量。工件在夾具上可看成是一個(gè)假想的透明體，按定位元件、導(dǎo)向元件、夾緊機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)裝置等順序，畫出具體結(jié)構(gòu)，最后畫夾具體。? 6.?標(biāo)注各部分主要尺寸、公差配合和技術(shù)要求? 7.?標(biāo)注零件編號(hào)及編制零件明細(xì)表? 在標(biāo)注零件編號(hào)時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)件可直接標(biāo)出國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)。明細(xì)表要注明夾具名稱、編號(hào)、序號(hào)、零件名稱及材料、數(shù)量等。? 8.?繪制夾具零件圖? 拆繪夾具零件圖的順序和繪制夾具總裝配圖的順序相同。? 在機(jī)床上加工工件時(shí)，為了要使該工序所加工的表面，能達(dá)到圖紙規(guī)定的尺寸、幾何形狀以及與其他表面的互相位置精度等技術(shù)要求，在加工前，必須首先將工件裝好夾牢。把工件裝好就是要在機(jī)床上確定工件相對(duì)刀具的正確加工位置。工件只有處在這一位置上接受加工，才能保證其被加工表面達(dá)到工序所規(guī)定的各項(xiàng)技術(shù)要求。在夾具設(shè)計(jì)的術(shù)語(yǔ)中，把工件裝好稱為定位。把工件夾牢，就是指在已經(jīng)定好的位置上將工件可靠地夾住。以防止在加工時(shí)工件因受到切削力、離心力、沖擊和振動(dòng)等的影響，發(fā)生不應(yīng)有的位移而破壞了定位。在夾具設(shè)計(jì)的術(shù)語(yǔ)中把夾牢工件稱做夾緊。由此可知，工件裝夾的實(shí)質(zhì)，就是在機(jī)床上對(duì)工件進(jìn)行定位和夾緊。裝夾工件的目的，則是通過定位和夾緊而使工件在加工過程中始終保持其正確的加工位置，以保證達(dá)到該工序所規(guī)定的加工技術(shù)要求。? 在機(jī)械制造過程中，用來固定加工對(duì)象，使之占有正確的位置，以接受施工或檢驗(yàn)的裝置，都可以統(tǒng)稱為夾具。例如：焊接過程中用于拚焊的焊接夾具；檢驗(yàn)過程中用的檢驗(yàn)夾具；裝配過程中用的裝配夾具；機(jī)械加工中用的機(jī)床夾具等，都屬于泛指的夾具范疇。通過對(duì)參考資料和文獻(xiàn)的研究，我對(duì)銑削轉(zhuǎn)子汞葉片槽的分度夾具有了更深入的了解。并對(duì)本課題的設(shè)計(jì)有了更深入的理解。在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)之前，我們大學(xué)四年所有的課程，幾乎全部結(jié)束。學(xué)校安排這樣一次實(shí)踐項(xiàng)目，就是要讓我們對(duì)大學(xué)四年所學(xué)的東西進(jìn)行一次鞏固和深化，重新把各科的知識(shí)匯總梳理了一遍。這對(duì)我們將來踏上社會(huì)工作是很有好處的。書本上的理論知識(shí)可能掌握了，但是關(guān)鍵是要如何吸納為自己的東西，并投入到實(shí)踐創(chuàng)新中去，做到能融會(huì)貫通，舉一反三，能實(shí)實(shí)在在地解決實(shí)際問題,這是我們今后工作中的一筆寶貴的財(cái)富。 5文獻(xiàn) 1. 濮良貴主編，機(jī)械設(shè)計(jì)，高等教育出版社，2003 2. 陳鐵鳴主編，新編機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)圖冊(cè)，高等教育出版社，2003 3. 機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1990 4. 吳拓編著，現(xiàn)代機(jī)床夾具設(shè)計(jì)，化學(xué)工業(yè)出版社，2011 5. 李長(zhǎng)春等編著，UG NX4.0基礎(chǔ)教程，人民郵電出版社，2008 6. 胡家秀主編，簡(jiǎn)明機(jī)械零件設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社 2003 7 手冊(cè)編輯委員會(huì)編 現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)手冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 2002 頁(yè)碼居中，以阿拉伯?dāng)?shù)字順序排序 附 錄 采用遺傳算法優(yōu)化加工夾具定位和加緊位置 摘要：工件變形的問題可能導(dǎo)致機(jī)械加工中的空間問題。支撐和定位器是用于減少工件彈性變形引起的誤差。支撐、定位器的優(yōu)化和夾具定位是最大限度的減少幾何在工件加工中的誤差的一個(gè)關(guān)鍵問題。本文應(yīng)用夾具布局優(yōu)化遺傳算法（GAs）來處理夾具布局優(yōu)化問題。遺傳算法的方法是基于一種通過整合有限的運(yùn)行于批處理模式的每一代的目標(biāo)函數(shù)值的元素代碼的方法，用于來優(yōu)化夾具布局。給出的個(gè)案研究說明已開發(fā)的方法的應(yīng)用。采用染色體文庫(kù)方法減少整體解決問題的時(shí)間。已開發(fā)的遺傳算法保持跟蹤先前的分析設(shè)計(jì)，因此先前的分析功能評(píng)價(jià)的數(shù)量降低大約93%。結(jié)果表明，該方法的夾具布局優(yōu)化問題是多模式的問題。優(yōu)化設(shè)計(jì)之間沒有任何明顯的相似之處，雖然它們提供非常相似的表現(xiàn)。 關(guān)鍵詞：夾具設(shè)計(jì)；遺傳算法；優(yōu)化 1.引言 夾具用來定位和束縛機(jī)械操作中的工件，減少由于對(duì)確保機(jī)械操作準(zhǔn)確性的夾緊方案和切削力造成的工件和夾具的變形。傳統(tǒng)上，加工夾具是通過反復(fù)試驗(yàn)法來設(shè)計(jì)和制造的，這是一個(gè)既造價(jià)高又耗時(shí)的制造過程。為確保工件按規(guī)定尺寸和公差來制造，工件必須給予適當(dāng)?shù)亩ㄎ缓蛫A緊以確保有必要開發(fā)工具來消除高造價(jià)和耗時(shí)的反復(fù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。適當(dāng)?shù)墓ぜㄎ缓蛫A具設(shè)計(jì)對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量的精密度、準(zhǔn)確度和機(jī)制件的完飾是至關(guān)重要的。 從理論上說，3-2-1定位原則對(duì)于定位所有的棱柱形零件是很令人滿意的。該方法具有最大的剛性與最少量的夾具元件。從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來看定位零件意味著限制了自由移動(dòng)物體的六自由度（三個(gè)平動(dòng)自由度和三個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度）。在零件下部設(shè)置三個(gè)支撐來建立工件在垂直軸方向的定位。在兩個(gè)外圍邊緣放置定位器旨在建立工件在水平x軸和y軸的定位。正確定位夾具的工件對(duì)于制造過程的全面準(zhǔn)確性和重復(fù)性是至關(guān)重要的。定位器應(yīng)該盡可能的遠(yuǎn)距離的分開放置并且應(yīng)該放在任何可能的加工面上。放置的支撐器通常用來包圍工件的重力中心并且盡可能的將其分開放置以維持其穩(wěn)定性。夾具夾子的首要任務(wù)是固定夾具以抵抗定位器和支撐器。不應(yīng)該要求夾子反抗加工操作中的切削力。 對(duì)于給定數(shù)量的夾具元件，加工夾具合成的問題是尋找夾具優(yōu)化布局或工件周圍夾具元件的位置。本篇文章提出一種優(yōu)化夾具布局遺傳算法。優(yōu)化目標(biāo)是研究一個(gè)二維夾具布局使工件不同位置上最大的彈性變形最小化。ANSYS程序以用于計(jì)算工件變形情況下夾緊力和切削力。本文給出兩個(gè)實(shí)例來說明給出的方法。 2.回顧相關(guān)工程結(jié)構(gòu) 最近幾年夾具設(shè)計(jì)問題受到越來越多的重視。然而，很少有注意力集中于優(yōu)化夾具布局設(shè)計(jì)。Menassa和Devries用FEA計(jì)算變形量使設(shè)計(jì)準(zhǔn)則要求的位點(diǎn)的工件變形最小化。設(shè)計(jì)問題是確定支撐器位置。Meyer和Liou提出一個(gè)方法就是使用線性編程技術(shù)合成動(dòng)態(tài)編程條件中的夾具。給出了使夾緊力和定位力最小化的解決方案。Li和Melkote用非線性規(guī)劃方法解決布局優(yōu)化問題。這個(gè)方法使工件位置誤差最小化歸于工件的局部彈性變形。Roy和Liao開發(fā)出一種啟發(fā)式方法來計(jì)劃最好的支撐和夾緊位置。Tao等人提出一個(gè)幾何推理的方法來確定最優(yōu)夾緊點(diǎn)和任意形狀工件的夾緊順序。Liao和Hu提出一種夾具結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)基于動(dòng)態(tài)模型分析受限于時(shí)變加工負(fù)載的夾具—工件系統(tǒng)。本文也調(diào)查了夾緊位置的影響。Li和Melkote提出夾具布局和夾緊力最優(yōu)合成方法幫我們解釋加工過程中的工件動(dòng)力學(xué)。本文提出一個(gè)夾具布局和夾緊力優(yōu)化結(jié)合的程序。他們用接觸彈性建模方法解釋工件剛體動(dòng)力學(xué)在加工期間的影響。Amaral等人用ANSYS驗(yàn)證夾具設(shè)計(jì)的完整性。他們用3-2-1方法。ANSYS提出優(yōu)化分析。Tan等人通過力鎖合、優(yōu)化與有限建模方法描述了建模、優(yōu)化夾具的分析與驗(yàn)證。 以上大部分的研究使用線性和非線性編程方式這通常不會(huì)給出全局最優(yōu)解決方案。所有的夾具布局優(yōu)化程序開始于一個(gè)初始可行布局。這些方法給出的解決方案在很大程度上取決于初始夾具布局。他們沒有考慮到工件夾具布局優(yōu)化對(duì)整體的變形。 GAs已被證明在解決工程中優(yōu)化問題是有用的。夾具設(shè)計(jì)具有巨大的解決空間并需要搜索工具找到最好的設(shè)計(jì)。一些研究人員曾使用GAs解決夾具設(shè)計(jì)及夾具布局問題。Kumar等人用GAs和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)夾具。Marcelin已經(jīng)將GAs用于支撐位置的優(yōu)化。Vallapuzha等人提出基于優(yōu)化方法的GA，它采用空間坐標(biāo)來表示夾具元件的位置。夾具布局優(yōu)化程序設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是使用MATLAB和遺傳算法工具箱。HYPERMESH和MSC / NASTRAN用于FE模型。Vallapuzha等人提出一些結(jié)果關(guān)于一個(gè)廣泛調(diào)查不同優(yōu)化方法的相對(duì)有效性。他們的研究表明連續(xù)遺傳算法提出了最優(yōu)質(zhì)的解決方案。Li和Shiu使用遺傳算法確定了夾具設(shè)計(jì)最優(yōu)配置的金屬片。MSC/NASTRAN已經(jīng)用于適應(yīng)度值評(píng)價(jià)。Liao提出自動(dòng)選擇最佳夾子和夾鉗的數(shù)目以及它們?cè)诮饘倨系膴A具中的最優(yōu)位置。Krishnakumar和Melkote開發(fā)了一種夾具布局優(yōu)化技術(shù)，它是利用遺傳算法找到了夾具布局，由于整個(gè)刀具路徑中的夾緊力和加工力使加工表面變形量最小化。通過節(jié)點(diǎn)編號(hào)使定位器和夾具位置特殊化。一個(gè)內(nèi)置的有限元求解器研制成功。 一些研究沒考慮到整個(gè)刀具路徑的優(yōu)化布局以及磨屑清除。一些研究采用節(jié)點(diǎn)編號(hào)作為設(shè)計(jì)參數(shù)。 在本研究中，開發(fā)GA工具用于尋找在二維工件中的最優(yōu)定位器和夾緊位置。使用參考邊緣的距離作為設(shè)計(jì)參數(shù)而不是用FEA節(jié)點(diǎn)編號(hào)。真正編碼遺傳算法的染色體的健康指數(shù)是從FEA結(jié)果中獲得的。ANSSYS用于FEA計(jì)算。用染色體文庫(kù)的方法是為了減少解決問題的時(shí)間。用兩個(gè)問題測(cè)試已開發(fā)的遺傳算法工具。給出的兩個(gè)實(shí)例說明了這個(gè)開發(fā)的方法。本論文的主要貢獻(xiàn)可以概括為以下幾個(gè)方面： （1） 開發(fā)了遺傳算法編碼結(jié)合商業(yè)有限元素求解； （2） 遺傳算法采用染色體文庫(kù)以降低計(jì)算時(shí)間； （3） 使用真正的設(shè)計(jì)參數(shù)，而不是有限元節(jié)點(diǎn)數(shù)字； （4） 當(dāng)工具在工件中移動(dòng)時(shí)考慮磨屑清除工具。 3.遺傳算法概念 遺傳算法最初由John Holland開發(fā)。Goldberg出版了一本書，解釋了這個(gè)理論和遺傳算法應(yīng)用實(shí)例的詳細(xì)說明。遺傳算法是一種隨機(jī)搜索方法，它模擬一些自然演化的機(jī)制。該算法用于種群設(shè)計(jì)。種群從一代到另一代演化，通過自然選擇逐漸提高了適應(yīng)環(huán)境的能力，更健康的個(gè)體有更好的機(jī)會(huì)，將他們的特征傳給后代。 該算法中，要基于為每個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算適合性，所以人工選擇取代自然環(huán)境選擇。適應(yīng)度值這個(gè)詞用來指明染色體生存幾率，它在本質(zhì)上是該優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)。生物定義的特征染色體用代表設(shè)計(jì)變量的字符串中的數(shù)值代替。 被公認(rèn)的遺傳算法與傳統(tǒng)的梯度基礎(chǔ)優(yōu)化技術(shù)的不同主要有如下四種方式： （1） 遺傳算法和問題中的一種編碼的設(shè)計(jì)變量和參數(shù)一起工作而不是實(shí)際參數(shù)本身。 （2） 遺傳算法使用種群—類型研究。評(píng)價(jià)在每個(gè)重復(fù)中的許多不同的設(shè)計(jì)要點(diǎn)而不是一個(gè)點(diǎn)順序移動(dòng)到下一個(gè)。 （3） 遺傳算法僅僅需要一個(gè)適當(dāng)?shù)幕蚰繕?biāo)函數(shù)值。沒有衍生品或梯度是必要的。 （4） 遺傳算法以用概率轉(zhuǎn)換規(guī)則來發(fā)現(xiàn)新設(shè)計(jì)為探索點(diǎn)而不是利用基于梯度信息的確定性規(guī)則來找到這些新觀點(diǎn)。 4.方法 4.1夾具定位原則 加工過程中，用夾具來保持工件處于一個(gè)穩(wěn)定的操作位置。對(duì)于夾具最重要的標(biāo)準(zhǔn)是工件位置精確度和工件變形。一個(gè)良好的夾具設(shè)計(jì)使工件幾何和加工精度誤差最小化。另一個(gè)夾具設(shè)計(jì)的要求是夾具必須限制工件的變形?？紤]切削力以及夾緊力是很重要的。沒有足夠的夾具支撐，加工操作就不符合設(shè)計(jì)公差。有限元分析在解決這其中的一些問題時(shí)是一種很有力的工具。 棱柱形零件常見的定位方法是3-2-1方法。該方法具有最大剛體度以及最小夾具元件數(shù)。在三維中一個(gè)工件可能會(huì)通過六自由度定位方法快速定位為了限制工件的九個(gè)自由度。其他的三個(gè)自由度通過夾具元件消除了?；?-2-1定位原理的二位工件布局的例子如圖4。 圖4 3-2-1對(duì)二維棱柱工件定位布局 定位面得數(shù)量不得超過兩個(gè)避免冗余的位置?；?-2-1的夾具設(shè)計(jì)原則有兩種精確的定位平面包含于兩個(gè)或一個(gè)定位器。因此，在兩邊有最大的夾緊力抵抗每個(gè)定位平面。夾緊力總是指向定位器為了推動(dòng)工件接觸到所有的定位器。定位點(diǎn)對(duì)面應(yīng)定位夾緊點(diǎn)防止工件由于夾緊力而扭曲。因?yàn)榧庸ちρ刂庸っ?，所以有必要確保定位器的反應(yīng)力在所有時(shí)間內(nèi)是正的。任何負(fù)面的反應(yīng)力表示工件從夾具元件中脫離。換句話說，當(dāng)反應(yīng)力是負(fù)的時(shí)候，工件和夾具元件之間接觸或分離的損失可能發(fā)生。定位器內(nèi)正的反應(yīng)力確保工件從切削開始到結(jié)束都能接觸到所有的定位器。夾緊力應(yīng)該充分束縛和定位工件且不導(dǎo)致工件的變形或損壞。本文不考慮夾緊力的優(yōu)化。 4.2基于夾具布局優(yōu)化方法的遺傳算法 在實(shí)際設(shè)計(jì)問題中，設(shè)計(jì)參數(shù)的數(shù)量可能很大并且它們對(duì)目標(biāo)函數(shù)的影響會(huì)是非常復(fù)雜的。目標(biāo)函數(shù)曲線必須是光滑的并且需要一個(gè)程序計(jì)算梯度。遺傳算法在理念上遠(yuǎn)不同于其他的探究方法，它們包括傳統(tǒng)的優(yōu)化方法和其他隨機(jī)方法。通過運(yùn)用遺傳算法來對(duì)夾具優(yōu)化布局，可以獲得一個(gè)或一組最優(yōu)的解決方案。 本項(xiàng)研究中，最優(yōu)定位器和夾具定位使用遺傳算法確定。它們是理想的適合夾具布局優(yōu)化問題的方法因?yàn)闆]有直接分析的關(guān)系存在于加工誤差和夾具布局中。因?yàn)檫z傳算法僅僅為一個(gè)特別的夾具布局處理設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)值，所以不需要梯度或輔助信息。 建議方案流程圖如圖5。 使用開發(fā)的命名為GenFix的Delphi語(yǔ)言軟件來實(shí)現(xiàn)夾具布局優(yōu)化。位移量用ANSYS軟件計(jì)算。通過WinExec功能在GenFix中運(yùn)行ANSYS很簡(jiǎn)單。GenFix和ANSYS之間相互作用通過四部實(shí)現(xiàn)： （1） 定位器和夾具位置從二進(jìn)制代碼字符串中提取作為真正的參數(shù)。 （2） 這些參數(shù)和ANSYS輸入批處理文件（建模、解決方案和后置處理）用WinExec功能傳給ANSYS。 （3） 解決后將位移值寫成一個(gè)文本文件。 （4） GenFix讀這個(gè)文件并為當(dāng)前定位器和夾緊位置計(jì)算適應(yīng)度值。 為了減少計(jì)算量，染色體與適應(yīng)度值儲(chǔ)存在一個(gè)文庫(kù)里以備進(jìn)一步評(píng)估。GenFix首先檢查是否當(dāng)前的染色體的適應(yīng)度值已經(jīng)在之前被計(jì)算過。如果沒有，定位器位置被送到ANSYS，否則從文庫(kù)中取走適應(yīng)度值。在初始種群產(chǎn)生過程中，檢查每一個(gè)染色體可行與否。如果違反了這個(gè)原則，它就會(huì)出局然后新的染色體就產(chǎn)生了。這個(gè)程序創(chuàng)造了可行的初始種群。這保證了初始種群的每個(gè)染色體在夾緊力和切削力作用下工件的穩(wěn)定性。用兩個(gè)測(cè)試用例來驗(yàn)證提到的遺傳算法計(jì)劃。第一個(gè)實(shí)例是使用Himmelblau功能。在第二個(gè)測(cè)試用例中，遺傳算法計(jì)劃用來優(yōu)化均布載荷作用下梁的支撐位置。 圖5 設(shè)計(jì)方法的流程與ANSYS相配合流程 5.夾具布局優(yōu)化的個(gè)案研究 該夾具布局優(yōu)化問題的定義是：找到定位器和夾子的位置以使在特定區(qū)工件變形降到最小程度。那么多的定位器和夾子并不是設(shè)計(jì)參數(shù)因?yàn)樗鼈冊(cè)?-2-1方案中是已知的和固定的。因此，設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇如同定位器和夾子的位置。本研究中不考慮摩擦力。兩個(gè)實(shí)例研究來說明以提出的方法。 6.結(jié)論 本文提出了一個(gè)夾具布局優(yōu)化的評(píng)價(jià)優(yōu)化技術(shù)。ANSYS用于FE計(jì)算適應(yīng)度值?？梢钥吹?，遺傳算法和FE方法的結(jié)合對(duì)當(dāng)今此類問題似乎是一種強(qiáng)大的方法。遺傳算法特別適合應(yīng)用于解決那些在目標(biāo)函數(shù)和設(shè)計(jì)變量之間不存在一個(gè)定義明確的數(shù)學(xué)關(guān)系的問題。結(jié)果證明遺傳算法在夾具布局優(yōu)化問題方面的成功應(yīng)用。本項(xiàng)研究中，遺傳算法在夾具布局優(yōu)化應(yīng)用中的主要困難是較高的計(jì)算成本。種群中每個(gè)染色體需要工件的重嚙合。但是，染色體庫(kù)的使用，F(xiàn)E評(píng)價(jià)的數(shù)量從6000下降到415。這就導(dǎo)致了巨大的增益計(jì)算效益。其他減少處理時(shí)間的方法是在局域網(wǎng)內(nèi)使用分布式計(jì)算。 該方法結(jié)果表明，夾具布局優(yōu)化問題是多模態(tài)問題。優(yōu)化設(shè)計(jì)之間沒有任何明顯的相似之處盡管他們提供非常相似的表現(xiàn)。結(jié)果表明夾具布局問題是多模態(tài)問題然而用于夾具設(shè)計(jì)的啟發(fā)式規(guī)則應(yīng)該用于遺傳算法來選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)。 Machining fixture locating and clamping position optimization using genetic algorithms Necmettin Kaya* Department of Mechanical Engineering, Uludag University, Go¨ru¨kle, Bursa 16059, Turkey Received 8 July 2004; accepted 26 May 2005 Available online 6 September 2005 Abstract Deformation of the workpiece may cause dimensional problems in machining. Supports and locators are used in order to reduce the error caused by elastic deformation of the workpiece. The optimization of support, locator and clamp locations is a critical problem to minimize the geometric error in workpiece machining. In this paper, the application of genetic algorithms (GAs) to the fixture layout optimization is presented to handle fixture layout optimization problem. A genetic algorithm based approach is developed to optimise fixture layout through integrating a finite element code running in batch mode to compute the objective function values for each generation. Case studies are given to illustrate the application of proposed approach. Chromosome library approach is used to decrease the total solution time. Developed GA keeps track of previously analyzed designs; therefore the numbers of function evaluations are decreased about 93%. The results of this approach show that the fixture layout optimization problems are multi-modal problems. Optimized designs do not have any apparent similarities although they provide very similar performances. Keywords: Fixture design; Genetic algorithms; Optimization 1. Introduction Fixtures are used to locate and constrain a workpiece during a machining operation, minimizing workpiece and fixture tooling deflections due to clamping and cutting forces are critical to ensuring accuracy of the machining operation. Traditionally, machining fixtures are designed and manufactured through trial-and-error, which prove to be both expensive and time-consuming to the manufacturing process. To ensure a workpiece is manufactured according to specified dimensions and tolerances, it must be appropriately located and clamped, making it imperative to develop tools that will eliminate costly and time-consuming trial-and-error designs. Proper workpiece location and fixture design are crucial to product quality in terms of precision, accuracy and finish of the machined part. Theoretically, the 3-2-1 locating principle can satisfactorily locate all prismatic shaped workpieces. This method provides the maximum rigidity with the minimum number of fixture elements. To position a part from a kinematic point of view means constraining the six degrees of freedom of a free moving body (three translations and three rotations). Three supports are positioned below the part to establish the location of the workpiece on its vertical axis. Locators are placed on two peripheral edges and intended to establish the location of the workpiece on the x and y horizontal axes. Properly locating the workpiece in the fixture is vital to the overall accuracy and repeatability of the manufacturing process. Locators should be positioned as far apart as possible and should be placed on machined surfaces wherever possible. Supports are usually placed to encompass the center of gravity of a workpiece and positioned as far apart as possible to maintain its stability. The primary responsibility of a clamp in fixture is to secure the part against the locators and supports. Clamps should not be expected to resist the cutting forces generated in the machining operation. For a given number of fixture elements, the machining fixture synthesis problem is the finding optimal layout or positions of the fixture elements around the workpiece. In this paper, a method for fixture layout optimization using genetic algorithms is presented. The optimization objective is to search for a 2D fixture layout that minimizes the maximum elastic deformation at different locations of the workpiece. ANSYS program has been used for calculating the deflection of the part under clamping and cutting forces. Two case studies are given to illustrate the proposed approach. 2. Review of related works Fixture design has received considerable attention in recent years. However, little attention has been focused on the optimum fixture layout design. Menassa and DeVries[1]used FEA for calculating deflections using the minimization of the workpiece deflection at selected points as the design criterion. The design problem was to determine the position of supports. Meyer and Liou[2] presented an approach that uses linear programming technique to synthesize fixtures for dynamic machining conditions. Solution for the minimum clamping forces and locator forces is given. Li and Melkote[3]used a nonlinear programming method to solve the layout optimization problem. The method minimizes workpiece location errors due to localized elastic deformation of the workpiece. Roy andLiao[4]developed a heuristic method to plan for the best supporting and clamping positions. Tao et al.[5]presented a geometrical reasoning methodology for determining the optimal clamping points and clamping sequence for arbitrarily shaped workpieces. Liao and Hu[6]presented a system for fixture configuration analysis based on a dynamic model which analyses the fixture–workpiece system subject to time-varying machining loads. The influence of clamping placement is also investigated. Li and Melkote[7]presented a fixture layout and clamping force optimal synthesis approach that accounts for workpiece dynamics during machining. A combined fixture layout and clamping force optimization procedure presented.They used the contact elasticity modeling method that accounts for the influence of workpiece rigid body dynamics during machining. Amaral et al. [8] used ANSYS to verify fixture design integrity. They employed 3-2-1 method. The optimization analysis is performed in ANSYS. Tan et al. [9] described the modeling, analysis and verification of optimal fixturing configurations by the methods of force closure, optimization and finite element modeling. Most of the above studies use linear or nonlinear programming methods which often do not give global optimum solution. All of the fixture layout optimization procedures start with an initial feasible layout. Solutions from these methods are depending on the initial fixture layout. They do not consider the fixture layout optimization on overall workpiece deformation. The GAs has been proven to be useful technique in solving optimization problems in engineering [10–12]. Fixture design has a large solution space and requires a search tool to find the best design. Few researchers have used the GAs for fixture design and fixture layout problems. Kumar et al. [13] have applied both GAs and neural networks for designing a fixture. Marcelin [14] has used GAs to the optimization of support positions. Vallapuzha et al. [15] presented GA based optimization method that uses spatial coordinates to represent the locations of fixture elements. Fixture layout optimization procedure was implemented using MATLAB and the genetic algorithm toolbox. HYPERMESH and MSC/NASTRAN were used for FE model. Vallapuzha et al. [16] presented results of an extensive investigation into the relative effectiveness of various optimization methods. They showed that continuous GA yielded the best quality solutions. Li and Shiu [17] determined the optimal fixture configuration design for sheet metal assembly using GA. MSC/NASTRAN has been used for fitness evaluation. Liao [18] presented a method to automatically select the optimal numbers of locators and clamps as well as their optimal positions in sheet metal assembly fixtures. Krishnakumar and Melkote [19] developed a fixture layout optimization technique that uses the GA to find the fixture layout that minimizes the deformation of the machined surface due to clamping and machining forces over the entire tool path. Locator and clamp positions are specified by node numbers. A built-in finite element solver was developed. Some of the studies do not consider the optimization of the layout for entire tool path and chip removal is not taken into account. Some of the studies used node numbers as design parameters. In this study, a GA tool has been developed to find the optimal locator and clamp positions in 2D workpiece. Distances from the reference edges as design parameters are used rather than FEA node numbers. Fitness values of real encoded GA chromosomes are obtained from the results of FEA. ANSYS has been used for FEA calculations. A chromosome library approach is used in order to decrease the solution time. Developed GA tool is tested on two test problems. Two case studies are given to illustrate the developed approach. Main contributions of this paper can be summarized as follows: (1) developed a GA code integrated with a commercial finite element solver; (2) GA uses chromosome library in order to decrease the computation time; (3) real design parameters are used rather than FEA node numbers; (4) chip removal is taken into account while tool forces moving on the workpiece. 3. Genetic algorithm concepts Genetic algorithms were first developed by John Holland. Goldberg [10] published a book explaining the theory and application examples of genetic algorithm in details. A genetic algorithm is a random search technique that mimics some mechanisms of natural evolution. The algorithm works on a population of designs. The population evolves from generation to generation, gradually improving its adaptation to the environment through natural selection; fitter individuals have better chances of transmitting their characteristics to later generations. In the algorithm, the selection of the natural environment is replaced by artificial selection based on a computed fitness for each design. The term fitness is used to designate the chromosome’s chances of survival and it is essentially the objective function of the optimization problem. The chromosomes that define characteristics of biological beings are replaced by strings of numerical values representing the design variables. GA is recognized to be different than traditional gradient based optimization techniques in the following four major ways [10]: 1. GAs work with a coding of the design variables and parameters in the problem, rather than with the actual parameters themselves. 2. GAs makes use of population-type search. Many different design points are evaluated during each iteration instead of sequentially moving from one point to the next. 3. GAs needs only a fitness or objective function value. No derivatives or gradients are necessary. 4. GAs use probabilistic transition rules to find new design points for exploration rather than using deterministic rules based on gradient information to find these new points. 4. Approach 4.1. Fixture positioning principles In machining process, fixtures are used to keep workpieces in a desirable position for operations. The most important criteria for fixturing are workpiece position accuracy and workpiece deformation. A good fixture design minimizes workpiece geometric and machining accuracy errors. Another fixturing requirement is that the fixture must limit deformation of the workpiece. It is important to consider the cutting forces as well as the clamping forces. Without adequate fixture support, machining operations do not conform to designed tolerances. Finite element analysis is a powerful tool in the resolution of some of these problems [22]. Common locating method for prismatic parts is 3-2-1 method. This method provides the maximum rigidity with the minimum number of fixture elements. A workpiece in 3D may be positively located by means of six points positioned so that they restrict nine degrees of freedom of the workpiece. The other three degrees of freedom are removed by clamp elements. An example layout for 2D workpiece based 3-2-1 locating principle is shown in Fig. 4. Fig. 4. 3-2-1 locating layout for 2D prismatic workpiece The number of locating faces must not exceed two so as to avoid a redundant location. Based on the 3-2-1 fixturing principle there are two locating planes for accurate location containing two and one locators. Therefore, there are maximum of two side clampings against each locating plane. Clamping forces are always directed towards the locators in order to force the workpiece to contact all locators. The clamping point should be positioned opposite the positioning points to prevent the workpiece from being distorted by the clamping force. Since the machining forces travel along the machining area, it is necessary to ensure that the reaction forces at locators are positive for all the time. Any negative reaction force indicates that the workpiece is free from fixture elements. In other words, loss of contact or the separation between the workpiece and fixture element might happen when the reaction force is negative. Positive reaction forces at the locators ensure that the workpiece maintains contact with all the locators from the beginning of the cut to the end. The clamping forces should be just sufficient to constrain and locate the workpiece without causing distortion or damage to the workpiece. Clamping force optimization is not considered in this paper. 4.2. Genetic algorithm based fixture layout optimization approach In real design problems, the number of design parameters can be very large and their influence on the objective function can be very complicated. The objective function must be smooth and a procedure is needed to compute gradients. Genetic algorithms strongly differ in conception from other search methods, including traditional optimization methods and other stochastic methods [23]. By applying GAs to fixture layout optimization, an optimal or group of sub-optimal solutions can be obtained. In this study, optimum locator and clamp positions are determined using genetic algorithms. They are ideally suited for the fixture layout optimization problem since no direct analytical relationship exists between the machining error and the fixture layout. Since the GA deals with only the design variables and objective function value for a particular fixture layout, no gradient or auxiliary information is needed [19]. The flowchart of the proposed approach is given in Fig. 5. Fixture layout optimization is implemented using developed software written in Delphi language named GenFix. Displacement values are calculated in ANSYS software [24]. The execution of ANSYS in GenFix is simply done by WinExec function in Delphi. The interaction between GenFix and ANSYS is implemented in four steps: (1) Locator and clamp positions are extracted from binary string as real parameters. (2) These parameters and ANSYS input batch file (modeling, solution and post processing commands) are sent to ANSYS using WinExec function. (3) Displacement values are written to a text file after solution. (4) GenFix reads this file and computes fitness value for current loc