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毕业夹具设计设计说明书
青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）摘要本论文是结合目前实际生产中，常常发现仅用通用夹具不能满足生产要求，用通用 夹具装夹工件生产效率低劳动强大，加工质量不高，而且往往需要增加划线工序，而专 门设计两种夹具：铣床夹具和钻床夹具，主要包括夹具的定位方案，夹紧方案、对刀方 案，夹具体与定位键的设计及加工精度等方面的分析。 本设计铣床夹具有良好的加工精度， 针对性强， 主要用于拨叉零件铣槽工序的加工。 其具有夹紧力装置，具备现代机床夹具所要求的高效化和精密化的特点，可以有效的减 少工件加工的基本时间和辅助时间，大大提高了劳动生产力，从而可以有效地减轻工人 的劳动强度和增加劳动效率。钻床夹具具有提高生产率、扩大机床工艺范围、减轻工人 劳动强度以及保证生产安全等特点。因此，对夹具知识的认识和学习以及设计新式的适 合实际生产的夹具在今天显得尤为重要起来。关键词：铣床夹具，钻床夹具，设计，高效I青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）AbstractThe present paper is combing the actual production at present, which is that either using universal fixture cannot meet only production requirements or using universal fixture clamping work-piece to product is poor efficiency and powerful labor and not high processing quality or often it need to increase crossed process, to specially design two fixture: milling fixture and drilling fixture, mainly including schemes of fixture positioning, clamping and cutter, the design of the concrete and the TAB folder and the analysis of machining precision et al. The milling fixture, having good processing precision and targeted, mainly is used to process dial the fork parts milling flutes. The fixture with clamping force device has the characteristics of efficiency and precision required by modern machine tools. It is so effectively to reduce the processing time and auxiliary time that greatly improve the labor productive, effectively reduce the labor intensity and increase the work efficiency as well. Drilling fixture is good for raising productivity, expanding machine machining scope, reducing labor intensity and ensuring the production safety. Therefore, it is especially important to learn and study the knowledge of fixture and design new suitable for practical production fixture nowadays.Key words：milling fixture, drilling fixture, design, efficiencyII青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）目录摘 要 ................................................ I Abstract ............................................... II 1 绪论 .................................................. 11.1 夹具概念 ????????????????????????? 1 1.2 夹具的主要功能 ?????????????????????? 1 1.3 夹具的分类 ???????????????????????? 1 1.4 夹具的组成 ???????????????????????? 2 1.5 常用定位元件及选用 ???????????????????? 2 1.6 工件的夹紧 ???????????????????????? 7 1.7 机床夹具的现状及发展方向 ????????????????? 92 钻床夹具设计 ......................................... 122.1 工件预加工内容 ?????????????????????? 12 2.2 初定夹具结构方案 ????????????????????? 12 2.3 绘图 ??????????????????????????? 163 铣床夹具设计 ......................................... 173.1 铣床常用通用夹具的结构 ?????????????????? 17 3.2 铣床夹具的设计特点 ???????????????????? 17 3.3 夹具装夹工件的特点????????????????????? 17 3.4 铣床夹具的安装??????????????????????? 17 3.5 铣床夹具的对刀位置????????????????????? 18 3.6 定位方案?????????????????????????? 18 3.7 夹紧方案?????????????????????????? 21 3.8 铣刀分类?????????????????????????? 21 3.9 夹具体与定位键??????????????????????? 22 3.10 夹具总图上的尺寸、公差和技术要求 ????????????? 22 3.11 夹具精度分析 ??????????????????????? 22结 论 致 谢 参考文献 附 录............................................... 24 ............................................... 25 ............................................... 26 ............................................... 27III青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）1 绪论1.1 夹具概念夹具是在机械制造过程中，用来固定加工对象，使之占有正确的位置，以接受加工或 检测并保证加工要求的机床附加装置， 简称为夹具。 在我们实际生产中夹具的作用是将工 件定位，以使加工工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。1.2 夹具的主要功能在机床上加工工件的时候，必须用夹具装好夹牢所要加工工件。将工件装好，就是在 机床上确定工件相对于刀具的正确位置，这一过程称为定位。将工件夹紧，就是对工件施 加作用力，使之在已经定好的位置上将工件可靠地夹紧，这一过程称为夹紧。从定位到夹 紧的全过程，称为装夹。1.3 夹具的分类夹具的种类很多，形状千差万别。为了设计、制造和管理的方便，往往按某一属性进 行分类。 1.3.1 按夹具的通用特性分类 目前中国常用夹具有通用夹具、专用夹具、可调夹具、组合夹具和自动线夹具等五大 类。 1．通用夹具 通用夹具是指结构、尺寸已规格化，且具有一定通用性的夹具。其优点是适应性强、 不需要调整或稍加调整即可装夹一定形状和尺寸范围内的各种工件。这类夹具已商品化。 如三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、顶尖、中心架、电磁吸盘等。 采用这类夹具可缩短生产准备周期，减少夹具品种，从而减低生产成本。其缺点是夹具的 加工精度不高，生产力较低且较难装夹形状复杂的工件，故适用于单件小批量生产中。 2．专用夹具 专用夹具是针对某一工件的某一道工序的加工要求而专门设计和制造的夹具。 特点是 针对性强。适用与产品相对稳定、批量较大的生产中，可获得较高的生产率和加工精度。 3．可调夹具 夹具的某些元件可调整或可更换，已适应多中工件的夹具，称为可调夹具。它还分通 用可调夹具和成组夹具两类。 4．组合夹具 组合夹具是由可循环使用的标准夹具零部件 （或专用零部件） 组装成易于连接和拆卸 的夹具。根据被加工零件的工艺要求可以很快地组装成专用夹具，夹具使用完毕，可以方 便地拆开。夹具主要应用在单件，中、小批多品种生产和数控加工中，是一种较经济的夹 具。1青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）5．自动线夹具 自动线夹具一般分为两种，一种为固定式夹具，它与专用夹具相似；另一种为随行夹 具， 使用中夹具随工件一起运动， 并将工件沿着自动线从一个工位移至下一个工位进行加 工。 1.3.2 按夹具的动力源分类 按夹具夹紧动力源可将夹具分为手动夹具和机动夹具两大类。 为减轻劳动强度和确保 安全生产，手动夹具应有扩力机构与自锁性能。常用的机动夹具有气动夹具、液压夹具、 气液夹具、电动夹具、电磁夹具、真空夹具和离心力夹具等。 上述各分类中：最常用的分类方法是，按通用，专用和组合进行分类。1.4 夹具的组成虽然夹具的种类繁多，但它们的工作原理基本上是相同的。将各类夹具中，作用相同 的结构或元件加以概括， 可得出夹具一般所共有的以下几个组成部分， 这些组成部分既相 互独立又相互联系。 1．定位支承元件 定位支承元件的作用是确定工件在夹具中的正确位置并支承工件， 是夹具的主要功能 元件之一。定位支承元件的定位精度直接影响工件加工的精度。 2．夹紧装置 夹紧元件的作用是将工件压紧夹牢，并保证在加工过程中工件的正确位置不变。 3．连接定向元件 这种元件用于将夹具与机床连接并确定夹具对机床主轴、工作台或导轨的相互位置。 4．对刀元件或导向元件 这些元件的作用是保证工件加工表面与刀具之间的正确位置。 用于确定刀具在加工正 确位置的元件称为对刀元件，用于确定刀具位置并引导刀具进行加工的元件称为导向元 件。 5．其它装置或元件 根据加工需要， 有些夹具上还设有分度装置、 靠模装置、 上下料装置、 工件顶出机构、 电动扳手和平衡块等，以及标准化了的其它联接元件。 6．夹具体 夹具体是夹具的基体骨架，用来配置、安装各夹具元件使之组成一整体。常用的夹具 体为铸件结构、锻造结构、焊接结构和装配结构，形状有回转体形和底座形等形状。 上述各组成部分中，定位元件、夹紧装置、夹具体是夹具的基本组成部分。1.5 常用定位元件及选用工件在夹具中要想获得正确定位， 首先应正确选择定位基准， 其次是选择合适的定位 元件。工件定位时，工件定位基准和夹具的定位元件接触形成定位副，以实现工件的六点2青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）定位。用定位元件选用时，应按工件定位基准面和定位元件的结构特点进行选择。 1.5.1 工件以平面定位 1.以面积较小的已经加工的基准平面定位时， 选用平头支承钉， 以基准面粗糙不平或 毛坯面定位时，选用圆头支承钉，侧面定位时，可选用网状支承钉。 2.以面积较大、平面度精度较高的基准平面定位时，选用支承板定位元件，用于面定 位时用不带斜槽的支承板，通常尽可能选用带斜槽的支承板，以利清除切屑。 3.以毛坯面，阶梯平面和环形平面作基准平面定位时，选用自位支承作定位元件。但 须注意，自位支承虽有两个或三个支承点，由于自位和浮动作用只能作为一个支承点。 4.以毛坯面作为基准平面， 调节时可按定位面质量和面积大小分别选用可调支承作定 位元件。 5.当工件定位基准面需要提高定位刚度、 稳定性和可靠性时， 可选用辅助支承作辅助 定位元件，但须注意，辅助支承不起限制工件自由度的作用，且每次加工均需重新调整支 承点高度，支承位置应选在有利工件承受夹紧力和切削力的地方。 1.5.2 工件以外圆柱定位 1.当工件的对称度要求较高时，可选用 V 形块定位。V 形块工作面间的夹角α 常取 60°、90°、120°三种，其中应用最多的是 90°V 形块。90°V 形块的典型结构和尺寸 已标准化，使用时可根据定位圆柱面的长度和直径进行选择。V 形块结构有多种形式，有 的 V 形块适用于较长的加工过的圆柱面定位；有的 V 形块适于较长的粗糙的圆柱面定位； 有的 V 形块适用于尺寸较大的圆柱面定位，这种 V 形块底座采用铸件，V 形面采用淬火钢 件，V 块是由两者镶合而成。 2.当工件定位圆柱面精度较高时（一般不低于 IT8） ，可选用定位套或半圆形定位座 定位。大型轴类和曲轴等不宜以整个圆孔定位的工件，可选用半圆定位座。 1.5.3 工件以内孔定位 1.工件上定位内孔较小时，常选用定位销作定位元件。圆柱定位销的结构和尺寸标准 化，不同直径的定位销有其相应的结构形式，可根据工件定位内孔的直径选用。当工件圆 柱孔用孔端边缘定位时，需选用圆锥定位销。当工件圆孔端边缘形状精度较差时，选用圆 锥定位销；当工件需平面和圆孔端边缘同时定位时，选用浮动锥销。 2.在套类、盘类零件的车削、磨削和齿轮加工中，大都选用心轴定位，为了便于夹紧 和减小工件因间隙造成的倾斜， 当工件定位内孔与基准端面垂直精度较高时， 常以孔和端 面联合定位。 因此， 这类心轴通常是带台阶定位面的心轴， 当工件以内花键为定位基准时， 可选用外花键轴，当内孔带有花键槽时，可在圆柱心轴上设置键槽配装键块；当工件内孔 精度很高，而加工时工件力矩很小时，可选用小锥度心轴定位。 综上：正确定位，必须选对定位基准。 1.5.4 对定位元件的基本要求 1.限位基面应有足够的精度。定位元件具有足够的精度，才能保证工件的定位精度。3青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）2.限位基面应有较好的耐磨性。 由于定位元件的工作表面经常与工件接触和磨擦， 容 易磨损，为此要求定位元件限位表面的耐磨性要好，以保持夹具的使用寿命和定位精度。 3.支承元件应有足够的强度和刚度。定位元件在加工过程中，受工件重力、夹紧力和 切削力的作用，因此要求定位元件应有足够的刚度和强度，避免使用中变形和损坏。 4.定位元件应有较好的工艺性。定位元件应力求结构简单、合理，便于制造、装配和 更换。 5.定位元件应便于清除切屑。 定位元件的结构和工作表面形状应有利于清除切屑， 以 防切屑嵌入夹具内影响加工和定位精度。 1.5.5 常用定位元件所能限制的自由度 定位元件可按工件典型定位基准面分为以下几类： 1.用于平面定位的定位元件：括固定支承（钉支承和板支承） ，自位支承，可调支承 和辅支承。 2.用于外圆柱面定位的定位元件：括 V 形架，定位套和半圆定位座等。 3.用于孔定位的定位元件：括定位销（圆柱定位销和圆锥定位销） ，圆柱心轴和小锥 度心轴。 1.5.6 定位误差分析 六点定位原则解决了消除工件自由度的问题， 即解决了工件在夹具中位置 “定与不定” 的问题。但是，由于一批工件逐个在夹具中定位时，各个工件所占据的位置不完全一致， 即出现工件位置定得“准与不准”的问题。如果工件在夹具中所占据的位置不准确，加工 后各工件的加工尺寸必然大小不一， 形成误差。 这种只与工件定位有关的误差称为定位误 差，用Δ D 表示。 在工件的加工过程中，产生误差的因素很多，定位误差仅是加工误差的一部分，为了 保证加工精度，一般限定定位误差不超过工件加工公差 T 的 1/5～1/3， 即： 式中 Δ D≤(1/5～1/3)T Δ D――定位误差，单位为 mm； T――工件的加工误差，单位为 mm。 1.5.7 定位误差产生的原因 工件逐个在夹具中定位时， 各个工件的位置不一致的原因主要是基准不重合， 而基准 不重合又分为两种情况：一是定位基准与限位基准不重合，产生的基准位移误差；二是定 位基准与工序基准不重合，产生的基准不重合误差。 由于定位副的制造误差或定位副配合间所导致的定位基准在加工尺寸方向上最大位 置变动量，称为基准位移误差，用Δ Y 表示。不同的定位方式，基准位移误差的计算方式 也不同。 如果工件内孔直径与心轴外圆直径做成完全一致， 作无间隙配合， 即孔的中心线与轴 的中心线位置重合，则不存在因定位引起的误差。但实际上，如图所示，心轴和工件内孔4（1-1）青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）都有制造误差。 于是工件套在心轴上必然会有间隙， 孔的中心线与轴的中心线位置不重合， 导致这批工件的加工尺寸 H 中附加了工件定位基准变动误差，其变动量即为最大配合间 隙。可按下式计算： Δ Y=amax-amin=1/2(Dmax-dmin)=1/2 δ D+δ d） （ 式中： Δ Y――基准位移误差单位为 mm； Dmax――孔的最大直径单位为 mm； dmin――轴的最小直径单位为 mm。 δ D――工件孔的最大直径公差，单位为 mm； δ d――圆柱心轴和圆柱定位销的直径公差，单位为 mm。 基准位移误差的方向是任意的。减小定位配合间隙，即可减小基准位移误差Δ Y 值， 以提高定位精度。 加工尺寸的基准是外圆柱面的母线时， 定位基准是工件圆柱孔的中心线。 这种由于工 序基准与定位基准不重合所导致的工序基准在加工尺寸方向上的最大位置变动量， 称为基 准不重合误差，用Δ B 表示。此时除定位基准位移误差外，还有基准不重合误差。 综上： 定位误差产生的原因是， 定位基准与限位基准不重合及定位基准与工序基准不 重合而产生的误差。 1.5.8 常见定位方式中基准位移误差 1.用圆柱定位销、圆柱心轴中心定位 计算式： Δ Y＝Xmax=δ D+δ d0+Xmin（定位心轴较短） Xmax――工件定位后最大配合间隙； δ D――工件定位基准孔的直径公差； δ d0――圆柱定位销或圆柱心轴的直径公差； Xmin――定位所需最小间隙，由设计而定。 注意：基准位移误差的方向是任意的。 当工件用长定位心轴定位时，需考虑平行度要求。 计算式： Δ Y＝Xmax=（δ D+δ d+Xmin）L1／L2 L1――加工面长度； L2――定位孔长度。 2.定位套定位 计算式： Δ Y＝Xmax=δ D0+δ d+Xmin δ D0――定位套的孔径公差； δ d――工件定位外圆的直径公差。 注意：基准位移误差的方向是任意的。 3.平面支承定位 平面支承定位的位移误差较容易计算，当忽略支承误差且定位基准制作精度较高时，5（1-2）（1-3）（1-4）（1-5）青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）工序尺寸的基准位移误差视为零。 4.V 形体定心定位 若不计 V 形体制造误差， 仅有工件基准面的圆度误差时， 工件的定位中心会发生偏移 即 O1O2＝T1－T2，产生基准位移误差。 即： 1.5.9 定位误差的合成 定位误差是两误差的合成即： D=Δ B+Δ Y Δ 定位误差的合成需判断“＋”“－”号。 、 例如： V 形块中： B＝δ d／2 Δ 当Δ B 与Δ Y 的变动方向相同时： D＝Δ B＋Δ Y＝δ d／2+Δ Y Δ 当Δ B 与Δ Y 的变动方向相反时： D＝Δ B－Δ Y＝δ d／2－Δ Y Δ 1.5.10 六点定位原理 当工件在不受任何条件约束时，其位置是任意的不确定的。由理论力学可知，在空间 处于自由状态的钢体，具有六个自由度，即沿着 X、Y、Z 三个坐标轴的移动和绕着这三个 坐标轴转动的自由度。 六个自由度是工件在空间位置不确定的最高程度。 定位的任务， 就是要限制工件的自 由度。 在夹具中， 用分别适当的与工件接触的六个支撑点， 来限制工件六个自由度的原理， 称为六点定位原理。 1.5.11 应用定位的几种情况 1.完全定位 工件的六个自由度全部被限制，它在夹具中只有唯一的位置，称为完全定位。 2.部分定位 工件定位时，并非所有情况下都必须使工件完全定位。在满足加工要求的条件下，少 于六个支撑点的定位称为部分定位。 在满足加工要求的前提下，采用部分定位可简化定位装置，在生产中应用很多。如工 件装夹在电磁吸盘上磨削平面只需限制三个自由度。 3.过定位（重复定位） 几个定位支撑点重复限制一个自由度，称为过定位。 （1）一般情况下，应该避免使用过定位。 通常， 过定位的结果将使工件的定位精度受到影响， 定位不确定可使工件 （或定位件） 产生变形，所以在一般情况下，过定位是应该避免的。 （2）过定位亦可合理应用6Δ Y＝O1O2=T1－T2（1-6）故：对于 90°V 形体Δ Y＝0.707δ d。 （1-7）在圆柱间隙配合定位和 V 形块中心定位中，当基准不重合误差和位移误差都存在时，（1-8） （1-9） （1-10）青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）虽然工件在夹具中定位，通常要避免产生“过定位” ，但是在某些条件下，合理地采 用“过定位” ，反而可以获得良好的效果。这对刚性弱而精度高的航空、仪表类工件更为 显著。 工件本身刚性和支承刚性的加强， 是提高加工质量和生产率的有效措施， 生产中常有 应用。大家都熟知车削长轴时的安装情况，长轴工件的一端装入三爪卡盘中，另一端用尾 架尖支撑。这就是个“过定位”的定位方式。只要事先能对工件上诸定位基准和机床（夹 具） 有关的形位误差从严控制， 过定位的弊端就可以免除。 由于工件的支撑刚性得以加强， 尾架的扶持有助于实现稳定，可靠的定位，所以工件安装方便，加工质量和效率也大为提 高。1.6 工件的夹紧在机械加工过程中，工件会受到切削力、离心力、惯性力等的作用。为了保证在这些 外力作用下， 工件仍能在夹具中保持已由定位元件所确定的加工位置， 而不致发生振动和 位移，在夹具结构中必须设置一定的夹紧装置将工件可靠地夹牢。工件定位后，将工件固 定并使其在加工过程中保持定位位置不变的装置，称为夹紧装置。 1.6.1 夹紧装置的组成 夹紧装置的组成由以下三部分组成。 第一部分：动力源装置 它是产生夹紧作用力的装置。 分为手动夹紧和机动夹紧两种。 手动夹紧的力源来自人 力，用时比较费时费力。为了改善劳动条件和提高生产率，目前在大批量生产中均采用机 动夹紧。机动夹紧的力源来自气动、液压、气液联动、电磁、真空等动力夹紧装置。 第二部分：传力机构 它是介于动力源和夹紧元件之间传递动力的机构。 传力机构的作用是： 改变作用力的 方向；改变作用力的大小；具有一定的自锁性能，以便在夹紧力一旦消失后，仍能保证整 个夹紧系统处于可靠的夹紧状态，这一点在手动夹紧时尤为重要。 第三部分：夹紧元件 它是直接与工件接触完成夹紧作用的最终执行元件。 1.6.2 夹紧装置的设计原则 在夹紧工件的过程中， 夹紧作用的效果会直接影响工件的加工精度、 表面粗糙度以及 生产效率。因此，设计夹紧装置应遵循以下原则： 1.工件不移动原则 夹紧过程中，应不改变工件定位后所占据的正确位置。 2.工件不变形原则 夹紧力的大小要适当， 既要保证夹紧可靠， 又应使工件在夹紧力的作用下不致产生加 工精度所不允许的变形。7青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）3.工件不振动原则 对刚性较差的工件，或者进行断续切削，以及不宜采用气缸直接压紧的情况，应提高 支承元件和夹紧元件的刚性， 并使夹紧部位靠近加工表面， 以避免工件和夹紧系统的振动。 4.安全可靠原则 夹紧传力机构应有足够的夹紧行程，手动夹紧要有自锁性能，以保证夹紧可靠。 5.经济实用原则 夹紧装置的自动化和复杂程度应与生产纲领相适应， 在保证生产效率的前提下， 其结 构应力求简单，便于制造、维修，工艺性能好；操作方便、省力，使用性能好。 1.6.3 定位夹紧力的基本原则 设计夹紧装置时，夹紧力的确定包括夹紧力的方向、作用点和大小三个要素。 1.6.3.1 夹紧力的方向 夹紧力的方向与工件定位的基本配置情况， 以及工件所受外力的作用方向等有关。 选 择时必须遵守以下准则： 1.力的方向应有助于定位稳定，且主夹紧力应朝向主要定位基面。 2.紧力的方向应有利于减小夹紧力，以减小工件的变形、减轻劳动强度。 3.力的方向应是工件刚性较好的方向。 由于工件在不同方向上刚度是不等的。 不同的 受力表面也因其接触面积大小而变形各异。 尤其在夹压薄壁零件时， 更需注意使夹紧力的 方向指向工件刚性最好的方向。 1.6.3.2 夹紧力的作用点 夹紧力作用点是指夹紧件与工件接触的一小块面积。 选择作用点的问题是指在夹紧方 向已定的情况下确定夹紧力作用点的位置和数目。 夹紧力作用点的选择是达到最佳夹紧状 态的首要因素。合理选择夹紧力作用点必须遵守以下准则： 1.力的作用点应落在定位元件的支承范围内， 应尽可能使夹紧点与支承点对应， 使夹 紧力作用在支承上。如夹紧力作用在支承面范围之外，会使工件倾斜或移动，夹紧时将破 坏工件的定位。 2.力的作用点应选在工件刚性较好的部位。 这对刚度较差的工件尤其重要， 如将作用 点由中间的单点改成两旁的两点夹紧，可使变形大为减小，并且夹紧更加可靠。 3.力可的作用点应尽量靠近加工表面， 以防止工件产生振动和变形， 提高定位的稳定 性和靠性。 1.6.3.3 夹紧力的大小 夹紧力的大小，对于保证定位稳定、夹紧可靠，确定夹紧装置的结构尺寸，都有着密 密切的关系。夹紧力的大小要适当。夹紧力过小则夹紧不牢靠，在加工过程中工件可能发 生位移而破坏定位，其结果轻则影响加工质量，重则造成工件报废甚至发生安全事故。夹 紧力过大会使工件变形，也会对加工质量不利。 理论上，夹紧力的大小应与作用在工件上的其它力（力矩）相平衡；而实际上，夹紧8青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）力的大小还与工艺系统的刚度、 夹紧机构的传递效率等因素有关， 计算是很复杂的。 因此， 实际设计中常采用估算法、类比法和试验法确定所需的夹紧力。 当采用估算法确定夹紧力的大小时， 为简化计算， 通常将夹具和工件看成一个刚性系 统。根据工件所受切削力、夹紧力（大型工件应考虑重力、惯性力等）的作用情况，找出 加工过程中对夹紧最不利的状态， 按静力平衡原理计算出理论夹紧力， 最后再乘以安全系 数作为实际所需夹紧力，即 Fwk=KFw 式中 Fwk――实际所需夹紧力，单位为 N； Fw――在一定条件下，由静力平衡算出的理论夹紧力，单位为 N； K――安全系数，粗略计算时，粗加工取 K＝2.5～3，精加工取 K＝1.5～2。 夹紧力三要素的确定，实际是一个综合性问题。必须全面考虑工件结构特点、工艺方 法、 定位元件的结构和布置等多种因素， 才能最后确定并具体设计出较为理想的夹紧装置。 1.6.4 减小夹紧变形的措施 有时， 一个工件很难找出合适的夹紧点。 如较长的套筒在车床上镗内孔和高支座在镗 床上镗孔，以及一些薄壁零件的夹持等，均不易找到合适的夹紧点。这时可以采取以下措 施减少夹紧变形。 1.均匀的对称变形， 以便获得变形量的统计平均值， 通过调整刀具适当消除部分变形 量，也可以达到所要求的加工精度。 ）增加辅助支承和辅助夹紧点 。 若高支座可采用增 加一个辅助支承点及辅助夹紧力，就可以使工件获得满意的夹紧状态。 2.分散着力点 ，用一块活动压板将夹紧力的着力点分散成两个或四个，从而改变着 力点的位置，减少着力点的压力，获得减少夹紧变形的效果。 3.增加压紧件接触面积， 在压板下增加垫环， 使夹紧力通过刚性好的垫环均匀地作用 在薄壁工件上，避免工件局部压陷。 4.利用对称变夹具的夹紧设计，应保证形状在加工薄壁套筒时，采用加宽卡爪，如果 夹紧力较大，仍有可能发生较大的变形。因此，在精加工时，除减小夹紧力外，工件能产 生。 5.其它措施 对于一些极薄的特形工件，靠精密冲压加工仍达不到所要求的精度而需 要进行机械加工时，上述各种措施通常难以满足需要，可以采用一种冻结式夹具。这类夹 具是将极薄的特形工件定位于一个随行的型腔里， 然后浇灌低熔点金属， 待其固结后一起 加工，加工完成后，再加热熔解取出工件。低熔点金属的浇灌及熔解分离，都是在生产线 上进行的。 （1-11）1.7 机床夹具的现状及发展方向夹具最早出现在 18 世纪后期。随着科学技术的不断进步，夹具已从一种辅助工具发 展成为门类齐全的工艺装备。9青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）1.7.1 机床夹具的现状 有关统计表明，目前的中、小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的 85％左 右。 现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代， 以适应市场的需求与竞争。 然而， 一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具， 一般在具有中等生产能力的工厂里， 约拥 有数千甚至近万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔 3～4 年就要更新 50～80％左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为 10～20％左右。特别是近年来，数控 机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统（FMS）等新加工技术的应用，对机床夹具提 出了如下新的要求： 1．能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本； 2．能装夹一组具有相似性特征的工件； 3．能适用于精密加工的高精度机床夹具； 4．能适用于各种现代化制造技术的新型机床夹具； 5．采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生 产率； 6.提高机床夹具的标准化程度。 1.7.2 现代机床夹具的发展方向 现代机床夹具的发展方向主要表现为标准化、精密化、高效化和柔性化等四个方面。 1.标准化 机床夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面。 目前我国已有夹具零件及部件的 国家标准：GB/T2148～T2259－91 以及各类通用夹具、组合夹具标准等。机床夹具的标准 化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本。 2.精密化 随着机械产品精度的日益提高， 势必相应提高了对夹具的精度要求。 精密化夹具的结 构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达±0.1&；用于精密车削的高精 度三爪自定心卡盘，其定心精度为 5μ m。 3.高效化 高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间， 以提高劳动生产率， 减轻 工人的劳动强度。 常见的高效化夹具有自动化夹具、 高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具 等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高 5 倍左右；在车床上使用高速三 爪自定心卡盘， 可保证卡爪在试验转速为 9000r/min 的条件下仍能牢固地夹紧工件， 从而 使切削速度大幅度提高。目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹具 外， 在数控机床上， 尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以及自动更换夹具 的装置，充分发挥了数控机床的效率。 4.柔性化 机床夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是指机床夹具通过调整、组合等方式以适10青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）应可变因素的能力。 工艺的可变因素主要有： 工序特征、 生产批量、 工件的形状和尺寸等。 具有柔性化特征的新型夹具种类主要有：组合夹具、通用可调夹具、成组夹具、模块化夹 具、数控夹具等。为适应现代机械工业多品种、中小批量生产的需要，扩大夹具的柔性化 程度，改变专用夹具的不可拆结构为可拆结构，发展可调夹具结构，将是当前夹具发展的 主要方向。11青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）2 钻床夹具设计2.1 工件预加工内容1.该工件其他部位都已经加工完毕，工件所待加工的部位为钻 Φ 18H7 孔 ；零件的 形状、尺寸及其位置如零件图 2-1 所示。 2.零件生产批量 10000 件，属中小批量生产。图 2-1 设计零件2.2 初定夹具结构方案2.2.1 工件定位方案及定位装置 2.2.1.1 定位方案 本课题夹具用长销小平面组合和一块 V 型块定位， 利用 R18 长销小平面限制 4 个自由 度，V 型块限制 2 个自由度，实现完全定位，如图 2-2。（V 型块定位）图 2-2 定位（长销小平面）2.2.1.2 定位装置12青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）定位装置如图 2-3。图 2-3 定位装置2.2.2 设计钻套装置 设计钻套装置如图 2-4。 钻套与夹具体过盈配合保证标准钻套与工件的中心基准在同一直线上， 并用螺钉固定 防止在加工孔的过程中由于振动而发生松动。图 2-4 钻套装置2.2.3 工件夹紧装置 工件夹紧装置如图 2-5。 夹紧方案及装置： 1.设计的过程中定位销一端用螺母夹紧，因为工件是在立式钻床上进行加工，加工力 及震动较大，要求夹紧装置具有足够的强度，因此，需在工件与销相对应的另一侧用螺母13青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）进行夹紧以防工件旋转。 2.另一端即（V 型块）的夹紧是通过螺旋杆与 V 型块连接，当需要夹紧工件进行加工 时只要旋紧螺杆就可以实现 V 型块的夹紧。加工完后旋开螺杆在螺杆的拉动下就把 V 型 块拉开，再把另一边的的螺母拧开就可以卸下工件。图 2-5 工件夹紧装置2.2.4 验算中心距 验算中心距 120 ? 0.05mm。 影响此项精度的有： 1.定位误差，此项主要是定位孔 Φ 36H7 与定位销 Φ 36g7 的间隙产生的，最大间隙 为 0.05mm； 2.钻模板衬套中心与定位销中心距误差，装配图标注尺寸为 120 ? 0.01mm，误差为 0.02mm； 3.钻套与衬套的间隙配合，由 Φ 28H6/g5 可知最大间隙为 0.029mm； 4.钻套内孔与外圆的同轴度误差，对于标准钻套，精度较高，可忽略； 5.钻头与钻套的间隙会引偏刀具，产生中心距误差 e，有下式求出： e=（H/2+h+B）Δ max/H 式中： e――刀具引偏量（mm） ； H――钻套导向高度（mm） ； h――排泄空间，钻套下端面与工件间的高度（mm） ； B――钻孔高度（mm） ； Δ max――刀具与钻套间的最大间隙（mm） 。 上述各量如图 2-6 所示。 在该例中刀具与钻套配合为 Φ 18H7/g5，可知Δ max=0.025； H=30mm,h=12,B=18mm 将14（2-1）青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）代入，可求： e=（30/2+12+18）*0.025/30 e=45*0.025/30 e=0.038mm 向也可能不一致，其综合误差可按概率求和： Δ Σ = 0 .0 2 2 ? 0 .0 5 2 ? 0 .0 2 9 2 ? 0 .0 3 8 2 ? 0 2 =0.07mm 但应减小定位和导向的配合间隙。 （2-3） 中心距的误差为 0.1mm,而该项误差为Δ Σ =0.07mm 是允许误差的 2/3，符合要求 （2-2） 由上述各项按最大误差计算，实际上各误差也不可能同时出现最大值，各误差方图 2-6 刀具引偏力的计算2.2.5 验算两孔平行度精度 工件要求 Φ 18H7 孔全长上平行度公差 0.05mm。导致产生两孔平行度误差的因素有： 1.设计基准与定位基准重合， 没有基准转换误差， Φ 36H7/g6 配合间隙及孔的端面 但 的垂直度公差会产生基准位置公差，定位销轴中心与大头孔中心的偏斜角为： α 1=Δ 1max/H1 式中：Δ 1max――Φ 36H7/g6 处的最大间隙（mm） ； H1――定位销轴定位面长度（mm） 。 2.钻套孔中心与定位销的平行度公差，图中标注为 0.02mm,则： α 3=0.02/30(rad) 3.刀具引偏量 e 产生的偏斜角： α 4=Δ max/H 总的平行度误差为：2 2 2 α Σ = ?1 ? ? 2 ? ? 3（2-3）（2-4） （2-5）（2-6）α Σ 小于等于 2/3α 合格。15青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）2.3 绘图完善夹具总草图上应标注主要尺寸、公差配合等，如图 2-7。10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 序 号1 6 1 1 1 1 1 1 1 件　数名称材　料备　　　注1:1图 2-7 装配图16青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）3 铣床夹具设计3.1 铣床常用通用夹具的结构铣床常用的通用夹具主要有平口虎钳，它主要用于装夹长方形工件，也可用于装夹 圆柱形工件。 机用平口虎钳是通过虎钳体固定在机床上。固定钳口和钳口铁起垂直定位作用，虎 钳体上的导轨平面起水平定位作用。活动座、螺母、丝杆（及方头的）和紧固螺钉可作 为夹紧元件。回转底座和定位键分别起角度分度和夹具定位作用。3.2 铣床夹具的设计特点铣床夹具与其它机床夹具的不同之处在于：它是通过定位键在机床上定位，用对刀 装置决定铣刀相对于夹具的位置。3.3 夹具装夹工件的特点夹具装夹方法是靠夹具将工件定位、夹紧，以保证工件相对于刀具、机床的正确位 置具有以下特点： 1.工件在夹具中的正确定位，是通过工件上的定位基准面与夹具上的定位元件相接 触而实现的。因此，不再需要找正便可将工件夹紧。 2.由于夹具预先在机床上已调整好位置（也有在加工过程中再进行找正的） ，因此， 工件通过夹具对于机床也就占有了正确的位置。 3.通过夹具上的对刀装置，保证了工件加工表面相对于刀具的正确位置。 4.装夹基本上不受工人技术水平的影响，能比较容易和稳定地保证加工精度。 5.装夹迅速、方便，能减轻劳动强度，显著地减少辅助时间，提高劳动生产率。 6.能扩大机床的工艺范围。 如镗削图机体上的阶梯孔， 若没有卧式镗床和专用设备， 可设计一夹具在车床上加工。 综上所述：夹具安装方法简单，不受技术水平影响，易操作。3.4 铣床夹具的安装铣床夹具在铣床工作台上的安装位置，直接影响被加工表面的位置精度，因而在设 计时必须考虑其安装方法，一般是在夹具底座下面装两个定位键。定位键的结构尺寸已 标准化，应按铣床工作台的 T 形槽尺寸选定，它和夹具底座以及工作台 T 形槽的配合为 H7/h6、H8/h8。两定位键的距离应力求最大，以利提高安装精度。 作为定位键的安装是夹具通过两个定位键嵌入到铣床工作台的同一条 T 形槽中， 再 用 T 形螺栓和垫圈、 螺母将夹具体紧固在工作台上， 所以在夹具体上还需要提供两个穿 T 形螺栓的耳座。如果夹具宽度较大时，可在同侧设置两个耳座，两耳座的距离要和铣 床工作台两个 T 形槽间的距离一致。17青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）3.5 铣床夹具的对刀位置铣床夹具在工作台上安装好了以后，还要调整铣刀对夹具的相对位置，以便于进行 定距加工。为了使刀具与工件被加工表面的相对位置能迅速而正确地对准，在夹具上可 以采用对刀装置。对刀装置是由对刀块和塞尺等组成，其结构尺寸已标准化。各种对刀 块的结构，可以根据工件的具体加工要求进行选择。3.6 定位方案图 3-1 所示拔叉零件，要求设计铣槽工序用的铣床夹具。根据工艺规程，在铣槽之 前其它各表面均已加工好。本工序的加工要求是：槽宽 16H11mm，槽深 8mm，槽的中心 平面与Ф 25H7 孔轴线的垂直度公差为 0.08mm， 槽侧面与 E 面的距离 11±0.2mm， 槽底面 与Ф 25H7 孔轴线平行。BcxAzE图 3-1 拨叉零件3.6.1 铣床夹具的定位 如图 3-2 所示，有三种定位方案可供选择： 方案 I：工件以 E 面作为主要定位面，用支承板 1 和短销 2（与工件Ф 25H7 孔配合） 限制工件五个自由度，另设置一防转挡销实现六点定位。为了提高工件的装夹刚度，在 C 处加一辅助支承，如图（a）所示。 方案 II：工件以Ф 25H7 孔作为主要定位基面，用长销 3 和支承钉 4 限制工件五个 自由度，另设置一防转挡销实现六点定位。在 C 处也加一辅助支承，如图（b）所示。 方案 III： 工件以Ф 25H7 孔为主要定位基面， 用长销 3 和长条支承板 5 限制两个自18青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）由度， 限制工件六个自由度， 其中绕 z 轴转动的自由度被重复限制了， 另设置一防挡销。 在 C 处也加一辅助支承，如图（c）所示。 比较以上三种方案， 方案 I 中工件绕 x 轴转动的自由度由 E 面限制， 定位基准与设 计基准不重合，不利于保证槽的中心平面与Ф 25H7 孔轴线的垂直度。方案 II 中虽然定 位基准与设计基准重合， 槽的中心平面与Ф 25H7 孔轴线的垂直度要求保证， 但这种定位 方式不利于工件的夹紧。 由于辅助支承是在工件夹紧后才起作用， 而是施加夹紧力 P 时， 支承钉 4 的面积太小，工件极易歪斜变形，夹紧也不可靠。方案 III 中虽是过定位，但 若在工件加工工艺方案中，安排Ф 25H7 孔与 E 面在一次装夹中加工，使Ф 25H7 孔与 E 面有较高的垂直度，则过定位的影响甚小。在对工件施加夹紧力 P 时，工件的变形也很 小，且定位基准与设计基准重合。综上所述，方案 III 较好。P a b cP图 3-2 铣槽定位方案对于防转挡销位置的设置，有两种不同的方案，如图 3-3 所示。 当挡销放在位置 1 时，由于 B 面与Ф 25H7 孔的距离较进（230-0.3mm） ，尺寸公差又 大，定位精度低。挡销放在位置 2 时，虽然距Ф 25H7 孔轴线较远，但由于工件定位是毛 面，因而定位精度也较低。而当挡销放在位置 3 时，距Ф 25H7 孔轴线较远，工件定位面 的精度较高（Ф 55H12） ，定位精度较高，且能承受切削力所引起的转矩。因此，防转挡 销应放在位置 3 较好。 综上所述：选择方案 III 较好。19青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）BFR(a )b图 3-3 挡销的位置3.6.2 定位误差计算 除槽宽 16H11 由铣刀保证外，本夹具要保证槽侧面与 E 面的距离及槽的中心平面与 Ф 25H7 孔轴线的垂直度， 其它要求未注公差， 因此只需计算上述两项加工要求的定位误 差。 1.加工尺寸 11±0.2mm 的定位误差采用图 3-2（c）所示定位方案时，E 面既是工序 基准， 又是定位基准， 故基准不重合误差为零。 有由于 E 面与长条支承板始终保持接触， 故基准位移误差为零。因此，加工尺寸 11±0.2mm 没有定位误差。 2.槽的中心平面与Ф 25H7 孔轴线垂直度的定位误差长销与工件的配合去Ф Ф 25g6=Ф Ф 25H7=Ф 3-4 所示：25 ? 0 . 025 25 0? 0 . 025 ? 0 . 00925H 7 g6，则（mm） （mm）（3-1） （3-2）由于定位基准与设计基准重合，故基准不重合误差为零。基准位移误差的分析如图定位销轴线 工件孔轴线孔与销的配合图 图 2 - - - -基准位移误差分析析 3-4 4 基 准 位 移 误 差 分基准位移误差：△y=2*8tan△a=2*8*0..01（mm）（3-3）由于定位误差：△D=△y=0.01＜0.08/3（mm） ，故此定位方案可行。20青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）3.7 夹紧方案根据工件夹紧的原则，除在图 3-2（c）中施加夹紧力外，还应在靠近加工面处增 加一夹紧力，如图 3-5 所示，用螺母与开口垫圈夹压在工件圆柱的左端面，而对着支撑 板的夹紧机构可采用钩形压板，使结构紧凑，操作方便。图 2----5图 3-5 夹紧方案加紧方案3.8 铣刀分类铣刀的类型很多，可根据铣刀的形状及用途分类。 1.按铣刀的用途分类 （1）加工平面用的铣刀 圆柱铣刀：用于卧式铣床上加工平面，主要是用高速钢制造。圆柱铣刀采用螺旋形 刀齿以提高切削工作的平稳性。 端面铣刀：用于立式铣床上加工平面。刀齿采用硬质合金制造，生产高。 （2）加工沟槽用的铣刀 如键槽铣刀、两面刃铣刀、三面刃铣刀、立铣刀、角度铣刀、月牙键槽铣刀、锯片 铣刀等。 （3）加工成形表面用的铣刀 如成形铣刀。 2.按铣刀齿背形状分类 （1）尖齿铣刀 尖齿铣刀也叫直线齿背铣刀。 这种铣刀的刀齿是尖齿的， 其齿背是用角度铣刀铣出 来的，所以呈直线形。 （2）产齿铣刀 产齿铣刀的齿背是用产齿的方法得到的。 产齿铣刀沿前刀面重磨， 重磨后铣刀的刀 齿性能保持不变，因此适用于切削廓形较复杂的铣刀，如成形铣刀等。 除此之外， 铣刀还可以按刀齿数目分为粗齿铣刀和细齿铣刀。 在直径相同的情况下，21青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）粗齿铣刀的刀数较少，刀齿的强度及容屑空间较大，适于粗加工，细齿铣刀适用于半精 加工和精加工。 加工槽的铣刀需两个方向对刀，故应采用直角对刀块。3.9 夹具体与定位键为保证工件在工作台上安装稳定，应按照夹具体的高宽比不大于 1.25 的原则确定 其宽度，并在两端设置耳座，以便固定。 为了使夹具在机床工作台的位置准确及保证槽的中心平面与Ф 25H7 孔轴线垂直度 要求，夹具体底面应设置定位键，定位键的侧面应与长销的轴心线垂直。3.10 夹具总图上的尺寸、公差和技术要求下面是对拨叉铣槽夹具（见装配图）的分析说明。 1.夹具最大轮廓尺寸为 234mm，210mm，250mm。 2.影响工件定位精度的尺寸和公差为工件内孔与长销 10 的配合尺寸为Ф 销的位置尺寸为 6±0.024mm 及 107±0.07mm。 3.影响夹具在机床上安装精度的尺寸和公差定位键与铣床工作台 T 形槽的配合尺寸 14h6。 4.影响夹具精度的尺寸个公差为定位长销 10 的轴心线对定位键侧面 B 的垂直度为 0.03mm；定位长销 10 的轴心线对夹具底面 A 的平行度为 0.05mm；对刀块的位置尺寸为 9±0.04 mm 和 13±0.04mm。 图中，塞尺厚度为 2h8mm，所以对刀块水平方向的位置尺寸为： a=11-2=9（mm） （基本尺寸） 对刀块垂直方向的位置尺寸为： b=23-8-2=13（mm） （基本尺寸） ±0.04mm。 5.影响对刀精度的尺寸和公差，塞尺的厚度尺寸 2h8=22-0.014mm。 （3-5） 对刀块位置尺寸的公差取工件相应尺寸公差的 2/1～1/5。 因此， a=9±0.04mm； b=13 （3-4）25H 7 g6和挡3.11 夹具精度分析为确使夹具能满足工序要求，在夹具技术要求指定以后，还必须对夹具进行精度分 析。若工序某项精度不能被保证时，还需要夹具的有关技术要求作适当调整。按夹具的 误差分析一章中的分析方法，下面对本例中的工序要求逐项分析。 1.槽宽尺寸 16H11mm，此项要求由刀具精度保证，与夹具精度无关。 2.槽侧面到 E 面尺寸 11±0.2mm，对此项要求有影响的是对刀块侧面到定位板 间 的尺寸 9±0.04mm 及塞尺的精度（2h8mm） 。上述两项误差之和： △D+△G+△A+△J+△T=0.094＜0.4(vmm)22（3-6）青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）因此，尺寸 11±0.2mm 能保证。 3.槽深 8mm，由于工件在 Z 方向的位置由定位销确定，而该尺寸的设计基准为 B 面。因此有定位误差，其中 △B=0.2vmm （3-8） △D=△B+△y=0.22mm （3-9） 另外，塞尺尺寸（2h8mm）及对刀块水平面到定位销的尺寸（13±0.04mm）也对槽 深尺寸有影响，△T=0.014+0.08+0.094mm，△J、△G、△A 都对槽深无影响，因此， △D+△G+△A+△J+△T=0.314（mm） 尺寸 8 的公差（按 IT14 级）为 0.36mm，故尺寸 8mm 能保证。 4.槽的中心平面与Ф 25H7 孔轴线垂直度公差 0.08mm，影响该项要求的因素有： （1）定位误差△D=△y=0.01mm； （2）加工方法误差△G=0.012mm； （3）夹具定位心轴 17 的轴线与夹具底面 A 的平行度公差 0.05mm（见装配图） ，即△ A=0.05mm； （4） 定位心轴 17 的轴线对定位侧面 B 的垂直度公差 0.05mm， 即△A=0.05mm， 而△J、 △T 都对垂直度无影响。由于这些误差不在同一方向，因此，槽中心平面最大位置误差 在 YOZ 面 之 上 为 0.01+0.012+0.05=0.072mm ； 在 YOX 平 面 上 为 0.01+0.012+0.03=0.052mm。此两项都小于垂直度公差 0.08mm，故该项要求能保证。 综上所述，该铣槽夹具能满足铣槽工序要求，可行。 （3-10） （3-7） △y=(δ d+δ D）/2=（0.16+0.025）/2=0.02mm(δ d 为销公差，δ D 为工件公差）23青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）结论本夹具设计课程实践环节即将结束，课题是根据零件的加工内容所设计的钻床专用 夹具。从零件的结构特点及加工内容初步拟定定位方案，夹紧方案，绘制草图，修改方 案，最终确定方案。这期间巩固复习了以前学习过的内容并进行了综合运用，提高了我 们综合运用所学知识以及理论结合实际的能力。 通过此次的学习不仅使我对课本内容有了更深入的认识，培养了我分析问题的能 力。对灵活运用工具手册解决问题的能力有了明显地提高。我基本掌握了专用夹具设计 的方法和步骤。 由于自己的能力所限，设计中还有许多不足之处，以后还要继续不断的学习改进。24青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）致谢本论文是在周燕老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。她严肃的科学态度，严谨的 治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终 完成，周老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在此谨向周燕老师致以诚挚的感 谢和崇高的敬意。搞毕业设计也是一个新学习和检验学习知识的过程，充分将学习的知 识应用于实际的设计中，温故而知新，有助于我们更好的掌握所学的内容。 在此次论文写作中， 我去图书馆查资料， 在网上搜集资料， 经过两个月的精心准备， 在周老师的指导下我终于把论文底稿给定了下来，在此要感谢所有曾在论文写作期间对 我提供一臂之力的同学和朋友。最后再次感谢我的指导周燕老师，她严谨细致、一丝不 苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；她循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无 尽的启迪。在这里请接受我诚挚的谢意。在设计中我深刻的体会到：无论做什么，都要 做一个自始自终的人，尽力把每一个章节都做好，一切按照要求做，充分发挥自己的想 象空间和创造能力。 虽然自己将要告别学生生活，但自己在以后工作中还要需要更加的努力学习，我坚 信四年的大学搞毕业论文设计工作的过程中，我增长了知识的同时也深刻的发现自己知 识的欠缺，自己在学校的书本上学的知识，还远远不能满足以后的需生活，将成为我人 生中的一笔宝贵的财富。最后，感谢琴岛学院的各位老师四年来对我们的教育，感谢学 院能给我们提供这次非常好的学习实践机会！25青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）参考文献[1] 王光斗.机床夹具设计手册【M】科学技术出版社，1988 [2] 戴陆武.机床夹具设计【M】国防.工业出版社，1994 [3] 韩洪涛.机械制造技术【M】上海.化学出版社，2002 [4] 李清旭.机械加工工艺【M】北京.机械工业出版社，2001 [5]. 王昆. 机械设计手册【M】 化学工业出版社,2004 [6]. 詹启贤. 自动机械设计【M】 机械工业出版社，1996 [7]. 周开勤 机械零件手册【M】 [9]. 孙恒 [11]. 何明新 高等教育出版社,1998 [8]. 杨君兴 国家标准机械制图应用示例图册【M】中国标准出版社,1994 机械原理【M】 西北工业大学机械原理及机械零件教研室,2006 机械制图（第五版） 【M】 高等教育出版社,2004 [10]. 陈于萍 互换性于测量技术【M】 机械工业出版社,2005 [12]. 孔午光 高速凸轮【M】 高等教育出版社,1998 [13]. 孟原先 现代机构手册【M】 机械工业出版社,1994 [14]. 詹启军 机器和结构综合分析【M】 中国轻工业出版社,1994 [15]. 邹慧贤 机械运动方案设计手册【M】 上海交通大学出版社,1994 [16]. 王成涛 现代机械设计―思想和方法【M】 上海科学技术文献出版社,1999 [17]. 谢黎明 机械工程与技术创新【M】 化学工业出版社,2005 [18]. 吕忠文 机械创新设计【M】 机械工业出版社，200426青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）附录Machining fixture locating and clamping position optimization using genetic algorithmsNecmettin Kaya* Department of Mechanical Engineering, Uludag University, Go¨ kle, Bursa 16059, Turkey ru¨ 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 previou 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: F G 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 shaped27青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）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 fixtureCworkpiece system subject to time-varying machining loads. The influence of clamping placement is also investigated. Li28青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）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[9]optimization analysis is performed in ANSYS. Tan et al. optimization and finite element modeling.described the modeling, analysisand verification of optimal fixturing configurations by the methods of force closure, 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 [10C12]. 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 therelative 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 oflocators 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 positions29青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）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 f (2) GA uses chromosome library in order to decrease
(3) real design parameters are used rather than FEA (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 bookexplaining 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 throu 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 principles30青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）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 workpieceThe 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 reaction31青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）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 groupof 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 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 locator and clamp positions. In order to reduce the computation time, chromosomes and fitness values are stored in a library for further evaluation. GenFix first checks if current chromosome’s fitness value has been calculated before. If not, locator positions are sent to ANSYS, otherwise fitness values are taken from the library. During generating of the initial population, every chromosome is checked whether it is feasible or not. If the constraint is violated, it is eliminated and new chromosome is created. This process creates entirely feasible initial population. This ensures that workpiece is stable under the action of clamping and cutting forces for every[24]. Theexecution of ANSYS in GenFix is simply done by WinExec function in Delphi. The32青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）chromosome in the initial population. The written GA program was validated using two test cases. The first test case uses Himmelblau function[21]. In the second test case, the GA program was used to optimise thesupport positions of a beam under uniform loading. 5. Fixture layout optimization case studies The fixture layout optimization problem is defined as: finding the positions of the locators and clamps, so that workpiece deformation at specific region is minimized. Note that number of locators and clamps are not design parameter, since they are known and fixed for the 3-2-1 locating scheme. Hence, the design parameters are selected as locator and clamp positions. Friction is not considered in this paper. Two case studies are given to illustrate the proposed approach. 6. Conclusion In this paper, an evolutionary optimization technique of fixture layout optimization is presented. ANSYS has been used for FE calculation of fitness values. It is seen that the combined genetic algorithm and FE method approach seems to be a powerful approach for present type problems. GA approach is particularly suited for problems where there does not exist a well-defined mathematical relationship between the objective function and the design variables. The results prove the success of the application of GAs for the fixture layout optimization problems. In this study, the major obstacle for GA application in fixture layout optimization is the high computation cost. Re-meshing of the workpiece is required for every chromosome in the population. But, usages of chromosome library, the number of FE evaluations are decreased from 6000 to 415. This results in a tremendous gain in computational efficiency. The other way to decrease the solution time is to use distributed computation in a local area network. 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. It is shown that fixture layout problems are multi-modal therefore heuristic rules for fixture design should be used in GA to select best design among others.33青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）Fig. 5. The flowchart of the proposed methodology and ANSYS interface.采用遗传算法优化加工夹具定位和加紧位置摘要：工件变形的问题可能导致机械加工中的空间问题。支撑和定位器是用于减少工件 弹性变形引起的误差。支撑、定位器的优化和夹具定位是最大限度的减少几何在工件加 工中的误差的一个关键问题。本文应用夹具布局优化遗传算法（GAs）来处理夹具布局 优化问题。 遗传算法的方法是基于一种通过整合有限的运行于批处理模式的每一代的目 标函数值的元素代码的方法，用于来优化夹具布局。给出的个案研究说明已开发的方法 的应用。采用染色体文库方法减少整体解决问题的时间。已开发的遗传算法保持跟踪先 前的分析设计，因此先前的分析功能评价的数量降低大约 93%。结果表明，该方法的夹 具布局优化问题是多模式的问题。优化设计之间没有任何明显的相似之处，虽然它们提 供非常相似的表现。 关键词：夹具设计；遗传算法；优化34青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）1.引言 夹具用来定位和束缚机械操作中的工件，减少由于对确保机械操作准确性的夹紧方 案和切削力造成的工件和夹具的变形。传统上，加工夹具是通过反复试验法来设计和制 造的，这是一个既造价高又耗时的制造过程。为确保工件按规定尺寸和公差来制造，工 件必须给予适当的定位和夹紧以确保有必要开发工具来消除高造价和耗时的反复试验 设计方法。适当的工件定位和夹具设计对于产品质量的精密度、准确度和机制件的完饰 是至关重要的。 从理论上说， 3-2-1 定位原则对于定位所有的棱柱形零件是很令人满意的。 该方法具 有最大的刚性与最少量的夹具元件。从动力学观点来看定位零件意味着限制了自由移动 物体的六自由度（三个平动自由度和三个旋转自由度） 。在零件下部设置三个支撑来建 立工件在垂直轴方向的定位。在两个外围边缘放置定位器旨在建立工件在水平 x 轴和 y 轴的定位。正确定位夹具的工件对于制造过程的全面准确性和重复性是至关重要的。定 位器应该尽可能的远距离的分开放置并且应该放在任何可能的加工面上。放置的支撑器 通常用来包围工件的重力中心并且尽可能的将其分开放置以维持其稳定性。夹具夹子的 首要任务是固定夹具以抵抗定位器和支撑器。不应该要求夹子反抗加工操作中的切削 力。 对于给定数量的夹具元件，加工夹具合成的问题是寻找夹具优化布局或工件周围夹 具元件的位置。本篇文章提出一种优化夹具布局遗传算法。优化目标是研究一个二维夹 具布局使工件不同位置上最大的弹性变形最小化。ANSYS 程序以用于计算工件变形情 况下夹紧力和切削力。本文给出两个实例来说明给出的方法。 2.回顾相关工程结构 最近几年夹具设计问题受到越来越多的重视。然而，很少有注意力集中于优化夹具 布局设计。Menassa 和 Devries 用 FEA 计算变形量使设计准则要求的位点的工件变形最 小化。 设计问题是确定支撑器位置。 Meyer 和 Liou 提出一个方法就是使用线性编程技术 合成动态编程条件中的夹具。 给出了使夹紧力和定位力最小化的解决方案。 和 Melkote Li 用非线性规划方法解决布局优化问题。这个方法使工件位置误差最小化归于工件的局部 弹性变形。Roy 和 Liao 开发出一种启发式方法来计划最好的支撑和夹紧位置。Tao 等人 提出一个几何推理的方法来确定最优夹紧点和任意形状工件的夹紧顺序。Liao 和 Hu 提 出一种夹具结构分析系统这个系统基于动态模型分析受限于时变加工负载的夹具―工 件系统。本文也调查了夹紧位置的影响。Li 和 Melkote 提出夹具布局和夹紧力最优合成 方法帮我们解释加工过程中的工件动力学。本文提出一个夹具布局和夹紧力优化结合的 程序。 他们用接触弹性建模方法解释工件刚体动力学在加工期间的影响。 Amaral 等人用 ANSYS 验证夹具设计的完整性。他们用 3-2-1 方法。ANSYS 提出优化分析。Tan 等人 通过力锁合、优化与有限建模方法描述了建模、优化夹具的分析与验证。35青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）以上大部分的研究使用线性和非线性编程方式这通常不会给出全局最优解决方案。 所有的夹具布局优化程序开始于一个初始可行布局。这些方法给出的解决方案在很大程 度上取决于初始夹具布局。他们没有考虑到工件夹具布局优化对整体的变形。 GAs 已被证明在解决工程中优化问题是有用的。夹具设计具有巨大的解决空间并需 要搜索工具找到最好的设计。一些研究人员曾使用 GAs 解决夹具设计及夹具布局问题。 Kumar 等人用 GAs 和神经网络设计夹具。Marcelin 已经将 GAs 用于支撑位置的优化。 Vallapuzha 等人提出基于优化方法的 GA，它采用空间坐标来表示夹具元件的位置。夹 具布局优化程序设计的实现是使用 MATLAB 和遗传算法工具箱。 HYPERMESH 和 MSC / NASTRAN 用于 FE 模型。Vallapuzha 等人提出一些结果关于一个广泛调查不同优化方 法的相对有效性。他们的研究表明连续遗传算法提出了最优质的解决方案。Li 和 Shiu 使用遗传算法确定了夹具设计最优配置的金属片。MSC/NASTRAN 已经用于适应度值 评价。 Liao 提出自动选择最佳夹子和夹钳的数目以及它们在金属片整合的夹具中的最优 位置。Krishnakumar 和 Melkote 开发了一种夹具布局优化技术，它是利用遗传算法找到 了夹具布局，由于整个刀具路径中的夹紧力和加工力使加工表面变形量最小化。通过节 点编号使定位器和夹具位置特殊化。一个内置的有限元求解器研制成功。 一些研究没考虑到整个刀具路径的优化布局以及磨屑清除。一些研究采用节点编号 作为设计参数。 在本研究中，开发 GA 工具用于寻找在二维工件中的最优定位器和夹紧位置。使用 参考边缘的距离作为设计参数而不是用 FEA 节点编号。真正编码遗传算法的染色体的 健康指数是从 FEA 结果中获得的。ANSSYS 用于 FEA 计算。用染色体文库的方法是为 了减少解决问题的时间。用两个问题测试已开发的遗传算法工具。给出的两个实例说明 了这个开发的方法。本论文的主要贡献可以概括为以下几个方面： （1） 开发了遗传算法编码结合商业有限元素求解； （2） 遗传算法采用染色体文库以降低计算时间； （3） 使用真正的设计参数，而不是有限元节点数字； （4） 当工具在工件中移动时考虑磨屑清除工具。 3.遗传算法概念 遗传算法最初由 John Holland 开发。Goldberg 出版了一本书，解释了这个理论和遗 传算法应用实例的详细说明。遗传算法是一种随机搜索方法，它模拟一些自然演化的机 制。该算法用于种群设计。种群从一代到另一代演化，通过自然选择逐渐提高了适应环 境的能力，更健康的个体有更好的机会，将他们的特征传给后代。 该算法中，要基于为每个设计计算适合性，所以人工选择取代自然环境选择。适应 度值这个词用来指明染色体生存几率，它在本质上是该优化问题的目标函数。生物定义 的特征染色体用代表设计变量的字符串中的数值代替。36青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）被公认的遗传算法与传统的梯度基础优化技术的不同主要有如下四种方式： （1） 遗传算法和问题中的一种编码的设计变量和参数一起工作而不是实际参数 本身。 （2） 遗传算法使用种群―类型研究。评价在每个重复中的许多不同的设计要点而 不是一个点顺序移动到下一个。 （3） 遗传算法仅仅需要一个适当的或目标函数值。没有衍生品或梯度是必要的。 （4） 遗传算法以用概率转换规则来发现新设计为探索点而不是利用基于梯度信 息的确定性规则来找到这些新观点。 4.方法 4.1 夹具定位原则 加工过程中，用夹具来保持工件处于一个稳定的操作位置。对于夹具最重要的标准 是工件位置精确度和工件变形。一个良好的夹具设计使工件几何和加工精度误差最小 化。另一个夹具设计的要求是夹具必须限制工件的变形。考虑切削力以及夹紧力是很重 要的。没有足够的夹具支撑，加工操作就不符合设计公差。有限元分析在解决这其中的 一些问题时是一种很有力的工具。 棱柱形零件常见的定位方法是 3-2-1 方法。 该方法具有最大刚体度以及最小夹具元件数。 在三维中一个工件可能会通过六自由度定位方法快速定位为了限制工件的九个自由度。 其他的三个自由度通过夹具元件消除了。基于 3-2-1 定位原理的二位工件布局的例子如 图 4。图 4 3-2-1 对二维棱柱工件定位布局定位面得数量不得超过两个避免冗余的位置。基于 3-2-1 的夹具设计原则有两种精 确的定位平面包含于两个或一个定位器。因此，在两边有最大的夹紧力抵抗每个定位平 面。夹紧力总是指向定位器为了推动工件接触到所有的定位器。定位点对面应定位夹紧 点防止工件由于夹紧力而扭曲。因为加工力沿着加工面，所以有必要确保定位器的反应 力在所有时间内是正的。任何负面的反应力表示工件从夹具元件中脱离。换句话说，当37青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）反应力是负的时候，工件和夹具元件之间接触或分离的损失可能发生。定位器内正的反 应力确保工件从切削开始到结束都能接触到所有的定位器。夹紧力应该充分束缚和定位 工件且不导致工件的变形或损坏。本文不考虑夹紧力的优化。 4.2 基于夹具布局优化方法的遗传算法 在实际设计问题中，设计参数的数量可能很大并且它们对目标函数的影响会是非常 复杂的。目标函数曲线必须是光滑的并且需要一个程序计算梯度。遗传算法在理念上远 不同于其他的探究方法，它们包括传统的优化方法和其他随机方法。通过运用遗传算法 来对夹具优化布局，可以获得一个或一组最优的解决方案。 本项研究中，最优定位器和夹具定位使用遗传算法确定。它们是理想的适合夹具布 局优化问题的方法因为没有直接分析的关系存在于加工误差和夹具布局中。因为遗传算 法仅仅为一个特别的夹具布局处理设计变量和目标函数值，所以不需要梯度或辅助信 息。 建议方案流程图如图 5。 使用开发的命名为 GenFix 的 Delphi 语言软件来实现夹具布局优化。位移量用 ANSYS 软件计算。 通过 WinExec 功能在 GenFix 中运行 ANSYS 很简单。 GenFix 和 ANSYS 之间相互作用通过四部实现： （1） 定位器和夹具位置从二进制代码字符串中提取作为真正的参数。 （2） 这些参数和 ANSYS 输入批处理文件 （建模、 解决方案和后置处理） WinExec 用 功能传给 ANSYS。 （3） 解决后将位移值写成一个文本文件。 （4） GenFix 读这个文件并为当前定位器和夹紧位置计算适应度值。 为了减少计算量，染色体与适应度值储存在一个文库里以备进一步评估。GenFix 首先检查是否当前的染色体的适应度值已经在之前被计算过。如果没有，定位器位置被 送到 ANSYS，否则从文库中取走适应度值。在初始种群产生过程中，检查每一个染色 体可行与否。如果违反了这个原则，它就会出局然后新的染色体就产生了。这个程序创 造了可行的初始种群。 这保证了初始种群的每个染色体在夹紧力和切削力作用下工件的 稳定性。用两个测试用例来验证提到的遗传算法计划。第一个实例是使用 Himmelblau 功能。在第二个测试用例中，遗传算法计划用来优化均布载荷作用下梁的支撑位置。38青岛理工大学琴岛学院本科毕业设计说明书（论文）图 5 设计方法的流程与 ANSYS 相配合流程5.夹具布局优化的个案研究 该夹具布局优化问题的定义是：找到定位器和夹子的位置以使在特定区工件变形降 到最小程度。 那么多的定位器和夹子并不是设计参数因为它们在 3-2-1 方案中是已知的 和固定的。因此，设计参数的选择如同定位器和夹子的位置。本研究中不考虑摩擦力。 两个实例研究来说明以提出的方法。 6.结论 本文提出了一个夹具布局优化的评价优化技术。ANSYS 用于 FE 计算适应度值。可 以看到，遗传算法和 FE 方法的结合对当今此类问题似乎是一种强大的方法。遗传算法 特别适合应用于解决那些在目标函数和设计变量之间不存在一个定义明确的数学关系 的问题。结果证明遗传算法}