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多種形狀鈑金零部件加工需求的柔性工裝夾具設計

添加時間:2020/07/06 來源:吉林大學 作者:邵立雙
目前,鈑金零部件的工裝夾具都是根據它所需加工的形狀結構設計的專用剛性工裝夾具,這種工裝夾具設計成本高、制造周期長,而且只能針對該種形狀的鈑金零部件。
以下為本篇論文正文:

摘 要

  隨著我們國家的制造業不斷發展,鈑金零部件在汽車、家電和其它日用品中具有非常廣泛的應用。在鈑金零部件的加工制造過程中,需要工裝夾具來進行定位和夾緊。目前,鈑金零部件的工裝夾具都是根據它所需加工的形狀結構設計的專用剛性工裝夾具,這種工裝夾具設計成本高、制造周期長,而且只能針對該種形狀的鈑金零部件。隨著產品更新換代速度越來越快,原有的剛性工裝夾具難以滿足當前快速變化的市場需求。因此,迫切需要研發一種可以滿足多種形狀鈑金零部件加工需求的柔性工裝夾具,從而減少鈑金零部件的制造成本和降低生產周期。本文主要研究內容如下:

  第一,通過對鈑金零部件的加工過程分析,對加工工藝進行分析。根據鈑金零部件的加工過程分析,可以得到鈑金零件的加工工藝,并對變形機理和加工尺寸精度的提高方法進行研究。

  第二,對柔性工裝夾具的結構進行設計。根據鈑金零部件的工藝分析,提出鈑金零部件柔性工裝夾具的設計方案,進行比較分析,選擇出性價比較高的結構方案,并使用 SolidWorks 軟件建立柔性工裝夾具的 3D 模型。柔性工裝夾具最為重要的結構是定位夾緊單元,該機構可以完成 X、Y 和 Z 方向調節工作。因此,需要對定位夾緊單元的各個方向的調節機構進行設計,主要是定位夾緊單元的工作原理、性能參數和載荷的計算分析。

  第三,通過使用 Workbench 軟件對柔性工裝夾具的零部件進行輕量化設計,并對其夾緊機構進行優化設計。根據定位夾緊單元的底座結構的參數分析,選擇該機構中優化效果明顯的設計參數作為設計變量,并建立相關的約束函數和目標函數,得到該結構的輕量化數學模型,使用 Workbench 軟件對其尺寸參數進行輕量化設計;谶B桿機構的運動學和動力學原理,對柔性工裝夾具中的夾緊機構進行優化分析。通過建立運動學方程,使用MATLAB 軟件可以得到最優結構尺寸的夾緊機構。

  關鍵詞:鈑金零部件,柔性工裝夾具,輕量化設計,優化設計

柔性工裝夾具

Abstract

  With the continuous development of our country's manufacturing industry, sheet metal parts are widely used in automobiles, household appliances and other daily necessities. In the manufacturing process of sheet metal parts, fixture and fixture are needed for positioning and clamping. At present, the fixture for sheet metal parts is a special rigid fixture designed according to the shape it needs to process. This fixture has high design cost, long manufacturing cycle and can only be used for sheet metal parts of this shape. With the rapid replacement of products, the original rigid fixture is difficult to meet the fast changing market demand. Therefore, there is an urgent need to develop a flexible fixture which can meet the processing needs of various forms of sheet metal parts, so as to reduce the manufacturing cost of sheet metal parts and reduce its production cycle. The main contents of this paper are as follows:

  First, the processing technology of sheet metal parts is analyzed, and the processing technology is analyzed. According to the analysis of sheet metal parts processing process, the processing technology of sheet metal parts can be obtained, and its deformation mechanism and the method to improve the machining dimensional accuracy are studied.

  Second, design the structure of flexible fixture. According to the process analysis of sheet metal parts, the design scheme of flexible fixture for sheet metal parts is put forward, and the comparative analysis is made. The structure scheme with high cost performance is selected, and the 3D model of flexible fixture is established by using Solid Works software. The most important structure of flexible fixture is positioning clamping unit, which can adjust X, Y and Z directions. Therefore, it is necessary to design the adjusting mechanism in all directions, mainly the working principle, performance parameters and load calculation and analysis of the positioning clamping unit.

  the clamping mechanism is optimized. According to the parameter analysis of the base structure of the positioning clamping unit, the design parameters with obvious optimization effect in the mechanism are selected as design variables, and the relevant constraint functions and objective functions are established.

  The lightweight mathematical model of the structure is obtained. The dimension parameters of the structure are lightweight designed by using Workbench software. Based on the kinematics and dynamics principle of linkage mechanism, the clamping mechanism of flexible fixture is optimized and analyzed. By establishing its kinematics equation, the clamping mechanism with optimal structure size can be obtained by using MATLAB software.

  Key words: sheet metal parts, flexible fixture, lightweight design, optimization design

  第 1 章 緒論

  1.1 研究目的及意義

  1.1.1 課題來源

  為了有效解決鈑金零部件加工周期長、成本高等問題,本文研發一種可用于加工多種不同尺寸和形狀鈑金的柔性夾具。該種工裝夾具主要用于加工壁厚為 0.5-2mm 的鈑金零部件,它不僅僅可以完成普通工裝夾具的定位和夾緊工作,同時還可以根據不同的鈑金零部件尺寸形狀進行快速完成定位、夾緊機構的位置。這種可以加工制造多種不同尺寸形狀鈑金零部件的柔性工裝夾具具有性能可靠,工作效率高,維修簡單等,因此,它具有重要的研究價值。

  1.1.2 研究背景

  隨著鈑金零部件的應用越來越廣,它在機械產品中的占有率越來越高,尤其是近年來,對鈑金零部件的加工工藝研究逐漸規范,使它在產品設計中的使用價值不斷提高。因此,許多機械產品都采用鈑金零部件進行設計[1].不僅節省機械產品的生產成本[2],還提高零部件的生產效率。隨著人們生活水平的不斷提高,日常生活中需要使用的產品種類越來越多,不同產品的鈑金零件形狀也不同。為了加工這些鈑金零件需要設計合適的工裝夾具輔助加工制造,所以柔性工裝夾具的研究具有重要的研究價值[3].

  目前,鈑金零部件的加工都是采用剛性工裝進行加工制造的,因此它們的加工制造成本非常高[4].對于一些小批量的鈑金零部件,需要根據零件結構形狀,制造出專用的夾具和沖壓模型[5],所以導致這些零部件的加工制造成本高居不下。隨著產品的更新換代速度不斷加快,鈑金零部件的形狀也不斷的發生變化,因此,用于加工制造鈑金零部件的工裝夾具也需要隨之改變[6].如果所有的鈑金零部件都采用專用的工裝夾具,則會使產品的價格變得非常高,特別是對于一些曲面形狀比較復雜的鈑金零部件,工裝夾具制造比較復雜,成本也很高。因此,當前迫切需要針對小批量曲面鈑金零部件的加工制造,研發一種可以通過快速調節工裝夾具上定位、夾緊點的位置,來滿足不同尺寸形狀鈑金零部件的加工制造要求的工裝夾具。這種柔性工裝夾具可以通過調節定位點、夾緊點位置,來使它可以用于不同鈑金零部件加工,有效的滿足當前快速發展的市場需求[7-9].為了對該柔性工裝夾具進行更進一步的優化,需要對夾具重要結構進行優化設計[10].

  1.1.3 研究目的和意義

  通過對鈑金零部件加工工藝的總結分析,以及借鑒其它類型薄壁零部件柔性工裝夾具的設計優化經驗,采用現代設計方法,設計出工作效率高,適應性強的柔性工裝夾具。本文主要以柔性工裝夾具的設計和優化為研究路線,對機構進行分析,主要研究內容有:

 。1)對于不同的鈑金零部件,結構形狀差異非常大,因此在進行加工制造過程中需要根據所加工鈑金零部件特點快速的調節定位、夾緊點的位置。在柔性工裝夾具設計時,需要選擇合適的調節機構來滿足定位、夾緊點的調節,并需要使用 Workbench 軟件對該機構進行優化設計。

 。2)鈑金零部件放在柔性工裝夾具上以后,需要使用夾緊機構將其夾緊,防止它在加工制造過程中受到切削力的影響而發生位置移動。在研究柔性工裝夾具的夾緊機構過程中,不僅需要對機械結構進行設計,同時還需要根據相關的工作要求對夾緊機構的運動情況進行分析。

  1.2 柔性工裝夾具的研究現狀

  隨著人們對機械產品的要求越來越高,產品零部件的更新換代速度不斷加快,因此,對柔性工裝夾具的研究成為當前的熱點[11,12].目前,根據相關零部件的需求,對柔性工裝夾具進行相關的研究,但是這些研究都只停留在理論層面,沒有在實際工作過程中真正使用[13].通過對目前柔性工裝夾具的研究分析,可以得知導致使用情況受阻的原因有以下兩點:第一,前期研發的柔性工裝夾具都是針對某些特殊的機械零部件進行的,使用范圍具有局限性,因此,該種柔性工裝夾具的使用價值容易受到產品銷量影響;第二,柔性工裝夾具的開發成本非常高昂,雖然有些柔性工裝夾具的使用范圍非常廣,適應性也非常好,但是這種高昂的加工制造成本讓許多研究人員望而卻步。

  柔性工裝夾具的種類非常多,根據國內外對柔性工裝夾具的研究現狀,主要將它分為柔性工裝夾具系統和單個柔性工裝夾具[14].在上世紀 80 年代,大連理工大學的朱耀祥教授根據柔性工裝夾具的研究原理,將它分成傳統柔性工裝夾具和創新性柔性工裝夾具兩種,如圖 1-1 所示。傳統柔性工裝夾具主要是指利用傳統工裝夾具的設計方法和組成結構進行適當的調整設計,可以得到在小范圍內適當調整的柔性工裝夾具;創新性柔性工裝夾具主要是指根據工裝夾具的基本設計理論,研發出的具有良好適用范圍的柔性工裝夾具,它不僅僅可以適用多種類型機械零件的加工,同時還可以提高機械零件的加工質量[14-16].

  1.2.1 可調整工裝夾具的分析

  在工裝夾具設計時,通過對所加工鈑金零部件共同性特點的分析,主要是結構尺寸和形狀,設計出可以在小范圍內進行調整的工裝夾具,組成結構如圖 1-2 所示。該種工裝夾具由兩部分組成,其中一部分是可調整夾具的基本部分,主要有底座、定位機構和夾緊機構等裝置,這些基本組成部分長期固定在底座上,它們不隨著加工零件的變化而更換;另外一部分是工裝夾具中的可更換部分,這部分主要與加工零件直接接觸,它們需要根據加工對象的不同而進行更換[17].在零件加工過程中,同一組零件只需要根據結構形狀和尺寸參數調整好組成元件的位置即可,對于不同組的零部件不僅需要更換可調元件[18,19],同時還需要根據零件的尺寸大小調整定位機構和夾緊機構的位置[20].

  通過分析可知該種柔性工裝夾具結構簡單,加工制造也非常方便,但是使用范圍比較小,因此只有在焊接工裝夾具中有一定的使用價值。

  1.2.2 成組工裝夾具的分析

  根據加工制造零部件的某些特征進行分析,針對某一組相似零部件或相應工序設計出的一種成組工裝夾具[21],組成結構如圖 1-3 所示。該工裝夾具不僅具有專用夾具的某些特性,同時它還可以在小尺寸范圍內進行調整[22,23].成組夾具是由通用基體結構和可更換元件組成,通用基體結構是有很多安裝孔的大型底座[24],主要用于安裝定位夾緊元件[25].成組夾具中定位元件、夾緊元件和導向元件可以根據具體的加工需求進行設計[26-29],在使用過程中根據加工零件及時進行更換。

  成組夾具主要用于加工某些具有相同組成性質的零部件。在進行零部件的加工制造過程中,需要根據加工對象的相似特點和成組技術的原則,調整定位、夾緊點的位置,則可以滿足零部件的定位和夾緊要求[30].成組夾具在設計過程中主要偏重元件的更換,它的定位、夾緊元件可以按照要求進行靈活組合。

  1.2.3 組合工裝夾具的分析

  組合工裝夾具是在工裝夾具已經完全模塊化的前提下進行設計的[31],組成結構如圖1-4 所示。組合工裝夾具是根據所加工零部件的組成特點,預先設計好需要的標準元件和組件[32,33].在組合工裝夾具的使用過程中,需要根據具體零部件的尺寸,選擇合適的組件進行組合,并且這些組合元件具有良好的互換性能[34-36].組合工裝夾具使用完畢后,需要將將組件拆散,方便下一次使用。目前,槽系組合夾具是使用最為廣泛的組合夾具之一,在該組合夾具中,基座上設計有多排相互平行和垂直的 T 型槽結構,方便組件的位置調節[37,38].

  1.2.4 自適應工裝夾具的分析

  自適應工裝夾具是指根據所要加工的零部件形狀適應性的設計定位和夾緊機構位置[39,40],組成機構如圖 1-5 所示。該種工裝夾具主要是根據加工零件的尺寸形狀進行定位機構和夾緊機構的位置調節,從而實現自適應工裝夾具的"柔性"功能[41].

  1.2.5 薄壁零部件柔性工裝夾具的分析

  隨著工業不斷發展,各種各樣的零部件層出不窮,尤其是對于在壁厚比較薄的鈑金零部件,它們的應用范圍逐漸推廣。隨著人們對產品的外觀要求越來越高,機械產品的外部結構大量采用曲面造型[42].產品的外觀曲面雖然增添了美觀性能,但是提高加工制造難度,因此對曲面零部件的加工設備提出了更高的要求。目前,該種工裝夾具都是根據曲面形狀的特點進行仿形加工獲得的,但是這種加工方法具有成本高,加工制造周期長等問題。因此,為了提高薄壁零部件的加工制造效率,降低加工成本,研發出如圖 1-6 所示的柔性工裝夾具系統[43].

  由于薄壁零部件的外部一般都是結構形狀比較復雜的曲面,而且剛性非常小。因此,在進行薄壁零部件的加工制造過程中,經常會由于剛性不足而導致加工變形,從而使加工精度滿足不了設計要求[44].為了提高薄壁零部件的加工精度,設計出如圖 1-6 所示的柔性工裝夾具系統。該柔性工裝夾具系統經過對薄壁零部件在加工過程中的變形情況進行預測,對裝夾方案、夾緊力大小進行了優化設計[45].

  圖 1-6 所示的柔性工裝夾具主要是用于加工飛機蒙皮結構,主要組成結構是 POGO 單元,獨立的 POGO 單元按照矩陣形式排列在底座上。在計算機系統的控制下,通過調整POGO 單元的位置,實現薄壁零部件的加工制造。該種柔性工裝夾具雖然具有非常高的定位精度、操作起來也非常方便,但是它的加工制造成本非常高,因此,很難在鈑金零部件的加工中進行推廣。

  1.3 柔性工裝夾具的發展趨勢

  隨著產品的更新換代速度不斷加快,剛性工裝夾具很難滿足這種快速變化的市場需求。因此,極其需要研發一種柔性工裝夾具來滿足當前的生產需求,所以柔性工裝夾具成為了當前的研究熱點,發展趨勢主要有:

 。1)柔性工裝夾具的適用范圍更加廣泛柔性工裝夾具主要是針對某些產品零部件進行設計的,為了提高柔性工裝夾具的利用率,需要使它的范圍更廣。柔性工裝夾具不僅要滿足一類零部件的加工制造,而且它還要滿足方便調節等一系列的使用要求。

 。2)柔性工裝夾具的控制系統更加智能化為了滿足現代化的加工制造需求,柔性工裝夾具需要采用計算機控制方法,使它在短時間內可以快速的調節整個工裝夾具中的結構,從而提高方便快捷性能,降低零件的加工制造成本。

 。3)柔性工裝夾具的研發周期更短隨著人們對產品的要求越來越高,一個新產品的出生到凋亡時間變得越來越短,用于進行產品加工制造的工裝夾具的使用周期也變得更加短暫。因此,為了滿足市場上的需求,對柔性工裝夾具的研發效率提出了更高的要求。

  1.4 本文主要研究內容

  本文主要以鈑金零部件的柔性工裝夾具為研究對象,圍繞著設計、優化和運動學分析為主線,展開全文的研究工作。具體研究內容如下:

  第一章主要是介紹課題來源、研究背景和意義;本章通過對柔性工裝夾具研究現狀和發展趨勢的分析,確定了主要研究內容。

  第二章對鈑金零部件的加工工藝進行分析。本章首先研究鈑金零部件的加工變形因素,然后對鈑金零部件的變形機理進行分析,最后制定柔性工裝夾具的設計要求和設計流程。

  第三章主要是對柔性工裝夾具進行結構設計。本章首先根據鈑金零部件的工藝分析制定出柔性工裝夾具的設計方案,接著進行總體結構設計,然后對它的重要機構--絲杠傳動機構、定位機構、夾緊機構進行計算分析和結構設計,最后對柔性工裝夾具的氣路原理圖進行設計。

  第四章對柔性工裝夾具進行結構優化設計。本章首先是對柔性工裝夾具定位夾緊單元中的底座進行靜力學分析和模態分析,然后建立該結構的優化模型,最后對它進行優化設計。

  第五章對柔性工裝夾具中的夾緊機構進行運動學分析。本章首先對夾緊機構的運動過程進行分析,然后建立該機構的運動模型,最后通過該機構的力學模型對它優化求解,并得到最優的夾緊機構。

  第六章總結本文的主要研究內容和工作,說明已做研究的不足和進一步研究的方向。

  上面對本文的主要研究內容進行分析,根據柔性工裝夾具的設計過程,可得關系圖如圖 1-7 所示。




  第 2 章 鈑金零部件加工工藝分析
  2.1 鈑金零部件工藝性能分析
  2.1.1 鈑金零部件加工變形因素分析
  2.1.2 鈑金零部件的材料分析
  2.2 鈑金零部件變形機理分析
  2.3 柔性工裝夾具的工藝質量分析
  2.3.1 工裝夾具對加工精度影響因素分析
  2.3.2 柔性工裝夾具的工藝要求分析
  2.4 柔性工裝夾具的設計流程分析
  2.5 本章小結

  第 3 章 柔性工裝夾具的結構設計
  3.1 柔性工裝夾具的方案設計
  3.1.1 孔隙組合工裝夾具結構方案分析
  3.1.2 T 型槽柔性工裝夾具結構分析
  3.2 柔性工裝夾具的總體結構設計
  3.3 底座結構設計
  3.3.1 T 型槽尺寸設計
  3.3.2 底座的強度分析

  3.4 柔性工裝夾具的定位夾緊單元結構設計
  3.4.1 定位夾緊單元的結構
  3.4.2 定位夾緊單元的工作原理及參數確定
  3.4.3 定位夾緊單元的載荷分析
  3.4.4 伺服電機參數計算與選型
  3.4.5 滾珠絲杠參數的計算

  3.5 定位機構的設計
  3.5.1 定位機構的組成機構設計
  3.5.2 定位機構的氣路控制圖
  3.6 夾緊機構的設計
  3.6.1 夾緊機構的組成機構設計
  3.6.2 夾緊機構的氣路控制圖
  3.7 本章小結

  第 4 章 定位夾緊單元的優化設計
  4.1 有限元分析技術概述
  4.2 定位夾緊單元的靜力學分析
  4.3 定位夾緊單元的模態分析
  4.3.1 定位夾緊單元模態理論分析
  4.3.2 定位夾緊單元模態分析模型的建立
  4.3.3 模態分析結果

  4.4 定位夾緊單元底座的優化設計
  4.4.1 底座結構的設計變量
  4.4.2 約束函數的建立
  4.4.3 優化函數的建立
  4.4.4 底座結構的輕量化分析結果
  4.5 本章小結

  第 5 章 柔性工裝夾具的力學分析與優化
  5.1 柔性工裝夾具的運動學分析
  5.1.1 夾緊機構的運動學分析
  5.1.2 夾緊機構運動過程分析
  5.2 夾緊機構的運動模型建立
  5.3 夾緊機構力學優化分析
  5.3.1 夾緊機構的受力分析
  5.3.2 夾緊機構設計變量
  5.3.3 夾緊機構優化目標
  5.3.4 夾緊機構約束條件及優化模型求解
  5.4 ADAMS 對優化結果的仿真分析
  5.5 本章小結

第 6 章 總結與展望

  6.1 全文總結

  隨著經濟的不斷發展,產品逐漸向個性化、小批量化的方向發展,產品的生產周期也越來越短。為了滿足這些現代化生產要求,柔性工裝夾具的逐漸成為人們的研究重點。鈑金零部件在汽車、飛機和家電等行業中具有非常重要的應用價值,因此對柔性工裝夾具進行研究具有非常重要的價值。

  目前,鈑金零部件主要是采用剛性工裝夾具,根據它的結構形狀進行固定夾緊,這種工裝夾具只能針對專用的鈑金零部件進行加工,而且加工制造周期非常長,工作效率也比較低。為此,本文研發一種可以經過快速調節便能滿足對種鈑金零部件加工的柔性工裝夾具,并對關鍵零部件定位夾緊單元和夾緊機構進行了優化。本文的主要研究內容如下:

 。1)對柔性工裝夾具的研究現狀和發展趨勢進行了分析。比較可調式工裝夾具、成組工裝夾具和組合工裝夾具的優缺點后,并結合現代設計理論,分析鈑金零部件柔性工裝夾具的發展趨勢。

 。2)進行了柔性工裝夾具的加工工藝分析。通過對鈑金零部件加工變形因素的分析,分析出變形機理。為了提高鈑金零部件的加工精度,分析工裝夾具對鈑金零部件加工精度的影響因素,并提出柔性工裝夾具的設計要求。

 。3)完成了柔性工裝夾具的總體結構設計。根據柔性工裝夾具的設計要求,制定出結構設計方案,并對優缺點進行比較分析后,選擇最優結構設計方案,使用三維設計軟件 SolidWorks 建立柔性工裝夾具的三維結構模型,最后還對柔性工裝夾具中的重要零部件--底座、定位夾緊單元、定位機構和夾緊機構進行了計算分析和建模。

 。4)進行了定位夾緊單元的優化設計。通過對定位夾緊單元進行靜力學分析和模態分析,可以得知該機構還具有很大的優化空間,建立定位夾緊單元底座的優化設計模型,得出優化設計參數,并通過比較優化前和優化后的底座靜力學分析,得知優化后的底座結構仍然滿足強度和剛度要求,重量減少了 16.6%. (5)進行了夾緊機構的運動學分析。通過對夾緊機構的運動學分析,建立出運動模型,并使用 MATLAB 軟件對力學進行優化分析,并使用 ADAMS 軟件對它優化后結構參數建立的模型進行運動分析,分析結果表明優化參數具有明顯的效果。

  6.2 研究展望

  本文通過對鈑金零部件的工藝分析和柔性工裝夾具的設計與優化,取得了一些研究成果,但是仍然存在需要改進之處。

 。1)由于時間非常倉促,本文設計和優化的柔性工裝夾具結構沒有經過進行加工制造,因此,許多關鍵的功能參數沒有進行驗證。

 。2)柔性工裝夾具雖然使用范圍廣、工作效率高和使用方便等優點,但是使用范圍還是具有一定限制,因此,需要在后續的研究中進行進一步的改善。

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致 謝

  值此論文完成之際,謹向曾經關心和幫助我的老師、同事以及親友表示衷心的感謝!

  論文寫作是一個學習的過程,也是一個收獲的過程。在論文寫作期間,我一直得到導師王昕教授的精心指導,導師的諄諄教誨和無私的關心幫助給了我強有力的支持,使我不斷鞭策自己,努力奮斗!本文的寫作凝聚著導師的辛勞,從論文的選題、框架的設計,到論點的推敲、資料的選擇、文字的潤色,都傾注了導師的熱情關懷。論文的順利完成與導師的關心和支持是密不可分的,我從導師身上不僅學到了豐富的專業知識和科學的研究方法,而且還學習到了踏踏實實的人生態度。值此論文完成之際,我要向我的導師表示誠摯的感謝。

  感謝我的父母,父母之恩,天高海深。感謝他們的養育之恩和多年來對我在物質和精神上的支持,他們為我的成長付出了無盡的心血,是他們使我在風雨成長的道路上不斷進取,勇往直前。

  最后對各位專家老師仔細審閱我的論文表示衷心的感謝,渴望給予批評指正!

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