工件-夹具系统综合误差建模及夹具优化设计方法研究

摘要

机床夹具是在生产制造过程中被广泛应用的夹持装备，用于工件在机床工作台的定位和夹紧。夹具定位元件的制造和安装误差以及工件受夹紧力和切削力等因素会导致工件产生位姿偏差，即工件的实际位置与理论位置存在误差，最终导致工件产生加工误差。通过对工件-夹具系统进行综合误差建模，可以准确获得由已知的误差源所导致的工件加工误差，进而对夹具进行优化设计。本文主要对机床夹具进行研究，完成了以下工作：
　　首先，利用齐次坐标转换方法，分析了机床夹具的定位元件制造和安装误差与工件位姿偏差之间的关系，并建立了工件上孔的位置度误差与夹具各定位元件误差之间的关系模型，可以获得由已知夹具定位元件误差所导致的工件孔位置度误差。随后，以工件上孔的位置度误差最小为优化目标，采用遗传算法对夹具布局进行优化，通过对夹具布局的优化设计，可以有效减小工件上孔的位置度误差。
　　其次，基于最小余能原理建立了夹紧过程中工件与夹具元件接触点处的摩擦力对接触力大小影响的关系模型，分析了由不同夹紧顺序所导致的工件位姿偏差。然后，对工件在加工过程中所受动态切削力对工件位姿偏差的影响进行了建模分析，利用拉格朗日能量法和牛顿欧拉公式，得到了工件受动态切削引起的位姿偏差。基于最优夹具布局，以加工误差最小为目标，对夹紧力大小进行了优化。通过对夹具进行布局优化和夹紧力优化设计，有效提高了工件的关键加工特征的加工精度。
　　再次，分别建立了高刚度工件和低刚度工件的综合误差模型，并进行了实例分析。在对多阶段加工过程误差分析的基础上，提出了基于相似性布局的夹具优化设计新方法，使工件在满足加工精度的前提下，在某些不同的加工阶段具有相同的夹具布局，从而减少了夹具设计、制造、安装和调配的次数，有效地降低了夹具制造成本。
　　最后，通过搭建实验平台对上述方法进行了实验验证，首先用海克斯康Global三坐标测量机对夹具定位元件的误差进行提取，然后在立式加工中心SKVH850上对设计的工件进行切削加工，并用海克斯康Global三坐标测量机对加工工件进行测量。通过实验结果和预测结果的对比，验证了文中所述方法的有效性和可行性。

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字母注释表

第一章 绪论

1.1课题研究的背景和意义

1.2国内外研究现状及存在的问题

1.3本文的主要研究内容

第二章 工件-夹具系统定位误差建模及夹具布局优化

2.1工件-夹具系统定位误差建模分析

2.2工件上孔的位置度误差建模

2.3基于孔位置度误差分析的夹具布局优化

2.4本章小结

第三章 力约束下的工件-夹具系统误差及夹紧力优化

3.1夹紧力引起的工件位姿偏差分析

3.2动态切削力导致的工件位姿偏差分析

3.3基于最优夹具布局的夹紧力优化

3.4本章小结

第四章 工件-夹具系统综合误差分析与多阶段夹具优化

4.1工件-夹具系统综合误差实例分析

4.2基于夹具布局相似性的多阶段夹具优化设计

4.3本章小结

第五章 工件-夹具系统综合误差检测实验

5.1误差检测实验步骤及实验结果分析

5.2本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

附录

致谢