專利名稱：逐點正確定位夾具的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種定位夾具的方法，尤其涉及一種逐點正確定位夾具的方法。
背景技術(shù)：
為了確保機加工、檢驗、裝配、焊接等制造工藝過程能夠執(zhí)行成功，工件必須具有 一個相對于刀具的正確位置和方向。而正確的工件位置和方向，是通過合理設(shè)計夾具的定 位方案實現(xiàn)的。因此，無論是傳統(tǒng)制造領(lǐng)域還是現(xiàn)代柔性系統(tǒng)中，定位方案是夾具設(shè)計中一 個最為重要的關(guān)鍵問題。 ASADA等人利用泰勒展開法，首次建立了定位方案的運動學(xué)模型，并將運動學(xué)模型 的滿秩雅可比矩陣作為唯一定位的判斷依據(jù)。CHOU等人則利用螺旋理論，建立了棱柱形工 件的裝夾平衡方程，并推斷認(rèn)為工件唯一定位的充分條件是裝夾平衡方程的裝夾螺旋矩陣 必須滿秩。然而，這些研究工作僅針對合理定位方案的一種特殊形式(即唯一定位)進(jìn)行 了詳細(xì)討論和描述。 KANG在ASADA等人工作的基礎(chǔ)上，根據(jù)夾具定位點數(shù)目及其所約束的自由度數(shù)目 之間的關(guān)系，將定位點布局分為完全定位、欠定位、過定位三種類型。如果定位點數(shù)目等于 其自身所約束的自由度數(shù)目，且均等于6，則為完全定位；如果定位點數(shù)目多于其自身所約 束的自由度數(shù)目則為欠定位；而定位點數(shù)目少于其自身所約束的自由度數(shù)目則被認(rèn)為是過 定位。而SONG等人則根據(jù)定位點數(shù)目與雅可比矩陣的秩之間的關(guān)系，對定位完全性進(jìn)行了 詳細(xì)分析。如果雅可比矩陣的秩等于6，且定位點數(shù)目也等于6，那么工件被完全定位；如果 雅可比矩陣的秩等于6，且定位點數(shù)目大于6，那么工件處于過定位狀態(tài)；如果雅可比矩陣 的秩小于6，那么工件處于欠定位狀態(tài)。事實上，這些分類方法并不完善。定位方案的合理 性不僅與雅可比矩陣的秩有關(guān)，而且更為重要的是與理論約束自由度和實際約束的自由度 之間的關(guān)系有關(guān)。 吳祖光等人利用連桿機構(gòu)原理，針對由直線和圓弧組成定位基準(zhǔn)的工件，提出了 "3-2-l"特定定位方案中側(cè)面定位基準(zhǔn)上3個定位點的自動確定算法。然而，該方法是在工 件定位合理的假設(shè)條件下提出的，而且僅適合于具有形狀規(guī)則定位基準(zhǔn)表面的工件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種逐點正確定位夾具的方法，該方法通用、有效，不但能
夠保證工件具有正確的位置和方向，而且適用于具有任意形狀的復(fù)雜工件。 本發(fā)明是這樣來實現(xiàn)的，定位夾具分兩種不同的方法，一種方法為不參照任何夾
具案例的設(shè)計結(jié)果，由設(shè)計人員或系統(tǒng)根據(jù)加工要求自主完成定位方案的設(shè)計過程，其特
征是方法步驟為 (1)根據(jù)加工要求確定理論約束自由度；(2)選擇第一個定位基準(zhǔn)，定位基準(zhǔn)和工 序基準(zhǔn)應(yīng)重合，在所選擇的定位基準(zhǔn)上布局第一個定位點；(3)判斷當(dāng)前定位方案的正確 性，若屬于全定位，則定位方案正確，設(shè)計過程結(jié)束；(4)若步驟3判斷定位方案屬于欠定位，則定位點數(shù)目不夠，應(yīng)在相同定位基準(zhǔn)上布局下一個定位點，并轉(zhuǎn)入步驟3 ;(5)若步驟
3判斷定位方案屬于欠過定位，則定位點數(shù)目不夠且布局也不合理，則需選擇下一個定位基準(zhǔn)，并在該定位基準(zhǔn)上布局下一個定位點，之后轉(zhuǎn)入步驟3。 另一種方法為先針對設(shè)計人員根據(jù)經(jīng)驗、知識擬定的定位方案，分析其定位正確性，然后根據(jù)加工要求對相似夾具進(jìn)行必要的編輯與修改，直至能夠滿足加工要求的設(shè)計過程，方法步驟為 (1)分析加工要求，確定理論約束自由度并計算最小定位點數(shù)；(2)判斷當(dāng)前定位方案的正確性；(3)若步驟2判斷當(dāng)前定位方案為唯一定位或部分定位，則設(shè)計過程結(jié)束；若當(dāng)前定位方案屬于欠定位，則選擇第一個定位基準(zhǔn)，并在該定位基準(zhǔn)面上增設(shè)一個定位點，形成第一個定位子方案；(4)判斷定位子方案的正確性，若定位子方案屬于全定位，則定位方案正確，設(shè)計過程結(jié)束；(5)若步驟4判斷定位子方案屬于欠過定位，則選擇下一個定位基準(zhǔn)，重設(shè)這一個定位點，形成下一個定位子方案，并返回步驟4 ;若判斷定位子方案屬于欠定位，則在該定位基準(zhǔn)上增設(shè)下一個定位點，形成下一個定位子方案，并返回步驟4 ;(6)若步驟2判斷當(dāng)前定位方案為欠過定位，則選擇第一定位基準(zhǔn)，形成第一個定位子方案；(7)分析定位子方案的正確性；(8)若步驟7判斷當(dāng)前定位子方案為欠過定位，則在當(dāng)前定位基準(zhǔn)上減少一個定位點，并返回步驟7 ;若判斷當(dāng)前定位方案為欠定位，則選擇下一個定位基準(zhǔn)，形成下一個定位子方案，并判斷該定位子方案不是最后一個定位子方案，則返回步驟7，否則，在第一個定位基準(zhǔn)上增設(shè)第一個定位點，重新形成第一個定位子方案；(9)分析當(dāng)前定位方案的正確性，若當(dāng)前定位方案屬于全定位，則定位方案正確，設(shè)計過程結(jié)束；(10)若步驟9判斷當(dāng)前定位方案屬于欠過定位，則在下一個定位基準(zhǔn)上重設(shè)這一個定位點，形成下一個定位子方案，并返回步驟9 ;若當(dāng)前定位方案屬于欠定位，則增設(shè)下一個定位點，形成下一個定位子方案，返回步驟9 ;(ll)若步驟2判斷當(dāng)前定位方案為唯一過定
位或者部分過定位，則選擇第一定位基準(zhǔn)，形成第一個定位子方案；(12)分析定位子方案的正確性；(13)若步驟12判斷的定位方案屬于過定位，則在當(dāng)前定位基準(zhǔn)上減少一個定位點，并返回步驟12 ;(14)若步驟12判斷的定位方案屬于欠定位，則選擇下一個定位基準(zhǔn)，形成下一個定位子方案，返回步驟12 ; (15)若步驟12判斷的定位方案屬于全定位，則設(shè)計過程結(jié)束。 上述的兩個夾具定位方案逐點設(shè)計算法流程中，所述的判斷定位方案正確性的依據(jù)有兩個一個是理論條件k' 二kmin，另一個是工藝條件rank(J) =k。其中，、化=6-rank(1)為正確定位方案所需的最小定位點數(shù)目，l為理論約束自由度中所有標(biāo)準(zhǔn)正交基；k' = rank(J)-rank(J《)為有效定位點數(shù)，k為定位方案中的實際定位點數(shù)。
上述的兩個夾具定位方案逐點設(shè)計算法流程中，所述的判斷定位方案正確性的方法是 (1)如果k' < k邁in且rank(J) = k，則稱定位方案為欠定位; (2)如果k' < kmin且rank (J) < k，則稱定位方案為欠過定位; (3)如果k' = kmin， rank(J) < k且rank(J) < 6，則稱定位方案為部分過定位； (4)如果為k' = kmin且rank (J) = 6 < k，則稱定位方案為唯一過定位； (5)如果k' = k邁in且rank(J) = k，則稱定位方案為全定位；特別地，當(dāng)k = 6時，
這種全定位稱之為唯一定位；而當(dāng)k < 6時，這種全定位稱之為部分定位。
利用質(zhì)點運動的速度合成原理，分別建立了自由度約束模型、定位方案模型(《機床夾具的現(xiàn)代設(shè)計方法》，北京航空工業(yè)出版社)，最終結(jié)果為 1、建立了自由度約束模型為S rp = E S qw和S rp。 = Z S qw，該模型的建立描述了
工件加工要求與理論約束自由度的定量關(guān)系。其中，勿w =[&二泌1]7為理論限制自由度；
Srp=[SXp， Syp， Szp]t為工件加工尺寸或定位位置的變化量；Srp。二 [SXp。， S yp。，Szp。]t為工件定向位置的變化量；E二 [IT， qt]，且I為單位矩陣，q =rPX為斜對稱矩陣，&= [Xp，yp，Zp]t為零件上任意一點P的位置；Z=
，且0為零矩陣。 2、建立了定位原理數(shù)學(xué)模型為j&: -O，該模型的建立描述了定位方案與實際約束自由度之間的定量關(guān)系。其中，</ = [1/1/2\...，《]7為定位雅可比矩陣，且
=4",T,( ,xr,w)T]; ^(^)T,(淑!:)T]T為定位方案實際限制的自由度。 本發(fā)明的優(yōu)點是(1)適用于各種結(jié)構(gòu)形狀工件的定位方案分析和設(shè)計；(2)可以驗證已擬定的夾具定位方案的可行性；(3)能夠正確地修正已有的夾具方案；(4)能夠合理地確定定位基準(zhǔn)、定位點數(shù)目及其布局；(5)為計算機輔助夾具設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。


圖
1為本發(fā)明的棱形柱工件及加工表面實例2為本發(fā)明在棱形柱工件第一個定位基準(zhǔn)增設(shè)第一個定位點實例圖；3為本發(fā)明在棱形柱工件第一個定位基準(zhǔn)增設(shè)第二個定位點實例圖；4為本發(fā)明在棱形柱工件第一個定位基準(zhǔn)增設(shè)第三個定位點實例圖；5為本發(fā)明在棱形柱工件第一個定位基準(zhǔn)增設(shè)第四個定位點實例圖；6為本發(fā)明在棱形柱工件第二個定位基準(zhǔn)上重設(shè)第四個定位點實例圖7為本發(fā)明在棱形柱工件第二個定位基準(zhǔn)增設(shè)第五個定位點實例圖；8為本發(fā)明的不通槽"4-2-l"定位方案實例圖；9為本發(fā)明的不通槽第一個定位子方案修訂前實例圖；10為本發(fā)明的不通槽第一個定位子方案修訂后實例圖11為本發(fā)明的不通槽第二個定位子方案修訂前實例圖12為本發(fā)明的不通槽第二個定位子方案修訂后實例圖13為本發(fā)明的不通槽第三個定位子方案實例圖；14為本發(fā)明在不通槽第一定位基準(zhǔn)上增設(shè)定位點8實例圖；15為本發(fā)明在不通槽第二定位基準(zhǔn)上重設(shè)定位點8實例具體實施例方式
通過具體實施例說明逐點設(shè)計算法在定位方案設(shè)計過程中的具體應(yīng)用，記I x =T 、 " =
T 、《z = [o，o， i，o，o，o]t 、《a = [o，o，o， 1，0，0]t、《e =
t和《Y =
t表示六維空間的一組標(biāo)準(zhǔn)正交基。下面結(jié)合附圖和實施例分別對本發(fā)明的"生成"式逐點設(shè)計算法和"修訂"式設(shè)計算法作進(jìn)
一步的詳細(xì)描述。
實施例1 : 假定工件為規(guī)則的棱柱形，如圖1所示。待加工表面為臺階表面，要求保證加工尺寸a和b。為此，加工過程中最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是合理設(shè)計定位方案，以確定工件相對刀具的正確位置和方向。定位方案的設(shè)計過程詳細(xì)如下 步驟1 :為了同時保證X和Y方向上加工尺寸a、b，理論約束自由度Sqw=;入，其中基向量I = U壬意數(shù)向量A = A z，因此有kmin = 5 ; 步驟2 :由于工件下表面為工序基準(zhǔn)，故選擇該表面為第一個定位基準(zhǔn)，并布局第一個定位點，如圖2所示， 步驟3 :計算出雅可比矩陣J二
步驟11 :計算圖所示定位方案的雅可比矩陣/ =
<formula>formula see original document page 7</formula>
因此，rank(J) =4， rank (J 二O，故k' < kmin ; 步驟12 :根據(jù)k' < kmin且rank(J) = k可知該定位方案為欠定位，顯然定位點數(shù) 目不夠，因此在第二個定位基準(zhǔn)上繼續(xù)布局第五個定位點，如圖7所示； 步驟13 :計算圖9定位方案的雅可比矩陣為j-
因此有rank(J) =5， rank (J 二O，故k' = kmin ; 步驟14 :根據(jù)如果k' = kmin且rank (J) = k，且k < 6可知圖9所示的定位方案 為部分定位，屬于正確的定位方案。因此，該定位方案能夠確定工件相對于刀具的位置和方 向，從而能夠保證加工精度的要求；
實施例2 : 為了獲得不通槽的設(shè)計尺寸a、b、h要求，必須首先合理地確定加工過程中工件與 刀具 之間的相對位置。為此擬采用圖8所示的"4-2-l"定位方案，并對其進(jìn)行詳細(xì)分 析和正確修改，其過程如下 步驟1 :為了同時獲得三個方向上設(shè)計尺寸a、 h、 b，理論約束自由度S qw = O，基 向量I = 0。因此最小定位點數(shù)kmin = 6 ; 步驟2:由圖13可知定位方案中定位點數(shù)k = 7，容易計算雅可比矩陣得
<formula>formula see original document page 7</formula>因此有rank(J) = 5，rank(Jl) = O，故k' =5; 步驟3 :根據(jù)k' < kmin且rank (J) < k可知定位方案屬于欠過定位，為不合理定 位方案，并知定位點有效數(shù)目不夠，且布局也不合理； 步驟4:將圖8中的定位方案，根據(jù)定位基準(zhǔn)的重要性分解成多個定位子方案，首 先選擇第一定位基準(zhǔn)(即工件下表面)并以其上布局的定位點形成第一個定位子方案，如 圖9，由于此時定位子方案中k = 4， rank (J) = 3，故rank (J) ( = 3) < k( = 4)，因此在第一定位基準(zhǔn)上去掉一個定位點，假定去掉定位點4，如圖10所示； 步驟5 :由于圖IO所示定位方案中rank (J) ( = 3) = k( = 3)，故繼續(xù)增選第二定 位基準(zhǔn)及其上布局的定位點形成第二個定位子方案，如圖11所示，經(jīng)分析、計算得k二 5， rank (J) = 4，故rank (J) ( = 4) < k( = 5)。因此在第二定位基準(zhǔn)上去掉一個定位點，假定 去掉定位點6，如圖12所示； 步驟6 :由于圖12所示定位方案中rank (J) ( = 4) = k( = 4)，故繼續(xù)增選第三定 位基準(zhǔn)及其上布局的定位點形成第三個定位子方案，如圖13所示，經(jīng)分析、計算得rank (J) (=5) =k( = 5); 步驟7 :由于第三定位基準(zhǔn)為最后定位基準(zhǔn)，故在第一定位基準(zhǔn)上增設(shè)第一個定 位點，圖14中的定位點8，由于有效定位點數(shù)k' = 5，最小定位點數(shù)kmin = 6，且rank (J) (=5) < k( = 6)。 步驟8 :應(yīng)將定位點8重設(shè)在第二定位基準(zhǔn)上，如圖15所示，當(dāng)定位點8與定位點 5具有相同的Y向坐標(biāo)時，rank(J) = 6，這樣，有效定位點數(shù)k' = 6，由于最小定位點數(shù)kmin 二6，故k' 二kmin，至此，設(shè)計過程結(jié)束。
權(quán)利要求
一種逐點正確定位夾具的方法，其特征是方法步驟為(1)根據(jù)加工要求確定理論約束自由度；(2)選擇第一個定位基準(zhǔn)，定位基準(zhǔn)和工序基準(zhǔn)應(yīng)重合，在所選擇的定位基準(zhǔn)上布局第一個定位點；(3)判斷當(dāng)前定位方案的正確性，若屬于全定位，則定位方案正確，設(shè)計過程結(jié)束；(4)若步驟3判斷定位方案屬于欠定位，則定位點數(shù)目不夠，應(yīng)在相同定位基準(zhǔn)上布局下一個定位點，并轉(zhuǎn)入步驟3；(5)若步驟3判斷定位方案屬于欠過定位，則定位點數(shù)目不夠且布局也不合理，則需選擇下一個定位基準(zhǔn)，并在該定位基準(zhǔn)上布局下一個定位點，之后轉(zhuǎn)入步驟3。
2. —種權(quán)利要求l所述的逐點正確定位夾具的方法，其特征是方法步驟為(l)分析加工要求，確定理論約束自由度并計算最小定位點數(shù)；(2)判斷當(dāng)前定位方案的正確性；(3)若步驟2判斷當(dāng)前定位方案為唯一定位或部分定位，則設(shè)計過程結(jié)束；若當(dāng)前定位方案屬于欠定位，則選擇第一個定位基準(zhǔn)，并在該定位基準(zhǔn)面上增設(shè)一個定位點，形成第一個定位子方案；(4)判斷定位子方案的正確性，若定位子方案屬于全定位，則定位方案正確，設(shè)計過程結(jié)束；(5)若步驟4判斷定位子方案屬于欠過定位，則選擇下一個定位基準(zhǔn)，重設(shè)這一個定位點，形成下一個定位子方案，并返回步驟4 ;若判斷定位子方案屬于欠定位，則在該定位基準(zhǔn)上增設(shè)下一個定位點，形成下一個定位子方案，并返回步驟4 ;(6)若步驟2判斷當(dāng)前定位方案為欠過定位，則選擇第一定位基準(zhǔn)，形成第一個定位子方案；(7)分析定位子方案的正確性；(8)若步驟7判斷當(dāng)前定位子方案為欠過定位，則在當(dāng)前定位基準(zhǔn)上減少一個定位點，并返回步驟7 ;若判斷當(dāng)前定位方案為欠定位，則選擇下一個定位基準(zhǔn)，形成下一個定位子方案，并判斷該定位子方案不是最后一個定位子方案，則返回步驟7，否則，在第一個定位基準(zhǔn)上增設(shè)第一個定位點，重新形成第一個定位子方案；(9)分析當(dāng)前定位方案的正確性，若當(dāng)前定位方案屬于全定位，則定位方案正確，設(shè)計過程結(jié)束；(10)若步驟9判斷當(dāng)前定位方案屬于欠過定位，則在下一個定位基準(zhǔn)上重設(shè)這一個定位點，形成下一個定位子方案，并返回步驟9 ;若當(dāng)前定位方案屬于欠定位，則增設(shè)下一個定位點，形成下一個定位子方案，返回步驟9 ;(ll)若步驟2判斷當(dāng)前定位方案為唯一過定位或者部分過定位，則選擇第一定位基準(zhǔn)，形成第一個定位子方案；(12)分析定位子方案的正確性；(13)若步驟12判斷的定位方案屬于過定位，則在當(dāng)前定位基準(zhǔn)上減少一個定位點，并返回步驟12 ;(14)若步驟12判斷的定位方案屬于欠定位，則選擇下一個定位基準(zhǔn)，形成下一個定位子方案，返回步驟12 ; (15)若步驟12判斷的定位方案屬于全定位，則設(shè)計過程結(jié)束。
全文摘要
一種逐點正確定位夾具的方法，其特征是方法步驟為(1)根據(jù)加工要求確定理論約束自由度；(2)選擇第一個定位基準(zhǔn)，在所選擇的定位基準(zhǔn)上布局第一個定位點；(3)判斷當(dāng)前定位方案的正確性，若屬于全定位，則定位方案正確，設(shè)計過程結(jié)束；(4)若步驟3判斷定位方案屬于欠定位，轉(zhuǎn)入步驟3；(5)若步驟3判斷定位方案屬于欠過定位。本發(fā)明的優(yōu)點是(1)適用于各種結(jié)構(gòu)形狀工件的定位方案分析和設(shè)計；(2)可以驗證已擬定的夾具定位方案的可行性；(3)能夠正確地修正已有的夾具方案；(4)能夠合理地確定定位基準(zhǔn)、定位點數(shù)目及其布局；(5)為計算機輔助夾具設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)提供了理論基礎(chǔ)。
文檔編號G05B19/402GK101727089SQ20091018655
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月25日
發(fā)明者葉海潮, 吳竹溪, 孫士平, 秦國華 申請人:南昌航空大學(xué)