中國地質大學長城學院 本科畢業設計外文資料翻譯 系 別： 工程技術系 專 業： 機械設計制造及其自動化 姓 名： 楊琦露 學 號： 05211642 2015年 4 月 1 日 外文資料翻譯譯文 一種自動化夾具設計方法 塞西爾 美國，拉斯克魯塞斯，新墨西哥州立大學，工業工程系 ， 虛擬企業工程實驗室（ VEEL） 在這篇論文里， 描述了一種新的 計 算機 輔助夾具設計方法。對于一個給定的工件，這種夾具設計方法包含了識別加緊表面和夾緊位置點。通過使用一種定位設計方法去夾緊和支撐工件，并且當機器正在運行的時候，可以根據刀具來正確定位工件。 該論文還給出了自動化夾具設計的詳細步驟。 幾何推理技術被用來確定可行的 夾緊 面和 位置。要識別所完成工件和定位點就 還 需 要一些輸入量 包括 CAD 模型的 技術要求、特征。 關鍵詞 ：夾緊；夾具設計 1.動機和目標 夾具設計是連接設計與制造間的一項重要任務。自動化夾具設計和計算機輔助夾具設計開發（夾具 CAD）是下一代制造系統成功實現目標的關鍵 。在這片論文里， 討論了一種夾具設計的方法，這種方法有利于在目前環境下夾具設計的自動化。 夾具設計方法 的研究 已 成為 國內多家科研工作的重點。 作者：周 在 1中 對工件的穩定和總需求約束 了 雙重標準，突出重點的工作。 在夾具設計中廣泛的運用了人工智能（ AI）以及專家系統。 部分 CAD 模型幾何信息也被用 于 夾具設計。 Bidanda 4描述了一個基于規則的專家系統，以確定回轉體零件的定位和夾緊。夾緊機制同時 用于 執行定位和夾緊功能。 其他研究者（如 DeVor 等 ， 5,6）分析了切削力鉆井機械和建筑模型 及 其他金屬切削加工。 康有 為等 在 2中定義 了 裝配約束建模的模塊化 與 夾具元件之間的空間關系。 一些 研究人員采用模塊化夾具設計原則 ，用 以生成 2,7-11， 另一些 夾具設計工作 者 已經報告了 1,3,9,12-23。 可以 在 21,24中找到 夾具設計相關的 大量 的審查工作。 在第二節中， 對 夾 具 設計任務 中 各種步驟進行了概述。 在 第 3節 和第四節中 描述 了工件的 加工過程， 要 夾緊工件 表面 ，否則將面臨工件 的全面自動測定 。 第 5節討論了對工件的夾緊點的 測定 。 2.夾具設計的整體方法 在本節中，描述 了 整體夾緊 的 設計方法。 通常 對較 理想的位置的 那 一部分 進行夾緊 ，并 減低 切削力的影響 。 夾緊 的位置 和夾具設計中定位的 位置 是高度相關的。 通常，夾緊和定位可以通過同樣的 方法 來完成。 但是，不明白這兩個是夾具設計中不同的方面，可能導致夾具設計的失敗。 多數人 的 在 規劃 過程中 首先解決定位問題 ， 這樣可以使 開發的定位與設計 的定位相契合。 不過 ，整體定位及設計方法 不在本文討論范文內。 除了 零件的設計（ 為此 夾具 設計有待開發 ），公差規格，過程序列，定位點和設計等因素外， 還應投入 CAD 模型到夾具設計方法 中 。 這樣的夾具可以夾緊并支撐定位器。 指導使用的主要內容應盡量不抵制切割或加工過程和中所涉及的操作。相 反，應定位夾具，使切削力在正確的方向，這將有助于保持在一個特定的部分加工操作安全。通過引導對定位器的切割力量，部分（或工件）被固定，固定定位點，因此不能移動的定位器。 在這里討論 的 夾 具 的設計方法必須 在 整體夾具設計方法的范圍內。在此之前進行定位器 /支 撐 和夾具設計 的 初步階段，涉及 到 的分析和識別的功能 、 相關的公差和其他規范是必要的。 根據 初步的評估和測定，定位 /支 撐 設計與夾具設計結果的 在此 基礎 上 可以 同時進行。 本文 對 所描述 夾具設計 的 方法 討論基于定位器 /支 撐 設計 與 先前已經確定的假設（包括適當的定位和支持測定一個工件的定 位，以及識別和夾具，如 V元素的支持面塊，基礎板，定位銷等）。 2.1 夾具設計的輸入 輸入包括對特定產品的設計翼邊模型，公差信息，提取的特征，過程順序和部分在給定的每一個設計的相關特性的加工方向，面向的位置和定位裝置，以及加工過程中的各種工序，須出示每個相應的功能。 2.2 夾具設計的方法 圖一是自動化夾具設計主要步驟總結圖。 對這些步驟概述如下： 第 1步 ： 設置配置清單以及相關的 進程 _功能 條目。 第 2 步 ： 確定方向和夾緊 力 。 輸入 必 要的加工方向向 量 mdv1， mdv2mdvn ，面對nvs的支持 力 ，并確定法向量。 如果加工方向向下（對應的方向向量 0， 0， -1），和面的支持向量平行于加工方向，那么 ， 夾緊 力 方向平行向下加工方向 0， 0， -1。 如果必需要側面夾緊并沒有可夾緊的地方，那么在其中放置一個夾具夾緊下調，然后邊鉗方向計算如下。 讓 sv和 tv輔助常規的向量代替次要的和三級定位孔。然后，使用夾緊機構夾緊一個方向，例如， av應平行于這兩個法向量，即，正常向量應分別與每塊表面的 sv和 tv向量平行。 側面夾緊面應該是一對 分別 平行 于 面 sv 和 tv的 平 面孔。 第 三步：從列表中選出最大有效加工力。這樣能夠有效的平衡各加工力。 第四步： 利用計算出的最高有效加工力，才能確定用來支撐工件加工的面積 的夾具尺寸 （例如，一個帶夾子可以作為一個夾緊機構使用）。 第五步： 確定給定工件的夾緊面。這一步在第 4步中 所述 過 。 第六步： 該夾具的夾緊面的實際位置自動在第 5節中確定。 考慮接下來的步驟并返回第一步。 圖 1 夾具設計方法圖 3.判斷夾具尺寸 在這項工作中所用到的夾具都來自一個系列。夾具的原理與圖二相同。在這一節里，描述了一個自動化夾具。 鎖模力所需的有關螺桿的螺紋裝置大小或保存到 位鉗。 夾緊力平衡加工工件 使工件 保持恰當的位置。 讓鎖模力為 W和螺桿直徑 為 D。 各種螺絲夾緊力大小，可以按以下方式確定 ： 最初，極限拉伸強度（抗拉強度） 和 該夾具 的 材料（供應情況而定）可以從數據檢索庫 檢索 。各種材料有不同的拉伸強度。該夾具材料的選擇，也可直接采用啟發式規則進行。例如，如果部分材料是低碳鋼，那么鉗材料可低碳鋼或機器鋼。為了確定設計應力，抗拉強度值 應 除以安全系數（如 4或 5）。 根區的螺絲格 A1（如一個螺絲鉗）可以被確定 ： 鎖模力 /設計應力 。隨后，螺栓截面全面積可以計算為等于 格 A1 /（ 65）， （因為 螺絲的地方可能會發生根切面積約為 65螺栓的總面積） 。螺釘的直徑 D 可以被確定等同 于 （ D2的 3.14 / 4）。另一項涉及可用于方程有關的寬度 B，高度 H和跨度的鉗L的螺絲直徑為 D（ B， H和 L可以為不同的值計算 D）： d2= 4/3 BH2/L. 圖 2 皮帶夾 4.判斷夾緊表面 確定夾具經常出現的相關參數包括了產品的 CAD模型，提取的特征信息，特征尺寸，定位面和定位器的選擇。 考慮所有潛在的加緊面，如圖 3。 最關鍵的是夾緊表面不應重疊或與該面相交，如圖 4 所示。夾緊面積 是 與工件表面（或 PCF）接觸的是一個二維輪 廓線段組成的（見圖 6）。 利用線段相交測試，可以測定在給定的光子晶體光纖的任何范圍內是否可能有接觸面夾緊面重疊。 夾緊面的確定可以如下 所示： 圖 3 潛在的夾緊力和功能介紹 圖 4 潛在的夾緊和夾鉗箱輪廓 第 1 步 ： 鑒別平行于二級和三級定位面（ lf1 和 lf2）是分別到 lf1 和 tcj 最遠的距離的面。 如下所示： (a)鑒別面 tci,tcj,使面 tci和 tcj平行 lf1和 tcj平行 lf2。 (b)在 TCF中列出面對 tci的面 。 (c)通過檢查所有 TCF 中面對 tci 的面，確定的面對 tci 和 tcj 的面是到 lf1 和 lf2分別最遠的面，并舍棄所有其他 TCF中的面。 第 2步 ： 鑒別平行面的位置，除了不相鄰的附加面。 最好是選擇一個不與其他定位面垂直相鄰的面。 這一步如下所示： (a) 考慮 TCF列表中的 tci面，獲得與每個 tci面垂直或相鄰的面然后，在 FCF列表中插入每個 fci面。 (b) 檢查每個 FCI 面，并執行以下測試：如果 FCI是相鄰、垂直于 lf1或 lf2，然后從列表中舍棄它并插入 NTCF列表中。 第 3步 :確定加緊面都在有效的加緊面上，如下所述夾緊面： 例 1:如果沒有條目在列表 NTCF 中 ， 就 使用 TCF 中 的面 并繼續執行步驟 4。如果任何面發現，垂直于第二，第三位置的面孔 lf1和 lf2，這將要面臨的是下次選擇可行的夾具。在這種情況下，唯一剩下的選擇是重新審視在列表 NTCF的面。 例 2： 如果列表中 NTCF條目數為 1時，可行夾緊面為 FCI。與 TCI 的法向量垂直相鄰的相應軸是夾緊軸。 例 3： 如果在列表 NTCF項數大于 1，確定最大的 TCI加緊面再進行步驟 4。 例 4： :夾緊 力 的方向可以是 1， 0， 0或 0， 1， 0，可以 夾緊 TCI 面 的中心位置 。 在其他幾何位置可確定使用零件幾何形狀和拓撲信息，這在下一節中描述。 圖 5 測定夾具外形尺寸 5.判斷夾緊表面上的夾緊點 確定夾緊面后，必須確定實際夾緊位置。輸入夾具側面積，沿著 x， Y， Z和潛在的夾緊面 CF方向。 容下使用 CF幾何獲得夾具側面積 ： 第一步是確定一個箱體的大小，這是用來測試它是否包含在它里面的任何 部分 。 相交測試也可以在前面介紹的方法使用。 如果相交測試返回一個負的結果，那么有部分箱體與夾具相交，如圖 4所示 。 如果相交測試返回一個 正 的結果，可以執行下列步驟： 1.劃分成更小的矩形大小條（ 1 W）夾框輪廓 (圖 5和圖 6)。 2.執行指定與功能配置文件出現在 CF面的零件 設計的相交測試 。 3.沒有功能相交的條形區域，都是可行夾緊區域。如果有一個以上的長方形候選面，矩 形配置文件，向中沿軸夾緊 CF面點的是夾緊配置文件（夾點）。 如果沒有 發現 配置文件，夾具寬度可減少一半，夾具數 可以 增加兩個。使用這些修改過的夾具尺寸，執行前面描述的特征相交測試。如果此測試也失敗了，那么可以用相鄰的面作為夾緊面用于執行端夾緊。 這 面 可以重復進行 PCF和功能相交測試。 圖 6 配置文件夾的功能和區域的相交測試 5.1 試驗曲線的交點 輸入需要的二維輪廓 P1、 P2，使用下列方法可以自動 確定該配置文件的交集。每一個輸入的資料組成一個封閉環。 此配置文件測試的步驟如下： (T1) 考慮 P1線段 中 的 L（ i， 1） 和 P2線段 中 的 L（ 2， j）。 (T2) 采用 L（ i， 1） 線段和 L（ 2， j） 線段的相交段。 如果邊緣相交測試返回一個正值，那么特征面和潛在面相交。如果它返回一個負值，繼續執行步驟 3。 （ T3）重復與步驟（ T1）相同的部分或者緩慢走過其余 P1 中的 (Li,1)段 直到 P2 中的(L2,j+1) till j=n-1段。 (T4) 其余部分邊和 P1中的 L12、 L13 L1n段重復（ T1）和（ T2）步驟。 如果特征面與夾緊面重復，線相交測試將決定該事件。相交的邊可以進行自動檢測兩個面是否相互交叉。 輸入所需的邊 L12連接 (x1, y1) 和 (x2, y2)和 L34連接 (x3, y3) 和 (x4, y4)。 L12型方程的可表示為： F(x,y) = 0 (1) L34型方程的可表示為： H(x,y) = 0 (2) 第一步：使用等式（ 1）計算 R3 F(x3, y3)，用 X和 Y取代 X3和 Y3;計 算 R4 F(x4, y4)，用 X和 Y取代 X4和 Y4。 第二步：如果 R3和 R4都與 0不相等，但 R3與 R4結果相同（ R1與 R2在相同的一邊），則邊 L12與 L34不相交。如果這樣不滿足條件，那么進行第三步。 第三步：使用等式（ 2）計算 R1 H(x1, y1)。接著，計算 R2 G(x2, y2)再進行第四步。 第四步：如果 R1與 R2都不等于 0，且 R1與 R2的結果相同，那么把 R1與 R2放在相同的一邊并輸入不相交。如果，這個也不滿足條件，那么進行第五步。 圖 7 示例夾具設計其中一部分方法 第五步：給定相交線段。 這樣就完成了測試。 考慮如圖 7 所示的一部分樣品。 將要生產 一個盲孔 。起初， 完成 定位設計。 定位器的（或主要定位器）是一個基盤（放在 F4面 ）和二級和三級定位器 面臨 F6和 F5（對應到定位面 lf1和 lf2在第 4節中討論）。 一個輔助定位器也被使用，這是一個 V型塊（對 F3和 F5 面 輔助定位），如圖 8 所示。 在前面討論的夾具設計方法中所述的步驟的基礎上，候選面 孔 （這是平行的，并在從 lf1和 lf2最遙遠的距離）是面對 F3和 F5面 。 沒有面孔，這是平行到定位面，但他們不相鄰。在這種情況下使用的優先權規則（如步驟 3 第 4 步 討論），剩余的候選 面 面對的是 F2 面 。 夾具 方向 向下 的 V型塊徑向定位器和其他與對工件夾緊底 面提供 所需位置。 圖 8 關于圖 7 夾具設計的一部分樣品 根據第五步選擇夾具的位置。如果沒有功能發生在面 F2 上，那么也沒有必要進行相交測試確定夾具優美加緊。 夾具位置應遠離 V型定位器（這是輔助定位位置）的夾緊面毗鄰輔助定位面（這確保了更好的快速夾緊）。最終位置和夾具的設計如圖 8所示。 本文討論的方法，毫不遜色 于 其他夾具設計文獻中討論的方法 。本文 所討論的方法的獨特性是零件的夾緊面的幾何形狀，拓撲和功能發生了被加工為基 礎的系統鑒定。 其他方法都沒有利用了定位器的位置，該方法使用定位器在對持有一級，二級和三級定位器加工的工件。這種方法的另一個好處是在可行的候選面上確定在面上用夾具面交點測試（如前所述），并迅速和有效地確定潛在的下游過程中可能出現問題，夾緊和加工的功能檢測。 6.總結 在這 篇論文 中， 對在 一個夾具設計方法的總體框架內 進行了 夾具設計方面 的 討論。 設計 定位器， 規范 零件設計，和其他 相關 被 用來 確定夾緊面和 夾緊 方向。 并討論了各種自動化步驟。 外文原文 A Clamping Design Approach for Automated Fixture Design J. Cecil Virtual Enterprise Engineering Lab (VEEL), Industrial Engineering Department, New Mexico State University, Las Cruces, U In this paper, an innovative clamping design approach is described in the context of computer-aided fixture design activi-ties. The clamping design approach involves identification of clamping surfaces and clamp points on a given workpiece. This approach can be applied in conjunction with a locator design approach to hold and support the workpiece during machining and to position the workpiece correctly with respect to the cutting tool. Detailed steps are given for automated clamp design. Geometric reasoning techniques are used to determine feasible clamp faces and positions. The required inputs include CAD model specifications, features identified on the finished workpiece, locator points and elements. Keywords: Clamping; Fixture de 1.Motivation and Objectives Fixture design is an important task, which is an integration link between design and manufacturing activities. The automation of fixture design activities and the development of computer-aided fixture design (CAFD) methodologies are key objectives to be addressed for the successful realisation of next generation manufacturing systems. In this paper, a clamp design approach is discussed, which facilitates automation in the context of an integrated fixture design methodology .Clamp design approaches have been the focus of several research efforts. The work of Chou 1 focused on the twin criteria of workpiece stability and total restraint requirement. The use of artificial intelligence (AI) approaches as well as expert system applications in fixture design has been widely reported 2,3. Part geometry information from a CAD model has also been used to drive the fixture design task. Bidanda 4 described a rule-based expert system to identify the locating and clamping faces for rotational parts. The clamping mech-anism is used to perform both the locating and clamping functions. Other researchers (e.g. DeVor et al. 5,6) have analysed the cutting forces and built mechanistic models for drilling, and other metal cutting processes. Kang et al. 2 defined assembly constraints to model spatial relationships between modular fixture elements. Several researchers have employed modular fixturing principles to generate fixture designs 2,711. Other fixture design efforts have been reported in 1,3,9,1223. An extensive review of fixture design related work can be found in 21,24 In Section 2, the various steps in the overall approach to automate the clamping design task are outlined. Section 3 describes the determination of the clamp size to hold a work-piece during machining and in Section 4, the automatic determi-nation of the clamping surface or face region on a workpiece is detailed. Section 5 discusses the determination of the clamp-ing points on a workpiece. 2. Overall Approach to Clamp Design In this section, the overall clamping design approach is described. Clamping is usually carried out to hold the part in a desired position and to resist the effects of cutting forces. Clamping and locating problems in fixture design are highly related. Often, the clamping and locating can be accomplished by the same mechanism. However, failure to understand that these two tasks are separate aspects of fixture design may lead to infeasible fixture designs. Human process planners generally resolve the locating problem first. The approach developed can work in conjunction with a locator design strategy. However, the overall locator and support design approach is beyond the scope of this paper. CAD models of the part design (for which the clamp design has to be developed), the tolerance specifications, process sequence, locator points and design, among other factors, are the inputs to the clamp design approach. The purpose of clamping is to hold the parts against locators and supports. The guiding theme used is to try not to resist the cutting or machining forces involved during a machining operation. Rather, the clamps should be positioned such that the cutting forces are in the direction that will assist in holding the part securely during a specific machining operation. By directing the cutting forces towards the locators, the part (or workpiece) is forced against solid, fixed locating points and so cannot move away from the locators. The clamp design approach discussed here must be viewed in the context of the overall fixture design approach. Prior to performing locator/support and clamp design, a prelimi-nary phase involving analysis and identification of features, associated tolerances and other specifications is necessary. Based on the outcome of this preliminary evaluation and determination, the locator/support design and clamp design can be carried out. The clamp design approach described in this paper is discussed based on the assumption that locator/support design attributes have been determined earlier (this includes determination of appropriate locator and support faces on a workpiece as well as identification of locator and support fixturing elements such as V-blocks, base plates, locating pins, etc). 2.1Inputs to Clamp Design The inputs include the winged-edge model of the given product design, the tolerance information, the extracted features, the process sequence and the machining directions for each of the associated features in the given part design, the location faces and locator devices, and the machining forces for the various processes required to produce each corresponding feature. 2.2Clamp Design Strategy The main steps in the automation of the clamping design task are summarised in Fig. 1. An overview of these steps is as follows: Step 1. Consider the set-up SUi in the set-up configuration list along with the associated process feature entries. Step 2. Identify the direction and type of clamping. The inputs required are the machining direction vectors mdv1,mdv2,. . .,mdvn and identified normal vectors of support face nvs. If the machining directions are downward (which correspond to the direction vector 0, 0, 1), and the normal vector of the support face is parallel to the machining direction, then the direction of clamping is parallel to the downward machining direction 0, 0, 1. If sideways clamping is required, and if there are no feasible regions at which to position a clamp for downward clamping, then a side-clamp direction is obtained as follows. Let sv and tv be the normal vectors of the secondary (sv) and tertiary (tv) locating faces. Then, the direction of clamping used by a side-clamping mechanism such as a v-block should be parallel to both these normal vectors, i.e. the normal vectors of the each of the v-surfaces in the v-block will be parallel to sv and tv, respectively. The side clamping face should be a pair of faces parallel to the faces sv and tv, respectively. Step 3. Determine the highest machining force from the mach-ining forces list (for each feature) MFi (i1, . . .,n). This will be the effective force FE that must be balanced while designing the clamp for this set-up SUi. Step 4. Using the value of the calculated highest machining force FE, the dimensions of the clamp to be used to hold the workpiece can be determined (for example, a strap clamp can be used as a clamping mechanism). The approach for this task is explained in Section 3. Step 5. Determine the clamping face on a given workpiece. This step can be automated as described in Section 4. Step 6. The actual position of the clamp on the clamping face is determined in an automated manner as explained in Section 5. Consider next set-up SU(i 1) and proceed to step 1. Fig. 1. The clamp design activities. 3. Determination of the Clamp Size In this work, the clamps used belong to the family of clamps referred to as strap clamps. A strap clamp is based on the same principle as that of the lever (see Fig. 2). In this section, the automated design of a strap clamp is described. The clamping force required is related to the size of the screw or a threaded device that holds the clamp in place. The clamping force should balance the machining force to hold the workpiece in position. Let the clamping force be W and the screw diameter be d. The dimensions of the various screw sizes for various clamping forces can be determined in the following manner. Initially, the ultimate tensile strength (UTS) of the material of the clamp (depending on availability) can be retrieved from a data library. Various materials have different tensile strengths. The selection of the clamp material can also be performed directly using heuristic rules. For example, if the part material is mild steel, then the clamp material can be low carbon steel or machine steel. To determine the design stress, the UTS value can be divided by a safety factor (such as 4 or 5). The root area A1 of the screw (for a clamp such as a screw clamp) can then be determined: Clamping force required/Design Stress DS. Subsequently, the full area FA of the bolt cross-section can be computed as equal to A1/(65%) (since the root area of the screw where shearing can occur is approximately 65% of the total area of the bolt). The diameter of the screw d can then be determined by equating FA to (3.14 d2/4). Another equation which can be used involves relating the width B, height H and span L of the clamp to the screw diameter d (B, H, and L can be computed for various values of d): d2 BH2/L. Fig. 2. The strap clamp 4.The Determination of the Clamping Face The required inputs to determine the clamping region include the CAD model of the product, the extracted features infor-mation, the feature dimensions and faces on which they occur, the locating faces and locators selected. Consider a potential clamping face PCF as shown in Fig. 3. The crucial criterion to be satisfied is that the clamping surface should not overlap or intersect with the features on that face, as shown in Fig. 4. The clamping surface area, which is in contact with the workpiece surface (or PCF) is a 2D profile consisting of line segments (see Fig. 6). By using line segment intersection tests, it can be determined whether the potential clamping area of contact overlaps any of the features on the given PCF. The determination of clamping faces can be automated as fol-lows: Fig. 3. Potential clamping face and feature profiles. Fig. 4. Potential clamping face and clamp box profile. Step 1. Identify faces that are parallel to the secondary and tertiary locator faces (lf1 and lf2) and at the farthest distance from lf1 and tcj, respectively. This is performed as shown below: (a) Identify faces tci, tcj such that tci is parallel to lf1 and tcj is parallel to lf2. (b) Insert candidate faces tci in list TCF. (c) By examining all faces tci listed in TCF, determine faces tci and tcj that are farthest from face lf1 and lf2, respect-ively, and discard all other faces from list TCF. Step 2. Identify the face that is parallel to the location faces but not adjacent to the additional locator faces. It is preferable to select a clamp face that does not have to share the adjacent perpendicular face with a locator. This step can be automated as shown below: (a) Consider each face tci in list TCF and obtain corresponding faces fci that are adjacent and perpendicular to each tci. Then, insert each face fci in list FCF. (b) Examine each fci and perform the following test:If fci is adjacent, perpendicular to lf1 or lf2,then discard it from list FCF and insert it in list NTCF. Step 3. Determine the clamping faces, based on the availability of potential clamping fa