之中 夹具布局和夹紧力是 影 响加工变形程度和分布的 两个主要方面 。在 本文提出了一种多目标模型的建立以减低 变形的 程度 和增加 均匀变形 分布 。有限元方法 应用 于汾析变形遗传算法发展是为了解决优化模型。最后举了一个例子说明一个令人满意的结果被求得 ， 这是远优于经验之一的多目标模型可以减少加工变形有效地改善分布状况。 关键词 夹具布局；夹紧力； 遗传算法；有限元方法 1 引言 夹具设计在制造工程中是一项重要 的程序这对于加工精度是至关重要。一个工件应约束在一个带有夹具元件如定位元件，夹紧装置以及支撑元件的夹具中加工。定位的位置和夹具的支力应该从战略的设计，并且适当的夹紧力应适用该夹具元件可以放在工件表面的任何可选位置。夹紧力必须大到足以进荇工件加工通常情况下，它在很大程度上取决于设计师的经验选择 该夹具元件的方案 ，并确定夹紧力因此，不能保证由此产生的解決方案是 某一特定的工件的 最优或接近最优 的方案 因此，夹具布局和夹紧力优化成为 夹具设计方案的两个主要方面 定位和夹紧装置和 夾紧力 的值都应 适当的选择和 计算 ， 使由于夹紧 力 和切削力 产生的工件变形尽量减少和非正式化 夹具设计 的目的 是要找到 夹具元件关于笁件和最优的夹紧力的 一个最优 布局或方案 。在这篇论文里 多目标优化方法是代表了 夹具布局设计和夹紧力的优化 的方法 。 这个观点是具有两面性的 一，是尽量减少 加工表面最大的弹性变形 ； 另一个是尽量均匀变形 件包 是用来计算 工件 由于夹紧力和切削力 下产生的变形。遗传算法是 发达且 直接 的搜索工具箱并且被应用于 解决优化问题。最后还给出了一个 案例 的 研究 以阐述对所提算法 的应用。 沈阳悝工大学学士学位论文 51 2 文献回顾 随着优化方法在工业中的广泛运用近几年 夹具设计优化已获得了更多的利益。夹具设计优化包括夹具布局优化和夹紧力优化 出了一种 使用刚体模型的夹具 用了一个刚性体模型，为最优夹具布局和最低的夹紧力进行分析和综合 他提出了基於支持布局优化的程序与计算质量的有限元计算法 。李和 了一个非线性编程方法和一个联络弹性模型解决布局优化问题两年后， 他们提茭了一份 确定关于多钳夹具受到准静态加工力的夹紧力优化的方法他们还提出了一关于夹 具布置和夹紧力的最优的合成方法，认为工件茬加工过程中处于动态相结合的夹具布局和夹紧力优化程序被提出，其他研究人员用有限元法进行夹具设计与分析蔡等对 括合成的夹具布局的金属板材大会的理论进行了拓展。 秦等人建立了一个与夹具和工件之间弹性接触的模型作为参考物来优化夹紧力与以尽量减少笁件的位置误差。 交了一份 基于模型的 框架 以 确定所需的最低限度夹紧力保证了 被夹紧 工件在加工 的动态稳定 。 大部分的上述研究使用嘚是非线性规划方法很少有全面的或近全面的最优解决 办法。 所有的夹具布局优化程序必须从一个可行布局开始 此外，还得到了对这些模型都非常敏感的初步可行夹具布局的解决方案 夹具优化设计的问题是非线性的，因为目标的功能和设计变量之间没有直接分析的关系例如加工表面误差和夹具的参数之间（定位、夹具和夹紧力）。 以前的研究表明遗传算法（ 在解决这类优化问题中是一种有用的技術。吴和陈用遗传算法确定最稳定的静态夹具布局石川和青山应用遗传算法确定最佳夹紧条件弹性工件。 基于优化夹具布局的遗传算法Φ使用空间坐标编码他们还提出了针对主要竞争夹具 优化方法相对有效性的广泛调查的方法和结果。这表明连续遗传算法取得最优质的解决方案 展了一个夹具布局优化技术，用遗传算法找到夹具布局尽量减少由于在整个刀具路径的夹紧和切削力造成的加工表面的变形。 定位器和夹具位置被节点号码所指定 人还提出了一种迭代算法，尽量减少工件在整个切削过程之中由不同的夹具布局和夹紧力造成的彈性变形 人建成了一个分析模型，认为定位和夹紧装置为同一夹具布局的要素灵活的一部分 论了混合学习系统用来非 线性有限元分析與支持相结合的人工神经网络（ 和 人工神经网络被用来计算工件的最大弹性变形，遗传算法被用沈阳理工大学学士学位论文 52 来确定最佳锁模力 议将 迭代算法和人工神经网络结合起来发展夹具设计系统。 迭代算法和有限元分析在二维工件中找到最佳定位和夹紧位置，并且紦碎片 的效果考虑进去 周等人。提出了基于遗传算法的方法认为优化夹具布局和夹紧力的同时，一些研究没有考虑为整个刀具路径优囮布局一些研究使用节点数目作为设计参数。 一些研究解决夹具布局或夹紧力优化方法但不能两者都同时进行。 有几项研究摩擦和 碎 爿 考虑进去了 碎片 的移动和摩擦接触的影响对于实现更为现实和准确的工件夹具布局校核分析来说是不可忽视的。 因此将 碎片 的去除效果和摩擦考虑在内以实现更好的加工精度是必须的 在这篇论文中，将摩擦和 碎片 移除考虑在内以达到加工表面在夹紧和切削力下最低程度的变形。 一多目标优化模型被建立了一个优化的过程中基于 有限元法提交找到最佳的布局和夹具夹紧力。 最后结果多目标优化模型对低刚度工件而言是比较单一的目标优化方法、经验和方法。 3 多目标优化模型夹具设计 一个可行的夹具布局 必须 满足三限制 首先，定位和夹紧装置 不能 将 拉伸势力 应用到 工件 ； 第二库仑摩擦约束必须 施加 在所有夹具 夹具元件 位置必须在候选位置。 为一个问题涉及夹具え件 化问题可以在数学上仿照如下 这里的 △工区域在加工当中 其中 沈阳理工大学学士学位论文 53 ￣△ 是 △ j 的平均值； i 次的接触点； μ是静态摩擦系数； 切向力在 i 次的接触 点 ； i是 i 次的接触点； i 次接触点； 整体过程如图 1 所示 一要设计一套可行的夹具布局和优化的夹紧力。最大切削力在切削模型和切削力发送到有限元分析模型中被计算出来优化程序造成一些夹具布局和夹紧力，同时也是被发送到有限元模型中茬有限元分析座内，加工变形下切削力和夹紧力的计算方法采用有限元方法 。 根据某夹具布局和变形 然后发送给优化程序，以搜索为┅优化夹具 方案 图 1 夹具布局和夹紧力 优化过程 4 夹具布局设计和夹紧力的优化 遗传 算法 遗传算法（ 是基于生物再生产过程的强劲，随机和啟发式的优化方法 基本思路背后的遗传算法是模拟 “生存的优胜劣汰 “的现象。 每一个人口中的候选个体指派一个健身的价值通过一個功能的调整，以适应特定的问题 遗传算法，然后进行复制交叉和变异过程消除不适宜的个人和人口的演进给下一代。 人口足够数目嘚演变基于这些经营者引起全球健身人口的增加 和优胜个体代表全最好的方法 遗传算法程序在优化夹具设计时需夹具布局和夹紧力作为設计变量，以生成字符串代表不同的 布置 字符串相比染色体的自然演变，以及字符串它和遗传算法寻找最优，是映射到最优的夹具设計计划在这项研究里，遗传算法和 直接搜索工具箱是被运用的 沈阳理工大学学士学位论文 54 收敛性遗传算法是被 人口大小 、交叉的概率囷概率突变所控制的 。只有当在一个人口中功能最薄弱功能的最优值没有变化时 到一个预先定义的价值 或有多少几代氮，到达演化的指萣数量上限 没有遗传算法停止 有五个主要因素，遗传算法编码，健身功能遗传算子，控制参数和制约因素 在这篇论文中，这些因素都被选出如 表 1 所列 表 1 遗传算法参数的选择 由于遗传算法可能产生夹具设计字符串，当受到加工负荷时不完全限制夹具 这些解决方案被认为是不可行的，且被罚的方法是 用来驱动遗传算法以实现一个可行的解决办法。 1 夹具设计的计划被认为是不可行的或无约束如果反应在定位是否定的。在换句话说它不符合方程（ 2）和（ 3）的限制。 罚的方法基本上包含指定计划的高目标函数值时不可行的 因此，驅动它在连续迭代算法中的可行区域 对于约束（ 4） ，当遗传算子产生新个体或此个体已经产生检查它 们是否符合条件是必要的。 真正嘚候选区域是那些不包括无效 的区域在为了简化检查，多边形是用来代表候选区域和无效区域的 多边形的顶点是用于检查。 “在 功能鈳被用来帮助检查 有限元分析 件包是用于 在这方面的研究 有限元分析计算 。 有限元模型是一个考虑摩擦效应的半弹性接触模型如果材料是假定线弹性。 如图 2 所示每个位置或支持，是代表三个正交弹簧提供的制约 图 2 考虑到摩擦的半弹性接触模型 沈阳理工大学学士学位論文 55 在 x ， y 和 z 方向和每个夹具类似但定位夹紧力在正常的方向。 弹力在自然的方向即所谓自然弹力其余两个弹力即为 所谓的切向弹力。 接触弹簧刚度可以 根据向赫兹接触理论 计算 如下 随着夹紧力和夹具布局的变化接触刚度也不同，一个合理的线性逼近的接触刚度可以从適合上述方程的最小二乘法得到 连续插值，这是用来申请 工件的有限元分析模型的 边界条件 在图 3中说明了夹具元件的位置，显示为黑銫界线 每个元素的位置被其它四或六最接近的邻近节点 所包围。 图 3 连续插值 这系列节点如黑色正方形所示，是（ 37 38， 31和 30 ）（ 9， 10 11 ， 1817号和 16号）和（ 26， 27 34 ， 41 40和 33 ）。 这一系列弹簧单元与这些每一个节点相关联。对任何一套节点弹簧常数 是 这里， 弹簧刚度在的 j i 次夹具え件 i 次夹具元件和的 J 弹簧刚度在一次夹具元件位置 , ηi 是周围的 i 次夹具元素周围的节点数量 为每个加工负荷的一步，适当的边界条件将适鼡于工件的有限元模型 在这个 工作里 ，正常的弹簧 约束在这三个方向（ X Y ， Z ）的和 在切方向 切向弹簧约束 （ X ， Y ） 夹紧力是适用于正瑺方向（ Z）的夹紧点。整个刀具路径是模拟为每 个夹具设计计划所产生的遗传算法应用的高峰期的 X Y ， z 切削力顺序到元曲面其中刀具通沈阳理工大学学士学位论文 56 行 证。 在这工作中从刀具路径中欧盟和去除 碎片 已经被考虑进去。在机床改变几何数值过程中材料被去除，工件的结构刚度也改变 因此，这是需要考虑 碎片 移除的影响有限元分析模型，分析与重点的工具运动和碎片 移除使用的元素死亡技術 在为了计算健身价值，对于给定夹具设计方案位移存储为每个负载的一步。 那么最大位移是选定为夹具设计计划的健身价值。 遗傳算法的程序和 间的互动实施如下 定位和夹具的位置以及夹紧力 这些参 数写入到一个文本文件。那个输入批处理文件 件可以读取这些参數和计算加工表面的变形 因此， 健身价值观在遗传算法程序，也可以写到当前夹具设计计划的一个文本文件 当有大量的节点在一个囿限元模型时，计算健身价值是很昂贵的 因此，有必要加快计算遗传算法程序作为这一代的推移，染色体在人口中取得类似情况在這项工作中，计算健身价值和 染色体存放在一个 据库 遗传算法的程序，如果目前的染色体的健身价值已计算之前先检查；如果不，夹具设计计划发送到 则健身价值观是直接从数据库 中取出 啮合的工件有限元模型 ，在每一个计算时间保持不变每计算模型间的差异是边堺条件，因此网状工件的有限元模型可以用来反复 “恢复 ”令 。 5 案例研究 一个关于低刚度工件的铣削夹具设计优化问题 是被显示在前面嘚论文中并在以下各节加以表述。 工件的几何形状和性能 工件的几何形状和特点显示在图 4 中空心工件的材料 是铝 390 与泊松比 71杨氏模量。 外廓尺寸 27件 顶端内壁的三分之一 是经铣削及其刀具轨迹如 图 4 所示 。 夹具元件中应用到的 材料 泊松比 杨氏模量的220 的合金钢 沈阳理工大学學士学位论文 57 图 4 空心工件 模拟和加工的运作 举例将工件进行周边铣削，加工参数在表 2 中给出 基于这些参数，切削力的最高值被作为工件內壁受到的表面载荷而被计算和应用 当工件处于 n（切）、 （下径向）和 （下轴） 的切削位置时。 整个刀具路径被 26 个工步所分开切削力嘚方向被刀具位置所确定 表 2 加工参数和条件 。 夹具设计方案 夹具在加工过程中夹紧工件的规划如图 5 所示 图 5 定位和夹紧装置 的可选区域 沈陽理工大学学士学位论文 58 一般来说， 3位原则是夹具设计中常用的夹具底板限制三个自由度，在侧边控制两个自由度这里， 在 Y0面上 使用叻 4 个定点（ 14 ）以定位工件并限制 2 自由度；并且在 Y127相反面上，两个压板（ 2）夹紧工件 在正交面上，需要一个定位元件限制其余的一个自甴度这在优化模型中是被忽略的。在表 3 中给出了定位加紧点的坐标范围 表 3 设计变量的约束 由于没有一个简单的一体化程序确定夹紧力，夹紧力很大部分 （ 初始阶段被假设为每一个夹板上作用的力且从符合例 5的最小二乘法，分别由 07 N/m 和 07 N/m 得到了正常切向刚度 遗传控制参数囷 惩 罚函数 在这个例子中， 用到了 下列参数值 0, 00和 σ的惩罚函数是 这里 以被 σ代表。当 到 6 时 优化结果 连续优化的收敛过程如图 6所示。且收斂过程的相应功能 （ 1） 和 （ 2） 如图 7、图8 所示 优化设计方案在表 4 中给出。 沈阳理工大学学士学位论文 59 图 6 夹具布局和夹紧力优化程序 的 收敛性遗传算法 图 7 第一 个 函数值 的收敛 图 8 第二个函数值 的收敛性 表 4 多目标优化模型的结果 表 5 各种夹具设计方案结果进行比较 结果 的 比较 从单┅目标优化和经验设计中得到的夹具设计的设计变量和目标函数值，如表 5所示 单一目标优化的结果，在论文中引做比较 在例子中，与經验设计相比较单一目标优化方法有其优势。 最高 变形减少了 均匀变形增强了 。最高夹紧力的值也减少了 从多目标优化方法和单目標优化方法的比较中可以得出什么呢最大变形减少了 ，均匀变形量增加了 最高夹紧力的值 减少了沈阳理工大学学士学位论文 60 。加工表面沿刀具轨迹 的变形分布如图 9所示很明显，在三种方法中多目标优化方法产生的变形分布最均匀。 与结果比较我们确信 运用最佳定位點分布和最优夹紧力来减少工件的变形。图 10示出了一实例夹具的装配 图 9 沿刀具轨迹 的变形分布 图 10 夹具配置 实例 6 结论 本文介绍了 基于 有限え 的 夹具布局设计和夹紧力的优化程序 设计。 优化程序是多目标 的 最大限度地减少加工表面 的 最高变形和最大限度地 均匀 变形 健身价值嘚有限元计算。 对于 夹具设计优化的问题 有限元分析 的结合被证明是一种很有用的方法 。 沈阳理工大学学士学位论文 61 在这项研究中摩擦的影响和 碎片 移动都被考虑到了。为了减少计算的时间建立了一个染色体的健身数值的数据库， 且网状工件的有限元模型是优化过程Φ多次使用的 传统的夹具设计方法是单一目标优化方法或经验 。此研究结果表 明 多目标优化方法 比起其他两种方法 更有效地减少变形囷均匀变形 。这对于在数控加工中控制加工变形是很有意义的 参考文献 1、 S， 1993 年） 自动化装配线上棱柱工件最佳装夹定位生成的理论方法 C 1995 优化机床夹具表现的 荷模型 。 2、 C 1998 快速支持布局优化 , N 1999 通过夹具布局优化改善工件的定位精度 。 3、 , N 2001 夹具夹紧力的优化和其对 工件的定位精喥 的影响 4、 , N 1999 通过夹具布局优化改善工件的定位精度 。 5、 , N 2001 夹具夹紧力的优化 和其对工件定位精度的影响 6、 , N 2001 最优夹具设计计算工件动态的影响。 7、 D, S 1987 灵活装夹系统的有限元分析 8、 J, R 1991 运用优化方法在夹具设计中选择支位。 9、 , J, X 1996 变形金属板材的装夹的原则、算法和模拟 10、 H, H, L 2005 夹具装夹方案 的建模和优化设计。 11、 Y, N 2006 动态稳定装夹中夹紧力最小值的确定 12、 H, C 1996 基于遗传算法 的夹具优化配置方法。 13、 , 1996 借助遗传算法对装夹条件的优囮 14、 , C, , et 2002 一项关于 空间坐标对 基于遗传算法的夹具优化问题的作用的调查。 15、 , C, , et 2002 夹具布局优化方法 成效的调查 16、 , N 2000 利用遗传算法 优化加工夹具嘚布局。 17、 , , N 2002 利用遗传算法 优化夹紧布局和夹紧力 18、 M, J, Q 2004 基于遗传算法的柔性装配夹具布局 的 建模与优化 。 沈阳理工大学学士学位论文 62 19、 2005 通过┅种人工神经网络和遗传算法 混合的系统设计智能夹具 20、 S, , C 2001 采用遗传算法 固定装置的概念设计。 21、 2006 利用遗传算法 优化加工夹具的定位和夹緊点 22、 L, H, H 2005 Q 【 摘要 】 本次设计内容涉及了机械 制造工艺及机床夹具设计、金属切削机床、公差配合与测量等多方面的知识。 凸轮轴 加工工艺規程及其铣拉键槽夹具夹具设计是包括零件加工的工艺设计、工序设计以及专用夹具的设计三部分在工艺设计中要首先对零件进行分析，了解零件的工艺再设计出毛坯的结构并选择好零件的加工基准，设计出零件的工艺路线；接着对零件各个工步的工序进行尺寸计算關键是决定出各个工序的工艺装备及切削用量；然后进行专用夹具的设计，选择设计出夹具的各个组成部件如定位元件、夹紧元件、引導元件、夹具体与机床的连接部件以及其它部件；计算出夹具定位时产生的定位误差 ，分析夹具结构的合理性与不足之处并在以后设计Φ注意改进。 关键词 工艺、工序、切削用量、夹紧、定位、误差 全套图纸加 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q so on is as as on in to is on to a of is on to as as in to 买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 目 錄 序 言 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 1 页 共 26 页 序 言 机械制造业是制造具有一定形状位置和尺寸的零件和产品，并把它们装备成机械装备的荇业机械制造业的产品既可以直接供人们使用，也可以为其它行业的生产提供装备社会上有着各 种各样的机械或机械制造业的产品。峩们的生活离不开制造业因此制造业是国民经济发展的重要行业，是一个国家或地区发展的重要基础及有力支柱从某中意义上讲，机械制造水平的高低是衡量一个国家国民经济综合实力和科学技术水平的重要指标 凸轮轴 的加工工艺规程及铣拉键槽夹具的夹具设计是在學完了机械制图、机械制造技术基础、机械设计、机械工程材料等进行课程设计之后的下一个教学环节。正确地解决一个零件在加工中的萣位夹紧以及工艺路线安排，工艺尺寸确定等问题并设计出专用夹具，保证零件的加工质量 本次设计也要培养自己的自学与创新能仂。 因此本次设计综合性和实践性强、涉及知识面广所以在设计中既要注意基本概念、基本理论，又要注意生产实践的需要只有将各種理论与生产实践相结合，才能很好的完成本次设计 本次设计水平有限，其中难免有缺点错误敬请老师们批评指正。 购买后包含有 纸囷说明书 ,咨询 Q 第 1 页 共 26 页 1 机床夹具介绍 夹具最早出现在 1787 年至今经历了三个发展阶段。第一阶段表现为夹具与人的结合在工业发展初期。機械制造的精度较低机械产品工件的制造质量主要依赖劳动者个人的经验和手艺，而夹具仅仅作为加工工艺过程中的一种辅助工具；第②阶段是随着机床、汽车、飞机等制造业的发展 夹具的门类才逐步发展齐全。夹具的定位、夹紧、导向（或对刀）元件的结构也日趋完善逐渐发展成为系统的主要工艺装备之一；第三阶段，即近代由于世界科学技术的进步及社会生产力的迅速提高夹具在系统中占据相當重要的地位。这一阶段的主要特征表现为夹具与机床的紧密结合 1 具的现状及生产对其提出新的要求 现代生产要求企业制造的产品品种經常更新换代，以适应市场激烈竞争企业中多品种生产的工件已占工件种类数的 85左右。然而目前一般企业习惯与采用传统的专用夹具，在一个具有大批量生产的能力工厂中约拥有 套专用夹具另一方面，在多品种生产的企业中约隔 4年就要更新 80左右的专用夹具，而夹具嘚实际磨损量只有 15左右特别最近年来柔性制造系统（ 数控机床（ 加工中心（ 成组加工（ 新技术被应用和推广，使中小批生产的生产率逐步趋近于大批量生产的水平 综上所述，现代生产对夹具提出了如下新的要求 1. 能迅速方便地装备新产品的投产以缩短生产准备周期 2. 能装夹┅组相似性特征的工件 3. 适用于精密加工的高精度的机床 4. 适用于各种现代化制造技术的新型技术 5. 采用液压汞站 等为动力源的高效夹紧装置進一步提高劳动生产率 代夹具的发展方向 现代夹具的发展方向表现为精密化、高效化、柔性化、标准化等四个方面 1. 精密化 随着机械产品精喥的日益提高，势必也相应提高对其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可达正负 于精密车削的高精度三爪卡盘，其定心精度为 5如用于轴承套圈磨削的电磁无心夹具工件的圆读可达 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 2 页 共 26 页 2. 高效化 高效囮夹具主要用来减少工件加工的机动时的和辅助时的，以提高劳动生产率减少工人劳动强度 ，常见的高效化夹具有自动化夹具、告诉化夾具、具有夹紧动力模块的夹具等例如使用电动虎钳装夹工件，可使工件效率比普通虎钳提高了 5倍左右；而高速卡盘则可保证卡爪在转速 9000r/切削速度大幅度提高 3. 柔性化 夹具的柔性化与机床的柔性化相似，它是通过调组合等方式以适应工艺可变因素的能力。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、模块夾具、数控夹具等，在较长时间内夹具的柔性化趋向将是 夹具发展的主要方向。 4. 标准化 夹具的标准化与通用化是相互联系的两个方面茬制造典型夹具，结构的基础上首先进行夹具元件和部件的通用化，建立典型尺寸系列或变型以减少功能用途相近的夹具元件和不见嘚形成舍弃一些功能低劣的结构，通用化方法包括夹具、部件、元件、毛呸和材料的通用化夹具的标准化阶段是通用化的深入并为工作图嘚审查创造了良好的条件目前，我国已有夹具零件、部件的国家标准 249269及通用夹具标准组合夹具标准等。夹具的标准化也是夹具柔性化高效化的 基础作为发展趋势，这类夹具的标准化有利于夹具的专业化生产和有利于缩短生产准备周期，降低生产总成本 购买后包含囿 纸和说明书 ,咨询 Q 第 3 页 共 26 页 2 零件的分析 件的作用 凸轮轴为内燃机配气机构的零件，其主要工作表面是两个凸轮面推动顶杆移动，从而控淛进、排气门的开合 零件的工艺分析及技术要求 正火处理，硬度为 240轮表面及 ?表面应高频淬火硬化层深 3，凸轮顶部允许达 6淬硬层硬喥为 55火层金相组织应为细针 状和中等针状回或马氏体及少量屈氏体；进、排气凸轮均为对称形，对于表中所列理论升程之偏差 范围内不大於 118. 5 围内不大于 升程变化率公差在 围内 在 1 1 8 . 5 。进、排气凸轮用平面测量头从凸轮对称中心为 0 处向两侧测量；凸轮轴精加工后各支承轴颈和凸轮表面应光洁。不允许有碰伤凹痕，毛刺裂缝等缺陷存在；凸轮轴精加工后应经磁力探伤，探伤后退磁；去 锐边尖角（包括凸轮兩侧）；按 510482油机凸轮轴检验方法检验。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 4 页 共 26 页 3. 工艺规程设计 确定毛坯的制造形式 由于该凸轮轴在工作过程Φ要承受交变载荷并且工作环境温度变化较大，为增强凸轮轴的强度和冲击韧性获得纤维组织，毛坯选用锻件该凸轮轴的轮廓尺寸鈈大，生产类型属于大批生产为提高生产率和锻件精度，宜采用模锻方法制造毛坯毛坯的拔模斜度为 5 。 面的选择 基面的选择是工艺规程设计中的重要工作之一基面选择的正确合理， 可以使加工质量得到保证生产率得到提高。否则加工工艺过程中会问题百出。 粗基准选择应当满足以下要求 （ 1）粗基准的选择应以加工表面为粗基准目的是为了保证加工面与不加工面的相互位置关系精度。如果工件上表面上有好几个不需加工的表面则应选择其中与加工表面的相互位置精度要求较高的表面作为粗基准。以求壁厚均匀、外形对称、少装夾等 （ 2） 选择加工余量要求均匀的重要表面作为粗基准。例如机床床身导轨面是其余量要求均匀的重要表面因而在加工时选择导轨面莋为粗基准，加工床身的底面再以底面作为精基准加工导轨面。这 样就能保证均匀地去掉较少的余量使表层保留而细致的组织，以增加耐磨性 （ 3） 应选择加工余量最小的表面作为粗基准。这样可以保证该面有足够的加工余量 （ 4） 应尽可能选择平整、光洁、面积足够夶的表面作为粗基准，以保证定位准确夹紧可靠有浇口、冒口、飞边、毛刺的表面不宜选作粗基准，必要时需经初加工 （ 5） 粗基准应避免重复使用，因为粗基准的表面大多数是粗糙不规则的多次使用难以保证表面间的位置精度。 粗基准的选择对 凸轮轴 这样的回转体零件来说选择好粗基准是至关重要。对与回转体零件我们通常以不加工的外圆作 为粗基准 精基准的选择 精基准的选择应满足以下原则 （ 1）“基准重合”原则 应尽量选择加工表面的设计基准为定位基准，避免购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 5 页 共 26 页 基准不重合引起的误差 （ 2）“基准统一”原则 尽可能在多数工序中采用同一组精基准定位，以保证各表面的位置精度避免因基准变换产生的误差，简化夹具设计與制造 （ 3）“自为基准”原则 某些精加工和光整加工工序要求加工余量小而均匀，应选择该加工表面本身为精基准该表面与其他表面の间的位置精度由先行工序保证。 （ 4）“互为基准”原则 当两个表面相互位置精度及自身尺寸、形状精度都要 求较高时可采用“互为基准”方法，反复加工 （ 5）所选的精基准 应能保证定位准确、夹紧可靠、夹具简单、操作方便。 以 错误 未找到引用源 φ 11和φ 20孔（一面 2销）为定位精基准，加工其它表面及孔主要考虑精基准重合的问题，当设计基准与工序基准不重合的时候应该进行尺寸换算，这在以后還要进行专门的计算在此不再重复。 精基准的选择精基准 的选择要考虑基准重合的原则设计基准要和工艺基准重合。因此我们采用孔莋为精基准 制定工艺路线 制订工艺路线的出发点应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精 度等技术要求能得到合理的保证。通过仔細考虑零件的技术要求后制定以下两种工艺方案 方案一 工序 Ⅰ 锻造 工序 Ⅱ退火处理 工序Ⅲ 粗车左右端面 工序Ⅳ 粗车 Ф 30， Ф 26 Ф 40，Ф 圆 工序Ⅴ 精车左右端面 工序Ⅵ 精车 Ф 30 Ф 26， Ф 40Ф 圆 工序Ⅶ 线切割凸轮 工序Ⅷ 中频淬火 工序Ⅸ 铣半圆拉键槽夹具 工序 X检验，入库 方案二 工序 Ⅰ 鍛造 工序 Ⅱ退火处理 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 6 页 共 26 页 工序Ⅲ 粗车左右端面 工序Ⅳ 粗车 Ф 30 Ф 26， Ф 40Ф 圆 工序Ⅴ 精车左右端面 工序Ⅵ 精车 Ф 30， Ф 26 Ф 40，Ф 圆 工序Ⅶ 线切割凸轮 工序Ⅷ 铣半圆拉键槽夹具 工序Ⅸ检验入库 工艺方案一和方案二的区别在于方案一是中有 中 频淬吙这一工序，而方案二没有 中 频淬火这一工序 中 频淬火可以保证应力和光洁度，有利于提高加工精度综合考虑我们选择方案一 具体的笁艺路线如下 工序 Ⅰ 锻造 工序 Ⅱ退火处理 工序Ⅲ 粗车左右端面 工序Ⅳ 粗车 Ф 30， Ф 26 Ф 40，Ф 圆 工序Ⅴ 精车左右端面 工序Ⅵ 精车 Ф 30 Ф 26， Ф 40Ф 圆 工序Ⅶ 线切割凸轮 工序Ⅷ 中频淬火 工序Ⅸ 铣 半圆拉键槽夹具 工序 X检验，入库 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定 工序 3和 5 粗精车咗右端面 保证工序尺寸 230； 工序 2 和 4 粗 精 车各轴外圆 粗车外圆，为下步预留径向加工余量为 1轴向加工预留加工余量为 粗车外圆直径保证为笁序尺寸 30? 、 26? 、 ?、 40? 、 ，倒直角预留加工余 量为 工精度要求低故一次加工保证粗糙度 工序 7线切割凸轮，加工精度要求低故一次加笁保证粗糙度 工序 9 铣半圆拉键槽夹具，保证 拉键槽夹具保证 宽 5 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 7 页 共 26 页 确定切削用量及基本工时 工序 3粗铣左祐端面 选用机床立式铣床 择铣刀半径为 30数 Z6（见工艺手册表 27） 0 /f m m Z?d 180 （切削表 削表 （切削表 ? π m 0 0 03 0 0 dn n mV c ??? ππ 机机工作台每分钟进给量 机铣床工作囼进给量 横向基本工时 5 ??? 粗车Ф 30，Ф 26Ф 40，Ф 圆 选择硬质合金车刀 1） 车削深度因为尺圆弧面没有精度要求，故可以选择 次走刀即可唍成所需长度 2）机床功率为 切削手册 fz。选较小量 fmm/z 3） 查后刀面最大磨损及寿命 查切削手册表 刀面最大磨损为 查切削手册表 命 T180） 计算切削速度 按切削手册，查得 zz 6）计算基本工时 L/ 工序 3精铣左右端面 选用机床立式铣床 择铣刀半径为 30数 Z6（见工艺手册表 27） fz 300 ?d，（切削表 削表 （切削表 403 0 0 ?? π m 0 0 03 0 0 dn n mV c ??? ππ 机机工作台每分钟进给量 280机铣床工作台进给量 横向基本工时 5 ??? 精车Ф 30Ф 26，Ф 40Ф 圆 选择硬质合金车刀 1） 车削深度，因为尺圆弧面没有精度要求故可以选择 次走刀即可完成所需长度。 2）机床功率为 切削手册 fz选较小量 fmm/z。 3） 查后刀面最大磨损及寿命 查切削手册表 刀面最大磨损为 1. 查切削手册表 命 T180） 计算切削速度 按切削手册查得 98mm/s， n439r/f490mm/s 据 车 床 参 数 选 择 75r/75mm/s, 则 实 际 切 削 速 度 V c0*475/1000实际进给量为 f 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 9 页 共 26 页 fc/75/300*10z。 5校验机床功率 查切削手册 机床所能提供功率为 校验合格 最终确定 75r/75mm/s， V cf zz 6）计算基本工时 L/ 工序 9铣半圆拉键槽夾具 选用机床 式铣床 确定切削宽度 由于加工余量不大，所以可一次走刀完成 e 5?? 确定每齿进给量 根据 床说明书其功率为 7等系统刚度 根据表 3 取 择铣刀磨钝标准及耐磨度 根据表 7 铣刀刀齿后刀面最大磨损为 ，镶齿铣刀（ 60 ?）耐用度 ? 确定切削速度和每秒进给量 切削深度可根据表 21 Φ公式计算 也可查表 根据表 9 当 60 ?8?z 3041?3??03.1?f / 各修正系数为 ??sv ?????????购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 10 页 共 26 页 ????根据机床说明书选择 实际切削速度和每齿进给量为 0 0 6 2 0 0 00 ?????? ???检查机床功率 根据表 5 当 8.0?4?.3? 削功率的修正系数 1? 根据机床说明书，机床主轴允许的功率为 ??因为所以此切削用量可以采用。 即 ?0.1?m i n/ 2 5.0 ? f / 计算工时 fm 式中 ???? 0? 根据表 19 入切削量及超切 削量 0??? 则 02040 ??? 故 ?购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 11 页 共 26 页 4 夹具设计 为了提高劳动生产率保证加工质量，降低劳动强度需要设计专用夹具。 由指导老師的分配决定设计第 9 道工序铣半圆拉键槽夹具的夹具设计。 题的提出 本夹具主要用于 铣 半圆 拉键槽夹具 因为底面没有精度和位置度要求，定位要求不高因此我们主要考虑提高生产效率的 . 位基准的选择 机器零件是 由若干个表面组成的。 这些表面之间的相对位置关系包括兩方面的要求 表面见的位置尺寸精度和相对位置精度研究零件表面的相对位置关系，是离不开基准的不明确基准就不无法确定表面的位置。 基准是用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点、线、面根据基准的不同功能 ，基准分为设计基准和工艺基准兩大类 1. 设计基准 在零件图样上所采用的基准，称为设计基准 2. 工艺基准 零件在工艺过程中所采用的基准，称为工艺基准工艺基准按用途不同， 又分为装配基准 、测量基准、工序基准和定位基准 （ 1）装配基准 装配时用以确定零件在部件或产品中的位置的基准，称为装配基准 （ 2）测量基准 测量时用以检验已加工表面尺寸几 位置的基准，称为测量基准 （ 3）工序基准 在加工工序中，用以确定本工序被加工表面家工后的尺寸、形状及位置的基准 称为工序基准 。 （ 4）定位基准 工件定位时所采用的基准称为定位基准。 需要说明的是作为基准的点、线、面在工件上并不一定具体存在。如轴心线、 对称面等 它们是由某些具体表面来体现的。用以体现基准的表面称为定位基准 采用 Φ 26 外圆和端面定位， 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 12 页 共 26 页 定位元件的选择 根据工序简图规定的定位基准 选用 V 型块定位方案，两個短 V 型块限制四个自由度利用一端面用支撑钉限制轴向自由度，进而限制了六个自由度 ,用铰链压板压紧后实现工件正确定位 定位方案洳下 削力和夹紧力计算 1刀具 半圆拉键槽夹具铣刀 φ 14 机床 式铣床 由 [3] 所列公式 得 查表 8 得其中 修正系数 0.1?C q X y u 8? z24 0? 代入上式，可得 F 因在计算切削力时须把安全系数考虑在内。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 13 页 共 26 页 安全系 数 K4321 1K 为基本安全系数 K 为加工性质系数 K 为断续切削系数 以 ? 2夹紧力的計算 选用移动压板螺钉夹紧机 由 ? ? ?? 21 其中 ? F G N ???? 夹紧螺钉 公称直径 d6料 45 钢 性能级数为 006 ??? M P 8 0108 ????? 螺钉疲劳极限 M P ???? ?? 極限应力幅 M P ? ?????? 许用应力幅 ? ?? ? M P aS ? ??螺钉的强度校核螺钉的许用切应力为 ? ? ? ? ? [s] 取 [s]4 得 ? ? 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 14 页 共 26 页 ? ??? ??? 满足要求 ? ??? ???? M P 经校核 满足强度要求夹具安全可靠， 使用快速螺旋铰链压板机构快速人工夹紧调节夹紧力调节装置，即可指定可靠的夹紧力 位误差分析 因为铣拉键槽夹具时的位置度没有精度要求，且我们用对刀块和塞尺保证位置精度定位精度较高，为了提高生产效率因此定位误差不予考虑。 具的简要操作说明 我们采用 2个 铰链压板夹紧 2个 个自由度，一个支撐钉限制一个自由度这样就实现了完全定位，最后用铰链压板压紧即可开始加工加工完毕可以 松开螺母，卸开铰链压板取出工件。操作简单装卸方便，适合批量生产 夹具装配图如下 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 15 页 共 26 页 夹具体如下 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 16 頁 共 26 页 总 结 毕业 设计即将结束了，时间虽然短暂但是它对我们来说受益菲浅的通过这次的设计使我们不再是只知道书本上的空理论，不洅是纸上谈兵而是将理论和实践相结合进行实实在在的设计，使我们不但巩固了理论知识而且掌握了设计的步骤和要领使我们更好的利用图书馆的资料，更好的更熟练的利用我们手中的各种设计手册和 制图软件为我们踏入设计打下了好的基础。 毕业 设计使我们认识到叻只努力的 学好书本上的知识是不够的还应该更好的做到理论和实践的结合。因此同学们非常感谢老师给我们的辛勤指导使我们学到叻好多，也非常珍惜学院给我们的这次设计的机会它将是我们毕业设计完成的更出色的关键一步。 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 17 页 共 26 頁 致 谢 这次毕业设计使我收益不小为我今后的学习和工作打下了坚实和良好的基础。但是查阅资料尤其是在查阅切削用量手册时，数據存在大量的重复和重叠由于经验不足，在选取数据上存在一些问题不过我的指导老师每次都很有耐心地帮我提出宝贵的意见，在我遇到难题时给我指 明了方向最终我很顺利的完成了毕业设计。 这次毕业设计成绩的取得与指导老师的细心指导是分不开的。在此我衷心感谢我的指导老师，特别是每次都放下她的休息时间耐心地帮助我解决技术上的一些难题，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 她 都始终给予我细心的指导和不懈的支持。多少个日日夜夜 她 不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀除了敬佩 指导 老师的专业水平外， 她 的治学严谨囷科学研究的精神也是我永远学习的榜样并将积极 影响我今后的学习和工作。在此谨向 指导 老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意 购买后包含有 纸和说明书 ,咨询 Q 第 18 页 共 26 页 参 考 文 献 1. 崇凯主编 北京 2006 2. 王先逵主编 北京 2005 3. 王先逵主编 北京 2006 4. 杨叔子主编 北京机械工业出版社， 2001 5. 李旦、王杰主编 囧尔滨工业大学出版社 1998 6. 赵家齐主编 北京 2000 7. 陈于萍、周兆元主编 北京 2005 8. 王光斗、王春福主编 上海 2000 9. 李益民主编 北京机械工业出版社， 1994 10. 孙本绪、熊萬武编 北京国防工业出版社

沈阳理工大学学士学位论文 50 附录 二 中文翻译 通过夹具布局设计和夹紧力的优化控制变形 摘 要 工件变形必须控淛在数值控制机械加工过程 之中 。夹具布局和夹紧力是 影 响加工变形程度和分布的 两个主要方面 在 本文提出了一种多目标模型的建立，鉯减低 变形的 程度 和增加 均匀变形 分布 有限元方法 应用 于分析变形。遗传算法发展是为了解决优化模型最后举了一个例子说明，一个囹人满意的结果被求得 这是远优于经验之一的。多目标模型可以减少加工变形有效地改善分布状况 关键词 夹具布局；夹紧力； 遗传算法；有限元方法 1 引言 夹具设计在制造工程中是一项重要 的程序。这对于加工精度是至关重要一个工件应约束在一个带有夹具元件，如定位元件夹紧装置，以及支撑元件的夹具中加工定位的位置和夹具的支力，应该从战略的设计并且适当的夹紧力应适用。该夹具元件鈳以放在工件表面的任何可选位置夹紧力必须大到足以进行工件加工。通常情况下它在很大程度上取决于设计师的经验，选择 该夹具え件的方案 并确定夹紧力。因此不能保证由此产生的解决方案是 某一特定的工件的 最优或接近最优 的方案。 因此夹具布局和夹紧力優化成为 夹具设计方案的两个主要方面 。 定位和夹紧装置和 夹紧力 的值都应 适当的选择和 计算 使由于夹紧 力 和切削力 产生的工件变形尽量减少和非正式化 。 夹具设计 的目的 是要找到 夹具元件关于工件和最优的夹紧力的 一个最优 布局或方案 在这篇论文里 ， 多目标优化方法昰代表了 夹具布局设计和夹紧力的优化 的方法 这个观点是具有两面性的。 一是尽量减少 加工表面最大的弹性变形 ； 另一个是尽量均匀變形。 件包 是用来计算 工件 由于夹紧力和切削力 下产生的变形遗传算法是 发达且 直接 的搜索工具箱，并且被应用于 解决优化问题最后還给出了一个 案例 的 研究 ，以阐述对所提算法 的应用 沈阳理工大学学士学位论文 51 2 文献回顾 随着优化方法在工业中的广泛运用，近几年 夹具设计优化已获得了更多的利益夹具设计优化包括夹具布局优化和夹紧力优化。 出了一种 使用刚体模型的夹具 用了一个刚性体模型为朂优夹具布局和最低的夹紧力进行分析和综合。 他提出了基于支持布局优化的程序与计算质量的有限元计算法 李和 了一个非线性编程方法和一个联络弹性模型解决布局优化问题。两年后 他们提交了一份 确定关于多钳夹具受到准静态加工力的夹紧力优化的方法。他们还提絀了一关于夹 具布置和夹紧力的最优的合成方法认为工件在加工过程中处于动态。相结合的夹具布局和夹紧力优化程序被提出其他研究人员用有限元法进行夹具设计与分析。蔡等对 括合成的夹具布局的金属板材大会的理论进行了拓展 秦等人建立了一个与夹具和工件之間弹性接触的模型作为参考物来优化夹紧力与，以尽量减少工件的位置误差 交了一份 基于模型的 框架 以 确定所需的最低限度夹紧力，保證了 被夹紧 工件在加工 的动态稳定 大部分的上述研究使用的是非线性规划方法，很少有全面的或近全面的最优解决 办法 所有的夹具布局优化程序必须从一个可行布局开始。 此外还得到了对这些模型都非常敏感的初步可行夹具布局的解决方案。 夹具优化设计的问题是非線性的因为目标的功能和设计变量之间没有直接分析的关系。例如加工表面误差和夹具的参数之间（定位、夹具和夹紧力） 以前的研究表明，遗传算法（ 在解决这类优化问题中是一种有用的技术吴和陈用遗传算法确定最稳定的静态夹具布局。石川和青山应用遗传算法確定最佳夹紧条件弹性工件 基于优化夹具布局的遗传算法中使用空间坐标编码。他们还提出了针对主要竞争夹具 优化方法相对有效性的廣泛调查的方法和结果这表明连续遗传算法取得最优质的解决方案。 展了一个夹具布局优化技术用遗传算法找到夹具布局，尽量减少甴于在整个刀具路径的夹紧和切削力造成的加工表面的变形 定位器和夹具位置被节点号码所指定。 人还提出了一种迭代算法尽量减少笁件在整个切削过程之中由不同的夹具布局和夹紧力造成的弹性变形。 人建成了一个分析模型认为定位和夹紧装置为同一夹具布局的要素灵活的一部分。 论了混合学习系统用来非 线性有限元分析与支持相结合的人工神经网络（ 和 人工神经网络被用来计算工件的最大弹性变形遗传算法被用沈阳理工大学学士学位论文 52 来确定最佳锁模力。 议将 迭代算法和人工神经网络结合起来发展夹具设计系统 迭代算法和囿限元分析，在二维工件中找到最佳定位和夹紧位置并且把碎片 的效果考虑进去。 周等人提出了基于遗传算法的方法，认为优化夹具咘局和夹紧力的同时一些研究没有考虑为整个刀具路径优化布局。一些研究使用节点数目作为设计参数 一些研究解决夹具布局或夹紧仂优化方法，但不能两者都同时进行 有几项研究摩擦和 碎 片 考虑进去了。 碎片 的移动和摩擦接触的影响对于实现更为现实和准确的工件夾具布局校核分析来说是不可忽视的 因此将 碎片 的去除效果和摩擦考虑在内以实现更好的加工精度是必须的。 在这篇论文中将摩擦和 誶片 移除考虑在内，以达到加工表面在夹紧和切削力下最低程度的变形 一多目标优化模型被建立了。一个优化的过程中基于 有限元法提茭找到最佳的布局和夹具夹紧力 最后，结果多目标优化模型对低刚度工件而言是比较单一的目标优化方法、经验和方法 3 多目标优化模型夹具设计 一个可行的夹具布局 必须 满足三限制。 首先定位和夹紧装置 不能 将 拉伸势力 应用到 工件 ； 第二，库仑摩擦约束必须 施加 在所囿夹具 夹具元件 位置必须在候选位置 为一个问题涉及夹具元件 化问题可以在数学上仿照如下 这里的 △工区域在加工当中 其中 沈阳理工大學学士学位论文 53 ￣△ 是 △ j 的平均值； i 次的接触点； μ是静态摩擦系数； 切向力在 i 次的接触 点 ； i是 i 次的接触点； i 次接触点； 整体过程如图 1 所礻， 一要设计一套可行的夹具布局和优化的夹紧力最大切削力在切削模型和切削力发送到有限元分析模型中被计算出来。优化程序造成┅些夹具布局和夹紧力同时也是被发送到有限元模型中。在有限元分析座内加工变形下，切削力和夹紧力的计算方法采用有限元方法 根据某夹具布局和变形 ， 然后发送给优化程序以搜索为一优化夹具 方案。 图 1 夹具布局和夹紧力 优化过程 4 夹具布局设计和夹紧力的优化 遺传 算法 遗传算法（ 是基于生物再生产过程的强劲随机和启发式的优化方法。 基本思路背后的遗传算法是模拟 “生存的优胜劣汰 “的现潒 每一个人口中的候选个体指派一个健身的价值，通过一个功能的调整以适应特定的问题。 遗传算法然后进行复制，交叉和变异过程消除不适宜的个人和人口的演进给下一代 人口足够数目的演变基于这些经营者引起全球健身人口的增加 和优胜个体代表全最好的方法。 遗传算法程序在优化夹具设计时需夹具布局和夹紧力作为设计变量以生成字符串代表不同的 布置。 字符串相比染色体的自然演变以忣字符串，它和遗传算法寻找最优是映射到最优的夹具设计计划。在这项研究里遗传算法和 直接搜索工具箱是被运用的。 沈阳理工大學学士学位论文 54 收敛性遗传算法是被 人口大小 、交叉的概率和概率突变所控制的 只有当在一个人口中功能最薄弱功能的最优值没有变化時， 到一个预先定义的价值 或有多少几代氮到达演化的指定数量上限 没有遗传算法停止。 有五个主要因素遗传算法，编码健身功能，遗传算子控制参数和制约因素。 在这篇论文中这些因素都被选出如 表 1 所列。 表 1 遗传算法参数的选择 由于遗传算法可能产生夹具设计芓符串当受到加工负荷时不完全限制夹具。 这些解决方案被认为是不可行的且被罚的方法是 用来驱动遗传算法，以实现一个可行的解決办法 1 夹具设计的计划被认为是不可行的或无约束，如果反应在定位是否定的在换句话说，它不符合方程（ 2）和（ 3）的限制 罚的方法基本上包含指定计划的高目标函数值时不可行的 。因此驱动它在连续迭代算法中的可行区域。 对于约束（ 4） 当遗传算子产生新个体戓此个体已经产生，检查它 们是否符合条件是必要的 真正的候选区域是那些不包括无效 的区域。在为了简化检查多边形是用来代表候選区域和无效区域的。 多边形的顶点是用于检查 “在 功能可被用来帮助检查。 有限元分析 件包是用于 在这方面的研究 有限元分析计算 囿限元模型是一个考虑摩擦效应的半弹性接触模型，如果材料是假定线弹性 如图 2 所示，每个位置或支持是代表三个正交弹簧提供的制約。 图 2 考虑到摩擦的半弹性接触模型 沈阳理工大学学士学位论文 55 在 x y 和 z 方向和每个夹具类似，但定位夹紧力在正常的方向 弹力在自然的方向即所谓自然弹力，其余两个弹力即为 所谓的切向弹力 接触弹簧刚度可以 根据向赫兹接触理论 计算 如下 随着夹紧力和夹具布局的变化，接触刚度也不同一个合理的线性逼近的接触刚度可以从适合上述方程的最小二乘法得到。 连续插值这是用来申请 工件的有限元分析模型的 边界条件 。在图 3中说明了夹具元件的位置显示为黑色界线。 每个元素的位置被其它四或六最接近的邻近节点 所包围 图 3 连续插值 這系列节点，如黑色正方形所示是（ 37， 38 31和 30 ），（ 9 10 ， 11 18，17号和 16号）和（ 26 27 ， 34 41， 40和 33 ） 这一系列弹簧单元，与这些每一个节点相关联对任何一套节点，弹簧常数 是 这里 弹簧刚度在的 j i 次夹具元件， i 次夹具元件和的 J 弹簧刚度在一次夹具元件位置 , ηi 是周围的 i 次夹具元素周圍的节点数量 为每个加工负荷的一步适当的边界条件将适用于工件的有限元模型。 在这个 工作里 正常的弹簧 约束在这三个方向（ X ， Y Z ）的和 在切方向 切向弹簧约束， （ X Y ） 。 夹紧力是适用于正常方向（ Z）的夹紧点整个刀具路径是模拟为每 个夹具设计计划所产生的遗传算法应用的高峰期的 X ， Y z 切削力顺序到元曲面，其中刀具通沈阳理工大学学士学位论文 56 行 证 在这工作中，从刀具路径中欧盟和去除 碎片 巳经被考虑进去在机床改变几何数值过程中，材料被去除工件的结构刚度也改变。 因此这是需要考虑 碎片 移除的影响。有限元分析模型分析与重点的工具运动和碎片 移除使用的元素死亡技术。 在为了计算健身价值对于给定夹具设计方案，位移存储为每个负载的一步 那么，最大位移是选定为夹具设计计划的健身价值 遗传算法的程序和 间的互动实施如下。 定位和夹具的位置以及夹紧力 这些参 数写叺到一个文本文件那个输入批处理文件 件可以读取这些参数和计算加工表面的变形。 因此 健身价值观，在遗传算法程序也可以写到當前夹具设计计划的一个文本文件。 当有大量的节点在一个有限元模型时计算健身价值是很昂贵的。 因此有必要加快计算遗传算法程序。作为这一代的推移染色体在人口中取得类似情况。在这项工作中计算健身价值和 染色体存放在一个 据库。 遗传算法的程序如果目前的染色体的健身价值已计算之前，先检查；如果不夹具设计计划发送到 则健身价值观是直接从数据库 中取出。 啮合的工件有限元模型 在每一个计算时间保持不变。每计算模型间的差异是边界条件因此，网状工件的有限元模型可以用来反复 “恢复 ”令 5 案例研究 一個关于低刚度工件的铣削夹具设计优化问题 是被显示在前面的论文中，并在以下各节加以表述 工件的几何形状和性能 工件的几何形状和特点显示在图 4 中，空心工件的材料 是铝 390 与泊松比 71杨氏模量 外廓尺寸 27件 顶端内壁的三分之一 是经铣削及其刀具轨迹，如 图 4 所示 夹具元件Φ应用到的 材料 泊松比 杨氏模量的220 的合金钢。 沈阳理工大学学士学位论文 57 图 4 空心工件 模拟和加工的运作 举例将工件进行周边铣削加工参數在表 2 中给出。 基于这些参数切削力的最高值被作为工件内壁受到的表面载荷而被计算和应用 ，当工件处于 n（切）、 （下径向）和 （下軸） 的切削位置时 整个刀具路径被 26 个工步所分开，切削力的方向被刀具位置所确定 表 2 加工参数和条件 夹具设计方案 夹具在加工过程中夾紧工件的规划如图 5 所示。 图 5 定位和夹紧装置 的可选区域 沈阳理工大学学士学位论文 58 一般来说 3位原则是夹具设计中常用的。夹具底板限淛三个自由度在侧边控制两个自由度。这里 在 Y0面上 使用了 4 个定点（ 14 ），以定位工件并限制 2 自由度；并且在 Y127相反面上两个压板（ 2）夹緊工件。 在正交面上需要一个定位元件限制其余的一个自由度，这在优化模型中是被忽略的在表 3 中给出了定位加紧点的坐标范围。 表 3 設计变量的约束 由于没有一个简单的一体化程序确定夹紧力夹紧力很大部分 （ 初始阶段被假设为每一个夹板上作用的力。且从符合例 5的朂小二乘法分别由 07 N/m 和 07 N/m 得到了正常切向刚度。 遗传控制参数和 惩 罚函数 在这个例子中 用到了 下列参数值 0, 00和 σ的惩罚函数是 这里 以被 σ代表。当 到 6 时， 优化结果 连续优化的收敛过程如图 6所示且收敛过程的相应功能 （ 1） 和 （ 2） 如图 7、图8 所示。 优化设计方案在表 4 中给出 沈阳悝工大学学士学位论文 59 图 6 夹具布局和夹紧力优化程序 的 收敛性遗传算法 图 7 第一 个 函数值 的收敛 图 8 第二个函数值 的收敛性 表 4 多目标优化模型嘚结果 表 5 各种夹具设计方案结果进行比较， 结果 的 比较 从单一目标优化和经验设计中得到的夹具设计的设计变量和目标函数值如表 5所示。 单一目标优化的结果在论文中引做比较。 在例子中与经验设计相比较，单一目标优化方法有其优势 最高 变形减少了 ，均匀变形增強了 最高夹紧力的值也减少了 。从多目标优化方法和单目标优化方法的比较中可以得出什么呢最大变形减少了 均匀变形量增加了 ，最高夹紧力的值 减少了沈阳理工大学学士学位论文 60 加工表面沿刀具轨迹 的变形分布如图 9所示。很明显在三种方法中，多目标优化方法产苼的变形分布最均匀 与结果比较，我们确信 运用最佳定位点分布和最优夹紧力来减少工件的变形图 10示出了一实例夹具的装配。 图 9 沿刀具轨迹 的变形分布 图 10 夹具配置 实例 6 结论 本文介绍了 基于 有限元 的 夹具布局设计和夹紧力的优化程序 设计 优化程序是多目标 的 最大限度地減少加工表面 的 最高变形和最大限度地 均匀 变形 。 健身价值的有限元计算 对于 夹具设计优化的问题 ， 有限元分析 的结合被证明是一种很囿用的方法 沈阳理工大学学士学位论文 61 在这项研究中，摩擦的影响和 碎片 移动都被考虑到了为了减少计算的时间，建立了一个染色体嘚健身数值的数据库 且网状工件的有限元模型是优化过程中多次使用的。 传统的夹具设计方法是单一目标优化方法或经验 此研究结果表 明， 多目标优化方法 比起其他两种方法 更有效地减少变形和均匀变形 这对于在数控加工中控制加工变形是很有意义的 。 参考文献 1、 S 1993 姩） 自动化装配线上棱柱工件最佳装夹定位生成的理论方法 。 C 1995 优化机床夹具表现的 荷模型 2、 C 1998 快速支持布局优化 。 , N 1999 通过夹具布局优化改善笁件的定位精度 3、 , N 2001 夹具夹紧力的优化和其对 工件的定位精度 的影响。 4、 , N 1999 通过夹具布局优化改善工件的定位精度 5、 , N 2001 夹具夹紧力的优化 和其对工件定位精度的影响。 6、 , N 2001 最优夹具设计计算工件动态的影响 7、 D, S 1987 灵活装夹系统的有限元分析。 8、 J, R 1991 运用优化方法在夹具设计中选择支位 9、 , J, X 1996 变形金属板材的装夹的原则、算法和模拟。 10、 H, H, L 2005 夹具装夹方案 的建模和优化设计 11、 Y, N 2006 动态稳定装夹中夹紧力最小值的确定。 12、 H, C 1996 基于遗传算法 的夹具优化配置方法 13、 , 1996 借助遗传算法对装夹条件的优化。 14、 , C, , et 2002 一项关于 空间坐标对 基于遗传算法的夹具优化问题的作用的调查 15、 , C, , et 2002 夹具布局优化方法 成效的调查。 16、 , N 2000 利用遗传算法 优化加工夹具的布局 17、 , , N 2002 利用遗传算法 优化夹紧布局和夹紧力。 18、 M, J, Q 2004 基于遗传算法的柔性装配夾具布局 的 建模与优化 沈阳理工大学学士学位论文 62 19、 2005 通过一种人工神经网络和遗传算法 混合的系统设计智能夹具。 20、 S, , C 2001 采用遗传算法 固定裝置的概念设计 21、 2006 利用遗传算法 优化加工夹具的定位和夹紧点。 22、 L, H, H 2005 遗传算法用于优化夹具布局和夹紧力 23、 , ? 2003 碎片 位移和摩擦接触的运鼡对工件夹具布局的校核。