一种通过优化夹具布局控制孔组复合位置度误差的方法技术

本发明专利技术公开了一种通过优化夹具布局控制孔组复合位置度误差的方法，所述方法包括以下步骤：建立夹具定位元件的几何误差、定位元件位置与工件位置误差的关系模型；建立铣削力、夹紧力、定位元件位置与工件位置误差的关系模型；以孔组特征的复合位置度误差最小为目标函数，夹具定位元件位置为优化变量，通过优化算法寻找最优的定位元件位置，使得孔组复合位置度误差最小。该夹具设计方法通用性强，设计方法简单。

【技术实现步骤摘要】
一种通过优化夹具布局控制孔组复合位置度误差的方法
本专利技术涉及夹具设计领域，尤其涉及一种通过优化夹具布局控制孔组复合位置度误差的方法。
技术介绍
夹具是工艺装备的重要组成部分。工件在夹具中具有确定的位置，且不随加工或测量过程中各种因素的影响而改变，保证定位准确和稳定可靠，是夹具必须达到的技术要求。目前，国内外学者针对夹具布局设计问题进行了大量的研究工作。夹具的定位误差是导致工件位置误差的主要因素。夹具的定位误差主要是由定位元件的位置误差、几何误差以及工件基准面的几何误差决定的。Qin[1]等人建立了定位源误差与工件位置偏移的线性关系模型，提出实现定位误差最小化的夹具布局鲁棒性设计方法，该方法可同时优化定位元件的位置和尺寸。考虑到定位元件和工件基准面的曲率信息，Luo[2]等人基于面-面有向距离函数的二阶泰勒展开式提出了夹具定位误差的双边二次分析方法，并讨论了该方法与Asada[3]的线性方法和Carlson[4]的单边二次方法各自不同的应用范围。夹具布局不仅需要考虑定位准确性，还需要对夹紧力大小、夹紧点位置和数目等进行规划，以避免工件损坏或产生大的局部弹性变形导致工件位置偏移。Wang[5]等人研究了具有不规则表面工件的夹具布局设计问题，基于刚性工件和夹具静态稳定性的假设，通过分别优化夹具定位点和夹紧点布局，获得了最小夹紧力和最小工件位置偏移。Qin[6]等人考虑到夹紧过程中接触力和摩擦力的变化，建立了夹紧力和夹紧顺序分析模型。提出基于总余能最小原理的非线性规划求解技术，获得了使工件位置误差最小的优化夹紧顺序。Xiong[7]等人基于刚性工件的假设，研究了接触力和弹性变形间非线性耦合关系。建立了工件夹具系统局部弹性接触变形导致工件位置偏移的数学模型。Asante[8]将接触弹性和有限元方法相结合用于求解接触力和压力分布，进而确定多大的夹紧力可以产生适合的接触力以保持工件在加工过程中的位置不变。Zhu[9]等人对目前广泛应用的夹具布局优化准则进行了详细分析和比较，指出应依据不同的任务要求选取有效的优化准则。但是，该分析没有讨论满足力封闭条件的夹具布局优化设计准则。以上文献和相关技术未能考虑夹具在加工过程中对于孔组复合位置度误差的影响，也未给出通过夹具布局控制复合位置度误差的方法。
技术实现思路
本专利技术提供了一种通过优化夹具布局控制孔组复合位置度误差的方法，本专利技术通过6点定位夹具的设计方法，控制加工孔组特征的复合位置度误差，以此提高孔组特征的加工精度，详见下文描述：一种通过优化夹具布局控制孔组复合位置度误差的方法，所述方法包括以下步骤：建立夹具定位元件的几何误差、定位元件位置与工件位置误差的关系模型；建立铣削力、夹紧力、定位元件位置与工件位置误差的关系模型；以孔组特征的复合位置度误差最小为目标函数，夹具定位元件位置为优化变量，通过优化算法寻找最优的定位元件位置，使得孔组复合位置度误差最小。所述夹具定位元件的几何误差、定位元件位置与工件位置误差的关系模型的具体为：其中，工件上任意一点i表示工件上点的序号；由于工件-定位元件接触点的变化而运动到空间的另一位置即ΔMxW,ΔMyW,ΔMzW分别表示工件在MCS坐标系中的X、Y、Z三个方向的位移误差。所述铣削力、夹紧力、定位元件位置与工件位置误差的关系模型的具体为：局部变形与接触点在MCS中的位移通过下式计算：其中，ΔD是接触点的局部变形；为方向变换矩阵；通过联立局部变形与接触点在MCS中的位移、与夹具定位元件的几何误差、定位元件位置与工件位置误差的关系模型计算出工件上任一点的位置误差。本专利技术提供的技术方案的有益效果是：首先，本申请描述了几何误差，包括：夹具定位元件的制造和装配误差、工件定位表面加工误差和安装误差，与工件位姿误差关系的数学模型。其次，提出了另一个数学模型描述夹紧力和加工力对定位误差的影响。然后，介绍分析了复合位置度误差的定义后，推导了夹具对孔组特征加工精度的影响，并且介绍了复合位置误差检测与评价方法。最后，提出了通过优化算法优化夹具定位元件位置的方法，从而减少夹具对孔组特征复合位置度的影响。附图说明图1孔组复合位置度误差的示意图；图2六点定位夹具示意图；图3坐标系建立与坐标变换关系示意图；图4夹具导致复合位置度误差的示意图；图5孔组复合位置度误差的评定方法示意图；图6通过优化夹具布局控制孔组复合位置度误差的流程图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。孔组特征，如图1所示，是机械零件中常见的特征，对孔组中各孔的相对位置精度往往有较高的要求，而孔组特征的位置精度受到夹具的影响。本专利技术通过设计6个定位元件的位置，降低孔组特征加工的复合位置度误差，所用步骤如下：其中，六点定位夹具是一类夹具，如图2所示，通过6个定位元件与工件接触，限制工件的六个自由度，从而实现准确定位的一种夹具，如图1所示。决定六点定位夹具性能的关键因素就是6个定位元件的布局方案。6个定位元件布置的位置决定了夹具定位元件时的准确性、稳定性和是否满足力学要求。本方法的前提与假设：(1)工件与夹具元件的接触良好；(2)将夹具元件视为刚体，只在与工件的接触点处变形。同样，工件也被认为是一个刚体，也仅在接触点处变形。且每一个接触都被认为是有摩擦的接触。(3)变形后，在工件和夹具定位元件依然保持接触，且接触点仍为变形前的那个点。101：建立夹具定位元件的几何误差、定位元件位置与工件位置误差的关系模型；夹具的定位元件的制造误差和装配误差，工件的定位基面的加工误差，在本方法中被称为几何相关的误差。这些通常会导致固定在夹具上的工件产生位置和姿态误差。由于这个原因，刀具相对于工件的实际切削路径与理论路径将会不重合，从而降低加工精度。在一个夹具上定位的工件的位置和姿态通常是由定位件与工件之间的接触点决定。如果接触点偏离其理论位置，会造成工件的位置和姿态误差。在本节中，将说明它们之间的关系。在每个定位元件与定位面之间的接触点上建一个局部坐标系PiCS(其中i表示夹具定位元件的序号，下同)，坐标原点在理论接触点，坐标系Z轴与工件表面垂直，XY两轴与工件表面平行，在机床的任意位置建立机床坐标系(记为MCS)，如图3所示。因此，PiCS相对于MCS的位置可以定义为(其中，分别表示X、Y、Z向上的坐标)；方向可以定义为(其中分别表示绕X、Y、Z的转角)。同时，建立工件坐标系WCS(坐标系原点位于工件的任意一点，X、Y、Z轴方向任意)，因此，PiCS也可以在WCS下描述。定义PiCS相对于WCS的位置和方向向量分别为(其中，分别表示X、Y、Z向上的坐标)；以及(其中分别表示绕X、Y、Z的转角)。也就是说PiCS在MCS有两种描述方法，即：以及其中，表示PiCS在MCS下的位置和方向，表示PiCS在WCS下的位置和方向。MXW和T(MΘW)分别是工件在MCS中的位置和方向变换矩阵。如果工件稳定的保持在夹具上，则公式(1.1)和(1.2)应该相等，即：通过泰勒展开，并且忽略高阶项之后，上式可以写作：结合公式(1.3)和(1.4)，能够得到下式：其中，(其中，表示向量的齐次矩阵形式)ΔqW＝[(ΔMXW)T,(ΔMΘW)T]T＝[ΔMxW,ΔMyW,ΔMzW,Δ本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种通过优化夹具布局控制孔组复合位置度误差的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：建立夹具定位元件的几何误差、定位元件位置与工件位置误差的关系模型；建立铣削力、夹紧力、定位元件位置与工件位置误差的关系模型；以孔组特征的复合位置度误差最小为目标函数，夹具定位元件位置为优化变量，通过优化算法寻找最优的定位元件位置，使得孔组复合位置度误差最小。

【技术特征摘要】
1.一种通过优化夹具布局控制孔组复合位置度误差的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：建立夹具定位元件的几何误差、定位元件位置与工件位置误差的关系模型；建立铣削力、夹紧力、定位元件位置与工件位置误差的关系模型；以孔组特征的复合位置度误差最小为目标函数，夹具定位元件位置为优化变量，通过优化算法寻找最优的定位元件位置，使得孔组复合位置度误差最小；所述夹具定位元件的几何误差、定位元件位置与工件位置误差的关系模型的具体为：其中，工件上任意一点i表示工件上点的序号；由于工件-定位元件接触点的变...

【专利技术属性】
技术研发人员：何改云，郭龙真，丁伯慧，王凯，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12