多种形状钣金零部件加工需求的柔性工装夹具设计

摘 要

　　随着我们国家的制造业不断发展，钣金零部件在汽车、家电和其它日用品中具有非常广泛的应用。在钣金零部件的加工制造过程中，需要工装夹具来进行定位和夹紧。目前，钣金零部件的工装夹具都是根据它所需加工的形状结构设计的专用刚性工装夹具，这种工装夹具设计成本高、制造周期长，而且只能针对该种形状的钣金零部件。随着产品更新换代速度越来越快，原有的刚性工装夹具难以满足当前快速变化的市场需求。因此，迫切需要研发一种可以满足多种形状钣金零部件加工需求的柔性工装夹具，从而减少钣金零部件的制造成本和降低生产周期。本文主要研究内容如下：

　　第一，通过对钣金零部件的加工过程分析，对加工工艺进行分析。根据钣金零部件的加工过程分析，可以得到钣金零件的加工工艺，并对变形机理和加工尺寸精度的提高方法进行研究。

　　第二，对柔性工装夹具的结构进行设计。根据钣金零部件的工艺分析，提出钣金零部件柔性工装夹具的设计方案，进行比较分析，选择出性价比较高的结构方案，并使用 SolidWorks 软件建立柔性工装夹具的 3D 模型。柔性工装夹具最为重要的结构是定位夹紧单元，该机构可以完成 X、Y 和 Z 方向调节工作。因此，需要对定位夹紧单元的各个方向的调节机构进行设计，主要是定位夹紧单元的工作原理、性能参数和载荷的计算分析。

　　第三，通过使用 Workbench 软件对柔性工装夹具的零部件进行轻量化设计，并对其夹紧机构进行优化设计。根据定位夹紧单元的底座结构的参数分析，选择该机构中优化效果明显的设计参数作为设计变量，并建立相关的约束函数和目标函数，得到该结构的轻量化数学模型，使用 Workbench 软件对其尺寸参数进行轻量化设计。基于连杆机构的运动学和动力学原理，对柔性工装夹具中的夹紧机构进行优化分析。通过建立运动学方程，使用MATLAB 软件可以得到最优结构尺寸的夹紧机构。

　　关键词：钣金零部件，柔性工装夹具，轻量化设计，优化设计

Abstract

　　With the continuous development of our country's manufacturing industry, sheet metal parts are widely used in automobiles, household appliances and other daily necessities. In the manufacturing process of sheet metal parts, fixture and fixture are needed for positioning and clamping. At present, the fixture for sheet metal parts is a special rigid fixture designed according to the shape it needs to process. This fixture has high design cost, long manufacturing cycle and can only be used for sheet metal parts of this shape. With the rapid replacement of products, the original rigid fixture is difficult to meet the fast changing market demand. Therefore, there is an urgent need to develop a flexible fixture which can meet the processing needs of various forms of sheet metal parts, so as to reduce the manufacturing cost of sheet metal parts and reduce its production cycle. The main contents of this paper are as follows:

　　First, the processing technology of sheet metal parts is analyzed, and the processing technology is analyzed. According to the analysis of sheet metal parts processing process, the processing technology of sheet metal parts can be obtained, and its deformation mechanism and the method to improve the machining dimensional accuracy are studied.

　　Second, design the structure of flexible fixture. According to the process analysis of sheet metal parts, the design scheme of flexible fixture for sheet metal parts is put forward, and the comparative analysis is made. The structure scheme with high cost performance is selected, and the 3D model of flexible fixture is established by using Solid Works software. The most important structure of flexible fixture is positioning clamping unit, which can adjust X, Y and Z directions. Therefore, it is necessary to design the adjusting mechanism in all directions, mainly the working principle, performance parameters and load calculation and analysis of the positioning clamping unit.

　　the clamping mechanism is optimized. According to the parameter analysis of the base structure of the positioning clamping unit, the design parameters with obvious optimization effect in the mechanism are selected as design variables, and the relevant constraint functions and objective functions are established.

　　The lightweight mathematical model of the structure is obtained. The dimension parameters of the structure are lightweight designed by using Workbench software. Based on the kinematics and dynamics principle of linkage mechanism, the clamping mechanism of flexible fixture is optimized and analyzed. By establishing its kinematics equation, the clamping mechanism with optimal structure size can be obtained by using MATLAB software.

　　Key words: sheet metal parts, flexible fixture, lightweight design, optimization design

　　第 1 章 绪论

　　1.1 研究目的及意义

　　1.1.1 课题来源

　　为了有效解决钣金零部件加工周期长、成本高等问题，本文研发一种可用于加工多种不同尺寸和形状钣金的柔性夹具。该种工装夹具主要用于加工壁厚为 0.5-2mm 的钣金零部件，它不仅仅可以完成普通工装夹具的定位和夹紧工作，同时还可以根据不同的钣金零部件尺寸形状进行快速完成定位、夹紧机构的位置。这种可以加工制造多种不同尺寸形状钣金零部件的柔性工装夹具具有性能可靠，工作效率高，维修简单等，因此，它具有重要的研究价值。

　　1.1.2 研究背景

　　随着钣金零部件的应用越来越广，它在机械产品中的占有率越来越高，尤其是近年来，对钣金零部件的加工工艺研究逐渐规范，使它在产品设计中的使用价值不断提高。因此，许多机械产品都采用钣金零部件进行设计[1].不仅节省机械产品的生产成本[2],还提高零部件的生产效率。随着人们生活水平的不断提高，日常生活中需要使用的产品种类越来越多，不同产品的钣金零件形状也不同。为了加工这些钣金零件需要设计合适的工装夹具辅助加工制造，所以柔性工装夹具的研究具有重要的研究价值[3].

　　目前，钣金零部件的加工都是采用刚性工装进行加工制造的，因此它们的加工制造成本非常高[4].对于一些小批量的钣金零部件，需要根据零件结构形状，制造出专用的夹具和冲压模型[5],所以导致这些零部件的加工制造成本高居不下。随着产品的更新换代速度不断加快，钣金零部件的形状也不断的发生变化，因此，用于加工制造钣金零部件的工装夹具也需要随之改变[6].如果所有的钣金零部件都采用专用的工装夹具，则会使产品的价格变得非常高，特别是对于一些曲面形状比较复杂的钣金零部件，工装夹具制造比较复杂，成本也很高。因此，当前迫切需要针对小批量曲面钣金零部件的加工制造，研发一种可以通过快速调节工装夹具上定位、夹紧点的位置，来满足不同尺寸形状钣金零部件的加工制造要求的工装夹具。这种柔性工装夹具可以通过调节定位点、夹紧点位置，来使它可以用于不同钣金零部件加工，有效的满足当前快速发展的市场需求[7-9].为了对该柔性工装夹具进行更进一步的优化，需要对夹具重要结构进行优化设计[10].

　　1.1.3 研究目的和意义

　　通过对钣金零部件加工工艺的总结分析，以及借鉴其它类型薄壁零部件柔性工装夹具的设计优化经验，采用现代设计方法，设计出工作效率高，适应性强的柔性工装夹具。本文主要以柔性工装夹具的设计和优化为研究路线，对机构进行分析，主要研究内容有：

　　（1）对于不同的钣金零部件，结构形状差异非常大，因此在进行加工制造过程中需要根据所加工钣金零部件特点快速的调节定位、夹紧点的位置。在柔性工装夹具设计时，需要选择合适的调节机构来满足定位、夹紧点的调节，并需要使用 Workbench 软件对该机构进行优化设计。

　　（2）钣金零部件放在柔性工装夹具上以后，需要使用夹紧机构将其夹紧，防止它在加工制造过程中受到切削力的影响而发生位置移动。在研究柔性工装夹具的夹紧机构过程中，不仅需要对机械结构进行设计，同时还需要根据相关的工作要求对夹紧机构的运动情况进行分析。

　　1.2 柔性工装夹具的研究现状

　　随着人们对机械产品的要求越来越高，产品零部件的更新换代速度不断加快，因此，对柔性工装夹具的研究成为当前的热点[11,12].目前，根据相关零部件的需求，对柔性工装夹具进行相关的研究，但是这些研究都只停留在理论层面，没有在实际工作过程中真正使用[13].通过对目前柔性工装夹具的研究分析，可以得知导致使用情况受阻的原因有以下两点：第一，前期研发的柔性工装夹具都是针对某些特殊的机械零部件进行的，使用范围具有局限性，因此，该种柔性工装夹具的使用价值容易受到产品销量影响；第二，柔性工装夹具的开发成本非常高昂，虽然有些柔性工装夹具的使用范围非常广，适应性也非常好，但是这种高昂的加工制造成本让许多研究人员望而却步。

　　柔性工装夹具的种类非常多，根据国内外对柔性工装夹具的研究现状，主要将它分为柔性工装夹具系统和单个柔性工装夹具[14].在上世纪 80 年代，大连理工大学的朱耀祥教授根据柔性工装夹具的研究原理，将它分成传统柔性工装夹具和创新性柔性工装夹具两种，如图 1-1 所示。传统柔性工装夹具主要是指利用传统工装夹具的设计方法和组成结构进行适当的调整设计，可以得到在小范围内适当调整的柔性工装夹具；创新性柔性工装夹具主要是指根据工装夹具的基本设计理论，研发出的具有良好适用范围的柔性工装夹具，它不仅仅可以适用多种类型机械零件的加工，同时还可以提高机械零件的加工质量[14-16].

　　1.2.1 可调整工装夹具的分析

　　在工装夹具设计时，通过对所加工钣金零部件共同性特点的分析，主要是结构尺寸和形状，设计出可以在小范围内进行调整的工装夹具，组成结构如图 1-2 所示。该种工装夹具由两部分组成，其中一部分是可调整夹具的基本部分，主要有底座、定位机构和夹紧机构等装置，这些基本组成部分长期固定在底座上，它们不随着加工零件的变化而更换；另外一部分是工装夹具中的可更换部分，这部分主要与加工零件直接接触，它们需要根据加工对象的不同而进行更换[17].在零件加工过程中，同一组零件只需要根据结构形状和尺寸参数调整好组成元件的位置即可，对于不同组的零部件不仅需要更换可调元件[18,19],同时还需要根据零件的尺寸大小调整定位机构和夹紧机构的位置[20].

　　通过分析可知该种柔性工装夹具结构简单，加工制造也非常方便，但是使用范围比较小，因此只有在焊接工装夹具中有一定的使用价值。

　　1.2.2 成组工装夹具的分析

　　根据加工制造零部件的某些特征进行分析，针对某一组相似零部件或相应工序设计出的一种成组工装夹具[21],组成结构如图 1-3 所示。该工装夹具不仅具有专用夹具的某些特性，同时它还可以在小尺寸范围内进行调整[22,23].成组夹具是由通用基体结构和可更换元件组成，通用基体结构是有很多安装孔的大型底座[24],主要用于安装定位夹紧元件[25].成组夹具中定位元件、夹紧元件和导向元件可以根据具体的加工需求进行设计[26-29],在使用过程中根据加工零件及时进行更换。

　　成组夹具主要用于加工某些具有相同组成性质的零部件。在进行零部件的加工制造过程中，需要根据加工对象的相似特点和成组技术的原则，调整定位、夹紧点的位置，则可以满足零部件的定位和夹紧要求[30].成组夹具在设计过程中主要偏重元件的更换，它的定位、夹紧元件可以按照要求进行灵活组合。

　　1.2.3 组合工装夹具的分析

　　组合工装夹具是在工装夹具已经完全模块化的前提下进行设计的[31],组成结构如图1-4 所示。组合工装夹具是根据所加工零部件的组成特点，预先设计好需要的标准元件和组件[32,33].在组合工装夹具的使用过程中，需要根据具体零部件的尺寸，选择合适的组件进行组合，并且这些组合元件具有良好的互换性能[34-36].组合工装夹具使用完毕后，需要将将组件拆散，方便下一次使用。目前，槽系组合夹具是使用最为广泛的组合夹具之一，在该组合夹具中，基座上设计有多排相互平行和垂直的 T 型槽结构，方便组件的位置调节[37,38].

　　1.2.4 自适应工装夹具的分析

　　自适应工装夹具是指根据所要加工的零部件形状适应性的设计定位和夹紧机构位置[39,40],组成机构如图 1-5 所示。该种工装夹具主要是根据加工零件的尺寸形状进行定位机构和夹紧机构的位置调节，从而实现自适应工装夹具的"柔性"功能[41].

　　1.2.5 薄壁零部件柔性工装夹具的分析

　　随着工业不断发展，各种各样的零部件层出不穷，尤其是对于在壁厚比较薄的钣金零部件，它们的应用范围逐渐推广。随着人们对产品的外观要求越来越高，机械产品的外部结构大量采用曲面造型[42].产品的外观曲面虽然增添了美观性能，但是提高加工制造难度，因此对曲面零部件的加工设备提出了更高的要求。目前，该种工装夹具都是根据曲面形状的特点进行仿形加工获得的，但是这种加工方法具有成本高，加工制造周期长等问题。因此，为了提高薄壁零部件的加工制造效率，降低加工成本，研发出如图 1-6 所示的柔性工装夹具系统[43].

　　由于薄壁零部件的外部一般都是结构形状比较复杂的曲面，而且刚性非常小。因此，在进行薄壁零部件的加工制造过程中，经常会由于刚性不足而导致加工变形，从而使加工精度满足不了设计要求[44].为了提高薄壁零部件的加工精度，设计出如图 1-6 所示的柔性工装夹具系统。该柔性工装夹具系统经过对薄壁零部件在加工过程中的变形情况进行预测，对装夹方案、夹紧力大小进行了优化设计[45].

　　图 1-6 所示的柔性工装夹具主要是用于加工飞机蒙皮结构，主要组成结构是 POGO 单元，独立的 POGO 单元按照矩阵形式排列在底座上。在计算机系统的控制下，通过调整POGO 单元的位置，实现薄壁零部件的加工制造。该种柔性工装夹具虽然具有非常高的定位精度、操作起来也非常方便，但是它的加工制造成本非常高，因此，很难在钣金零部件的加工中进行推广。

　　1.3 柔性工装夹具的发展趋势

　　随着产品的更新换代速度不断加快，刚性工装夹具很难满足这种快速变化的市场需求。因此，极其需要研发一种柔性工装夹具来满足当前的生产需求，所以柔性工装夹具成为了当前的研究热点，发展趋势主要有：

　　（1）柔性工装夹具的适用范围更加广泛柔性工装夹具主要是针对某些产品零部件进行设计的，为了提高柔性工装夹具的利用率，需要使它的范围更广。柔性工装夹具不仅要满足一类零部件的加工制造，而且它还要满足方便调节等一系列的使用要求。

　　（2）柔性工装夹具的控制系统更加智能化为了满足现代化的加工制造需求，柔性工装夹具需要采用计算机控制方法，使它在短时间内可以快速的调节整个工装夹具中的结构，从而提高方便快捷性能，降低零件的加工制造成本。

　　（3）柔性工装夹具的研发周期更短随着人们对产品的要求越来越高，一个新产品的出生到凋亡时间变得越来越短，用于进行产品加工制造的工装夹具的使用周期也变得更加短暂。因此，为了满足市场上的需求，对柔性工装夹具的研发效率提出了更高的要求。

　　1.4 本文主要研究内容

　　本文主要以钣金零部件的柔性工装夹具为研究对象，围绕着设计、优化和运动学分析为主线，展开全文的研究工作。具体研究内容如下：

　　第一章主要是介绍课题来源、研究背景和意义；本章通过对柔性工装夹具研究现状和发展趋势的分析，确定了主要研究内容。

　　第二章对钣金零部件的加工工艺进行分析。本章首先研究钣金零部件的加工变形因素，然后对钣金零部件的变形机理进行分析，最后制定柔性工装夹具的设计要求和设计流程。

　　第三章主要是对柔性工装夹具进行结构设计。本章首先根据钣金零部件的工艺分析制定出柔性工装夹具的设计方案，接着进行总体结构设计，然后对它的重要机构--丝杠传动机构、定位机构、夹紧机构进行计算分析和结构设计，最后对柔性工装夹具的气路原理图进行设计。

　　第四章对柔性工装夹具进行结构优化设计。本章首先是对柔性工装夹具定位夹紧单元中的底座进行静力学分析和模态分析，然后建立该结构的优化模型，最后对它进行优化设计。

　　第五章对柔性工装夹具中的夹紧机构进行运动学分析。本章首先对夹紧机构的运动过程进行分析，然后建立该机构的运动模型，最后通过该机构的力学模型对它优化求解，并得到最优的夹紧机构。

　　第六章总结本文的主要研究内容和工作，说明已做研究的不足和进一步研究的方向。

　　上面对本文的主要研究内容进行分析，根据柔性工装夹具的设计过程，可得关系图如图 1-7 所示。

　　第 2 章 钣金零部件加工工艺分析
　　2.1 钣金零部件工艺性能分析
　　2.1.1 钣金零部件加工变形因素分析
　　2.1.2 钣金零部件的材料分析
　　2.2 钣金零部件变形机理分析
　　2.3 柔性工装夹具的工艺质量分析
　　2.3.1 工装夹具对加工精度影响因素分析
　　2.3.2 柔性工装夹具的工艺要求分析
　　2.4 柔性工装夹具的设计流程分析
　　2.5 本章小结

　　第 3 章 柔性工装夹具的结构设计
　　3.1 柔性工装夹具的方案设计
　　3.1.1 孔隙组合工装夹具结构方案分析
　　3.1.2 T 型槽柔性工装夹具结构分析
　　3.2 柔性工装夹具的总体结构设计
　　3.3 底座结构设计
　　3.3.1 T 型槽尺寸设计
　　3.3.2 底座的强度分析

　　3.4 柔性工装夹具的定位夹紧单元结构设计
　　3.4.1 定位夹紧单元的结构
　　3.4.2 定位夹紧单元的工作原理及参数确定
　　3.4.3 定位夹紧单元的载荷分析
　　3.4.4 伺服电机参数计算与选型
　　3.4.5 滚珠丝杠参数的计算

　　3.5 定位机构的设计
　　3.5.1 定位机构的组成机构设计
　　3.5.2 定位机构的气路控制图
　　3.6 夹紧机构的设计
　　3.6.1 夹紧机构的组成机构设计
　　3.6.2 夹紧机构的气路控制图
　　3.7 本章小结

　　第 4 章 定位夹紧单元的优化设计
　　4.1 有限元分析技术概述
　　4.2 定位夹紧单元的静力学分析
　　4.3 定位夹紧单元的模态分析
　　4.3.1 定位夹紧单元模态理论分析
　　4.3.2 定位夹紧单元模态分析模型的建立
　　4.3.3 模态分析结果

　　4.4 定位夹紧单元底座的优化设计
　　4.4.1 底座结构的设计变量
　　4.4.2 约束函数的建立
　　4.4.3 优化函数的建立
　　4.4.4 底座结构的轻量化分析结果
　　4.5 本章小结

　　第 5 章 柔性工装夹具的力学分析与优化
　　5.1 柔性工装夹具的运动学分析
　　5.1.1 夹紧机构的运动学分析
　　5.1.2 夹紧机构运动过程分析
　　5.2 夹紧机构的运动模型建立
　　5.3 夹紧机构力学优化分析
　　5.3.1 夹紧机构的受力分析
　　5.3.2 夹紧机构设计变量
　　5.3.3 夹紧机构优化目标
　　5.3.4 夹紧机构约束条件及优化模型求解
　　5.4 ADAMS 对优化结果的仿真分析
　　5.5 本章小结

第 6 章 总结与展望

　　6.1 全文总结

　　随着经济的不断发展，产品逐渐向个性化、小批量化的方向发展，产品的生产周期也越来越短。为了满足这些现代化生产要求，柔性工装夹具的逐渐成为人们的研究重点。钣金零部件在汽车、飞机和家电等行业中具有非常重要的应用价值，因此对柔性工装夹具进行研究具有非常重要的价值。

　　目前，钣金零部件主要是采用刚性工装夹具，根据它的结构形状进行固定夹紧，这种工装夹具只能针对专用的钣金零部件进行加工，而且加工制造周期非常长，工作效率也比较低。为此，本文研发一种可以经过快速调节便能满足对种钣金零部件加工的柔性工装夹具，并对关键零部件定位夹紧单元和夹紧机构进行了优化。本文的主要研究内容如下：

　　（1）对柔性工装夹具的研究现状和发展趋势进行了分析。比较可调式工装夹具、成组工装夹具和组合工装夹具的优缺点后，并结合现代设计理论，分析钣金零部件柔性工装夹具的发展趋势。

　　（2）进行了柔性工装夹具的加工工艺分析。通过对钣金零部件加工变形因素的分析，分析出变形机理。为了提高钣金零部件的加工精度，分析工装夹具对钣金零部件加工精度的影响因素，并提出柔性工装夹具的设计要求。

　　（3）完成了柔性工装夹具的总体结构设计。根据柔性工装夹具的设计要求，制定出结构设计方案，并对优缺点进行比较分析后，选择最优结构设计方案，使用三维设计软件 SolidWorks 建立柔性工装夹具的三维结构模型，最后还对柔性工装夹具中的重要零部件--底座、定位夹紧单元、定位机构和夹紧机构进行了计算分析和建模。

　　（4）进行了定位夹紧单元的优化设计。通过对定位夹紧单元进行静力学分析和模态分析，可以得知该机构还具有很大的优化空间，建立定位夹紧单元底座的优化设计模型，得出优化设计参数，并通过比较优化前和优化后的底座静力学分析，得知优化后的底座结构仍然满足强度和刚度要求，重量减少了 16.6%. （5）进行了夹紧机构的运动学分析。通过对夹紧机构的运动学分析，建立出运动模型，并使用 MATLAB 软件对力学进行优化分析，并使用 ADAMS 软件对它优化后结构参数建立的模型进行运动分析，分析结果表明优化参数具有明显的效果。

　　6.2 研究展望

　　本文通过对钣金零部件的工艺分析和柔性工装夹具的设计与优化，取得了一些研究成果，但是仍然存在需要改进之处。

　　（1）由于时间非常仓促，本文设计和优化的柔性工装夹具结构没有经过进行加工制造，因此，许多关键的功能参数没有进行验证。

　　（2）柔性工装夹具虽然使用范围广、工作效率高和使用方便等优点，但是使用范围还是具有一定限制，因此，需要在后续的研究中进行进一步的改善。

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致 谢

　　值此论文完成之际，谨向曾经关心和帮助我的老师、同事以及亲友表示衷心的感谢！

　　论文写作是一个学习的过程，也是一个收获的过程。在论文写作期间，我一直得到导师王昕教授的精心指导，导师的谆谆教诲和无私的关心帮助给了我强有力的支持，使我不断鞭策自己，努力奋斗！本文的写作凝聚着导师的辛劳，从论文的选题、框架的设计，到论点的推敲、资料的选择、文字的润色，都倾注了导师的热情关怀。论文的顺利完成与导师的关心和支持是密不可分的，我从导师身上不仅学到了丰富的专业知识和科学的研究方法，而且还学习到了踏踏实实的人生态度。值此论文完成之际，我要向我的导师表示诚挚的感谢。

　　感谢我的父母，父母之恩，天高海深。感谢他们的养育之恩和多年来对我在物质和精神上的支持，他们为我的成长付出了无尽的心血，是他们使我在风雨成长的道路上不断进取，勇往直前。

　　最后对各位专家老师仔细审阅我的论文表示衷心的感谢，渴望给予批评指正！

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