平面物体自动柔性夹具的开发.doc

平面物体自动柔性夹具的开发 Hong Du, Grier C.I. Lin 南澳大利亚大学 工程学院 先进制造研究中心 摘要： 一个用于装夹加工过程中的平面物体的三爪自动柔性夹具系统已经被开发。该夹具系统由两个数控模块组成，一种辅助机构和一种夹具算法。该夹具的设计是基于用最少的爪固定物体的想法，该夹具算法的开发是基于使多边形具有最大内切圆的概念。它使系统的爪可以灵活的重组以适应不同形状和尺寸的工件。该系统的模型已被成功建立并进行了测试，并在爪组合的机械设计和自动控制上体现了令人满意的结果。文中给出了该系统对于不同形状物体应用的例子。该系统具有灵活、可重新组合、自动化的特点，能够装夹加工过程中不同形状和尺寸的物体。 关键词：平面物体的装夹；夹具；柔性夹具；装夹系统；夹具设计；工件夹紧技术 介绍 装夹是大多数产品制造过程中的基本特点，例如机械加工、装配和检查。一旦某一零件的形状和它的定位已知，通常会特别地为该零件单独设计夹具。随着现代技术的发展和世界范围内激烈的市场竞争，这些传统设计的夹具不仅费时费钱，而且不能灵活引用于不同形状和尺寸的零部件。对市场来说，这是生产各种各样的零部件明显不能满足要求的状况。而可以适应不同形状和尺寸的零部件的柔性夹具给了我们缓和解决这一问题的显著解决方案。 过去20年随着先进制造技术（如柔性制造系统）的发展，关于柔性夹具的研究引起了相当大的关注。一份柔性夹具的方法论综述已经由Thompson和 Gandhi， Shirinzadeh等., 还有 Lin 和 Du提出。这些主要的方法包括：（1）基于感官传递的装夹技术 （2）模块化可重构夹具 （3）可编程整合夹具 （4）变向夹具 （5）适应夹具 。在这些方法中，大多数的研究世界上集中在通过使用组合夹具组件和模块来进行夹具设计的自动化的开发。一个组合夹具组建包括许多元素，例如地盘、定位装置和爪等。一个传动设计的夹具可以通过使用工具箱中的部件来装配。尽管这样的组合夹具在工业中被广泛使用，它仍然只能装夹很少数量的零件，而且还必须通过手动或机械人来建立。为了克服上述提到的系统的局限性，一个新的方案是有必要的。 研究已经进行到关于通过机械臂抓取固定物体所需的最小爪数量。这提供了一宗柔性夹具的新的方法。Markenscoff等人提出4个接触点就可以固定一般的2D物体，而7个接触点可以固定一般的3D物体。此外，Czyzowicz等人表明一般的2D和3D多边形物体通过3或4个无阻力的接触点就可以被分别固定。另一方面，Park 和 Starr同样表明3个无阻力的接触点可以固定一个平面多边形物体。 关于一个夹具使用所需最少的爪数量有3个潜在的优点。第一个优点它具有更为合适或更具有效率的夹具技术和算法。第二个优点更少的爪数量使它在包括不断的夹具重新定位等重新装夹的机械过程中更有效率。第三个优点是当夹具成熟地使用最少数量的爪时可以提高整个夹具系统的运行表现，包括可以装夹更多的工件和安装过程的简单化。因此，实行最少数量的爪的夹具的概念是有必要的。 根据一个2D物体所需的最小接触点的数量，一个三爪柔性夹具系统被作者提出并且母目前正在被开发（如图1所示）。该三爪柔性夹具系统包括2个计算机数控模块，一个确定的和一个可移动的。固定的模块有两爪放置在沿着两个相邻园得圆周上，而移动模块有一爪可以沿着一个狭槽调整。通过重新调整和优化夹具系统的三爪可以获得所需的灵活性。 图1、三爪夹具系统 该研究的目的是开发一个可以自动配置的电脑数控三爪夹具系统，并且可以灵活的运用于各种不同形状和尺寸的平面物体。为了达到这一目的，夹具算法的开发是极为重要的。使用最少的爪数量固定物体的想法成功的实施于开发两种夹具模块。该研究的另一大贡献是CAD系统和其它系统在FMS中开发合适的夹具算法的集成方法。除了机械设计和系统的自动化控制外，一种基于多边形最大内切圆的夹具算法在文中呈现。虽然文中的三爪夹具系统是为了处理平面物体的，但该方法可以扩展用于3D工件。 该文综述了以前夹具系统的硬件设计方法，并具体提出了一种新的硬件设计，概述了其自动控制和夹具算法，同时给出了三爪夹具系统的应用实例。最后，结果说明了该设计的有效性并对未来的发展进行了预期。 相关工作 根据Thompson、 Gandhi 、 Hazen 、Wright 、Trappey 和Liu的评估，在过去20中各种各样的柔性夹具已经被提议或开发。下面的一些柔性夹具硬件系统已经进入到具体讨论的阶段。 Tuffentsammer设计和建造了2个数控装夹系统已经，也就是所谓的“双旋转”和“平移运动”数控装夹系统。该系统试图将卧式加工中心集成到柔性制造单元中。“双旋转”机器将支撑装置、定位装置和夹紧装置排列在伺服控制转盘上，提供了一系列可能的