一种汽车类零件夹具设计认证方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及汽车类零件的夹具的设计认证方法，属于精密测试技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着3D打印技术越来越多的应用在工程领域，由于其显著的抗压性、耐磨损性、抗 腐蚀性及热稳定性等优越的机械特性，使得该技术在夹具设计制造过程中得到广泛的应 用。尽管目前世界主流3D打印厂家都在尝试制造不同领域不同尺寸规格类的夹具，但是由 于技术手段不成熟，还缺乏统一的检测方法和标准，从而导致检测效率低下、检测结果不可 靠等问题。不论是3D打印类夹具还是传统夹具，都因其定位销的品种多样，几何形状复杂使 得在计算机设计夹具的过程中其检验认证环节不能够完全实现自动化。
[0003] 在夹具设计过程中有各式各样不同几何形状的定位销，每种类型的定位销可以限 定不同方向以及提供不同个数的定位约束。这样在夹具设计过程中不仅需要对定位销类型 进行选择，同时还需要对定位销的个数进行配置。目前普遍采用的做法是对复杂形状的定 位销进行几何简化处理，即把它等效的简化为只反映约束自由度的替代体。
[0004] 常用的方法可以大致分为两类，一是凭经验判断；二是最早在国外提出的等效定 位点法。前者主要是凭设计者积累的经验，该方法只适用于单件小批量生产，尤其自动化程 度不高，并且对于计算机辅助技术设计的夹具不能实现自动的设计检验认证，因此不能满 足现代化技术生产需要。后者等效定位点法是将定位销等效为一个或多个定位点，通过该 方法可以实现计算机辅助认证，但是对于定位点的选择及定义没有统一的原则或标准，在 一定程度上也是通过经验判断，尤其对于形状复杂件，并未给出具体的解决方法。
[0005] 借助于计算机辅助设计技术生产出各种复杂形状的定位零件。对于如何对多个定 位销的组合使用，尤其包含了复杂形状定位销时，如何能够实现计算机集成设计认证的方 法还鲜有系统研究，阻碍了传统夹具的集成制造以及3D打印夹具的发展应用。
【发明内容】
[0006] 本发明提出了一种汽车类零件的夹具设计认证方法，这种方法很好的解决了复杂 夹具计算机辅助设计认证自动化问题。该方法利用与拓扑和工艺相关表面理论，该理论将 所有的几何形状表面划分为七大类，每一类表面由最小几何基准要素定义，这样夹具所提 供的约束自由度通过简单的布尔运算获得，实现计算机集成。在夹具认证过程中，任何复杂 形状的定位销可以抽象成为最基本的点、线、面的一种或任意几种的组合形式，即7中基本 表面类型中的任意一类。根据产品几何规范标准中的定义进而可以获得每个定位销的空间 自由度的方向、形式以及个数，再通过布尔运算可计算出夹具能够提供的约束自由度条件。
[0007] 通过新一代产品几何规范标准中的拓扑与工艺相关联表面理论将不同形状的定 位销划分为7种基本表面类型中的任意一类。
[0008] 7种基本表面类型中每一类中的点、线、面的组合形式由新一代产品与几何技术规 范标准中定义的最小几何基准要素确定。
[0009] 夹具中每个定位销提供的运动自由度由产品几何规范标准中的拓扑与工艺相关 联表面理论唯一确定。
[0010] 夹具能够提供的约束自由度条件由对定位销的运动自由度的布尔运算计算获得。 [0011]该方法不仅适用于传统的夹具设计认证同时适用于3D打印类夹具的计算机设计 认证过程。
[0012]夹具的定位销对工件的支撑定位过程用新一代产品几何规范来解释就是配合表 面限制工件的自由度的过程。每个工件在欧几里得空间里有6个空间自由度，3个平移运动 自由度和3个旋转自由度，通过配置定位销的类型与个数使工件减少1个或多个自由度从而 限定其在空间中的运动。由最小几何基准要素定义可以将空间的几何表面形状划分为7类 (如图1所示），即平面类、球面类、圆柱面类、棱柱面类、回转面类、螺纹面类以及自由表面 类。相应的该7类表面提供的自由度为3个自由度(2个平移1个旋转）、3个自由度(3个旋转）、 2个自由度（1个平移1个旋转）、1个自由度（1个平移）、1个自由度（1个旋转）、1个自由度(1个 旋转）以及〇个自由度。
[0013]在夹具设计过程中验证定位销的设计是否合理，即其提供的约束自由度和夹具的 功能需求是否一致的判断可通过拓扑和工艺相关表面技术结合简单的布尔运算实现。其具 体过程为:①根据最小几何基准要素定义将所有的定位销划分为7类基本几何表面形状中 的任意一类。这样能够将不同形状的定位销根据其几何内蕴性划分为7类表面形状中的任 意一类或几类的组合形式，从而简化了几何形状对定位作用的影响，而抽象为最小几何基 准要素，即点、线、面和其组合形式(如图2所示）。②根据基本几何表面形状判定每个定位销 所提供的自由度。根据定位销的表面类型，即通过最小几何基准要素通过数学方式无歧义 的定义每个定位表面的自由度，从而避免了传统方法依靠经验以及"具体问题具体分析"的 人为参与的判断方法，③建立夹具的局部空间坐标系并通过布尔运算计算夹具定位销所能 提供的约束自由度的个数及方向（如图3所示）。通过建立坐标系确定自由度的方向及正负 从而实现自由度的布尔运算，该方法能够支持夹具自由度的数学计算便于实现计算机集 成。④对夹具设计合格性认证。由于主流计算机辅助设计软件(如Cat ia，Sol idworks等）中 使用拓扑和工艺表面相关技术获取几何特征对象，因此，通过该方法对夹具进行合格性认 证便于数据传递以及计算机集成。
[0014] 以上夹具设计认证过程用数学形式表示为如下过程。定义夹具上有η个定位销，各 定位销分别表示为Li，L2. . .Ln;对其建立空间坐标系后找出相应的最小几何基准要素，从而 根据拓扑与工艺相关表面定义将自由度表示为# 的形式， 则n个定位销所能够产生的自由度为：
[0015] |f = D0Fs(Li) nD0Fs(L2) nDOFs(Lm) nDOFs(Ln)
[0016] = {χ: xELi Λ xEL2 Λ xELmA xELn}
[0017]而相应的夹具对工件产生的约束自由度I'f为l'f = 6+，--If。
[0018] 通过拓扑和工艺表面相关理论方法对夹具的设计进行认证，即对其提供的定位能 力进行验证是一种通用性的设计方法，该方法区别于传统的人为参与的判断过程，依靠数 学表达，使得验证结果具有普遍性、唯一性、准确性和可溯源性。解决了尤其是3D打印夹具 依靠计算机辅助设计手段进行设计加工，而缺少一致性的计算机集成的验证技术方法。
[0019] 本发明的新型夹具设计认证方法有以下显著特点：
[0020] 1、一致的数学表达，避免传统方法中凭借人为经验以及"具体问题具体分析"的弊 端；
[0021] 2、简化了种类繁多的定位销的几何形状，抽象为最基本的点、线、面，或其组合；
[0022] 3、夹具提供的约束自由度可通过简单布尔运算实现，便于数据传递和计算；
[0023] 4、拓扑和工艺表面相关技术的应用便于计算机的集成应用。
【附图说明】
[0024] 图1定位销的七种基本表面类型分类
[0025] 图2不同类型表面定位销的最小基准几何要素集 [0026]图3七种类型表面的自由度识别
[0027]图4定位销的配置方式及认证分析
【具体实施方式】
[0028] 以下结合具体加工实例对本发明进行说明：
[0029] 当一个夹具上存在3个定位销，其中2个为圆柱形销以及1个为不规则形状的 棱形销D，且圆柱销的安置方位不同时，如图4所示，则该夹具能够限定的工件运动自由度ξ 'f的求解过程为：
[0030] 1)首先分别对这两种定位销进行曲面类型划分。圆柱销划分为圆柱曲面类，棱形 销划分为棱形曲面类。
[0031] 2)建立夹具以及每个定位销的局部坐标系。通过转换矩阵建立工件与各个定位销 的矩阵转换关系为：
[0032]
[0033