电子衡器内部传感器的夹具设计.docx

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电子衡器内部传感器的夹具设计

电子衡器内部传感器的夹具设计

一、绪论

制造业中广泛应用的夹具，是产品制造各工艺阶段中十分重要的工艺装备之一，生产中所使用夹具的质量，工作效率，及夹具使用的可靠性，都对产品的加工质量及生产效率有着决定性的影响，一项优秀的夹具结构设计，往往可以使得生产效率大幅度提高，并使产品的加工质量得到极大的稳定，尤其是那些外型轮廓结构较复杂的，不规则的工件，几乎各道工序都离不开专门设计的高效夹具，目前，机械加工生产企业，其夹具的设计，制造工作量，占新产品工艺准备工作量的50%-80%。

生产设计阶段，对夹具的选择和设计工作的重视程度，丝毫也不亚于对机床设备及各类工艺参数的慎重选择。

夹具的设计，制造和生产过程中对夹具的正确使用，维护和调整，对产品生产的优劣起着举足轻重的作用。

随着微电子技术的迅速发展，计算机数字控制技术在机械制造中逐步得到普及和应用，为机械制造业注入了新的活力。

机电产品的生产受到市场需要的极大促动。

各类新型产品激烈的市场竞争及对老产品市场的挤占，使旧有产品被迅速淘汰，而有性能更好、质量更高、成本更加低廉的新产品所代替。

传统的大规模、专业化单一生产的硬性组织形式和生产手段，也逐渐被以数控加工中心为核心的柔性生产组织形式所代替。

同样，旧有的单一功能夹具，由于标准化和系列化，以及夹具的计算机辅助设计手段的不断完善和推广作用，而逐步地向拼装夹具和通用夹具发展，极大缩短了夹具设计、制造周期，简化了生产的工艺准过程，强化了夹具结构的典型化、标准化和夹具设计的精确性和计算性。

夹具如何更好地适应高速发展的市场需求，已成为夹具发展的新课题。

二.机床

各种电子称重仪内部最重要的零件是传感器，是影响电子称测量精度的直接的原因。

所以传感器的加工要求及它的精度是非常高的，它需要一台性能好，精度高的机床和一个好的夹具而加工中心是一台理想的机床。

法拉克加工中心操作简单，运用广泛。

它有四个轴机床主体及一个刀库。

四轴是X，Y，Z，B轴。

X轴可以左右移动，

Y轴可以前后的移动，Z轴可以上下移动，B轴可以进行360度的转动。

它们都有一个基准点，也就是零点。

加工的工件的坐标可以修改，从而来保证工件的精度，所以各个轴的功能保证了零件的加工精度及她的加工工艺，而各个基准点是编制程序，工件坐标刀具的长度的依据是加工中心安全的保证。

特别是Z轴（Z轴是机床的主轴，进行高速的旋转，刀库里的刀是通过机械手来放入Z轴来加工的）。

机床的刀具都是专用刀具，可以通过换刀片和换刀来避免因为刀具的磨损而影响工件的精度。

刀具的长度是通过电子对刀仪测量的，确保了工件的精度和机床安全。

三.分析工件的加工要求

传感器的加工精度是很高，最主要的是孔壁的精度，要保证四个孔壁都在公差范围内。

孔壁的精度和内孔的尺寸和外表面加工深度有关。

外表面由铣刀及B轴的角度来保证，而内孔有镗刀保证尺寸。

为了防止工件的内孔偏，尺寸不一样，影响精度所以铣刀铣的两个面的深度应该一样，内孔不偏的话就可以通过修改工件的坐标系（XYZB）的尺寸来保证。

内孔的表面粗糙度和孔的大小有镗刀来加工保证。

考虑的加工精度及经济性，所以有镗刀代替专用铰刀。

因为：

a.没有这样不规则的铰刀（15.57）b.镗刀能保证孔的大小和形位精度铰刀只可以保证孔的大小。

C.镗刀和铰刀都有磨损，镗刀磨损可以同过换刀片和调大尺寸来保证，很方便也很经济。

铰刀磨损后要换铰刀浪费了工作的时间d.镗刀为可调镗刀它可以根据零件规格要求的不同随意的调动镗刀的大小从而来来改变孔的大小，而铰刀只能重新换刀，进行装刀，对刀影响工作的时间，所以我们用可调的镗刀来代替铰刀。

工件的装夹过程：

第一工位的四个工件前后左右安装方向一致，工件在Y轴方向上要靠紧挡块，在X方向上要靠紧垫块，不能有间隙，定位准确后有扳手夹紧工件，夹紧后要检查一下，第二工位的四个工件在X方向要靠紧定位销，Y方向要靠紧定位套，要同时进行然后有内六角扳手旋紧螺钉，要从左到右依次旋紧，装好了要检查。

工件的加工过程：

在第一工位（0度）装四个工件通过铣刀来加工一个面，加工完后在放到第二工位（180度）夹紧工件，通过铣刀加工另一个面，加工好之后B轴在180度的基础转过+90度，Z轴的刀具换成D8.5的钻头加工两个工件，加工好了后在180度的基础上转过-90度加工另外两个工件，加工好了后刀具换成D15.0的钻头加工在-90度上的工件，然后在加工+90度上的工件，加工完后刀具换成D15.50的镗刀镗+90度用D15的钻头加工好的孔，然后在加工+90度上的D15的钻头加工出来的孔，加工完之后刀具换到铣刀程序结束后，把工件拿下来倒掉工件上的毛刺工件的尺寸在公差范围内那就是成品，如果尺寸不好可以通过改坐标来改变工件的精度。

四、确定设计方案

根据零件要求，确定设计方案。

要求如下：

零件名：

AMI-15kg（弹性体）作用：

用于电子衡器内部传感器

产量：

5000只/月双班制工作日：

22天/月

材料：

LY12-C2制造设备：

数控加工中心

精度：

IT8零件图：

见图AMI-15Kg

本课题是用于装夹AMI-15kg弹性体，在数控加工中心上进行加工的夹具，根据零件要求及机床本身要求，分析得之，确定夹具一次加工四个零件，方能完成计划产量。

由于精度要求较高，所以尽量采用一次装夹完成多道工序的加工。

根据夹具要求确定设计方案：

1、夹具的概念：

在机械制造的各类工序中，与机床有关的用以装夹工件的装置，统称为夹具。

2、夹具的作用：

a、提高劳动生产率。

b、保证工件的加工精度，稳定整批工件的加工质量。

c、改善工人劳动条件。

d、降低对操作工人的技术等级要求。

3、对数控加工中心的机床夹具要求：

a、数控加工中心的精度很高，一般用于高精度加工。

对其夹具也提出较高的定位安装精度要求和转位，对定精度要求。

b、快速装夹工件：

为适应高效、自动化加工的需要，夹具结构应适应快速装夹的需要，以尽量减少工件装夹的辅助时间，提高机床切削运转利用率。

c、夹具应有良好的敞开性：

加工中心为夹具自动走刀加工。

夹具及工件应为刀具的快速移动和换刀等快速动作作提供较宽敞的运动空间。

尤其对于需多次进出工件的多刀、多工序加工，夹具的机构更应尽量简单、开敞，使刀具容易进入，以防刀具运动中与夹具工件系统向碰撞。

d、夹具的本身机动性好：

加工中心加工追求一次装夹的条件下：

尽量干完所有机加工内容，对于机动性能稍差些的，可以借助夹具的转位、翻转等功能弥补机床性能的不足，保证一次装夹条件下完成多面加工。

e、夹具在机床坐标系中坐标关系明确、数据简单，便于坐标的转换计算：

加工中心均具有自己固定的机床坐标系，而装夹在夹具上的工件,在加工时,应明确其在机床坐标系中的确切位置,以便刀具按照程序的指定路线运行,切出预期的尺寸的形状.要求机床上的夹具定位系统,应指定一个很明确的零点,表明装夹工件的位置,并根据此选择坐标系的原点.有时也可直接把工件坐标系原点选在夹具零点上。

f、机床夹具应为刀具的对刀提供明确的对刀点；加工中心加工中，每把刀具进入程序中均应有一个明确的起点，称为这一刀具的起刀点（刀具进入程序的起刀点）若一个程序中要调用多把刀具对工件进行加工，需要使用每把刀具都由同一起点进入程序，因此，各刀具在装刀时，应把各刀的刀位点都安装或校正到同一个空间点上，这个点称为对刀点。

当刀具经磨损，重装而偏离这一依据点，多通过改变刀具相对这个点的坐标偏移补偿值自动校正各刀的的起刀路线参数值，而不需改动已经编制好的程序。

g、高适应性：

加工中心加工的机动性和多变性，要求机床夹具应具有对不同工件，不同装夹要求的较高适应性，一般情况下，多采用各种组合夹具。

在专业化大规模生产中多采用拼装夹具，以适应生产多变化，生产准备周期短的需要。

在批量生产中，也常采用结构较简单的专用夹具，以提高定位精度。

在品种多变的行业性的生产中多使用可调夹具和成组夹具，以适应加工的多变性。

总之，机床夹具可以根据生产的具体情况灵活选用合适的夹具。

4、夹具的组成

a、定位装置：

定位装置由各种标准或非标准的定位元件组成，用来解决工件相对于夹具的定位问题。

b、夹紧装置：

是由各种夹紧元件组成，用以解决工件在夹具中的夹紧问题。

c、夹具体：

是整个夹具的基础，依靠夹具与机床相联系，夹具上其它各类结构装置都靠夹具体连接而成为一个整体。

五、夹具的设计与定位误差的分析

A、工件在夹具中的定位

1、工件在工位上的不确定度：

为保证工件的加工要求，工件在工位上安装时必须保证其相对于刀具的切削成型运动处于正确的空间位置，凡使用夹具的工序应通过两个环节来保证满足这一要求：

一个环节是，工件杂夹具中装夹时，要保证相对夹具处于正确的空间位置。

对于批量生产的工件，要考虑多个工件重复地放置到夹具中时，应能保证整批工件相对夹具应占有同一个空间位置，这一环节要靠夹具的定位装置来保证。

另一个环节是，要保证夹具与机床连接时，其相对与机床，刀具及其切削成型运动应具有一正确的相对位置，这一环节要靠夹具的对定装置和通过夹具的正确调装来保证。

2、不定度概念：

用来描述工件在某一预先设定的空间直角坐标系中定位时，其空间位置不确定程度的六个独立位置参量，称为工件在此坐标系中的六个位置不确定度，称六个不定度。

当工件有六个不定度时，是工件空间位置不确定的最高程度；工件具有的不确定度越少，说明工件的空间位置确定性越好。

当工件的六个不定度都被清除时，它在这一空间的位置即被完全确定下来，具有位置的的唯一性。

工件在夹具中的定位，就是要根据加工的需要，清除工件的某些不定度。

夹具对工件清除不定度是通过对工件位置提供定位点来实现的。

3、六点定位基本原理

在工件的定位中，我们用由空间合理分布的最多六个定位点，来限制工件的最多六个空间位置的不定度，这一原理称为工件的六点定位基本原理，简称六点定位原理。

由于六点定位原理中对定位的空间分布位置要求遵守一定的规则（空间合理分布），所以习惯上又把此原理称为六点原则。

在六点定位原理中，要求各定位点在空间分布的位置必须要合理，即满足一定的位置要求。

由于被加工零件的几何形状，加工要求，参与定位的表面情况千差万别，定位点究竟如何安排最为合理，应针对工件的具体情况分析。

4、定位方式

工件在夹具中的定位方式有几种：

a、完全定位

b、不完全定位

c、欠定位

d、过定位（重复定位）

工件在夹具中定位时，六个不定度全部被限定的定位，称为完全定位。

工件在夹具中定位时，从保证加工要求来看，不需要限制六个不定度的定位方式为不完全定位。

工件在夹具中定位时，工件应该消除的不定度没有相应的被消除的定位，称为欠定位。

工件在夹具中定位时，工件的某个或某些不定度被不同的定位元件重复限制的定位，属于重复定位。

欠定位即定位不足，夹具提供的定位点数少于工件加工应消除的不定度数，它不能保证工件合格加工要求，所以，欠定位在实际生产中，是决不允许出现的。

重复定位的不良后果：

a、重复定位会造成定位定位质量不稳定，降低定位精度；

b、重复定位可能引起夹紧变形和虚假接触；

c、重复定位可能造成工件装夹困难。

重复定位结构的改善措施：

a、提高工件定位表面的加工精度；

b、修改夹具的重复定位结构；

c、把不重要的，引起重复的定位方向上的重复定位约束关系设法除掉，以明确各元件的定位任务，避免干涉产生。

重复定位的合理利用（原则上不采用）有利结果：

a、可简化定位结构，有利于提高定位元件的结构刚性；

b、可以增加工件与夹具间的接触面积，提高接触刚度。

5、具体定位方案及分析

a、第一定位（0°板）的工件定位：

利用挡块1来限制工件y轴方向的移动的不定度，利用挡块2来限制工件的x轴方向的移动的不定度，z轴方向的转动的不定度；利用顶板来限制工件的z轴方向的移动，x轴方向的转动的不定度，y轴方向的转动的不定度。

具体定位方法见图J30-76376安装板2。

b、第二定位（180°板）的工件定位：

利用定位套J30-76374来限制工件的y轴方向的转动的不定度，z轴方向的移动的不定度；利用定位销来限制x轴方向的移动的不定度；利用安装板1J30-76372来限制x方向的转动的不定度，z轴方向的转动的不定度，y轴方向的移动不定度。

具体定位方法见图J30-76400。

c、定位方案分析：

根据六点定位原理，第一工位元件的x方向的移动，x轴方向的转动，y轴方向的移动，y轴方向的转动，z轴方向的移动，z轴方向的转动的六个不定度完全被限制，符合六点定位原理，并符合完全定位原则，故该定位方案是完全定位，是正确的定位方案。

再根据六点定位原理，第二工位元件的x轴方向的移动，x轴方向的转动，y轴方向的移动，y轴方向的转动，z轴方向的移动，z轴方向的转动的六个不定度完全被限制，符合六点定位原理，并符合完全定位原则，故该定位方案是完全定位，是正确的定位方案。

定位误差的计算：

1、工序分析

由图各尺寸给出的情况得知：

本工序内容：

加工出Ф15.57内孔壁厚。

本工序尺寸要求：

1.75+0.05mm

本工序基准：

基面B

定位基准：

基面A

2、基准不重合误差ΔB

由于工序基准与定位基准不重合，故有：

ΔB误差=0.02mm

3、基准位置误差ΔW

工件定位基准为基面A，由图知：

工件定位基准面与夹具理想定位平面相接触，近似符合最小条件的规定，故认为其基准位置误差为零。

即：

ΔW=0

4、定位误差：

ΔD=ΔB+ΔW=1/2*T19+0=0.02mm

5、定位质量评定：

ΔD≤（1/5-1/3）*0.10mm

故本夹具的定位系统满足工件定位安装精度的要求，允许投入实际生产中使用。

B、工件在夹具中的夹紧

夹具中用来完成工件夹紧的装置，称为夹紧装置，同定位装置一样，夹紧装置也是夹具中的重要组成部分，它担负着夹固工件，保证加工过程中工件在其定位装置上稳固不动的功能，夹紧装置的结构是不合理，夹紧是否可靠，直接决定切削加工能否顺利进行，对保证加工精度，提高劳动生产率，保证安全生产，减轻工人的劳动强度，都有很大的影响。

1、对夹紧装置的基本要求：

a夹紧要可靠；

b夹紧不允许破坏定位；

c夹紧变形要尽量小，且不能压伤工件；

d操作要方便。

2、夹紧力三要素的合理确：

夹紧力的大小，方向和作用点，习惯上被称为夹紧力的三要素，在确定夹紧装置结构时，夹紧力三要素的正确选择是首先要解决的重要问题。

a、夹紧力的方向：

主要夹紧力的方向应尽量指向工件的主要定位基准表面；夹紧力的方向应尽量与切削力，重力方向保持一致；夹紧力方向应尽量施于工件刚性较强的方向；夹紧力的作用线应分布于工件有效支撑面范围以内，以防止工件发生倾覆

b、夹紧力作用点的合理确定：

夹紧力作用点应选择工件刚性较好的部位；夹紧力作用点应尽量靠近工件要加工的部位。

c、夹紧力大小的合理确定：

夹紧力大小的确定是否合理，关系到工件安装与加工的可靠性，关系到夹紧变形的大小，关系到夹紧机构的复杂程度和主要夹紧元件的规格尺寸，并影响到夹紧传动装置的结构尺寸，以及整个夹具的外形轮廓尺寸的大小。

影响夹紧力的主要因素是切削力，其次是工件的安装夹紧的结构形式，切削点与夹紧点的位置关系；对于高速运动和旋转的工件，还应考虑夹具及工件的重力和离心惯性力的影响，工件压紧表面的摩擦质量等因素，实际生产中一般较难准确地计算所需夹紧力的大小，工程上为方便起见，只有对于比较重要的夹紧，才根据具体切削条件和安装条件，通过静力平衡条件或动态静力分析法来解算理论夹紧力的大小，然后通过各种具体使用条件下的修正系数折算出实际所需基本夹紧力的大小，多采用估算法和类比法来大致确定所需夹紧力的基本大小，并以此为选择夹紧装置的依据，所谓类比法即根据工件的具体加工要求，包括一切切削用量大小，一切切削负荷的轻重，生产效率的高低，刀具应用情况，装夹条件等，参照生产部门现有生产中相类似切削条件的夹紧装置的应用情况，加以比较，而大致确定所需夹紧装置的主要规格，如螺纹直径等参数。

估算法是抓住影响夹紧力大小的几个主要参数，按照静力平衡条件来进行简单的理论夹紧力计算，然后乘以一定的安全系数，来确定夹紧力的大小，常用的公式：

w=k*p。

3、确定夹紧方案及分析。

a、第一工位（0度板）的工件的夹紧：

利用双头螺钉m１０（J３０－７６３８３图），一头固定在压板（J３０－７６３８１图）上，另一端穿过顶板（J３０－７６３７８图），用螺钉旋紧，使工件向上移动靠紧顶板而夹紧工件，具体方案见图J３０－７６３７６。

b、第二工位（１８０度板）的工件的夹紧：

利用双头螺钉M１０（J３０－７６３７５图）一头固定在安装板（J３０－７６３７２图）上，另一头通过压板１（J３０－７６３７１图），用螺母拧紧固定工件右端，从而完成全部夹紧。

c、分析：

夹具的夹紧是根据夹具的夹紧要素及要求确定的本方案的夹紧力方向与重力方向一致和切削力的方向一致，其力施于工件刚性较好的部位，作用线分布范围足够。

夹紧力大小根据类比法，与同类产品对比，确定出螺钉大小，压板夹紧力大小，并通过实验证明符合条件，故本定位方案完全符合夹紧要求及要素，是正确的夹紧方案。

C、夹具的对定

　　为保证某工序的加工精度要求，工件加工时，应使在工位上安装好的工件相对于机床上的刀具及机床的切削成形运动保持正确的相对位置。

当这一工序采用夹具定位时，上述位置要通过两个环节来保证：

一是要保证工件相对于安装工件的夹具保持正确位置，这就是前面讲到的工件定位问题；另一环节是要保证夹具在机床上安装时它相对于机床，相对于机床上的刀具，相对于机床的切削成形运动，应具有一个正确的位置，这就是夹具对定所要解决的问题。

1、夹具对定概念：

使夹具相对于机床，相对于机床的刀具，相对于机床刀具的切削成形运动，处于正确的空间位置的过程，称为夹具的对定。

夹具对定包括三方面的内容：

a、夹具在机床中的对定问题，b、夹具定位系统相对刀具的预定位置正确性　c、夹具的转位分度及其分度位置的准确对定。

２、夹具与机床间的连接

　夹具在机床上的连接安装主要有两种形式：

a、夹具靠比较稳固的安装平面，安装在机床的工作台平面上；b、对于没有平面工作台的机床，夹具多通过定心锥柄，定心连接盘等结构，安装在机床的回转主轴上。

３、夹具的调整：

夹具的调整包括夹具各组件，元件相对夹具体的调整装配和夹具相对机床的调整两方面内容，其调装精度决定夹具最终安装误差△安装的大小。

４、夹具的对刀：

夹具在机床上调准安装位置后，其相对刀具也应保证位置正确，即夹具的定位系统相对于刀具，应满足本工序对刀尺寸的要求，这一工作称为夹具的对刀。

5、夹具的转位及分度

　a、夹具的转位是指：

工件在夹具上一次性地定位，夹紧后，需要经过夹具转位机构带动工件进行数次的持续移动或转动，才能完成本工序多公步的全部加工内容，夹具的这种带动工件所进行的加工位置转换动作称为夹具的转位。

　b、夹具的分度　转位对夹具的结构提出两个方面基本要求：

一是要求夹具在工件正常定位，夹紧的状态下，要具备能带动工件做直线移动或转动的转位能力；二是要求夹具要具备在即定的第二，第三加工位置准确的到位，定位的能力，以确保被加工要素间的相互位置精度要求。

由于夹具每次的转动，需要准确地控制其转角的大小，即习惯上所称的严格分度，所以，习惯上把夹具转位的严格控制称为夹具的分度。

６　夹具对定的具体方案

　a、本夹是通过定位螺钉，把夹具对定在主轴横梁上，以保证夹具体的对定精度。

　b、夹具的转位及分度，是通过机床计算机发出伺服系统信号，控制主轴横梁进行精确地转位及分度，完成一，二工位的加工。

六、加工工艺流程

把该程序输入FANUC加工中心，将毛胚进行加工，对加工出来的零件进行检测。

结果显示零件完全符合所需要的尺寸和精度的要求。

八、参考文献

[1]<<机床夹具>>中国劳动社会保障出版社

[2]吴明友，<<数控机床加工技术（编写与操作）>>东南大学出版社

[3]王志平，<<机床数控技术应用>>高等教育出版社