第一章定位原理及定位器設(shè)計(jì)

第一章定位原理及定位器設(shè)計(jì)工件的定位原理

一、六點(diǎn)定位原理工件的定位（location），就是指工件在夾具中的位置按照一定的要求確定下來，將必須限制的自由度一一予以限制。一個(gè)剛體在空間直角坐標(biāo)系中有六個(gè)自由度，沿X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的移動(dòng)自由度和繞X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。要使工件的位置按照一定的要求確定下來，就必須將它的某些自由度或全部自由度加以限制。用六個(gè)正確布置的支承點(diǎn)可以完全限制工件的六個(gè)自由度，使工件在夾具中占有完全確定的位置。這種用支承點(diǎn)來分析限制工件自由度的方法，“六點(diǎn)定位原理”（six-pointlocatingprinciple）。又稱為“3-2-1定位原理”。一、六點(diǎn)定位原理二、六點(diǎn)定位原理的合理應(yīng)用

要點(diǎn)：全定位與準(zhǔn)定位；過定位與欠定位的定義；減少重復(fù)定位造成不良后果應(yīng)采取的措施。應(yīng)用六點(diǎn)定位原理分析工件在夾具中的定位問題時(shí)，不能認(rèn)為未夾緊前工件還可以相對(duì)定位元件反方向運(yùn)動(dòng)而判斷其自由度未被限制。在分析支承點(diǎn)起定位作用時(shí)，不應(yīng)考慮力的影響，因?yàn)槲覀冋f工件在某個(gè)方向上的自由度被限制，是指工件在該方向上有了確定的位置，并不是指工件在受到使它脫離支承點(diǎn)的外力時(shí)也不運(yùn)動(dòng)，使工件在外力作用下也不運(yùn)動(dòng)的是夾緊的結(jié)果。定位和夾緊是兩個(gè)概念，不能混淆。1.全定位與準(zhǔn)定位

焊接T形板的全定位環(huán)縫焊接工件的準(zhǔn)定位2.過定位與欠定位兩個(gè)或兩個(gè)以上定位支承點(diǎn)重復(fù)限制同一個(gè)自由度，這種定位方式稱為重復(fù)定位或過定位。這種定位狀態(tài)是否允許采用，主要應(yīng)從它產(chǎn)生的后果來判定。過定位示例在實(shí)際生產(chǎn)中，采取適當(dāng)工藝措施，可采用過定位以提高定位剛度，這就是過定位的合理應(yīng)用。2.過定位與欠定位全定位過定位以連桿定位方案為例。若連桿大頭的孔軸線與端面的垂直度誤差很小，長(zhǎng)銷與臺(tái)階面的垂直度誤差也很小，此時(shí)可用大頭孔與長(zhǎng)銷的配合間隙來補(bǔ)償這種較小的垂直度誤差，并不致引起相互干涉；而且用長(zhǎng)圓柱銷定位大頭孔，有利于保證被加工孔相對(duì)大頭孔軸線的平行度。2.過定位與欠定位為減小重復(fù)定位所造成的不良后果，可采取以下措施：1)改進(jìn)定位件的結(jié)構(gòu)，避免重復(fù)定位。2)提高工件定位基準(zhǔn)和相應(yīng)定位工作表面之間的位置精度，以減少干涉引起的不良后果。重復(fù)定位雖然一般應(yīng)當(dāng)避免，但在設(shè)計(jì)工裝夾具時(shí)，對(duì)剛性差的薄板工件，為了提高工件與定位元件的接觸剛度，防止工件變形，常有意識(shí)地采用重復(fù)定位，同時(shí)采取相應(yīng)的工藝措施。2.過定位與欠定位欠定位是指工件實(shí)際定位所限制的自由度數(shù)目少于按該工序加工要求所必須限制的自由度數(shù)目。因此，欠定位的結(jié)果，將導(dǎo)致出現(xiàn)該限制的自由度而未予限制的不合理現(xiàn)象，從而無法保證該工序所規(guī)定的加工要求，設(shè)計(jì)上是不允許的。注意區(qū)分：在批量不大的生產(chǎn)中，有少數(shù)特殊形式的夾具，個(gè)別自由度是通過找正法或用“假銷”限制的，裝夾完后已取出，因此，不要從形式上誤判為欠定位。另一種情況是，雖然定位支承點(diǎn)數(shù)目等于或多于需要消除的自由度數(shù)目，但并未完全限制加工工藝所要求的那個(gè)自由度，從而無法保證該工序的加工精度，此時(shí)仍屬欠定位，甚至既是欠定位又是重復(fù)定位。三、N-2-1定位原理薄板焊裝夾具與通用的機(jī)加工夾具存在顯著的差別，它不僅要滿足精確定位的共性要求，還要充分考慮薄板沖壓件的易變形性和沖壓制造偏差較大的特征。對(duì)于汽車車身這類薄板沖壓件，定位夾具除了具備限制零件剛體運(yùn)動(dòng)的基本功能外，還必須能夠限制過多的工件變形。N-2-1定位原理與廣泛應(yīng)用于剛性件的“3-2-1”定位原理相比，更適用于薄板件的定位。它是在采用變分法確定傳統(tǒng)“3-2-1定位”夾具定位點(diǎn)位置的基礎(chǔ)上，針對(duì)薄板零件易變形的特點(diǎn)提出來的。三、N-2-1定位原理N-2-1定位原理的主要內(nèi)容：1)第一基準(zhǔn)面上所需的定位點(diǎn)數(shù)為N(N≥3)。對(duì)絕大部分薄板件加工過程，其最主要的尺寸問題是薄板件法向方向上的變形，甚至其自重所引起的變形都不容忽視。對(duì)于薄板件而言，最合理的夾具系統(tǒng)是要求其第一基準(zhǔn)面上存在多于三個(gè)定位點(diǎn)去限制這一方向上的零件變形。2)第二、第三基準(zhǔn)面所需的定位點(diǎn)為2個(gè)和1個(gè)。3)禁止在正反兩側(cè)同時(shí)設(shè)置定位點(diǎn)。一、關(guān)于基準(zhǔn)的概念什么叫基準(zhǔn)根據(jù)用途可分為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和工藝基準(zhǔn)。工藝基準(zhǔn)又可分為工序基準(zhǔn)、定位基準(zhǔn)、裝配基準(zhǔn)和測(cè)量基準(zhǔn)。定位方法及定位器一、關(guān)于基準(zhǔn)的概念工件在夾具中的定位，是通過工件上的定位基準(zhǔn)與定位器的工件表面接觸或配合來實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)計(jì)夾具時(shí)首先應(yīng)根據(jù)工件的形狀選擇合理的基準(zhǔn)，工件上被選作定位基準(zhǔn)的表面常有平面、外圓柱面、圓孔、圓錐面、型面等，定位方法和定位器的具體結(jié)構(gòu)應(yīng)與之相適應(yīng)。同時(shí)又要使一個(gè)基準(zhǔn)具有多種用途以減少基準(zhǔn)的數(shù)量，從而簡(jiǎn)化夾具的機(jī)構(gòu)，因此在選擇基準(zhǔn)時(shí)常常將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)作為定位、裝配和測(cè)量基準(zhǔn)，即遵循基準(zhǔn)重合原則。二、工件以平面定位工件以平面作為定位基準(zhǔn)，是生產(chǎn)中常見的定位方式之一，常用的定位器有擋塊、支承釘、支承板等。擋塊的各種形式二、工件以平面定位用永磁材料及軟鋼制成的定位擋塊，可裝配鐵磁性金屬材料的焊接件，特別適用于中、小型的板材及管材的裝配。

支承釘支承板二、工件以平面定位可調(diào)支承工件以圓孔為定位基準(zhǔn)，是生產(chǎn)中常見的定位方式之一。常用的定位器有定位銷、定位插銷和襯套式定位器。三、工件以圓孔定位定位銷圓錐銷襯套式定位器，將襯套分為上、下兩部分，下半部分固定在夾具體(旋轉(zhuǎn)軸)上，上半部分制成活動(dòng)式，向上撐開時(shí)可以頂緊和定位工件，適用于薄壁圓筒環(huán)縫焊接。三、工件以圓孔定位三、工件以圓孔定位定位插銷可以設(shè)計(jì)成各式各樣的手柄，便于拔插，插銷頂端15倒角，插銷定位部分也可以制成削邊銷，減少接觸面積。插銷定位實(shí)例四、工件以外圓柱面定位工件以外圓柱面作為定位基準(zhǔn)，也是生產(chǎn)中常見的定位方式之一，常用的定位器有V形塊、定位套和半圓孔定位器。V形塊作為定位元件，不僅安裝工件方便，而且定位對(duì)中性好，廣泛應(yīng)用于管子、軸和小直徑圓筒節(jié)等圓柱形零件的安裝定位。標(biāo)準(zhǔn)V形塊，根據(jù)工件定位面外圓直徑來選取。V形塊在夾具體上調(diào)整好位置后用螺釘緊固并配作兩個(gè)銷孔，用兩個(gè)定位銷確定位置。V形塊兩個(gè)定位面的夾角有60、90和120三種，其中90應(yīng)用最為廣泛。四、工件以外圓柱面定位間斷型V形塊，用于基準(zhǔn)面長(zhǎng)度較大的工件。如果兩段基準(zhǔn)面相距較遠(yuǎn)，也可以采用兩個(gè)短V形塊組裝的結(jié)構(gòu)。中小型的V形塊常用20鋼制成，滲碳淬火后硬度達(dá)55～60HRC，或用45鋼直接淬火到40～45HRC。四、工件以外圓柱面定位當(dāng)零件直徑不定時(shí)，采用可調(diào)節(jié)的V形鐵，它由底座1、左右夾板2和3、調(diào)節(jié)螺桿4、滑動(dòng)軸承5及止動(dòng)螺釘6組成。調(diào)節(jié)反向雙頭螺桿4，即可調(diào)節(jié)兩V形塊間距。四、工件以外圓柱面定位定位套和半圓孔定位器都是以圓孔定位。以工件端面為主要定位基準(zhǔn)，短定位套孔只限制工件的兩個(gè)移動(dòng)自由度。以工件外圓柱表面為主要定位基準(zhǔn)，長(zhǎng)定位孔限制工件四個(gè)自由度。半圓孔定位，上半圓起夾緊作用，下半圓孔起定位作用。五、組合表面定位以工件上兩個(gè)或兩個(gè)以上表面作為定位基準(zhǔn)時(shí)，稱為組合表面定位。采用組合表面定位時(shí)，如果各定位基準(zhǔn)之間無緊密尺寸聯(lián)系時(shí)，即把各種單一幾何表面的典型定位方式直接予以組合。例如，采用工件的部分外形組合定位。定位樣板，利用工件的輪廓進(jìn)行定位，裝配迅速。五、組合表面定位采用組合表面定位時(shí)，如果各定位基準(zhǔn)之間有緊密尺寸聯(lián)系時(shí)，需設(shè)法協(xié)調(diào)定位元件與定位基準(zhǔn)的相互尺寸聯(lián)系，以克服過定位現(xiàn)象。生產(chǎn)中常見的例子是“兩孔一面”定位，即工件以兩個(gè)中心線互相平行的孔及與之相垂直的平面作為定位基準(zhǔn)。采用的定位元件是兩個(gè)圓柱銷和一個(gè)支承面，或者是一個(gè)圓柱銷、一個(gè)削邊銷和一個(gè)支承平面，即“兩銷一面”的定位方式。其設(shè)計(jì)要點(diǎn)是如何在保證加工精度的條件下，使工件兩孔能順利裝配到兩銷上去。1.以兩個(gè)圓柱銷及平面支承定位兩銷都采用短圓柱銷，實(shí)際上這是一種過定位情況。因?yàn)橐粋€(gè)支承平面限制三個(gè)自由度，每個(gè)短圓柱銷限制兩個(gè)自由度，沿兩孔連心線方向的自由度被重復(fù)限制。假定第一個(gè)孔能正確裝到第一個(gè)銷上，但同批工件第二孔就會(huì)因孔間距誤差和銷間距誤差的影響而裝不到第二銷上，有可能出現(xiàn)孔心距為最小而銷心距為最大，或者孔心距為最大而銷心距為最小的極限情況。1.以兩個(gè)圓柱銷及平面支承定位圖(a)所示，孔心距最大而銷心距最小，即L+ΔLD＞L-ΔLd。此時(shí)，工件無法裝入兩銷。為保證工件能順利定位，可將第二銷直徑減小。這種縮小一個(gè)定位銷直徑的方法，雖然能實(shí)現(xiàn)工件的順利裝卸，但顯然加大了孔與銷的配合間隙，使工件的轉(zhuǎn)角誤差增加，影響裝配精度。因此，只能在加工要求不高時(shí)使用。實(shí)際上往往不采用減小第二銷直徑的辦法，而是采用削邊銷2.以一圓柱銷和一削邊銷及平面支承定位為使工件在極端情況下能裝到定位銷上，在不減小圓銷直徑的情況下，可把第二銷碰到孔壁的部分削去,只留下一部分圓柱面。這樣，在連心線方向上仍有減小第二銷直徑的作用，而在垂直于連心線方向上，由于銷子直徑并未減小，因此工件轉(zhuǎn)角誤差沒有增大，同時(shí)保證工件裝配容易。六、型面定位對(duì)于尺寸較大的薄板沖壓件，其剛性小，極易變形，此外，薄板焊接時(shí)主要產(chǎn)生波浪變形，為防止波浪變形，必須采用較多的輔助定位點(diǎn)和輔助夾緊點(diǎn)來定位，即采用N-2-1定位原理定位。對(duì)于復(fù)雜外形的薄板焊接件，一般采用與工件的型面相同或相似的定位件來定位，這就是所謂的型面定位。型面定位六、型面定位由于型面定位件要求其工作表面必須與工件的相應(yīng)外表面形狀保持一致，因此，這類定位件的加工制造需要采用工件的模型或樣板。目前采用產(chǎn)品CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)控加工較為常見。對(duì)于一些面積較大、形狀復(fù)雜的曲面支承面，也可以采用環(huán)氧樹脂材料，利用模型或樣件研配而成。汽車車門的裝焊胎具定位方案設(shè)計(jì)的方法與步驟定位方案設(shè)計(jì)是夾具設(shè)計(jì)的第一步，也是關(guān)鍵的一步。定位方案設(shè)計(jì)的好壞，將直接影響裝配焊接的精度和效率，并且，定位方案一經(jīng)確定，夾具的其他組成部分也大體隨之確定。因此，對(duì)定位方案問題必須慎重考慮，通常按以下步驟設(shè)計(jì)定位方案：一、確定定位基準(zhǔn)二、確定定位器的結(jié)構(gòu)及其布局三、確定必限的自由度四、提出定位器的材料和技術(shù)要求一、確定定位基準(zhǔn)根據(jù)工件的技術(shù)要求和所需限制的自由度數(shù)目，確定好工件的定位基準(zhǔn)。一個(gè)待裝配的零件，可供選擇的定位基準(zhǔn)面很多，以哪一個(gè)表面作為定位基準(zhǔn)面才能獲得穩(wěn)定可靠的定位呢?這個(gè)問題是關(guān)鍵的一步在夾具上進(jìn)行裝配焊接時(shí)，一般分三步：定位、夾緊、定位焊。選擇定位基準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)考慮焊接可達(dá)性，使施焊處于有利位置，同時(shí)盡可能在夾具上完成所有的焊接，有利于控制焊接變形。裝配焊接的零件都不是單個(gè)，而是許多個(gè)。整個(gè)組裝過程，就是把這許多個(gè)零件按順序逐個(gè)地在夾具上進(jìn)行定位和夾緊，待點(diǎn)固或焊接完后才形成一個(gè)整體。對(duì)于這種情況，主要是選擇一個(gè)組裝基準(zhǔn)面。一、確定定位基準(zhǔn)1)優(yōu)先選擇平面作為主要定位基準(zhǔn)面或組裝基準(zhǔn)面，盡量避免選擇曲面，否則夾具制造困難。2)應(yīng)當(dāng)選擇零部件上窄而長(zhǎng)的表面作為導(dǎo)向定位基準(zhǔn)，窄而短的表面作為止推定位基準(zhǔn)。3)應(yīng)盡量使定位基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)重合，以保證必要的定位精度。4)盡量利用零件上經(jīng)過機(jī)械加工的表面或孔等作為定位基準(zhǔn)。或者以上道工序的定位基準(zhǔn)作為本工序的定位基準(zhǔn)。上述原則要綜合考慮，靈活應(yīng)用。檢驗(yàn)定位基準(zhǔn)選擇得是否合理的標(biāo)準(zhǔn)是：能否保證定位質(zhì)量、方便裝配和焊接，以及是否有利于簡(jiǎn)化夾具的結(jié)構(gòu)等。一、確定定位基準(zhǔn)舉例：工字梁裝配焊接，有兩個(gè)面可作組裝基準(zhǔn)。立裝法：下蓋板的底平面作組裝基準(zhǔn)。缺點(diǎn)是重心高，不穩(wěn)定；裝配上蓋板時(shí)，定位與夾緊困難，需要仰面定位焊。臥裝法：以腹板的側(cè)面作為整個(gè)工字梁的組裝基準(zhǔn)，裝配穩(wěn)定，施焊方便。但兩面定位焊時(shí)，工件需翻轉(zhuǎn)。二、確定定位器的結(jié)構(gòu)及其布局設(shè)計(jì)定位器時(shí)，應(yīng)結(jié)合基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形狀、表面狀況，限制自由度數(shù)目、定位誤差，以及輔助支承的合理使用等；在兼顧夾緊方案的同時(shí)進(jìn)行分析比較，達(dá)到定位穩(wěn)定、安裝方便、結(jié)構(gòu)工藝性和剛性好等設(shè)計(jì)要求。焊接4塊板組成的方框，兩種方案在平臺(tái)上布置定位擋鐵。兩種方案盡管都能確定各零件的位置，但當(dāng)焊接變形引起尺寸B減小時(shí)，方框焊好后哪個(gè)取出順利？三、確定必限的自由度根據(jù)工序圖中裝配順序和技術(shù)要求，正確地確定必須限制的自由度，并用適當(dāng)?shù)亩ㄎ黄鲗⑦@些自由度加以限制。長(zhǎng)圓柱銷限制自由度：2個(gè)移動(dòng)、2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)短圓柱銷限制自由度：2個(gè)移動(dòng)短削邊銷限制自由度：1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)短圓錐體限制自由度：3個(gè)移動(dòng)前后頂尖聯(lián)合使用，限制自由度：3個(gè)移動(dòng)，2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)長(zhǎng)V形塊限制自由度：2個(gè)移動(dòng)，2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)短V形塊限制自由度：2個(gè)移動(dòng)四、提出定位器的材料和技術(shù)要求定位器的材料、硬度、尺寸公差及表面粗糙度要滿足技術(shù)要求，要有足夠的強(qiáng)度和剛性。焊接組合件的制造精度一般不超過IT14級(jí)，夾具的精度必須高出制件精度3個(gè)等級(jí)，即應(yīng)不低于IT11級(jí)。對(duì)于定位元件，其精度等級(jí)可稍高，可取IT9或IT8級(jí)。裝焊夾具定位元件的工作表面的粗糙度應(yīng)比工件定位基準(zhǔn)表面的粗糙度要好1～3級(jí)。定位元件工作表面的粗糙度值一般不應(yīng)大于Ra3.2μm，常選Ra1.6μm。定位器工作表面要有良好的耐磨性（40～65HRC），以確保定位精度的持久性。定位元件可選用45、40Cr等優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金鋼制造，或選用T8、T10等碳素工具鋼制造，并經(jīng)淬火處理，以提高耐磨性。五、定位方案實(shí)例分析以某汽車駕駛室的裝配為例1.裝焊定位基準(zhǔn)的選擇根據(jù)基準(zhǔn)統(tǒng)一原則，汽車駕駛室的裝焊定位基準(zhǔn)及其工裝設(shè)計(jì)基準(zhǔn)應(yīng)與車身的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)保持一致。由于汽車車身是空間形體結(jié)構(gòu)，因此，其設(shè)計(jì)基準(zhǔn)均以X、Y、Z軸坐標(biāo)系間距為200mm的網(wǎng)格線作基準(zhǔn)線即車身坐標(biāo)線。五、定位方案實(shí)例分析駕駛室由前圍、后圍、底板、頂蓋等分總成組成，每個(gè)分總成又都由較多的大小不同的沖壓件裝焊而成。在大量生產(chǎn)中裝焊駕駛室，要設(shè)計(jì)幾十套大型裝焊夾具，只有正確選擇裝焊定位基準(zhǔn)，才能生產(chǎn)出合格的駕駛室。駕駛室兩側(cè)有裝車門用的門框，前、后圍有供裝風(fēng)窗玻璃用的窗口。這些部位裝配關(guān)系復(fù)雜，尺寸要求嚴(yán)格。另外，駕駛室要通過底板上的懸置孔固定在汽車車架上。因此，這些地方都是裝配最重要的部分，在選擇裝配定位基準(zhǔn)