[发明专利]一种汽车类零件夹具设计认证方法

权利要求书

1.一种汽车类零件的夹具设计认证方法，其特征在于：该方法利用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种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；

通过产品几何规范标准中的拓扑与工艺相关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；

7种基本表面类型中每一类中的点、线、面的组合形式由产品几何规范标准中定义的最小几何基准要素确定；

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表面理论唯一确定；

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；

夹具的定位销对工件的支撑定位过程用产品几何规范标准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基本表面类型划分为7类，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个自由度即2个平移1个旋转、3个自由度即3个旋转、2个自由度即1个平移1个旋转、1个自由度即1个平移、1个自由度即1个旋转、1个自由度即1个旋转以及0个自由度；

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类基本表面类型中的任意一类；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类基本表面类型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；②根据基本表面类型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销表面的自由度，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；

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n个定位销，各定位销分别表示为L₁,L₂...L_n；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：

ξ_f＝DOFs(L₁)∩DOFs(L₂)∩DOFs(L_m)∩DOFs(L_n)

＝{x:x∈L₁Λx∈L₂Λx∈L_mΛx∈L_n}

而相应的夹具对工件产生的约束自由度ξ`<sub>f</sub>为ξ`_f＝6^+,--ξ_f。

2.根据权利要求1所述的一种汽车类零件的夹具设计认证方法，其特征在于：当一个夹具上存在3个定位销，其中2个为圆柱形销C₁、C₂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，则该夹具能够限定的约束自由度ξ`_f的求解过程为：

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；

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：

其中为坐标轴间的夹角余弦；

3)确立3个定位销的最小几何基准要素，其各自对应的自由度即：

DOFs(C₁)＝{σ_z^+,-,ε_z^+,-}，DOFs(C₂)＝{σ_y^+,-,ε_y^+,-}，DOFs(D)＝{σ_z^+,-}

4)对组合定位销的自由度分析：①当圆柱形销C₁与不规则形状的棱形销D组合，产生的自由度计算公式为：

DOFs(C₁)∩DOFs(D)

＝{x:x∈C₁Λx∈D}

＝{σ_z^+,-,ε_z^+,-∩σ_z^+,-}

＝σ_z^A+,-

此时只产生z轴正负两个方向的位移自由度，而不存在旋转自由度；②当圆柱形销C₂与不规则形状的棱形销D组合，产生的自由度计算公式为：

DOFs(C₂)∩DOFs(D)

＝{x:x∈C₂Λx∈D}

＝{σ_y^+,-,ε_y^+,-∩σ_z^+,-}

＝0

根据分析考虑包括夹具对工件支撑的方向性，故该夹具所设计定位销限定的约束自由度为：

ξ`_f＝6^+,--ξ_f＝DOFs(C₁)∩DOFs(C₂)∩DOFs(D)＝6^+,-

判定该夹具可提供的约束自由度为6个，同时包括各轴的正负方向性。