装夹特征的分类与定义

一、引言

    装夹特征是工件上用于定位或夹紧的工件形素(形状要素)特征。一方面工件形素特征多种多样，必须明确夹具设计时进行装夹设计所需要的工件形素特征的类型，另一方面装夹特征是装夹规划以及结构设计时进行决策的分析对象和设计对象。总之，装夹特征的分类定义是夹具设计的基础，也是决定夹具设计方法和方式丰富程度的基本因素之一。

    装夹特征是具有装夹涵义的工件实体形素特征，具有形状、尺寸参数、位置、方向以及精度等一般特征属性，还具有可及性、精度等级这类不同于一般形素特征属性的装夹属性。

    迄今为止，对于装夹特征进行系统的分类与定义，及其相关研究尚不多，但这对于发展和开发计算机辅助夹具设计系统实属迫切需要。

二、装夹特征的分类定义方法

    装夹特征表现为定位特征和夹紧特征。其定义的目的在于明确用于装夹的工件表面类型，为装夹规划提供操作对象的特征范围，并作为夹具结构设计的特征依据。

    在夹具设计中，主要的分析、处理对象是工件特征模型上的特征面。显然，装夹特征的主要表现形式是装夹特征面。尽管工件几何形状可能十分复杂，但在夹具的实际应用中，绝大多数的情况下用于装夹的工件表面不外乎平面、外圆柱面、内圆柱面(即孔)三种类型，这主要因为这三种类型的表面具有良好的接触和配合性能，并易于加工和测量。在本系统中，装夹特征主要采用这三种表面类型。

出于夹具设计的需要，装夹特征进一步划分为装夹特征面和装夹特征点，装夹特征点依附于所属装夹特征面，用于明确夹具功能元件在装夹特征面上接触或配合时的具体方位。

    装夹特征具有典型的方向性，并蕴涵着装夹意义。因此，一般按照表面类型、方向、装夹方式三个方面来分类定义如下。

平面类型的装夹特征

    在工件实体模型中，平面的方向特征以其法矢v来表示，平面类型的装夹特征定义如下，其图例说明见图1，其中va=-z，vb=z，vc^z，vd^z，ve^z，工件坐标系以X-Y-Z 表示。

底面定位面：v=-z的用于定位的工件平面表面。

侧面定位面：v^z的用于定位的工件平面表面。

侧面夹紧面：v^z的用于夹紧的工件平面表面。

顶面夹紧面：v=z的用于夹紧的工件平面表面。平面类型的装夹特征面与夹具功能元件装夹接触的位置，只需面上的一个装夹特征点即可描述清楚。为便于叙述，这种装夹接触方式简称为一点装夹。

外圆柱面类型的装夹特征

    外圆柱面与夹具功能元件的接触区域为其表面母线的一段，故其方向特征一般有两个：圆柱面轴心线方向vA，母线的径向法矢方向vR。

外圆柱面在装夹使用中，与夹具功能元件一般有两种典型的接触方式，一种是与定位或夹紧元件在一个表面母线上接触，属于一点装夹的情况；另一种是与装夹元件同时在两个不同的母线上接触(如使用V型块)，称为两点装夹情况。对于一点装夹的情况，装夹特征点取在圆柱表面母线上，是一个实际的形体点；而在两点装夹情况下，则将装夹特征点取为V型块轴向对称面与圆柱轴心线的交点，是一个虚拟的形体点，如图2c中点P5和图3c中点P2所示。这样，通过装夹特征点的位置状态可以清楚地反映与夹具功能元件的接触方式。

    根据轴心线方向vA，外圆柱面分为两种装夹可用状态：vA^z时，称为水平外圆柱面(如图2a)；vA∥z时，称为垂直外圆柱面(如图3a)。

水平外圆柱面在一点装夹情况下，只有四条表面母线可用作装夹特征，定义如下：

顶部夹紧：vR=z的用于夹紧的水平外圆柱面母线。

侧面定位：vR^z的用于定位的水平外圆柱面母线。

侧面夹紧：vR^z的用于夹紧的水平外圆柱面母线。

底部定位：vR=z的用于定位的水平外圆柱面母线。

水平外圆柱面用于两点装夹的情况，定义为水平外圆柱面定位，可用区域为其下半部表面，即vR=-z。

垂直外圆柱面在一点装夹情况下，周向各条表面母线均可用作装夹特征，定义为：垂直外圆柱面侧面定位和垂直外圆柱面侧面夹紧。

垂直外圆柱面用于两点装夹的情况，定义为垂直外圆柱面定位或垂直外圆柱面夹紧，其各部分表面都有可能用于该装夹特征。

外圆柱面用于装夹特征可以是整个圆柱表面，也可以是圆柱表面的一段或一部分。

内圆柱面类型的装夹特征

    内圆柱面，即孔，主要用于定位，其特征方向一般以其轴心线的方向vA表示，vA指向与相应夹具功能元件的接触特征方向相对。该类型的装夹特征分为以下两类：

垂直定位孔：vA∥z的用于定位的内圆柱面。

水平定位孔：vA^z的用于定位的内圆柱面。

其他非基本装夹特征

    边定位：边定位实际上是侧面定位面与底面定位面一起用于特定的定位元件(如角型支承)的组合装夹形式，该装夹形式以其两定位面的交线作为装夹特征的表示，故称为边定位。

    边定位在夹具自动设计时，并不像上面介绍的基本装夹特征一样被装夹规划所考虑，而是作为结构设计根据实际情况进行选择夹具元件的结果表现。但在人工交互设计状态，用户可以直接在工件特征模型上定义该装夹特征。

    特殊定位面和特殊夹紧面，属于用户自定义范畴的装夹特征，主要用于定义工件实体上其他特殊的形素或几个形素组合，以与特定的夹具组件挂钩。从而为专用夹具设备提供了接口，也保证了夹具元件、组件类型以及装夹方式等具有按用户方式扩展的能力。特殊装夹具有明显的专用性，在本文中暂不讨论。

三、小结

    装夹特征的分类定义是夹具设计的基础工作，普遍的工件几何表面一旦被定义为装夹特征便具有了明确的装夹含义。本文对各种工件装夹特征进行了系统地分类与定义，明确了用于装夹的工件表面类型，作为夹具结构设计的特征依据。