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六点定位法则的正确理解与应用 |
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作者：合肥工业大学 胡鹏浩 费业泰 |
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六点定位法则是指导夹具设计的基本原则，已沿用了几十年，但法则本身并不完善，对法则的理解和应用也存在许多混乱之处，因此有必要对六点定位法则进行再探讨。
1 传统六点定位法则的含义
工件定位的实质就是使工件在夹具中占据确定的位置，因此工件的定位问题可转化为在空间直角坐标系中决定刚体坐标位置的问题来讨论。在空间直角坐标系中，刚体具有六个自由度，即沿X、Y、Z轴移动的三个自由度和绕此三轴旋转的三个自由度。用六个合理分布的支承点限制工件的六个自由度，使工件在夹具中占据正确的位置，称为六点定位法则。人们在阐述六点定位法则时常以图1所示铣不通槽的例子来加以说明：a1、a2、a3三个点体现主定位面A，限制X、Y方向的旋转自由度和Z方向的移动自由度；a4、a5两个点体现侧面B，限制X方向的移动自由度和Z方向的旋转自由度；a6点体现止推面C，限制Y方向的移动自由度。这样，工件的六个自由度全部被限制，称为完全定位。当然，定位只是保证工件在夹具中的位置确定，并不能保证在加工中工件不移动，故还需夹紧。定位和夹紧是两个不同的概念。
图1
2 传统六点定位法则存在的问题
1. a1～a6在有的专著中称为六个定位点，在有的文献中则称为六个支承点，事实上这是两个不同的概念。支承点应是安装在夹具上直接与工件接触的具体定位元件，如支承钉、支承板、V形块等，在加工过程中它们还要参与平衡切削力、重力、夹紧力等；而定位点应是一个抽象概念，是指定位方式对自由度的限制。限制一个自由度称为一个定位点，与支承点的多少无关。例如，工件直接以平面定位时，应限制三个自由度，只应有三个定位点，而事实上此时的支承点远不止三个。而且在一些特殊情况下，工件定位时根本就无具体的支承点，如常见的在车床上用四爪卡盘夹紧工件，用千分表找正，此时并没有具体的支承点参与定位，工件位置的确定是由千分表来完成的，这种定位方式在无支承点的情况下同样可以实现定位。
2. 六点定位法则源于刚体力学，与夹具设计的实际情况并不完全一致。一方面，夹具和工件均是弹性体，在定位、尤其夹紧时易产生弹性变形；另一方面，定位副之间大多存在间隙。而传统的六点定位法则忽略了弹性变形和间隙的存在。事实上，弹性变形和间隙的存在对工件的定位有重要影响。
3. 过定位问题是夹具设计和使用中的敏感问题。文献和专著中一般将过定位定义为“几个定位支承点重复限制同一个自由度，这种现象称为过定位。……在确定工件定位方案时，一般不能出现过定位”。但事实上在夹具设计和应用中，过定位的情况并不少见，而且一些过定位夹具使用效果不错。如图3a所示定位方式，平面限制X、Y方向的旋转自由度和Z方向的移动自由度，芯轴限制X、Y方向的旋转自由度和移动自由度，两种定位方式重复限制X、Y方向的旋转自由度，按现行的过定位定义属过定位，应避免使用，但在实际加工中却常用这种定位方式来滚切齿轮，如图2所示。因此必须对过定位有一个准确的解释，以避免在过定位问题上造成混乱。
图2
3 对六点定位法则的再探讨
在用传统的六点定位法则确定工件定位方案和判断是否属于过定位时，很多人忽略了定位副误差的影响。事实上，夹具和工件的定位面以及定位元件的误差对定位影响很大。图3a所示定位方式虽然属于过定位，但只要工件和夹具定位面的尺寸、形状、位置均无误差，芯轴和端面都能与夹具定位元件的工件表面相吻合，相互之间对自由度的限制就不会发生矛盾。显然，这种状态下的定位是成功的，该夹具是可以使用的。故不应简单地根据自由度被重复限制就判定定位方案属于过定位。如图3b所示，当工件定位面存在垂直度误差时，端面和芯轴对X、Y方向旋转自由度的限制就会发生矛盾。如按平面定位，工件应放平；如按芯轴定位，工件则应垂直。一批工件的内孔和芯轴之间的实际间隙是变化的，当间隙变化时则会形成如图3b、3c所示的两种定位情况，这样工件在夹具中的位置就不确定，导致过定位。若夹具定位面与芯轴存在垂直度误差，也会产生类似情况。显然，重复限制自由度不一定会产生过定位，定位副误差才是产生过定位的主要原因。
图3
由于存在误差而使两种定位方式之间产生矛盾称为干涉。在干涉范围内，若有A、B两种定位方式重复限制某一自由度，设计时必须确定以某一种定位方式为主。如以A方式为主，则发生B方式干涉A方式，应通过合理设计将B方式的干涉减至最小，确保以A方式为主进行定位，反之亦然。如对于图3a所示定位方式，一些夹具设计专著中提出以大端面和短芯轴组合或小端面和长芯轴组合平改善其定位性能，认为这种组合方式不存在过定位。我们认为这种解释是不严密的。大端面和短芯轴组合或小端面和长芯轴组合可改善定位性能的根本原因是采用了以一种定位方式为主，减轻了另一种定位方式的干涉，从本质上说，这种改善后的组合方式与大端面和长芯轴组合方式相比，夹具定位面之间的垂直度误差更小，从而可满足工件的定位要求，不会导致过定位。
由于定位副误差会改变和影响定位性质，故应尽量减小定位副误差，但夹具制造精度的提高毕竟有一定限度，而定位副之间的间隙和定位副的弹性变形可在一定程度上对定位副误差进行补偿，客观上可减轻干涉程度。如图3b、3d所示，在干涉情况下，工件仍可保证以大平面定位为主。当然，配合面的间隙必须满足工件加工精度的要求，不能任意扩大。对于弹性变形，变形量在合理范围内波动是不会导致过定位的。
可以认为，在定位副误差作用下，两种定位方式重复限制自由度的矛盾在量变阶段表现为干涉，在质变阶段表现为过定位。干涉是否会转化为过定位，取决于定位副误差、定位副之间的间隙、夹紧后芯轴的弹性变形等多种因素。图2所示的滚齿定位就属于存在干涉的定位，而不是过定位。
4 避免过定位的措施
提高夹具定位面和工件定位基准面的加工精度是避免过定位的根本方法。
由于夹具加工精度的提高有一定限度，因此采用两种定位方式组合定位时，应以一种定位方式为主，减轻另一种定位方式的干涉，如采用长芯轴和小端面组合或短芯轴和大端面组合，或工件以一面双孔定位时，一个销采用菱形销等。从本质上说，这也是另一种提高夹具定4 位面精度的方法。
利用工件定位面和夹具定位面之间的间隙和定位元件的弹性变形来补偿误差，减轻干涉。在分析和判断两种定位方式在误差作用下属于干涉还是过定位时，必须对误差、间隙和弹性变形进行综合计算，同时根据工件的加工精度要求才能作出正确判断。从广义上讲，只要采用的定位方式能使工件定位准确，并能保证加工精度，则这种定位方式就不属于过定位，就可以使用。
5 结论
六点定位法则中的支承点是指夹具上直接与工件接触的具体定位元件，而定位点是指定位方式对自由度的限制，是一个抽象的概念，两者不可混淆，更不能替代使用。
不可仅凭自由度被重复限制就判定为过定位，定位副误差是产生过定位的根本原因。
误差的存在使重复限制自由度表现为干涉和过定位，干涉为量变阶段，过定位为质变阶段。干涉夹具可以使用，过定位夹具破坏定位，不可使用。
判断是否属于过定位时，应进行误差、间隙和弹性变形的综合计算，同时根据工件加工精度要求才能作出正确判断。(end)
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(10/10/2005) |
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