一种基于多层次灰色理论的夹紧机构选择方法

1.本发明属于计算机辅助加工技术，应用于夹具设计过程中夹紧机构的选择，特别涉及一种基于多层次灰色理论的夹紧机构选择方法。


背景技术：

2.随着中国制造业体量业已超过美日德三国体量之和，而且中国制造业包含制造业所有200多个门类。无论是传统制造业还是现代柔性制造系统，大量的加工制造都离不开装夹，一个好的装夹布局方案，在很大程度上影响着零件的加工质量。装夹布局方案的构思与规划，是实现夹具设计自动化的关键技术，也是整个夹具设计中最为复杂和抽象的环节。工件在机床或夹具中定位后，还需进行夹紧，而夹紧力是由夹紧机构提供的。根据夹紧机构的结构特点和功用，夹紧机构一般由产生作用力的动力源、传递作用力的传力机构、执行夹紧的夹紧元件等三部分组成。夹紧机构的设计和选用是否正确合理，对于保证加工精度、提高生产效率、减轻劳动强度具有很大影响。
3.对于夹紧机构选择问题，国内外大多数学者根据力学上的死点、压力角和摩擦角等，按工作原理将机床运动部件夹紧机构进行分类，但针对具体加工工况的零件，分类依据并不能作为工件选择夹紧机构的依据，因此，在实际加工中，无法根据夹紧机构种类选择出最适合加工零件的夹紧机构，即在已有夹紧机构种类和如何为零件选择最契合的夹紧机构中存在技术断层。也有较多学者根据实际加工零件设计专用的夹紧机构(专用夹具)，这样可以较好的解决夹紧机构和加工零件契合问题，但是很可能会因设计专用夹具而增加企业加工成本。


技术实现要素：

4.本发明提供一种基于多层次灰色理论的夹紧机构选择方法，为零件夹紧机构选择提供依据，更好的保证零件加工质量，同时根据零件加工特性，主动匹配最适合该零件的夹紧机构，为计算机辅助夹具设计提供理论基础。
5.本发明的目的是这样实现的。一种基于多层次灰色理论的夹紧机构选择方法，其步骤如下：
6.步骤一：建立多层次结构模型；夹紧机构多层次结构模型包含目标层、准则层和指标层，根据各层次指标的从属关系，构造评价指标的层次结构模型，各层次指标集合为：t＝{t1,t2,t3}，t1＝{t
11
,t
12
}，t2＝{t
21
,t
22
,t
23
}，t3＝{t
31
,t
32
,t
33
}；
7.步骤二：确定指标权重；具体步骤如下：
8.采用标度法建立各指标集合的判断矩阵t，通过相互比较确定指标集合中各因子对目标的权重，来构造判断矩阵t中的各个元素a
i,j
；
9.一致性检验，假定λ
max
、w＝[w1,w2,w3]
t
为判断矩阵t的最大特征值及其相应的归一化特征向量，根据一致性比率cr对判断矩阵t进行一致性检验；若检验通过，归一化的特征向量w即可作为准则层对目标层的指标权重，否则需重新构造判断矩阵t；其中，一致性比率
cr为：
[0010][0011]
式中，ci为判断矩阵的一致性指标，且：
[0012][0013]
式中，n为判断矩阵的阶数；
[0014]
ri为判断矩阵的平均随机一致性指标，其值随判断矩阵的阶数变化而不同；
[0015]
对判断矩阵进行一致性检验，cr的值越小，判断矩阵进行一致性越好，当：cr≤0.1；
[0016]
则判断矩阵中的各元素一致性较好，此时，归一化的特征向量即可作为层权向量；否则，说明判断矩阵中的各元素一致性较差，需要重新构造新的判断矩阵，直至判断矩阵的cr值小于等于0.1；这里，记准则层对目标层的权重为tw，指标层对准则层的三组权重分别为t
1w
、t
2w
、t
3w
；
[0017]
步骤三：构造评价样本矩阵：
[0018]
组织专家对夹紧机构各指标进行评价打分，采用多层次灰色评价法对夹紧机构进行评价，夹紧机构的评分范围为：4分、3分、2分、1分，分别对应代表：优秀、良好、一般、差。
[0019]
假定第k位专家对夹紧机构指标层的8个指标分别进行打分，且k＝1,2,
…
,p，其得分情况表达式如下：
[0020]
t
(k)
＝(t
1(k)
,t
2(k)
,t
3(k)
)
t
＝(t
ijk
)
[0021]
式中，t
(k)
为8行p列的矩阵；
[0022]
步骤四：确定评价灰类；确定夹紧机构评价样本矩阵的评价灰类的等级数、灰类的灰数以及夹紧机构灰数的白化权函数；
[0023]
假定夹紧机构评价灰类序号为e，其中：e＝1、2、3、4，夹紧机构评价灰类对应分为：优秀、良好、一般、差；夹紧机构第1灰类为“优秀”，即灰数e＝1，其白化权函数为f1，其表达式如下：
[0024][0025]
夹紧机构第2灰类为“良好”，即e＝2，其白化权函数为f2可表达式如下：
[0026][0027]
夹紧机构第3灰类为“一般”，此时e＝3，其白化权函数为f3可描述为：
[0028][0029]
若夹紧机构第4灰类为“差”，即e＝4，其白化权函数为f4的表达式为：
[0030][0031]
对于夹紧机构的评价指标t
ij
，该夹紧机构属于第e个评价灰类的灰色评价系数t
ije
为：
[0032][0033]
对于夹紧机构的评价指标t
ij
，该夹紧机构各个评价灰类的总灰色评价系数为：
[0034][0035]
步骤五：灰色评价权向量及其矩阵：
[0036]
p位专家对于每类夹紧机构评价主张第e个评价灰类的灰色评价权向量t
ij
＝[t
ij1
,t
ij2
,t
ij3
,t
ij4
]
t
为：
[0037][0038]
同理，计算夹紧机构其它的指标各类灰类的灰色评价权向量，从而得到夹紧机构所属指标对于各评价灰类的评价权矩阵分别为：
[0039][0040]
[0041][0042]
步骤六：性能综合评价：
[0043]
先对夹紧机构的一级指标进行综合评价，得到的综合评价结果分别为：
[0044][0045][0046][0047]
由此，得到夹紧机构夹紧功能的灰色综合评价结果如下：
[0048][0049]
其中：
[0050]
由于夹紧机构的评分范围为：4分、3分、2分、1分，分别对应代表：优秀、良好、一般、差。设d＝[4,3,2,1]
t
，则夹紧机构p个专家打分后综合评价的分值为：
[0051]
y＝y
xd[0052]
步骤七：根据步骤一到步骤六，对同一需要加工的零件，计算出不同夹紧机构的性能综合评价数值，综合评价数值越大的夹紧机构越适合选做该零件的夹紧机构，因此，根据候选夹紧机构综合评价数值大小排序，选择对应数值最大的夹紧机构。
[0053]
本发明在零件装夹设计过程中提供科学合理的夹紧机构选择依据，该夹紧机构选择过程全部通过数学公式推导，整个夹紧机构选择方法可以通过计算机编程实现，为计算机辅助夹具设计奠定了理论基础；结合了零件加工实际工况和不同类型夹紧机构的特点，通过专家打分的方式，给指标层中各个构指打分，通过这种方法选择出来的夹紧机构更可以契合实际工况下的工件，提高零件加工质量，满足实际加工要求；该发明具有较强通用性，实用性强。
附图说明
[0054]
图1是本发明的评价指标及其层次结构模型；
[0055]
图2是本发明的实施例中连杆1剖面结构图；
[0056]
图3是图2的俯视图；
[0057]
图4是本发明的实施例中连杆1及螺旋夹紧机构2的装配图。
具体实施方式
[0058]
以下结合附图和实例对本发明做进一步说明。参见图1至图4，一种基于多层次灰色理论的夹紧机构选择方法，具体步骤如下：
[0059]
在连杆1上钻的通孔(如图1和图2所示)，分别选择a、e为定位基准，d、e为夹紧表面，而b为辅助支撑表面。容易根据孔的几何、装夹及加工信息(如图4所示)，选出定位元件分别为长心轴+小端面，活动v形块以及辅助支撑，现为钻孔选择夹紧机
构。
[0060]
在夹具的各种夹紧机构中，以斜楔、螺旋、偏心轮机构以及由它们组合而成的夹紧机构应用最为普遍。不同的夹紧装置，各有特点，螺旋夹紧机构2结构简单，增力比大，夹紧可靠，可以保证自锁；斜楔夹紧机构工作可靠，有较大增力特性，但夹紧力小，操作不方便；偏心轮夹紧机构结构简单，夹紧动作快，有一定的增力作用，不耐振动。因此，选择夹紧机构主要考虑自锁性、增力比、操作性、元件标准化度、结构简单等指标。
[0061]
斜楔夹紧机构。在夹具的各种夹紧机构中应用多层次灰色评价法对连杆1的斜楔夹紧机构进行评价，假设总共邀请三位专家对该夹紧机构的进行评估，夹紧机构的评分范围为4分、3分、2分、1分，分别代表优秀、良好、一般、差。
[0062]
首先分别求出准则层对目标层的权重tw，以及指标层对准则层的三组权重值t
1w
，p
2w
，p
3w
。按照1-9标度法构造准则层对目标层的判断矩阵t为：
[0063][0064]
容易求得最大特征值为λ
max
＝3.0037，故有cr＝0.0032＜0.1，可知该相对判断矩阵通过一致性检验，表明其元素构造比较合理，元素一致性较好。根据该判断矩阵，可得准则层对目标层的权重值为tw＝[0.5242,0.2785,0.1973]
t
；
[0065]
同样，根据1-9标度法，构造指标层对准则层中技术指标的相对判断矩阵t1如下：
[0066][0067]
由于矩阵t1的最大特征值λ
max
＝2，故cr＝0＜0.1。因此，该相对判断矩阵通过一致性检验，其归一化的特征向量可以作为方案层对准则层中的技术指标权重值，即有t
1w
＝[0.6,0.4]
t
。
[0068]
根据1-9标度法，可构造指标层对准则层中第二个技术指标(即结构设计)的相对判断矩阵t2为：
[0069][0070]
因λ
max
＝3.0037，故cr＝0.0032。由于cr＜0.1，所以该判断矩阵通过一致性检验。显然，该相对判断矩阵的归一化特征向量w＝[0.1997,0.3759,0.4244]
t
可作为指标层对准则层中结构设计的权重值t
2w
＝w。
[0071]
类似地，根据1-9标度法，构造出指标层对准则层中第三个技术指标“安全高效”的相对判断矩阵t3如下：
[0072][0073]
这样，判断矩阵的最大特征值及其相应的特征向量分别为λ
max
＝3.0037和w＝[0.4585,0.6472,0.6090]
t
。故有cr＝0.0032＜0.1，因此该相对判断矩阵通过一致性检验。那么，该相对判断矩阵的归一化特征向量可作为指标层对准则层中安全高效的指标权重，即t
3w
＝[0.2674,0.3774,0.3552]
t
。
[0074]
假设三位专家对斜楔夹紧机构指标层的8个指标分别进行打分，其得分情况分别如下：
[0075][0076][0077][0078]
其中，(3)代表三个专家进行评分。
[0079]
对于斜楔夹紧机构的评价指标t
11
，属于第e个评价灰类的灰色评价系数t
11e
为：
[0080][0081]
由此可得，对于斜楔夹紧机构的评价指标t
11
，该斜楔夹紧机构各个评价灰类的总灰色评价系数为：
[0082][0083]
可知，三位专家对于斜楔夹紧机构评价主张第e个评价灰类的灰色评价权向量t
11
＝[t
111
,t
112
,t
113
,t
114
]
t
为：
[0084]
[0085]
同理，可以计算斜楔夹紧机构其它指标各类灰类的灰色评价权向量，从而得到斜楔夹紧机构所属指标对于各评价灰类的评价权矩阵分别为：
[0086][0087][0088][0089]
因此，可对斜楔夹紧机构的一级指标进行综合评价，得到的综合评价结果分别如下：
[0090][0091][0092][0093]
由此，可以得到斜楔夹紧机构夹紧功能的灰色综合评价结果为：
[0094][0095]
其中：
[0096]
由于d＝[4,3,2,1]
t
，则斜楔夹紧机构三个专家打分后的综合评价的分值为：
[0097][0098]
因此，斜楔夹紧机构的夹紧效能综合评价为良好。
[0099]
螺旋夹紧机构2。假定三位专家对螺旋夹紧机构指标层的8个指标进行打分的情况如下：
[0100][0101][0102][0103]
那么，对于螺旋夹紧机构2的评价指标t
11
，属于第e个评价灰类的灰色评价系数t
11e
为：
[0104][0105]
因此，对于螺旋夹紧机构2的自锁性，各个评价灰类的总灰色评价系数应为：
[0106][0107]
这样，三位专家对于螺旋夹紧机构2评价主张第e个评价灰类的灰色评价权重为：
[0108][0109]
显然，可知三位专家对于螺旋夹紧机构2对自锁性这一技术指标的灰色评价权向量t
11
为：
[0110]
t
11
＝[0.6,0.4,0,0]
t
[0111]
同理，可以计算其它技术指标各类灰类的灰色评价权向量，从而得到螺旋夹紧机构2所属技术指标对于各评价灰类的评价权矩阵分别为：
[0112][0113][0114][0115]
最后，可对螺旋夹紧机构2的一级指标进行综合评价，得到的综合评价结果分别为：
[0116][0117]
由于螺旋夹紧机构2夹紧功能的灰色综合评价结果为y
x
＝[0.4532,0.4038,0.1378,0.0081]，则螺旋夹紧机构2在三个专家打分后的综合评价的分值为：
[0118]
y＝3.3079
[0119]
因此，螺旋夹紧机构2的夹紧效能综合评价也为良好。
[0120]
偏心轮夹紧机构。组织的三位专家，对偏心轮夹紧机构指标层的8个技术指标进行打分情况分别如下：
[0121][0122][0123][0124]
对于偏心轮夹紧机构的评价指标t
11
，属于第e个评价灰类的灰色评价系数：
[0125][0126][0127][0128]
那么，对于偏心轮夹紧机构的评价指标t
11
，各个评价灰类的总灰色评价系数t
11
＝t
111
+t
112
+t
113
+t
114
＝3/2+2+3+0＝6.5。
[0129]
这样，三位专家对于偏心轮夹紧机构评价主张各个评价灰类的灰色评价权重分别为t
111
＝0.2308，t
112
＝0.3077，t
113
＝0.4615，t
114
＝0，故权向量t
11
＝[0.2308,0.3077,0.4615,0]
t
。
[0130]
同理，可以计算其它的指标各类灰类的灰色评价权向量，从而得到偏心轮夹紧机构所属指标对于各评价灰类的评价权矩阵如下：
[0131][0132][0133][0134]
结合指标层对准则层中三个技术指标的权重向量t
1w
、t
2w
、t
3w
，对偏心轮夹紧机构的一级指标进行综合评价，得到的综合评价结果为：
[0135][0136]
因此，偏心轮夹紧机构夹紧性能的灰色综合评价结果为：
[0137]yx
＝[0.2881,0.3703,0.3417,0]
[0138]
最终可得，三个专家打分后，偏心轮夹紧机构的综合评价分值为：
[0139]
y＝2.9467
[0140]
由此确定，偏心轮夹紧机构的夹紧效能综合评价为一般。
[0141]
综合可知，对于在连杆1上钻孔来说，得到的夹紧机构排序为螺旋夹紧机构2(3.3079)＞斜楔夹紧机构(3.0545)＞偏心轮夹紧机构(2.9467)。因此，可以优先选择螺旋夹紧机构2作为连杆1的夹紧机构，其结果如图4所示，连杆e面通过手轮旋转带动v形块将连杆夹紧，连杆d面通过旋转六角螺母压紧开口垫片将连杆夹紧。该实施例中，通过手轮和六角螺母的转动，可以满足连杆加工中的夹紧要求，因此该发明方法选择夹紧机构是可行合理的。