六点定位法则的正确理解与应用

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

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。

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。

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

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