مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

آنالیز اثر نیرو و گشتاور ماشین کاری بر روی مقادیر برلحظه نیروهای عکس‌العمل در سیستم جاسازی قید و بندها

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
هادی پروز
مهدی حیدری
سید وحید حسینی
گروه ساخت و تولید و مکاترونیک، دانشکده مهندسی مکانیک و مکاترونیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران
چکیده
مقادیر نیروهای عکس ­العمل در قید و بندها جزو پارامترهای اساسی در مراحل طرح­ ریزی و طراحی المان­ های قید و بند به شمار می ­رود. مقدار این نیروها در هریک از نقاط جاسازی ثابت نبوده و تابعی از مقدار و جهت نیروی برآیند بست (به عنوان نیروی گذرا) و نیرو و گشتاور ماشین­ کاری (به­ عنوان نیروی فعال) است. از آنجا که بزرگی، موقعیت و جهت نیرو و گشتاور ماشین­ کاری در هر لحظه متغیر است، مطالعه اثر آن بر روی نیروهای عکس ­العمل، فرآیندی پیچیده به شمار می­رود. در این مقاله، یک مدل تحلیلی برای بررسی اثر نیروها و گشتاور ماشین­ کاری بر روی مقادیر برلحظه نیروهای عکس­ العمل در جاسازها ارائه شده است. در این مدل، ابتدا مقادیر و جهت نیروها و گشتاورهای ماشین­ کاری در هرلحظه بر روی مسیر حرکت ابزار محاسبه شده و سپس با استفاده از این پارامترها به­ عنوان ورودی مدل تحلیلی، مقادیر برلحظه نیروهای عکس ­العمل در هریک از جاسازهای شش ­گانه محاسبه شده است. آنالیز المان محدود برای صحت­ سنجی مقادیر پیش ­بینی­شده توسط مدل تحلیلی اجرا شده است. برای این منظور، کدهای لازم نوشته شده و مقادیر نیروهای عکس­العمل بدست­آمده از شبیه­سازی با مقادیر متناظر آن­ها از مدل تحلیلی مقایسه شده است. یک قطعه­کار سه­بعدی با سیستم جاسازی 1-2-3 که تحت عملیات فرزکاری قرار گرفته است، به­عنوان مطالعه موردی برای بررسی کارائی مدل پیشنهادی استفاده شد. بیشینه مقدار خطا در محاسبه نیروهای عکس­العمل از مدل تحلیلی پیشنهادی برابر با 9/10 درصد بدست آمد که بیانگر دقت بالای نتایج تحلیلی است.
کلیدواژه‌ها
آنالیز نیرویی
جاسازی
قید و بند
نیروی عکس العمل
نیروی ماشین کاری

موضوعات

عنوان مقاله English

Analysis of the Effects of Machining Loads on Online Values of Reaction Forces in Fixture Locating System

نویسندگان English

Hadi Parvaz
Mehdi Heidari
Seyed Vahid Hosseini
Department of Manufacturing, Production, and Mechatronics, Faculty of Mechanical and Mechatronics Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده English

The magnitude of reaction forces in locating points is considered as one of the basic parameters in the fixture planning and element design stages of the fixture design procedure. The magnitude of these forces depends on the intensity, position, and orientation of the transient clamping and active machining forces and torque. Analysis of the effect of machining force and torque on reaction forces is a complex process because the magnitude, position, and orientation of machining loads change at any given time. In this paper, an analytical model is presented to investigate the effect of machining loads on online values​​ of reaction forces in the contact points between the workpiece and the fixturing elements. The magnitude ​​and direction of machining forces and torque are calculated on the tool path and using these parameters as inputs to the analytical model, the reaction forces are calculated in each of the six locators at each moment. A finite element analysis is performed to validate the values predicted by the analytical model. For this purpose, the necessary subroutines are prepared and the values ​​of the reaction forces obtained from the simulation are compared to their corresponding values ​​from the analytical model. A three-dimensional workpiece with a 3-2-1 locating system was used as a case study to evaluate the performance of the proposed model. The maximum error in calculating the reaction forces was obtained as 10.85% from the proposed analytical model which indicates the accuracy of the theoretical predictions.

کلیدواژه‌ها English

Force Analysis
Locating
Jig and Fixture
Reaction Force
Machining Load
[1] Chou Y-C, Chandru V, Barash MM. A Mathematical Approach to Automatic Configuration of Machining Fixtures: Analysis and Synthesis. J Eng Ind 1989;111:299–306. https://doi.org/10.1115/1.3188764.
[2] Lee SH, Cutkosky MR. Fixture Planning With Friction. J Eng Ind 1991;113:320–7. https://doi.org/10.1115/1.2899703.
[3] Cai W, Hu SJ, Yuan JX. Deformable Sheet Metal Fixturing: Principles, Algorithms, and Simulations. J Manuf Sci Eng 1996;118:318–24. https://doi.org/10.1115/1.2831031.
[4] Marin RA, Ferreira PM. Optimal Placement of Fixture Clamps: Minimizing the Maximum Clamping Forces. J Manuf Sci Eng 2002;124:686–94. https://doi.org/10.1115/1.1469520.
[5] Hurtado JF, Melkote SN. A model for synthesis of the fixturing configuration in pin-array type flexible machining fixtures. Int J Mach Tools Manuf 2002;42:837–49. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(02)00009-3.
[6] Kang Y, Rong Y, Yang JC. Computer-Aided Fixture Design Verification. Part 3. Stability Analysis. Int J Adv Manuf Technol 2003;21:842–9. https://doi.org/10.1007/s00170-002-1401-4.
[7] Kaya N, Ozturk F. The Application of Chip Removal and Frictional Contact Analysis for Workpiece-Fixture Layout Verification. Int J Adv Manuf Technol 2003;21:411–9. https://doi.org/10.1007/s001700300048.
[8] Halevi G, Weill RD. Principles of Process Planning. Dordrecht: Springer Netherlands; 1995. https://doi.org/10.1007/978-94-011-1250-5.
[9] Kaya N. Machining fixture locating and clamping position optimization using genetic algorithms. Comput Ind 2006;57:112–20. https://doi.org/10.1016/j.compind.2005.05.001.
[10] Satyanarayana S, Melkote S. Finite element modeling of fixture–workpiece contacts: single contact modeling and experimental verification. Int J Mach Tools Manuf 2004;44:903–13. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2004.02.010.
[11] Wang Y, Chen X, Liu Q, Gindy N. Optimisation of machining fixture layout under multi-constraints. Int J Mach Tools Manuf 2006;46:1291–300. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2005.10.014.
[12] Chen W, Ni L, Xue J. Deformation control through fixture layout design and clamping force optimization. Int J Adv Manuf Technol 2008;38:860–7. https://doi.org/10.1007/s00170-007-1153-2.
[13] Parvaz H, Nategh MJ. A pilot framework developed as a common platform integrating diverse elements of computer aided fixture design. Int J Prod Res 2013;51:6720–32. https://doi.org/10.1080/00207543.2013.832000.
[14] Jiang K, Zhou X, Li M, Kong X. A multi-objective optimization and decision algorithm for locator layout continuous searching in checking fixture design. Int J Adv Manuf Technol 2013;67:357–66. https://doi.org/10.1007/s00170-012-4489-1.
[15] Xiong L, Molfino R, Zoppi M. Fixture layout optimization for flexible aerospace parts based on self-reconfigurable swarm intelligent fixture system. Int J Adv Manuf Technol 2013;66:1305–13. https://doi.org/10.1007/s00170-012-4408-5.
[16] Parvaz H, Nategh MJ. Development of locating system design module for freeform workpieces in computer-aided fixture design platform. Comput Aided Des 2018;104:1–14. https://doi.org/10.1016/j.cad.2018.04.004.
[17] Nategh MJ, Parvaz H. Development of computer aided clamping system design for workpieces with freeform surfaces. Comput Aided Des 2018;95:52–61. https://doi.org/10.1016/j.cad.2017.10.003.
[18] Parvaz H. Analytical and Numerical Investigation of Reaction Forces in Fixturing of Rigid Workpiece with Polyhedral Geometry. J Solid Fluid Mech 2020;10:17–29. https://doi.org/10.22044/JSFM.2020.8494.2925.
[19] Altintas Y. Manufacturing Automation. Cambridge: Cambridge University Press; 2011. https://doi.org/10.1017/CBO9780511843723.
[20] Budak E, Altintas¸ Y, Armarego EJA. Prediction of Milling Force Coefficients From Orthogonal Cutting Data. J Manuf Sci Eng 1996;118:216–24. https://doi.org/10.1115/1.2831014.
[21] Boyer R, Collings EW, Welsch G. Materials Properties Handbook: Titanium Alloys. ASM International; 1994.
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 21، شماره 9
شهریور 1400
صفحه 615-628