双端铣组框木门对中定位夹具设计

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双端铣组框木门对中定位夹具设计
薛勃， 刘正昌， 周同

【作者机构】        东北林业大学
【来    源】        《林业机械与木工设备》 2026年第6期 pp.55-59

摘 要：围绕组框木门双端铣加工的高效、高精度需求,开展专用对中定位夹具的设计与优化研究,明确了夹具智能化、柔性化的设计趋势。完成了夹具的总体结构布局与核心部件设计,创新性地采用齿轮齿条同步对中夹紧与伺服驱动方案,并详细论述了夹紧力的计算依据。以Q235A焊接机架为对象,系统性地运用有限元法进行静力学分析。仿真结果表明,优化后的机架在强度、刚度及动态特性上均满足设计要求,最大应力、应变及变形量均在安全与精度容许范围内,验证了整体结构设计的合理性与可靠性,为同类木工夹具的设计提供了理论与方法参考。

关键词：组框木门;夹具设计;有限元分析

[size=1em]木工机械涵盖从原木加工到成品加工的各类设备,包括铣床、人造板设备及木材处理装置等。我国木工机械产业在改革开放后快速发展,部分领域已接近或达到国际先进水平。在铣床技术方面,学者们通过结构优化不断提升其性能。例如,朱薇[1]对E-305S铣床进行动力学仿真与优化,在质量微增下显著改善了动态性能;陶振杰[2]通过优化支撑框架,提高了机床稳定性并降低了成本;NuvoliS等[3]在数控铣床中引入旋转自由度,增强了复杂曲面的加工能力;Aqeel Ahmed等[4]开发的数学模型则有助于优化工艺以降低加工能耗。当前,木工铣床正朝着智能化、数控化与柔性化方向演进。

[size=1em]与之对应,作为机床关键辅助装置的夹具技术也在向专用化与柔性化发展。国内学者在该领域贡献颇多,马江虎等[5]开发的钢珠自动对中机构有效提升了定位可靠性;李伟光等[6]针对木门门套结构特点设计专用夹具系统,实现了角部的高效精密加工;王玲等[7]提出了基于模块化理论的夹具快速设计方法。国外已形成成熟的模块化产品体系,如德国Demmeler的组合焊接夹具与日本IMAO的组合夹具系统[8];德国MATRIX自适应夹具能通过智能阵列销钉快速匹配异形工件[9-10]。夹具设计直接关乎加工质量与成本,其研制周期约占整个生产线研制周期的三分之一[11]。

[size=1em]有限元仿真技术已成为现代机械结构设计与优化不可或缺的重要工具。孟庆军等[12]通过仿真优化了门窗材四面刨的床身结构;布申申等[13]利用响应面法实现了检测车底架的轻量化设计;张耀龙等[14]借助仿真找出车架薄弱环节并进行改进。该技术在轮胎-地面相互作用分析[15]、桥梁结构疲劳评估[16]等诸多领域也发挥着关键作用。

1 对中定位夹具装置的总体结构设计

[size=1em]双端铣组框木门对中定位夹具作为专用装备,需与双端铣床的工作流程高度协同,并严格满足组框木门特定的加工工艺要求。遵循机床设计的通用原则,夹具的布局同样旨在确定其内部各组件的相对运动与位置关系。合理的总体规划对后续详细设计具有深远影响。其总体布局如图1所示。

[size=0.8em]图1 对中定位夹具总体布局示意图

[size=0.8em]1.直线运动工作台;2.固定位置转台;3.定位夹紧组件;4.工件

[size=1em]夹具主要由三个功能模块构成:定位夹紧组件,负责实现对工件的对中、定位与可靠夹紧;固定位置转台,用于在固定工位驱动工件完成精确的分度旋转;直线运动组件,则负责将转台及夹紧部分输送至预定加工位置。这三个模块相互协同,共同确保夹具与机床加工节拍实现精确、稳定的配合。

1.1 对中定位夹紧部件结构设计

[size=1em]对中定位夹紧部分是组框木门专用夹具的核心,其核心功能是对存在位置偏差的组框木门完成对中、定位与可靠夹紧。实现组框木门对中夹紧功能的机构主要有三种类型。第一种基于两端旋向相反的丝杠螺母结构,驱动丝杠转动时,螺母带动夹紧装置从两侧同步夹紧工件。第二种采用曲柄连杆原理,驱动中间连杆可带动两侧对称的夹紧装置实现同步对中夹紧。第三种则利用齿轮与齿条的啮合传动,通过驱动中间齿轮转动,带动两侧与齿条固连的夹紧装置完成夹紧动作。

[size=1em]综合考量整套装置的安装便捷性、经济性以及连杆部件的强度与刚度要求,最终选择结构稳定可靠的齿轮齿条方案,如图2所示。该方案实施时,需将齿条与夹紧装置连接固定,通过驱动中间齿轮即可实现对组框木门两侧的同步对中与夹紧。

[size=0.8em]图2 齿轮齿条对中夹紧装置

1.2 固定位置转台结构设计

[size=1em]固定位置转台位于组框木门双端铣对中定位夹具的中部,起到着承上启下的关键作用。其上部与夹具主体工作部分连接,确保加工时的稳定性;下部则与直线运动工作台相连,在实现精确直线进给的同时,完成固定角度的旋转定位,以便铣床进行后续铣削工序。该转台的核心功能是实现工件的快速、精准分度旋转。

[size=1em]如图3所示,转台采用中心对称布局设计。其驱动依赖于两侧对称布置的气缸,通过同步推动或回撤带动齿条运动,进而驱动中心齿轮旋转固定角度,完成分度动作。为保障运动平稳性,在转台底板与齿轮齿条啮合区域之间,安装了对称分布的导轨滑块机构。传动轴的上端通过法兰盘与转台上部连接板固定,该连接方式具有结构简单、装拆方便、通用性强的优点;传动轴底部则通过轴承与转台下底板连接,轴承在支撑传动轴的同时,确保了其回转的顺畅与低摩擦。

[size=0.8em]图3 固定位置转台

[size=0.8em]1.传动轴;2.上部连接板;3.齿条;4.齿轮;5.下部底板;6.导轨滑块机构;7.气缸

1.3 直线运动工作台结构设计

[size=1em]组框木门通过夹具实现沿水平轴的往复移动,以完成其外轮廓的铣削加工。因此,夹具必须具备一套稳定的直线运动装置,用于带动工件及其余部件平稳进给。直线运动的稳定性与速度精度直接影响最终的铣削效果。

[size=1em]直线运动工作台位于整个夹具的最下方,主要由主体机架、导轨滑块组件、滚珠丝杠副、驱动电机及辅助零件构成,如图4所示,其作用是带动上方的固定转台及定位夹紧组件,实现组框木门在水平方向的稳定、精确往复进给,以完成外轮廓铣削。

[size=0.8em]图4 直线运动工作台

[size=0.8em]1.主体机架;2.导轨滑块组件;3.滚珠丝杠;4.滚珠丝杠螺母;5.滚珠丝杠螺母固定板;6.联轴器;7.行星减速机固定板;8.行星减速机;9.伺服电机

[size=1em]主体机架分为上、下两部分。下部机架通过长度较短的竖梁与地面接触,以增强整体稳定性;其上部安装有对称布置的导轨。上部机架的下表面固定有滑块,与下部导轨配合,其上表面则与固定位置转台的下底板固连,从而将直线运动传递至整个工作部分。

[size=1em]滚珠丝杠副沿组件中轴线布置,确保驱动时受力均匀。滚珠丝杠螺母通过固定板安装在上部机架的横梁中心,丝杠一端悬空,另一端通过联轴器与行星减速机相连。减速机固定于下部机架,其输入端连接伺服电机。此伺服电机-减速机-滚珠丝杠的传动方案,可在有限空间内提供平稳、精确的直线运动,并具备足够的输出扭矩。

[size=1em]在动力与传动形式选择上,考虑到加工工艺要求稳定、可控的往复运动,放弃了气缸驱动而选用伺服电机。相较于齿轮齿条机构,滚珠丝杠螺母传动具有更高的定位精度、更好的刚性与运动平稳性,更符合本夹具对直线进给的性能要求。

[size=1em]综上,该直线运动工作台与固定位置转台、定位夹紧组件等共同构成了夹具的整体,如图5所示,确保了与双端铣床加工步骤的协调运作。

[size=0.8em]图5 组框木门对中定位夹具整体结构

[size=0.8em]1.定位夹紧组件;2.固定位置转台;3.直线运动工作台

2 夹具整体机架的强度刚度校核及有限元仿真

[size=1em]夹具整体机架需承受各组件、工件自重及加工时的铣削反力,必须具备足够的强度与刚度以确保工作稳定性,为此需对其进行静力学分析,以验证是否满足设计要求。利用ANSYS/Workbench进行静力学分析的主要步骤包括:确定分析类型、导入模型、赋予材料属性、划分网格、施加载荷与约束,最后求解并评估结果。分析时需结合结构复杂度与计算资源,合理选择单元类型与网格大小。

[size=1em]进行有限元静力学分析前,需为零件赋予材料属性,包括密度、弹性模量与泊松比等参数。本文夹具的加工对象为组框木门(材质多为实木或人造板),而夹具主体需满足高效、稳定、经济的行业要求,因此选用Q235A钢作为机架材料。在建立有限元模型时,需设置其屈服强度、弹性模量、泊松比及密度等关键属性,见表1。

[size=0.8em]表1 材料属性

[size=1em]有限元分析中,网格划分的质量直接关系到计算精度与效率。针对本夹具机架结构复杂、尺寸不一的特点,选用适应性强的四面体单元进行划分,共生成26 619个单元与185 662个节点。随后,在接触设置中,由于机架主体为焊接整体,部件间无相对运动,因此统一采用绑定(Bonded)接触类型。

[size=1em]载荷与约束依据实际工况施加。主载荷设置为267.7 N,以及由夹紧力产生的相应力矩403.6 N·m。这些重力均作用于各部件与机架的安装位置。约束设置为在机架底部中央施加固定支撑。

[size=1em]完成上述前处理后进行求解,得到了机架的应力、应变及变形云图,其静力学性能是评估夹具工作可行性的关键依据。从整体机架应力云图(见图6)可以看出,最大应力出现在机架中部固定约束处的竖梁底部,此位置是外部夹紧装置对称施力的集中区域,与理论预期相符。计算所得最大应力值为36.212 MPa。在分析中,取安全系数n=2,则[S]=2。机架主体材料为Q235A,其屈服强度σb=235 MPa,故许用应力[σb]=117.5 MPa。对比可知,机架最大工作应力远低于材料许用应力,说明其强度储备充足,能够为各工作装置提供可靠支撑,满足设计强度要求。

[size=0.8em]图6 整体机架应力云图

[size=1em]应变云图(见图7)反映了机架的刚度特性。最大应变值为0.181 43 mm/m,远小于材料的极限变形允许值,表明机架在载荷作用下刚度良好,符合预期。

[size=0.8em]图7 整体机架应变云图

[size=1em]变形云图(见图8)直观显示了机架各部分的位移情况。最大变形发生在最右侧定位夹紧装置的安装位置,变形量为0.272 84 mm。该处因安装装置质量较大,且距离机架底部固定约束较远,产生一定变形符合力学规律,其数值在加工精度允许的范围之内。

[size=0.8em]图8 整体机架变形云图

[size=1em]综合以上对静力学分析结果的评估,经验设计的夹具整体机架在强度与刚度方面均能满足预定设计指标与具体加工工艺要求。机架能够有效承载各组件重量及工作载荷,且关键变形量控制在精度许可范围内,因此其结构设计总体合理。

3 结论

[size=1em]针对组框木门在双端铣加工中高精度、高效率的对中定位需求,开展专用夹具的设计与有限元验证研究。基于模块化设计思想,构建了由定位夹紧组件、固定位置转台及直线运动工作台组成的夹具总体布局,创新采用齿轮齿条同步对中夹紧机构与伺服电机驱动方案,实现了工件的自动对中、分度旋转及稳定进给,提升了夹具的智能化与柔性化水平。

[size=1em]在结构设计基础上,以Q235A焊接机架为研究对象,系统运用有限元方法进行静力学仿真分析。通过合理设置材料属性、网格划分及载荷约束,对机架在典型工况下的应力、应变及变形进行了全面评估。结果表明:机架最大应力为36.212 MPa,最大应变为0.181 43 mm/m,最大变形量为0.272 84 mm,各项指标均低于许用值,满足强度、刚度与精度要求,验证了整体结构设计的合理性与可靠性。

[size=1em]综上,本文完成了一套适用于组框木门双端铣加工的专用对中定位夹具系统设计,并通过有限元仿真证实其结构性能符合实际加工需要,为同类木工夹具的研发提供了理论依据与设计参考。

[size=1em]参考文献：

[size=1em][1] 朱薇.E-305S立式木工铣床的动力学分析、试验及优化[D].南京:南京理工大学,2016.

[size=1em][2] 陶振杰.立卧转换木工铣床支撑框架静态仿真分析与结构优化设计[D].哈尔滨:哈尔滨理工大学,2018.

[size=1em][3] Nuvoli S, Tola A, et al. Automatic Surface Segmentation for Seamless Fabrication Using 4-axis Milling Machines[C]. Computer Graphics Forum.2021,40(2): 191-203.

[size=1em][4] Ahmed A, Wasif M, Fatima A, et al. Determination of the feasible setup parameters of a workpiece to maximize the utilization of a five-axis milling machine[J]. Frontiers of Mechanical Engineering, 2021, 16(2): 298-314.

[size=1em][5] 马江虎,何强,马铭.基于小型缸体的钢珠自动对中机构研究[J].安阳工学院学报,2012,11(4):17-19.

[size=1em][6] 李伟光,姚遥,张占宽,等.木门门套角部数控加工的夹具结构设计[J].木材加工机械,2016,27(3):16-18+26.

[size=1em][7] 王玲,殷国富,徐雷.机床夹具可重构模块化设计方法研究[J].四川大学学报(工程科学版),2010,42(3):246-252.

[size=1em][8] 郑伟.一种汽车轮毂柔性夹具的设计与研究[D].南京:南京林业大学,2020.

[size=1em][9] 王辉,融亦鸣,朱耀祥,等.夹具技术的过去、现在和未来瞻望——夹具技术创新刍议(上)[J].现代制造工程,2011(12):1-5+71.

[size=1em][10] 王辉,融亦鸣,朱耀祥,等.夹具技术的过去、现在和未来瞻望——夹具技术创新刍议(下)[J].现代制造工程,2012(1):3-7+64.

[size=1em][11] 魏霞.机床夹具中定位与夹紧的研究[J].南方农机,2018,49(24):102.

[size=1em][12] 孟庆军,姜博文,胡万明.基于ANSYS的门窗材专用四面刨床身设计[J].林产工业,2021,58(4):37-42.

[size=1em][13] 布申申,田怀文,周杰.基于ANSYS Workbench的停车顶检测车底架优化设计[J].计算机与数字工程,2021,49(4):822-827.

[size=1em][14] 张耀龙.非公路宽体矿用自卸车车架有限元分析及优化[D].西安:长安大学,2020.

[size=1em][15] 黄康.拖拉机轮胎与松软地面相互作用的数值模拟[D].长春:吉林大学,2021.

[size=1em][16] 袁江川.采用钢悬臂拓宽盖梁的混合结构静力及疲劳性能研究[D].大连:大连理工大学,2021.

Design of Centering Positioning Fixture for Frame-Assembled Wooden Door in Double-End Milling

[size=1em]XUE Bo, LIU Zheng-chang, ZHOU Tong

[size=1em](Northeast Forestry University, Harbin Heilongjiang 150086, China)

[size=1em]Abstract：Focusing on the high-efficiency and high-precision requirements for double-end milling of frame-assembled wooden doors, this paper conducted research on the design and optimization of a specialized centering fixture. It clarifies the design trends toward intelligent and flexible fixtures. The study first completes the overall structural layout and core component design of the fixture, innovatively adopting a rack-and-pinion synchronous centering clamping mechanism with servo drive. It also provides a detailed discussion on the basis for calculating clamping force. Subsequently, a systematic static analysis was conducted using the finite element method on a Q235A welded frame as the research object. Simulation results demonstrate that the optimized frame meets design requirements for strength, stiffness, and dynamic characteristics. Maximum stresses, strains, and deformations remain within safe and allowable precision range, validating the rationality and reliability of the overall structural design. This research provides theoretical and methodological references for designing similar woodworking fixtures.

[size=1em]Key words：frame-assembled wooden door; fixture design; finite element analysis

[size=1em]中图分类号：S777

[size=1em]文献标识码：A

[size=1em]文章编号：2095-2953(2026)06-0055-05

[size=1em]收稿日期：2026-02-02

[size=1em]基金项目：黑龙江省重点研发项目(GA21A405);中央高校基本科研业务费专项资金项目(2572020DR12)

[size=1em]第一作者简介：薛勃,副教授,博士,主要从事微纳米加工及检测研究,E-mail:xuebo@nefu.edu.cn。