数控加工机床的PDM系统引进.docx

1 绪 论1.1课题的背景及意义机械建设目前越来越受到国家的重视，国家也加大了大型工业机械的投入，结构件加工方式有很多种，目前的被大量使用的方式仍然是数控加工，在数控加工的方式中，铣削方式是的使用量最大，数控机床夹具在数控加工中拥有较大的使用频率，所以，目前在加工行业，数机床夹得发展随着市场的发展也快速的发展起来，但是机床夹的发展仍然处在开始阶段，仍然存在较多的问题。不仅仅数控机床得到了大力发展，高速切削的加工方式也同样得到了大力的发展，目前许多制造企业在进行结构产品加工的时候就是采用这种方式进行的，西飞公司是高速切削技术的代表公司，在许多大型的结构件的生产上，西飞公司都是采用高速切削的方式进行的，随着现代技术的发展，目前的技术水平以及设计理念已经达到了前所未有的是水平，以前不能够想象的复杂结构工件现在也能够通过技术进行生产，像是飞机制造这样的对工件的精度具有极高要求的行业，也同样能够通过现在的数控机床高速切削的方式进行生产。这些技术的发展离不开数控机床的夹具的发展，在某种程度上，数控机床家具的发展，影响着整个数控行业的发展，目前在我国的整机厂中，夹具存在着以下几方面的问题1夹具专门化程度太高我国的飞机制造业的专用夹具数量相当大，为了能够保障制造精密的飞机零件，制作人员不得不将夹具专门化，但是大量的专门夹具还不能够全部适合机床的底座，因为机床的特殊性，不能够为特殊的夹具设计专门的底座，因此，大量的机床底座也就随着大量的夹具大量增加，这样大量的夹具和机床底座会降低生产效率。每次生产不同的机件都需要变换机床底座和夹具，时间利用率非常低。2没有完善的计算机辅助系统进行帮助变换系统进行辅助 之前实用家居都是通过相关的专业人员进行手工的拼装，但是这种方式需要投入大量的人力和物力，并且生产率还并不是很高。相关人员的专业程度基本上决定了装配数量的多少盒装配的快慢，这样就不能够保障生产平稳进行，由于没有一套整体的系统的上产流程，就会造成生产的不一致，生产管理麻烦，管理起来会十分的麻烦，甚至造成生产混乱，在夹具进行一次生产之后，一些不常用的夹具就会被长期放置，进行再生产的过程中，一些不常用的工具就会因为不容易找到重新制作，这种方式大大增加了制造成本3夹具依然采用人工的方式安装工作所谓家具的自动化程度，主要从两个方面进行衡量，首先在夹具的加紧动作分析，也就是夹具对工件的加紧这个过程，现在大部分的加紧动作还需要人工的方式进行加紧。另一方面，是指转换夹具方面的工作以及夹具的拼装等等工作。如果还是采用现在的作业方式，夹具的转换时间已经远远超过了生产工件的时间，现在夹具与机床的分离的生产方式依然是主要的生产形势，这样就会为夹具的自动化发展带来一定的困难，夹具不能够精确地进行定位，夹具之间不能够协调工作3。现代社会的科学技术越来越发达，计算机的应用促进了夹具的自动化发展进程，CAD、CAM技术的应用更是锦上添花，传统的夹具生产方式的弊端越来越明显，夹具的数据被大量的录入到计算机世界，但是目前还仍然缺乏一套完整的，能够协调各个夹具之间的应用的应用系统，这也就使得目前的管理工作纷繁复杂，无从下手，同时数据的安全性和完整性也得不到保证4。所以，在认识到传统的夹具的弊端之后，如何解决夹具的自动化发展问题，就是本篇文章的主旨所在1.2主要技术的研究现状及发展1.2.1三维CAD技术的发展现状科学技术的发展带动了CAD技术的发展，再结合了以前的CAD技术的基础之上，目前的三维CAD技术得到了大力的发展。三维CAD技术的发展促进了工业的大发展，为了能够快速的占领本行业的市场，各行业利用三维CAC技术来进行快速的打印，从产品的设计，到产品的研发，最后再到产品的生产完成，都会用到CAD技术，其中主流的包括模型装配分析，产品信息管理，以及在设计阶段的产品优化设计等等主流的技术。这一系列的技术的应用，产品的设计理念的先进与否，产品质量的好坏等等都能够通过CAD技术进行评估，CAD技术不仅仅对于产品有比较大多作用，在企业的运作方面，CAD技术同样能够提高企业的管理效率，CAD在制造业上的发展速度非常惊人，截止目前为止，8成的产品的生产都会应用到CAD技术CAD技术是未来发展的决定性力量，三维CAD技术是目前为止利用率最高，并且在短时期内不可能被超越的技术，数字化的社会，CAD技术越来越受到重视，我国正在积极开展相关的产业的研发，力求使CAD技术能够朝着更加先进的方向发展，在生产加工方面，将CAD技术应用到各个环节，包括在设计过程中的并行工程的利用，在加工过程的数字控制的利用，并且最终将这些技术过程整合成为一个整体，保障各个环节之间能够平衡的发展，无缝连接。为了能够将CAD技术充分的利用，同时不会使得CAD显得十分繁琐，企业应该积极投入力量进行CAD产业的优化设计。在未来社会，CAD技术会得到更加全面的发展，随着时代的发展，传统的二维CAD技术会逐渐被取代。1.2.2虚拟装配技术虚拟装配技术目前的发展水平还有限，还不能够满足现在的需求，未来的虚拟技术会得到很大的发展，主要面向以下的几个方面。1将CAD的接口标准化，将现在的CAD主流技术标准化，主要输为了能够同现在的系统实现无缝对接，这样就能够将虚拟系统同CAD尽心无缝连接，将CAD的信息传送给系统。2进行网络虚拟装配是进行工件的加工的不可缺少的环节，进行工件的装配包括了很多的环节，其中有工艺设计，校验等等环节，在众多环节中，都需要工作人员进行参与，网络虚拟装配的存在就是为了给这些工作准备装配的环境3体统框架需要面对大多数的使用接口 虚拟系统的开发是应用到虚拟环境的，这些环境包括现实中的数据库，以及实现用户交互的用户界面等等方式，虚拟系统需要进行同用户进行互相的信息交换，来彼此进行了解，最终进行整套系统的完善开发最终实现系统的运行。4检验分析装配质量。在进行虚拟装配的过程中，能够利用相关的技术来进行零件的摆放位置，零件的尺寸等等是否符合要求，装配工艺是否能够满足最终的需求能够通过装配路径的分析，以及通过仿真评估等等方式来进行判定，这样做的目的是为了最终设计产品，生产产品，提供可以参考的意见和建议，在之后的生产过程中加以改进1.2.3 PDM技术研究现状管理技术：也称作PDM技术，这种技术的产生是有一定的背景的，在现在社会，科学技术发展迅速，目前大部分企业渴望能够减低自己的管理成本，来实现企业的盈利。PDM技术的发展大致经历了以下的四个阶段，第一阶段，1980年之后，管理的对象上还很单一，只有图纸文档等等一些简单的文件。在80年代末期，管理对象开始逐渐多元化，工程更改单以及材料清单的加入使管理对象开始逐渐多元化，这一阶段的发展促进了PDM的发展，PDM的价值开始逐渐显示出来。紧接着，第三阶段开始出现，在之后的20年，PDM开始着手实现功能的标准化以及交互界面的标准化，这一举措使得各大PDM系统开发商从中看到了希望，对这项技术开始投入更多的关注，这一阶段是PDM生长的催化剂，直接促进了其发展。在2000之后到现在这些年的时间里，是PDM发展的最后一阶段，也就是第四阶段，这样一阶段的PDM开始与现在的互联网技术结合，主要的领域挪到了web技术和分布式的开发等等的研究方面，Teamcenter是一款管理软件，这款软件是目前市面上利用最多的一款管理软件，是由西门子公司开发。这款软件的主要功能是进行产品的生命周期管理。实现生命周期管理主要依靠两方面的功能。其一对产品的生命周一进行统一化管理的方式，其二，对不同的行业，管理系统进行即开即用的方式。Teamcenter的管理方式促进了产品的开发和生产，加快了产品面世的时间，这就能够允许企业拥有更多的时间进行相关工作，为企业占领跟多的市场份额，获得更多的利润。保障了企业能够将竞争者远远地甩在身后，其他企业想要加入市场是一件十分困难的事情，因为那将是一件费时费力同时风险十分大的决定。Teamcenter的管理方式能够满足大部分的功能，企业科技进行重复利用，这样在某些方面节约了企业的成本1.3论文主要研究内容及方法1.3.1研究的主要内容本文主要的研究对象是夹具，在研究中，主要面临的是实际工作中的夹具，对加工中心类别的夹具进行建模，在建模的基础上，在进行装配的仿真。这一系列的工作都是建立在PDM软件的基础之上，用PDM进行数据的处理工作，这样，能够最终将理论用于实现咋航天行业的零件制造方面，为航空航天行业的零件制造和评价提供有力的理论依据。我们主要进行以下几个方向的研究1主要针对加工中心一类夹具，进行三维建模2对具体的夹具进行三维装配。3运用Ansys来进行夹具在夹紧时的工件变形分析4最终实现加工中心中的夹具的集中管理1.3.2研究方案 研究路线 Nx建模NX是CA公司推出的一款软件，这款软件将CAD/CAM/CAE三种方式集成于一体，这款软件是一款三维参数化软件，目前这款软件在很多领域都有应用，包括像是日用消费品，在交通方面，在机械方面，以及在电子方面等等方面都有大规模的应用。虽然没有曲面造型的约束加工中心夹具用起来比较方便，但是在装配环节，对设计的尺寸以及安装过程中的定位要求较高，同传统的安装工件方式不同，在进行草图的构思阶段，NX就开始进行严格的约束，这样能够保障建模参数的稳定性。减少在建模过程中的大部分失误，保障参数关联的准确性，在NX中，还有一项比较实用的功能，就是分类图层功能，这项功能发挥着非常重要的作用，能够保障建模草图参数和装配过程有效化管理同时实现2）三维可视化装配三维建模拥有自己的优势，三维建模产生的计算机数据会比少，并且装配方便，所以我们咋你这个阶段依然采用的是三维建模，我们要咋装配之前进行各个夹具和元件的精确建模，保证在装配环节能够顺利的完成，对于不同的夹具，我们要进行归类摆放，这样能够在想用时能够及时找到，最后，我们根据各自夹具的特点调整装配顺序完成装配，这里采用的装配方式有很多，可以采用自顶向下，或者自底向上的方式，当然也可以采用混和装配的装配方式。3）装配动画及装夹仿真夹具的主要任务是进行工件的加紧，夹具能否满足要求，质量是否合格，主要是根据夹具对元件的加紧程度，夹具与夹件之间的结构特点等等来进行评估。我们在接下来的环节中进行对夹具的三维模型进行装配仿真，在进行真正的运用之前，需要进行运动仿真，我们分别用不同方式的里作用于夹件，来模拟在实际中的运动，这样做能够很快检测出三维模型设计的合理性，以及夹具的可装配性。4）装夹工件变形分析目前的生产方式大多是工序集中性，这样的生产方式能够保障生产效率十分的高。但是这种生产方式会带来一些附加的问题。我们进行工件的加工过程中，通常会在一次夹紧之后完成对工件的所有加工操作，这样，就要求我们进行工件夹紧时要一次完成，直至加工工件完成之后，不会发生工件松动的情况。考虑到加工车间的工时昂贵，以及加工的切削力很大等等特点，现在我们就采用动力夹紧的方式进行工件的加紧工作，目前的大多数加工中心能够满足动力夹紧的要求，这种方式相对于人工夹紧来说能够节省夹紧时间，加紧力度较大，不容易松动。同时这种夹紧方式便于进行控制。我们在气压以及动涯夹紧的情况下进行变形分析，分析夹件的变形程度，为最终的实现装夹提供可靠数据来源。5）PDM数据管理PDM是近年来比较流行的数据管理手段，目前的PDM软件能够管理大部分的有用数据，西门子公司开发的Teamcenter是目前比较流行的一款软件，这款软件能够满足大部分的用户需求，在处理问题的宽度和广度上都是非常好的。从NX文件的导入，到中间进行的重用库，以及高级搜索，一直到文件的输出等等众多环节，又能够在NX管理模块中得到实现。1.3.3采用的技术平台现在主流的技术平台主要有以下几种。Teamcenter、Ansys12.0、Unigraphics NX5.0三维设计软件这三款。1.4论文章节安排本文主要从六个主要部分入手，来进行论述。第一部分，这一部分主要交代写作的背景和意义，论述了本篇论文研究意义，论述了我研究的课题对于现在的社会的作用，强调了夹具在目前生产中的作用，对课题的研究方向进行规划，阐述课题的重点研究对象，以及本文涉及的技术的未来发展方向。在本章最后，归纳了研究的主要方式方法，以及对文章进行总体的安排第二部分主要对PDM技术进行介绍，简述了PDM技术的现状，阐述了PDM的基本原理，同时也对未来的PDM技术进行分析预测。同时也提出了目前的PDM技术存在的缺陷和产生缺陷的原因。最后举出具体例子来阐述PDM工作原理和内容。第三章主要是进行夹具的分析。在这部分，我们选取了具体的加工中心夹具进行具体分析，从多个方面对夹具进行介绍和分析，我们选取了具体的夹具进行仿真模，对仿真夹具进行三维仿真装配，而且我们不仅仅停留在理论上，还具体的进行实践，采用干涉分析，装配序列动画生成，以及可视化注释等等方式方法来进行演示实验。来为我们的论文提供有力的证据第4章 主要是介绍加工中心。针对具体的工件，我们运用所学的静力学知识，用analyze所谓分析手段，针对加工中心中的元件的受力情况进行分析，来得到我们想要的数据。第5章 。在进行了前四章的基础上，我们得到了大量的数据，为本章节提供了大量的数据基础，我们通过利用Teamcenter、NX5.0的集成方法、数据交换的模型等等方法来进行数据的分析处理，最终为我们进行管理提供有效的依据。第6章 对本文进行总结，支出本文的不足，展望未来的发展方向。2 PDM同加剧管理的结合在本章，我们主要针对PDM进行分析，介绍PDM平台的构成，应用具体实例来阐述PDM的工作过程和原理2.1 PDM简介在当今社会，科学技术发展带动了大多数企业的发展，同时制造行业也越来越成熟。CADCAM技术也被广泛应用。信息是技术的发展就会产生一系列的问题，大量的数据信息如果不能够及时有效的进行处理，就会造成数据的混乱，随着PDM技术的发展，企业开始注重数据技术的应用，PDM为企业进行数据处理提供了一个可靠地平台，使得企业能够利用PDM技术进行大量数据处理工作，目前的PDM技术主要应用于制造业，机械行业等等，这会为企业节省相当可观的一笔成本2.1.1 PDM的基本概念PDM是由production date manger缩写而来，意思是数据管理。这项技术主要通过对数据进行汇总分析，来进行数据的管理工作，PDM的工作涉及产品生产的整个阶段，是一项集成技术，这项技术得开发对象是广大的制造业企业，过程、数据、资源三要素是PDM开发的根本要素。PDM针对产品设计主要有两个原则，首先PDM的设计是采用动态的但是产品结构是静态的。产品设计是核心内容，PDM会围绕产品设计进行资源的整合，以及信息的获取等等活动，这是其他的同类型产品不能够同PDM比拟的地方。物料、项目和信息管理系统都是静止的管理信息系统，不涉及到产品设计的具体环节，只关注管理任务。但是到了动态的管理方面，就会涉及到产品的开发过程。PDM在这个过程中会进行整个数据整合管理任务，力争将每个数据细节进行完善管理，做到数据的分析，重复利用等等诸多环节。PDM会做到数据有序，信息可共享，过程可以优化等等优势。在整个生产过程中，PDM是整体的骨架，负责提供支撑，在PDM的基础上，将各个功能逐渐的添加到PDM中，最后形成一套能够满足数据的存储，挖掘的系统。如果我们从产品的开发来进行观察，就会很容易发现。PDM已经几乎能够满足所有要求，包括产品的设计和变更投产等等环节24。2.1.2 PDM的基本原理PDM是信息处理中心，PDM相当于是信息的加工中心CAX信息通过信息通道汇聚到PDM中心，信息能够在信息中心进行加工处理，PDM利用现代计算机技术辅助，最终将有用的信息进行汇总输出。产品的开发设计就以这些有用数据作为基础。计算机能够对产品的用用数据进行虚拟描述，创造一个具有虚拟属性的产品，这样将产品的动态数据同静态属性进行结合，就能够搭建出整个产品的整体构架。图2.1 PDM是信息孤岛的桥梁2.2 PDM的现状分析及发展趋势2.2.1 PDM的现状分析PDM技术是一项数据集合整理分析技术，并不是一成不变的，随着其涉及的管理对象的不断变化，PDM的技术形式也一直在变化，这种变换是由于PDM基于先进的管理思想，这是持续改进的思想，这种思想能够保证PDM一直有新鲜的血液，跟随着企业文化一同进步。这样的管理方式也能够及时调整来适应与企业的战略目标，最终为企业发展提供强有力的动力虽然我国已经开始接触使用PDM技术，但是对于PDM系统的使用，还远远没有达到普及的程度，只有小部分企业拥有PDM系统，相较国外的使用率，我们还有许多应该做的事，首先我国的PDM系统使用刚刚开始，刚刚引进技术，还没能够进行自主研发，不懂相关产品的核心技术，目前企业只关心PDM能否为自身带来利润，不注重PDM技术的研究开发，这样就会使我国对PDM的开发缺失动力其次，部分企业不能够深入了解PDM技术，只能利用部分功能，同时，进行PDM系统的搭建需要进行大量的人力财力投资，在短时期内投入回报比过大。一般情况下，企业想要引进一个PDM系统，需要投入大约几百万的费用，而且需要建设两年左右的时间，即使建设完毕，在使用期间，根据不同的系统功能，也需要在继续安插节点，安插节点所购买的设备等等也是一笔不小的投资，支付这些资金对中小企业来说是非常困难的。因此，PDM在国内的发展状况还不是很好。我国的软件行业不发达，软件开发的水平有限，不能够满足用户的要求，我国的软件茶叶存在很多问题。同国外的软件相比，我国的软件大多只能在某些单一的平台运行，实现跨平台兼容，并且软件的设计目的性强，一款软件就只有几项特定的功能。大多数的软件连接特定的数据库，不能够兼容大多数的数据库。最后，目前的软件大多不能够将用户使用的系统进行封装，开放性非常低。由于我国的PDM引进量比较少，所以还没有能够拥有大量的专业团队进行开发，PDM本身是一套先进的管理系统，这就要求操作人员的专业水平比较高，基于PDM的开放性和动态变化性的特点，PDM相关工作人员要有较强的专业水平，但是目前我国还没有这样能够满足需求的专业团队，这在一定程度上阻碍了我国的PDM发展进程2.2.2 PDM的发展动向随着各项技术的逐步发展，根据企业的多样化的需求，PDM技术的发展显示出了一些新的动向。1) 面向对象技术的应用。抽象性和封装性是面向对象的方法的显著特征，这种特点使其有了明确的目标及范围，也符合未来的发展方向，有很强的市场适应性。2) 提供企业信息建模方法论。在发展的过程中，企业要求越来越高，该项技术需要为企业提供合适的信息建立方法论，而不单纯的作为管理技术而存在。3) 基于Internet /Intranet 平台的PDM 产品。随着网络应用的深度与广度不断地扩大，企业之间的商务活动将更多的里利用互联网和企业网络平台，作为企业信息支柱的PDM，怎么样去完善自身，以适应这种趋势，是目前急需解决的问题之一。基于互联网和企业网络的PDM产品将在未来的市场占领一席之地。4) 从传统结构转向三层结构。传统C/S 体系结构见图2.2中a图。客户端软件的功能包括处理计算数据、显示处理结果，两者紧密结合使得用户需求的任何变更，都会使整个程序重新编译。这种方式的可维护性便降低了。三层体系结构见图2.2中b图，图中表示了系统把这一过程分为三个层次：最低一层是客户端，用来描述逻辑；中层用来进行业务处理逻辑、最高一层进行数据存取逻辑。其中最低一层的客户端只负责结果的显示，细微的改动只须在此层上进行，不会影响其他环节的数据。三层体系结构各个环节之间有良好的独立性，也使得结果显示与数据处理可以相互渗透，系统可维护性提高，这就必然使得PDM的开发的方向发生转变。图2.2 传统结构转向三层结构5)PDM系统的通用化与标准化。PDM系统的标准化指的是管理对象的标准化和管理过程的标准化。管理对象标准化的实现需要系统提供与各子系统集成的标准接口，例如封装接口和数据接口。通用化是指PDM系统能在不同的计算机系统环境下运行。6) 支持并行工程的PDM系统框架。并行工程的定义是集成地、并行地设计产品及其相关过程(包括制造过程和支持过程) 的系统方法。这说明并行工程本身就是一种先进的管理理念，即能组织协调各方面人员，对所需要的资源进行有效的整合。在方法理念上，PDM与并行工程有相似之处，相似之处在于实现信息共享。不同之处在于PDM是一种系统，是可以实现并行工程的平台，能支持不同终端、不同地区的人对同一模型显示。同时保证在不同终端上可以对模型进行操作，可以同时实现两者优势的最大发挥。2.3 PDM在夹具管理方面的应用2.3.1 应用目标及步骤在企业中，各种计算机应用软件被PDM 管理系统所融合，企业具体目标的确定也同样取决于企业自身的各项因素，因此对与PDM的要求千差万别，就夹具管理方面而言，为夹具数据库提供共享平台和集成框架是夹具PDM化管理的应用目标。准确的实施管理步骤是除企业根据自身实际情况确定应用目标以外，成功运用PDM系统极为重要的因素是极重要的因素，夹具的PDM化管理也不例外。PDM 实施的原则是：效益驱动，总体规划，重点突出、分步实施25。夹具的PDM化管理具体的实施步骤包括8个方面，如图 2.3所示。 图2.3 夹具PDM化管理实施步骤2.3.2夹具PDM 化管理应用效益PDM 系统对夹具的管理应用效益主要体现在以下几个方面：1）缩短新夹具产品的投入使用时间。PDM 系帮助设计人员通过客户端获得所有的信息源，极大地降低了搜索信息的时间成本，与此同时在研发过程中实施并行工程的方法，即时性地集中员工开发思想及点子，协调不同意见，同时进行设计过程，突破地域、时域限制。2）降低夹具设计制造成本。节省了技术部门员工的工作时间，等于降低了产品开发经济成本。对已有产品设计数据及模型的重利用率高，以改良代替重新设计。3）提高夹具设计制造质量。PDM 系统对各生产环节把关严格，且按照相关质量标准实施管理，各个环节的品质得以保障。夹具的全方面质量提升，极大的保证了企业的加工环节的质量。夹具也同样的作为产品，经过PDM化的管理，为企业直接或间接的带来巨大的经济效益。 3 加工中心夹具的装配与仿真研究3.1机床夹具的概念及分类机床夹具的概念是：在机床上用于装夹工件（和引导刀具）的一种装置。准确定位工件是其主要作用，其次在机床和刀具之间有正确的位置，不干扰加工且能使工件在某个方向夹紧固定。3.1.1机床夹具的现状及发展18世纪后期，由于工业革命的到来、科学技术的发展，夹具随着机床问世。目前夹具已从原来的辅助工具成为现在门类齐全的工艺装备。1）机床夹具的现状国际工业产品研究协会的统计表明，订单批量少，生产种类繁多的情况已占生产总数的85%左右。市场对产品要求的提高，使得企业对产品不断的更新升级，以此来保持竞争力。然而，在机械制造业，一些中型工厂和企业中仍然习惯于大量采用传统的专用夹具，通常它们拥有数千甚至近万套专用夹具；此外，在生成多样生产的企业中，34年就要更新5080%左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为1020%左右，这两者很不成比例。近年来，成组技术、加工中心、柔性制造系统（FMS）等新技术的投入使用，使得夹具也必须做出相应的调整，对夹具有了新的要求：生产成本上要能迅速使新产品投产，缩短准备周期能；通用性上要至少运用于一种相似工件；精度上要能满足精密加工的夹持要求；效率上能采用液压等为动力源的高效夹紧装置，减轻人力劳动强度，提高生产率；标准化上能使某些常用原件遵循一套标准体系。2）机床夹具的发展方向现代机床夹具的发展有四个主要方向：标准化、精密化、高效化和柔性化。标准化：标准化和通用化对于机床夹具是不可分割的两个方面。我国也针对夹具制订了国家标准：GB/T2148T225991。机床夹具的标准化，使得夹具的通用性效果增强，也利于商品化生产，利于规范设计及生产。精密化：机械产品精度要求的提高，也对夹具的精度有了更严格的要求。这类夹具的的结构类型现在很多，如多齿盘（用于精密分度），精度可达0.1；高精度三爪自定心卡盘（用于精密车削），定心精度为5m。高效化：夹具的高效化主要表现在装夹工件自动化，夹紧过程动力化，夹具转换自动化三个方面。最终的目标是减少工件加工辅助时间，减轻工人劳动强度。自动化夹具、高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具是目前常用的高效化夹具。高效化夹具的使用效果明显，例如，在铣床上使用电动虎钳装夹工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，既可以保证卡爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能稳定地夹紧，使切削速度有提高的空间。除此之外，在数控机床上，特别是在加工中心上，自动装夹夹具和自动更换夹具设备，使数控机床的优势充分发挥。柔性化：柔性化的定义对于夹具和机床是一致的，它的含义是对象通过调整、组合等方式来适应外部变化等因素的能力。对夹具而言，变化主要是工艺的变化，工序特征、生产批量、零件结构和尺寸大小都属于可变因素。扩大夹具的柔性化程度，使不可拆卸结构为可拆卸结构，适应多种类产品制造。成组夹具、模块化夹具、数控夹具是典型的具有柔性化特征夹具的代表。3.1.2机床夹具的分类按专门化程度分类：1）通用夹具。这类夹具的元件组成部分按照一定的标准手册生产制作，可以用作加工同类不同尺寸的工件，我们把这类夹具统称为通用夹具。例如，车床三爪卡盘可以装夹不同轴径的工件。这类夹具常常在生产中起到机床附件的作用，适应性广但效率不高，不适合多种、大批量生产时运用。2）专用夹具。专用夹具顾名思义是为某一工件的某道工序而专门设计的夹具。这类夹具一般结构紧凑，操作方便，而且不会影响所要求的加工精度，不足之处是代价较大，时间成本和制造设计成本远大于其他夹具。此外，这类夹具再利用价值较低，夹具会随着产品的下架而无法再使用，造成结构功能可用但已报废的情况。适用于特定产品，批量较大的生产中。 3）通用可调夹具和成组夹具。这类夹具可以根据被加工零件的需要，对夹具结构中的部分元件进行替换或调整。成组夹具用于相似零件的成组加工，通用可调夹具与成组夹具相比，加工对象多样，适用范围更广一些。 4）组合夹具。这是由一些现成标准机床附件元件和部件专用部件组合而成的夹具。这类夹具根据加工零件的不同而进行不同的组装，因此灵活多变，万能性强，元件重复利用率较高，非常适用于新产品的试制和单件小批生产。 5）随行夹具。这类夹具一般在自动线生产上应用，夹具会随着工位的转化而移动，以完成不同工序的加工。按使用的机床分类：因为机床种类不同，各自工作特点和结构形式都存在很多不同的地方，相应的对用于机床的夹具结构也不同。因此按机床种类来分，夹具可分为：车、铣、钻、镗、磨床夹具和其他机床夹具。 按夹紧动力源分类：根据夹具所采用的夹紧动力源不同，又可分为：手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液夹具、磁力夹具等。3.2加工中心夹具特点及类型3.2.1加工中心夹具特点加工中心夹具通常具有以下特点：（1）加工中心具有自动换刀的功能，这一功能决定了它的刀具为悬臂式，因此在夹具上不安装引导刀具的导向件，如镗模套、钻模板等；（2）为了使待加工表面充分暴露在外，要求夹具最大限度开敞，必要时可以在夹具体上铣出空洞，避开钻夹头、镗杆等，避免其与夹具体发生干涉，使得可以刀具悬伸长度缩短，可以提高刚度；（3）在工件待加工面与底面相交的时，应在夹具上设能将工件提高一定高度的等高元件，以方便进刀，也能满足主轴与工作台面最小距离的要求。此外，工件夹具不得与机床的各元件相互干涉，安装后的工件和夹具最高点不能影响主轴换刀操作，否则会影响效率。与通用机床相比，加工中心所用的夹具的要求要更简单、结构紧凑、刚度高、精度高，装夹便利、快速，具有一定的柔度26。3.2.2加工中心夹具类型加工中心的普及使用，使得用于加工中心的夹具也出现一些分类，总体上说与机床夹具分类相似，就其结构特点而言可以分为： 1）组合夹具。变化多、重组快，用于加工精度要求不高的情况。2）可调夹具。刚性好、功能多、配置齐全，用于多品种、中小批量生产。3）专用夹具。装夹稳定、操作便利、结构简单，用于工件形状复杂加工精度要求高的情况。4）成组夹具。针对成组加工工艺，可改装性强，用于加工同类多品种产品的情况。3.3加工中心夹具数字化装配与仿真3.3.1加工中心夹具数字化装配仿真的意义综上所述，加工中心在机械加工领域越来越重要，加工中心机床上所用的夹具的作用也随之扩大。加工中心夹具的快速发展使得这类夹具的分类细化，由于此类机床要求的精度较高，所以要求机床的各个部件也需要在结构和功能上到达一定的精度，传统夹具工装设计在当今时代不能满足要求，数字化技术的实施，使得加工中心机床及夹具都迈向了一个新的台阶，替代传统的工装设计已是历史的必然。数字化装配及仿真具体能解决加工中心夹具的以下问题：1）预知加工中心夹具装配不易发现的碰撞（即干涉）；2）虚拟加工进行时的场景，排除换刀、夹具转换时的错误路径；3）可视化装配图准确指导现场夹具拼装；4）数字化仿真分析能得出加工中心夹具的参考夹紧力，以防夹坏工件。3.3.2数字化装配及仿真应用流程数字化装配及仿真涵盖的内容较多，基本包括了从加工中心夹具的设计理念形成到装配成品，其中涉及到了很多环节和细节，科学的规划这些环节能减少工作量，同时加工中心产品的生产流程制度。加工中心夹具的数字化装配及仿真应用流程如图3.1所示。图3.1加工中心夹具数字化装配及仿真流程3.4加工中心夹具库的建立本文拟对一类加工中心夹具进行建立及PDM管理，所以加工中心夹具库的建立是工作的第一步，也是最基础、最重要的一个环节。模型的质量决定着装配的质量，承载着数据管理的意义。1）参数化建模。整套夹具体的装配离不开标准件的辅助及支撑。因此夹具的三维工装设计必须有健全的标准件库以供调用。由于标准件种类繁多，数量庞大，一种型号多个参数的前提，故采用三维参数化建模，确保标准件准确性，规范性。具体步骤如下：（1）建立标准件名称，item等。（2）创建标准件名片。如图3.2所示。（3）建立种子部件。（4）创建部件族。 图3.2 创建标准件名片 部件族创建流程见图3.3 图3.3 部件族创建流程零件的驱动参数表达式是参数化建模的关键环节，编辑表达式的方式有两种，一种是在建模草图及特征参数输入时，对系统默认的参数名进行修改自定义，如图3.4所示；另一种是在建模之后打开参数公式编辑器进行自定义参数名，可以增加或者修改系统默认参数名。第二种方法虽然操作方便但是为后来的参数混淆可能性较大，参数重复出现的现象时有发生，也会造成计算机的重复计算，故在进行此环节时应用第一种方法。标准件参数化建模应注意的细节：在标准件的参数化建模过程中，螺纹是出现频率最高的，也是驱动部件族出错率最高的，在做标准件内螺纹时，必须注意符号螺纹的参数驱动，以免种子文件生成的部件族文件没有螺纹参数或螺纹参数错误，造成工程人员无法有效调用该标准件。具体步骤分三步：定义螺距参数，采用手动输参；在种子文件上创建孔特征及相应的符号螺纹；将上述孔、符号螺纹公称直径（Minor Diameter）、攻丝尺寸（Tapped Drill Size）表达式编辑为（DD-1.0825*P）；其他照常设置，参数名称需正确区分大小写。图3.4 驱动参数名称定义在进行完参数自定义命名和表达式的编辑之后，需要对原始驱动参数进行数据输入，数据的输入在格式上有一定的要求，在数据输入的表格中，零件的型号和名称不能重复，否则生成部件族文件会报错。数据数入表如图3.5所示。图3.5 驱动原始参数输入经过部件族创建的参数化模型都经软件系统默认存储在文件夹Family Members里，每个部件族都一一对应自身的部件族文件夹。在参数化设计成功之后，需要进一步检查种子文件中的参数表格是否保存完整，如保存完整，则该参数化设计的标准件可以投入使用。2）标准件的调用。在模型进行装配需要使用标准件时，和装配专用件步骤相同，选择添加组件功能按钮。进入PDM数据管理界面选择Search功能栏，在框内输入标准件号，选择所需参数的标准件即可，如图3.6所示。图3.6 标准件编号表3）加工中心夹具专用件建模。在完成了标准件库的建立之后，开始对加工中心的专用件进行建模及装配。在进行建模之前，对软件环境进行设置，以方便统一管理。此外为了方便模型修改及草图管理，将图层规定为草图层、基准层、标注层、实体层、片体层。由于NX建模技术已很成熟，在此不进行详细叙述。本文对实际参与生产的加工中心夹具建立了若干套模型，以完成本次课题。由于模型较多，在此不做展示，加工中心夹具库中部分夹具编号见图3.7 。下文中选出一套典型的夹具作为完成装配及仿真分析的实例。图3.7 部分加工中心夹具编号列表3.5 三维装配3.5.1三维装配的定义三维装配一般可以这样定义：三维装配是指三维产品模型的装配过程，是一种基于虚拟环境的装配技术，一定环境下也叫虚拟装配。三维装配利用计算机工具，以模型为基础进行与装配相关的工作，它不需要实体产品或零件支持，相反还可以支持实体产品装配，在软件平台中，只需通过分析、先验模型、可视化和数据表达等手段模拟物理实验。三维装配是虚拟制造的一个非常重要、关键的环节，也是未来数字化设计与制造中将不断改进的重点。因为在传统二维装配工艺中，单纯的表格、文字、二维图已经不能全面的表达复杂的装配工艺了。由于企业三维CAD(Computer Aided Design)软件的普及应用，基于三维模型的装配技术可以很好解决这个问题27。在三维虚拟的环境下，可以进行模型检验、干涉检查、可视化数据表达、模拟装配过程等方法，这些方法能很好的帮助工艺设计者直观地看到装配的工艺及对可行性有了感官的判断28。3.5.2三维装配的实现要实现三维装配的过程及结果，需要确定几个方面的因素，也就是说根据不同的情况，运用相应的方法实现三维装配及过程。1）选取所用软件平台。三维装配技术的深化离不开软件的支持，近年来三维设计软件发展迅速，目前国内外运用广泛的三维软件有如下几种：CATIA软件：该软件是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM一体化软件，在CAD/CAE/CAM领域是不论是功能还是运用广泛性上都占据重要地位，广泛应用于高科技及传统制造行业，它所拥有的集成解决方案几乎覆盖了所有产品设计与制造领域29。SolidWorks软件：该软件是生信公司推出针对机械设计，基于windows环境开发的一款软件。该软件的优势在于建模能力，有很全面的模型库，操作简捷方便，同时也包括结构分析等模块，为制造业提供解决方案30。UG（NX）软件：这款软件是Unigraphics Solutions公司的拳头产品。该软件在CAE方面优势非常明显，在经过升级后，开发出一个全面的产品建模系统，使得UG中优越的参数化和变量化技术与传统的实体、线框和表面功能很好的结合在一起，这一结合被实践证明是非常有效的，且被大部分CAD/CAE软件厂商采用。Pro/Engineer软件：该系统是美国参数技术公司的产品。该公司提出的数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/CAE/CAM的传统观念，这个概念已普遍被认可并且成为了当今机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。采用该理念开发出的第三代产品会涉及到生产过程，使相关用户能够同时进行同一产品的设计，即实现并行工程。在实际工程运用中，可根据目标项目的难易程度，需要达到的要求及工作人员对软件的掌握程度选择合适的三维设计软件。本论文一方面为了和企业所用达成统一，另一方面因为研究对象特征要求，故选用NX5.0作为软件平台。2）平台相应的装配模式。本文采用NX5.0平台，研究NX的装配方式得出：NX软件自身提供两种装配模式，一是多组件装配，此装配方式是指装配过程中将所有零部件的模型及数据复制到装配操作界面中，装配中的零部件与引用的部件之间不存在关联性。二是虚拟装配模式，这种方式的原理是通过部件之间的装配关系建立装配体，它的优点是装配所需空间小，装配速度很快，形成的装配都是由零部件和子装配体组成的，子装配在高一级的装配中作为组件被运用。在NX 的装配关系中有重合、对齐、同心、角度等七种配对关系，这七种装配关系完全可以完成机械类复杂的装配关系。虚拟装配方式因其优点在装配工作中用到得概率比较大，几乎在非特殊情况下都采用这种方式。多组件装配一般在只描述零组件位置情况下采用，常采用重定位方式对部件进行编辑，另外在进行装配序列动画时也会运用多组件装配方式。装配和建模是分不开的，建模是装配的基础，装配是建模的结果和目的。在NX中，基于建模与装配之间的紧密关系和在实际运用中出现在装配后需要优化建模的情况，系统提供了三种方式，自底向上装配和自顶向下模式、混合装配。自底向上装配是指从最低层的元素也就是模型逐层形成装配，基本顺序是先建立模型，接着组成子装配，再由子装配组成总装配。自顶向下模式是指在装配级中使用建模功能创建相关的零部件，顺序是从装配体系中的高阶层向下产生低阶层的元素模型，配合使用了UG/WAVE技术和零部件表达式技术，其优点是在设计过程中能全盘考虑所要设计零部件的结构及位置关系。混合装配则是将前两者方式交叉结合起来使用。3.5.3三维可视化装配方法三维可视化装配是指利用三维设计软件（本论文采用的是NX5.0软件）把产品设计、装配工艺的信息表示出来的过程，最终以图形表现，即三维可视化装配图。在现实中的装配现场，工人们虽然可以从设计师的计算机终端上看到三维设计模型及装配过程，但由于人为记忆力及理解力有限，往往不能很好地利用立体模型指导工装，三维技术的直观、形象地展现装配关系这一功能发挥不了作用。三维可视化装配图可以使三维装配技术最大限度的服务指导现场工人完成装配作业，据调查与以往的文字表达方式装配工艺相比，工人至少节约了40%的看图和理解文字工艺规程的时间；此外还减少了人工阅读歧义，大大提高了装配的准确率和效率31。设计三维可视化装配图的方法有两种，其共同点是都是以三维装配体为基础，由装配模型（包括所有专用件、标准件等）出发，对装配图进行图形处理达到装配图效果。不同之处在于处理图形时所用的平台及方法不同。1）设计KMCAPP制作工艺卡KMCAPP是由武汉开目公司研发的一款工艺卡制作软件。在制作工艺卡之前第一步需要获取模型的三维装配体，有两种方法可以实现。一是由结构设计提供；二是从PDM数据库系统中下载。关于如何运用PDM获取目标数据将在后面的章节做具体叙述，在此不过多描述。获取模型后，开始设计KMCAPP装配工艺卡。具体步骤：创建 KMCAPP 装配工艺卡；拟制装配工艺路线；创建工序、工步卡；将NX界面的三维装配视图拷屏； “粘接”在作图板上，裁掉不需要的边框，输出生成“*.bmp”文件；打开“*.bmp”文件，选定图形区进行“拷贝”；将拷贝内容 “粘接”在在 KMCAPP 工艺简图界面中；在该工艺简图界面中调整装配图，找准位置；在工艺绘图界面中对装配零件的序列号及其相关装配技术要求说明进行标注；依次按照的步骤，完成各个工序、工步的的视图整合，完成三维可视化装配图32。2）基于PMI功能的三维装配标识针对数字化产品定义，西门子公司提供了产品和制造信息模块，简称PMI(Product and Manufacturing Information )，此模块是NX软件的一项重要功能。随着三维技术的发展，客户及设计、生产人员对这一技术提出更高的要求，PMI变得越来越重要，尤其对未来无纸化作业而言。为什么PMI如此重要，其原因有三：一是使产品设计人员能够对三维零件或装配表达出制造人员制造它们时所需要的全部信息。二是改变了所有流程的沟通方式，以二维图纸的沟通转变为全面标注的三维模型。三是与合理的二维图相结合，最准确高效的传递产品和制造信息的功能得到使用客户的完全认同。NX5.0中PMI传递的信息包括零件的几何公差信息、表面粗糙度、材料规格；装配的装配说明、装配工艺信息、企业标识等。二种方法比较：第一种方法操作简单，着重对三维模型的图形进行处理，但步骤较繁琐，只适用于简单装配模型；第二种方法需要全面掌握PMI知识，以处理实体模型视图为手段来完成信息传递，在表达效果上较前者更胜一筹。根据本文所用三维模型复杂程度、软件的兼容性、企业的要求、课题的任务量等因素，本文选择第二种方法（即PMI方式）来完成模型的三维可视化装配图。3.5.4可视化装配应用方法及效果1）NX的PMI预设置。预设置界面如图3.8所示 图3.8 PMI设置操作注视平面：设置PMI注释的放置默认平面。显示在所有视图中：创建的尺寸信息是否生成在所有视图中，勾选项则在生成视图中显示。通过有色模型显示PMI：当PMI被实体遮挡，PMI是否会变色显示。视图旋转后更新读取方向：当尺寸旋转180度后，数字是否会更新显示。以上四种基本设置是进行PMI标识的第一步，根据具体情况选择不同设置，每个设置选项内容都是在实际操作中经常遇到的，具有很强的实用性。NX PMI用户界面如图3.9所示 图3.9 用户界面及功能图标2）NX PMI添加注释用户可以在常规的六个平面里对模型进行标注，也可以把任意屏幕停留视图当做一个平面进行注释，如图3.10所示图3.10注释流程图3）NX PMI添加截面视图按照需求创建尽可能多的横截面视图，查看装配部件之间是如何交互的。添加截面效果见图3.11图3.11 添加截面视图4）NX的PMI布局添加因为PMI标注反应模型某一个平面的说明信息，对于稍复杂的装配或零件模型单个视图不能把全部信息表示出来，所以通过布局将模型多个方位的信息表达出来。布局添加如图3.12所示图3.12 添加所需布局格式5）成果展示加工中心夹具三维可视化装