（机械工程专业论文）铣钻夹具三维造型及构件有限元分析.pdf

摘要 摘、要 机械制造业历来是应用科学技术的主要领域，是应用最新科技推动社会经济 发展的主导产业。制造离不了机床，机床自然离不了夹具，夹具离不了设计，设 计离不了经验，但经验有时不不一定科学合理。夹具是制造设备的重要组成部分， 它用于实现被r o t _ 零件的准确定位，夹压，刀具的导向以及装卸工件时的限位等 等作用。但夹具设计行业中普遍依赖于设计者的经验积累。许多构件的形状及其 外形尺寸都是由经验来决定的。因此必然存在设计不够合理，不够经济等问题。 本论文所研究的课题来自生产实际，设计一套用于加工英国独立悬架桥壳的 铣钻夹具。最初的夹具设计方案是采用a u t o c a d 绘制的，在设计绘图中存在 a u t o c a d 绘图固有的问题：两维图纸直观性差，不容易确定工装与工件是否干 涉。绘图工作量大，特别是在设计结构改变时相应的改图工作量更大。夹紧件外 形尺寸由经验确定的，不同的设计者因经验积累程度不同，而对此件尺寸给定存 有争议。 本文以三维设计软件p r o e 为工具，对原设计进行“自上而下 式的高级装 配造型，体会三维设计软件直观性好、作图速度快、自动生成两维工程图纸及由 于采用了自上而下高级装配，非常方便对原设计进行修改等优点。然后采用有限 元分析软件a n s y s 对存有争议的构件进行受力分析。 将三维设计及有限元分析手法引入工装夹具设计领域，在中国重型汽车集团 济南生产基地尚属首次。中国重汽集团有众多二级生产单位，各公司几乎均能涉 及工装夹具设计领域。为了提高公司工装设计能力，提高设计效率，提高生产效 益，降低设计工作中存在的人工及材料的浪费，应大力开展三维软件及有限元分 析软件的普及工作。相信本论文的铣钻夹具三维造型设计及构件分析课题研究内 容会为今后工作的技术改进指明了方向并奠定良好的基础。 i i i 山东大学硕士学位论文 关键词：三维造型：自上而下；有限元分析 a b s t r a c t a b s t r a c t m a c h i n e r ym a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi sa l w a y st h em a i nf i e l do fa p p l i c a t i o no f s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , i st h ea p p l i c a t i o no ft h el a t e s tt e c h n o l o g yt op r o m o t et h e d e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m yl e a d i n gi n d u s t r y c a n ts t a ya w a yf r o mt h em a c h i n e t o o lm a n u f a c t u r i n g m a c h i n et o o lf i x t u r ef i x t u r en a t u r ec a n n o tl e a v e ，c a n ts t a ya w a y f r o mt h ed e s i g n ，d e s i g nw i t h o u te x p e r i e n c e ，b u tt h ee x p e r i e n c ei ss o m e t i m e sn o t a l w a y sr e a s o n a b l e t h ej i gi sm a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n ti m p o r t a n tc o n s t i t u e n t ，i t i s u s e dt oi m p l e m e n tt h ep r o c e s s i n go fp a r t so ft h ea c c u r a t ep o s i t i o n i n g ，c l a m p i n g ， c u t t i n gt o o l sa n dw o r k p i e c e sf o rl o a d i n ga n du n l o a d i n gg u i d et h el i m i ta n d s oo nt h e f u n c t i o n b u tt h ef i x t u r ed e s i g np r o f e s s i o ng e n e r a l l yd e p e n d so nd e s i g n e r se x p e r i e n c e m a n yc o m p o n e n t so ft h es h a p ea n ds i z ea r ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt oe x p e r i e n c e 硒h s t h e r em u s tb et h ed e s i g ni sn o tr e a s o n a b l ee n o u g h ，t h ep r o b l e ms u c ha st h ee c o n o m y t h i sp a p e ri so r i g i n a lf r o mt h ea c t u a lp r o d u c t i o n ，d e s i g nas e tf o rp r o c e s s i n gt h e u ki n d e p e n d e n ts u s p e n s i o nb r i d g es h e l li nd r i l l i n ga n dm i l l i n gf i x t u r e t h ef i r s t f i x t u r ed e s i g ni st h eu s eo fa u t o c a dd r a w i n g ，i nt h ed e s i g no fg r a p h i c si na u t o c a d d r a w i n gi n h e r e n tp r o b l e m ：t w od i m e n s i o n a ld r a w i n g sp o o rv i s u a l i z a b i l i t y , i sn o te a s y t od e t e r m i n ew h e t h e rt h et o o la n dt h e w o r k p i e c ei n t e r f e r e n c e b i gw o r k l o a do f d r a w i n g ，e s p e c i a l l yi nt h ed e s i g no ft h es t r u c t u r ei sc h a n g e dc o r r e s p o n d i n gt ot h e c h a n g eo fag r e a t e rw o r k l o a d t h ec l a m p i n gp i e c es i z ei sd e c i d e db ye x p e r i e n c e ， d i f f e r e n td e s i g n e r sb e c a u s eo fa c c u m u l a t e de x p e r i e n c et od i f f e r e n td e g r e e s ，a n dt h i s s i z eg i v e nc o n t r o v e r s i a l i nt h i sp a p e rt h et h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g ns o f t w a r ep r o | ea st h et o o l ，t h e o r i g i n a ld e s i g n ”t o p d o w n ”t y p eo fa d v a n c e da s s e m b l ym o d e l i n go f 3 dd e s i g n s o f t w a r e ，g o o dv i s u a l i z a b i l i t y , h i g hc o n s t r u c t i o ns p e e d ，a u t o m a t i cg e n e r a t i o no ft w o d i m e n s i o n a le n g i n e e r i n gd r a w i n g sa n dd u et ot h ea d o p t i o no ft h et o p - d o w na d v a n c e d a s s e m b l y , i sc o n v e n i e n tt om o d i f yt h eo r i g i n a ld e s i g ne t c t h e nu s i n gf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y so fc o n t r o v e r s i a lc o m p o n e n ts t r e s sa n a l y s i so p t i m i z a t i o n d e s i g n t h e3 dd e s i g na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o di si n t r o d u c e di n t ot h ef i x t u r e d e s i g n i nc h i n ah e a v y c l eg r o u pp r o d u c t i o nb a s ei nj i n a nf o rt h ef i r s tt i m e c h i n ah e a v yt r u c kg r o u ph a st w ol a r g ep r o d u c t i o nu n i t s t h ec o m p a n ya l m o s ta l lc a n r e l a t e st of i x t u r ed e s i g n i no r d e rt oi m p r o v eo u rc o m p a n yt o o l i n gd e s i g na b i l i t y , a n d i m p r o v et h ed e s i g ne f f i c i e n c y , i m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , r e d u c et h ed e s i g nw o r k i nt h ep r e s e n c eo ft h el a b o ra n dm a t e r i a lw a s t e s h o u l dv i g o r o u s l yc a r r yo u t 3 d s o f t w a r ea n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o f t w a r et op o p u l a r i z et h ei o b ib e l i e v e ，t h e r e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e rf o rf u t u r ew o r kt ol a yag o o df o u n d a t i o n v 山东大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：3 dm o d e l i n g ；t o p - d o w n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s v i 缩略语 缩略语 f e af i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s有限元分析 f e m f i n i t ee l e m e n tm o d e l 有限元模型 c a i d c o m p u t e ra i d e d i n d u s t r i a ld e s i g n 计算机辅助工业设计 c a e c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g 计算机辅助工程 c a d c o m p u t e r a i d e dd e s i g n 计算机辅助设计 v i i 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 三维设计及有限元分析软件在中国重汽工装夹具设计领域应用 的背景 1 1 1 中国重型汽车集团简介 中国重型汽车集团有限公司是全国最大的重型汽车生产基地，同时也是我国 重型汽车工业的摇篮，中国第一辆重型载重汽车“黄河”诞生于此。中国重 汽是国内第一家全面引进国外重型汽车整车制造技术和第一个与世界卡车巨头 合资的企业，引领着中国重型汽车发展的方向，始终如一地向社会提供最好的产 品和最佳的服务。被誉为最具竞争力和成长性的国际化企业。主要组织开发研 制、生产销售各种载重汽车、特种汽车、客车、专用车、改装车、发动机及机组、 汽车零部件、专用底盘。 整车生产方面，拥有六个整车制造企业：济南卡车股份有限公司、济南商用 车有限公司、济南特种车有限公司、济宁商用车有限公司、济南豪沃客车有限公 司和成都王牌商用车有限公司。 总成制造方面，车桥总成由济南桥箱有限公司负责，动力系统由动力事业部 组织济南发动机部、杭州发动机有限公司、济南复强动力有限公司、重庆燃油喷 射系统有限公司四个单位；变速箱总成由济南变速箱部、大同齿轮有限公司两个 制造单位。 零部件制造方面，拥有专门从事汽车零部件生产的济南部件制造部、济南橡 塑件制造部、济南汽车零部件有限公司3 。 1 1 2 课题来源 中国重汽集团济南桥箱有限公司担负中国重汽集团车桥生产任务。公司设有 专门从事工装夹具设计的部门：技术部工装设计室。因为公司是集团最为重要的 总成制造单位之一，因此随着新产品的不断改进，会伴随出现大量的工装夹具设 山东大学硕士学文论文 计任务。而且，许多设计任务时间紧迫，通常两三天就必须完成一套从设计构思 到出具工程图纸的完整过程。由于a u t o c a d 的局限性，在出图过程中往往存在绘 图工作量巨大、容易出错、图纸直观性差、不方便更改且改图工作量很大，而且 更容易出错等问题。其结果就会造成设计员竭尽全力有时也不能按时完成设计任 务；或者所设计的方案不够科学经济、甚至粗老笨壮，或构件刚性不足，造成工 装使用寿命过短；或者设计图中存在绘图错误，甚至造成按图纸制造出来的夹具 送到生产现场后不能使用等严重失误。 基于此，拟定来自中国重汽济南桥箱有限公司生产实际的“铣钻夹具三维 造型及构件有限元分析”课题，有代表性的阐述并引用三维设计软件p r o e 进行 夹具造型，并且采用“自上而下”式智能高级装配方法来体现真正的设计过程， 达到各构件在连接骨架尺寸改变时而自动随之调整改变，无需像a u t o c a d 那样要 分别对各构件图纸进行修改，极大的减轻了设计过程中因方案或尺寸调整而造成 的“可怕的工作量”。 许多构件的形状及其外形尺寸都是由经验来决定的，不同的设计者因经验积 累程度不同，必然存在设计不够合理，不够经济等问题。因此，一并引入有限元 分析软件a n s y s ，对有代表性的构件进行受力分析，检验设计合理性。期以通 过科学的计算方法和数据解决设计人员在构件尺寸给定方面由于经验的不同而 出现的分歧，提高设计的经济性。 i i 3 工装夹具的定义及应用 在机床上加工零件时，为使被加工表面能够达到图纸规定的几何形状、 尺寸、及形位公差等技术要求，加工前必须将零件进行准确定位并夹紧。工 装夹具又称卡具，在机械n - r 领域中对工件进行定位夹紧，以达到加工要求的 工具或装备。只有应用机床夹具系统，才能有效保证零部件、构件的加工精 度、才能提供稳定产品质量。工装夹具的使用有利于降低成本提高劳动生 产率，保障工人在安全的条件下进行生产。工装夹具的应用使机床“一机多 用”成为可能，最大化机床的使用价值。 夹具通常由保证工件在夹具中的正确位置定位组件、夹紧机构、确定刀 第l 章绪论 具与工件的相对位置或导引刀具方向的对刀引导元件、使工件在一次装夹 后能完成数个工位加工的分度装置、连接机构以及夹具基座等组成。广义上 的夹具的范畴包括，在加工生产过程中所有用来方便、安全、快速地安装工件的 机构心1 。夹具包含装配夹具、检验夹具、焊接夹具、机床夹具等。我们所指的 夹具通常是指机床夹具，简称为夹具。工装夹具是机械加工不可缺少的组成部分， 它用来迅速定位夹紧工件，使工件与机床定位机构、刀具、保持准确相对位置的 装置。机床行业目前正向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展。在此 推动下，工装夹具同时朝着高精、高效、模块、组合、通用、经济方向发展。 工装夹具设计与应用的目的可总结为三个方面：首先保证产品加工能达到图 纸设计要求；其次提高生产效率：然后是降低生产成本，实现一机多用。 1 1 4 工装夹具设计的要求、原则与基本步骤 工装夹具设计应满足如下一般要求： ( 1 ) 、必须实现可靠的夹紧。既不能出现零件松动滑移现象，又不使零件因夹紧 力过大而产生明显的变形应力。夹紧时不能改变零件的定位位置，必须保证产品 形状和尺寸符合图纸要求。 ( 2 ) 、能实现灵活的操作。夹具的使用应为生产提供足够的操作空间，具有有良 好的可操作性，使加工生产全过程处于稳定的状态。 ( 3 ) 、工装夹具应具备足够的强度和刚度，具有良好的耐用性。夹具在使用过程 中要承受多种力的作用，因此工装夹具应具有足够的设计强度和刚度。 ( 4 ) 、工装夹具设计在满足构件有足够的强度和刚度的前提下，还要有合理的经 济性。如果工装夹具的构件设计的“粗老笨壮”，不仅会使起重量大增，给操作 人员的操作灵活性带来不利的影响。而且还会构件材料成本上升，使工装夹具经 济性降低。因此在设计工装设计过程中应把握好工件强度刚度与工件经济性之间 的关系1 。 工装夹具设计有如下设计原则需要遵守： ( 1 ) 使用过程中零件定位具有较高的可靠性和稳定性； ( 2 ) 应具有并提供足够的夹持力以保证工件夹持的稳定性； 山东大学硕士学文论文 ( 3 ) 在装夹过程中应实现简单与快速的装卸； ( 4 ) 易损零件必须具有快换性，更换时最好不需要借助其它工具； ( 5 ) 夹具在调整或更换过程中应具有重复定位的可靠性； ( 6 ) 结构简单，成本低廉； ( 7 ) 设计中尽可能多选用标准件； ( 8 ) 满足夹具使用国家或地区的安全法令法规； ( 9 ) 设计方案遵循手动、气动、液压、伺服的依次优先选用原则； ( 1 0 ) 形成公司内部产品的系列化和标准化1 。 工装夹具设计的基本方法和步骤总结如下： ( 1 ) 、设计工作开始之前的准备 工装夹具设计资料包括以下内容： 1 ) 接收夹具设计任务书 2 ) 零件图纸技术条件收集与研究 3 ) 零件的装配工艺规程收集与研究 4 ) 收集与研究夹具设计的技术条件 5 ) 收集整理夹具的标准化和规格的标准化资料。如括国家标准，工厂标准等。 ( 2 ) 、设计的步骤 1 ) 确定夹具结构方案 2 ) 绘制工装夹具工作总图阶段 3 ) 绘制工装夹具零件图阶段 4 ) 编写工装夹具设计说明书 5 ) 必要时，还需要编写装配焊接夹具使用说明书，包括机具的性能，使用注意 事项等内容。 ( 3 ) 、工装夹具制造的精度分类 1 ) 第一类是直接与工件接触，并严格确定工件的位置和形状的，主要包括接头 的定位件，v 形块，定位销等定位元件。 2 ) 第二类是各种导向件，此类元件虽不与定位工件直接接触，但它确定第一类 元件的位置。 4 第1 章绪论 3 ) 第三类属于夹具内部结构零件相互配合的夹具元件，如夹紧装置各组成零件 之间的配合尺寸公差。 4 ) 第四类是不影响工件位置，也不与其它元件相配合，如夹具的主体骨架等。 ( 4 ) 、夹具结构工艺性规定 1 ) 对夹具良好工艺性的基本要求 1 整体夹具结构的组成，应尽量采用各种标准件和通用件，制造专用件的比 例应尽量少，减少制造劳动量和降低费用。 2 各种专用零件和部件结构形状应容易制造和测量，装配和调试方便。 3 便于夹具的维护和修理。 2 ) 合理选择装配基准 1 装配基准应该是夹具上一个独立的基准表面或线，其它元件的位置只对此 表面或线进行调整和修理。 2 装配基准一经加工完毕，其位置和尺寸就不应再变动。因此那些在装配过 程中自身的位置和尺寸尚须调整或修配的表面或线不能作为装配基准。 3 ) 结构的可调性 经常采用的是依靠螺栓紧固，销钉位的方式，调整和装配夹具时，可对某一 元件尺寸较方便的修磨。还可采用在元件与部件之间设置调整垫圈，调整垫片或 调整套等来控制装配尺寸，补偿其它元件的误差，提高夹具精度。 4 ) 维修工艺性 进行夹具设计时，应考虑到维修方便的问题。维修不方便的工装夹具会使其 使用性能大打折扣1 。 1 2 工装夹具设计领域三维设计及有限元分析软件国内外应用现状 及分析 一 如前所述，工装夹具是制造设备的重要组成部分，它用于实现被加工零件 的准确定位，夹压，刀具的导向以及装卸工件时的限位等等作用。因此，此项技 术广泛应用于各类设计及加工制造单位。涉及汽车、航空、航天、化工等各行业 山东大学硕士学文论文 2 0 0 9 年7 月1 5 日，重汽集团与德国曼公司在香港签订合作协议，根据协 议，曼公司将其先进的卡车和发动机技术以独占许可的方式在中国境内授权给重 汽集团及相关下属公司，并与重汽集团合作生产和销售基于该技术的技术提升型 卡车。通过双方合作的深入，德方向我方转让了大量的图纸及技术资料，其中包 括大量的工装夹具设计图纸。通过研究可以发现，超过8 0 的图纸是通过三维 软件设计的。也就是说，在总装图的醒目位置会有一个三维示意图。通过此图可 以清楚的看到此工装的结构，对准确读取相应的两维图有很大的帮助。但是在合 资一方的中国重汽集团在工装夹具设计领域目前还没有人应用三维设计手法和 有限元分析理论。 采埃孚商用车转向机( 山东) 是z f l s 的全资子公司。公司是z f l s 在中 国的第3 家子公司。公司于2 0 0 6 年1 1 月8 日正式成立，由世界5 0 0 强企业德国 z f 集团投资3 5 亿元人民币合作成立，位于济南临港经济开发区。主要生产商 用车转向机及相关产品和零部件的应用、生产、装配、试验、销售、售后服务等， 年产转向机能力达1 8 万套。通过调研，该公司几乎所有的工装夹具均来自德国， 并且都是通过三维软件来设计的。其设计图与德国m a n 公司相似，在总装图上 也会带有三维示意图，帮助技术人员准确顺利读取两维工程图。通过在该公司工 作的同事了解到，采埃孚商用车转向机( 山东) 公司的总部，即德国采埃孚公司 在设计产品和工装夹具的某些重要部件时会使用有艰元手法来验算一下设计的 合理性。 中国一汽无锡柴油机厂属国家大型一类制造企业，国家重点高新技术企业。 始建于1 9 4 3 年，1 9 9 2 年加入一汽集团，1 9 9 3 年更名为“中国第一汽车集团公司 无锡柴油机厂”。2 0 0 3 年成立“一汽解放汽车有限公司”，成为隶属解放公司的专 业化分厂。通过在该公司工艺部门的同学了解到，一汽无锡柴油机厂当然也同样 存在若干工装设计部门，主要使用两维设计软件a u t o c a d ，也同样存在我公司 在夹具设计方面绘图工作量大、不容易更改设计方案、绘图及其更改设计的过程 中易出现绘图失误等类似问题。在目前该公司的工装夹具设计领域暂未出现三维 设计软件和有限元分析软件应用的案例。 第1 章绪论 1 3 本文研究内容 本论文所研究的课题来自生产实际，设计一套中国重汽为英国某公司在数控 加工中心上加工独立悬架桥壳所使用的铣钻夹具。最初的夹具设计方案是采用 a u t o c a d 绘制的，在设计绘图中存在a u t o c a d 绘图固有的问题：两维图纸直观 性差，不容易确定工装与工件是否干涉。绘图工作量大，特别是在设计结构改变 时相应的改图工作量更大。夹紧件外形尺寸由经验确定的，不同的设计者因经验 积累程度不同，而对某些构件尺寸的给定存有争议。 本文以三维设计软件p r o e 为工具，对本套典型的铣钻夹具进行重新设计， 感受其所带来的便捷性和准确性。对原设计进行“自上而下式的高级装配造型， 体会三维设计软件直观性好、作图速度快、自动生成两维工程图纸及由于采用了 自上而下高级装配，非常方便对原设计进行修改等优点。然后首次使用有限元分 析软件a n s y s 对存有争议的构件进行受力分析，体验其所带来的科学性，验证 设计取向的正确性，期以改善工装设计人员对经验的过分依赖，以保证所设计的 夹具不仅结构合理、无设计失误、并且具有良好的经济效益。 1 4 研究的意义 从公司角度考虑，自5 0 年代重汽的前身济南汽车制造总厂成立以来，就存 在工装设计部门。纵观公司的发展史，设计工作发挥了其重要作用。可以说，有 生产，就有工装。对于生产制造单位，工装夹具的设计工作起到了不可或缺的作 用。因此，我们更应关注设计过程是否科学合理，是否与先进的设计工具及理念 接轨。同其他设计工作一样，工装夹具设计是一个相对复杂，绘图量巨大的工作 过程。按照我的理解，方案构思仅占整个设计工作的1 0 ，两维工程图的绘制 占掉剩余的9 0 的时间。因此，要想提高整体设计速度，就必须减少两维图纸 的绘图工作量。要想提高绘图准确率，减少工装在制造完成后在生产现场不能使 用而造成的废品率，就必须提高图纸的直观性，避免产生干涉及配合错误等现象 的发生。 将现代化的三维设计软件p r o e 及有限元分析软件a n s y s 引入中国重汽集 7 山东大学硕士学文论文 团的工装设计领域，结合现在正在使用的二维制图软件a u t o c a d 无疑能解决上 述问题，对于提高公司设计能力、设计水平及出图速度是有帮助的。如有可能， 应在公司内部甚至是国内工装夹具设计制造行业普及此项技术，以提高行业水 平。“工欲善其事，必先利其器”正是本文撰写的出发点及研究意义所在。 第2 章铣钻夹具三维造型设计 第2 章铣钻夹具三维造型设计 2 1 二维设计与三维设计之间的关系剖析 2 1 1 二维设计、三维设计的概念剖析 设计是指设计、创建、策划、构思的过程1 。设计是个复杂的过程，设计 中各个相关要素比如需要进行装配的零件、零件的结构、构件的形状和尺寸， 在设计全过程中要反复修正、调整，伴随在整个设计的全过程中。工程技术人 员只有经过专业训练才能实现真正的设计过程。 狭义上的设计概念是指工程技术人员进行创新设计的过程，即技术人员通 过查阅相关技术资料，进行分析、计算从而形成设计方案的过程。广义上设计 概念指技术人员从接收设计任务书，然后进行设计构思，到出具设计方案的过 程。既包含技术人员通过查阅相关技术资料，进行分析、计算形成设计方案的 过程，又包含技术人员将已成形的设计方案通过工程图纸等形式表达出来的全 部过程。 现在二维制图软件在机械行业内已经大量普及。其实在应用二维软件进行 辅助设计的情况之下，工程师也必须人工手动处理工作中的大部分内容。因此 仅仅是计算机辅助设计过程，而不是计算机设计。二维辅助类软件是以出具工 程图为主要辅助目标，在设计过程中需要工程师人工处理大量设计细节，相比 之下软件只是一个绘图工具，仅仅是过去纸质绘图板的升级替代工具。 其实根本不存在“二维设计”这样的概念。根据广义设计的概念，二维制 图软件是辅助设计手段。根据狭义设计的概念，二维制图软件其实不可以被称 为辅助设计软件。设计的过程总要进行绘图工作，是一个必要的过程。设计工 程师不可能完全记住自己所有的设计细节，因此借用图形进行表达就成为重要 甚至是唯一的方法。工程图纸在设计过程中是给设计师自己看的。目的是为了 准确的记住、进一步研究调整自己的设计构思。在方案讨论及审核阶段，这些 工程图纸则是给其他工程技术人员进行技术方案讨论交流的媒介，以便定型设 9 山东大学硕士学文论文 计方案。在最后的制造阶段工程图纸则是给制造商看，只有制造商准确读取了 设计师的设计意图，才能在制造环节把图纸变成零件。因此，设计师绘制的工 程用图纸，其实就是准确表达设计构思的一种手法1 。 应用二维制图软件的目的是出具工程用图，目的是为了表达设计方案，及 指导制造环节，因此二维软件是在设计方案形成之后用于输出表达的手段 。使用二维制图软件进行设计，必须先形成方案，然后对方案进行表达。两者 是有先后的逻辑关系。当然，设计过程中已经在使用二维软件了，但它仅仅是 手段而并没有参与到构思的过程中。在设计过程中虽然技术人员已经在使用二 维软件了，但设计师不可能使用二维图纸进行方案结构构思。工程师必须要事 先在大脑中极力构建虚拟的三维图像，然后根据想象获得的三维图像完成设计 方案的构建，然后借助二维制图软件将想象出的设计方案表达出来。上述模式， 方案构思及其表达是并行完成的。不管是串行模式，还是并行模式，二维制图 软件都不直接参与设计工程师的设计过程。 相比二维制图软件，三维设计软件可以真正有效的辅助设计师完成设计工 作。设计师的原始构思其实是三维的，它是有颜色、形状、位置、甚至包含制 造工艺等相关信息的三维想象图。设计之初如果可以直接引入三维概念，借助 三维软件的表达，可以形象、准确的表达出整个设计方案的构思。方案设计能 够完全通过实体建模这种方式进行讨论，这种三维设计辅助手段贯穿整个设计 全过程，并保证设计的各个阶段都能进行数据共享。通过此种手法可以比较容 易地建立贯穿设计过程始终的数据库，进一步进行具体研究，诸如，装配图干 涉情况、构件运动状态、数控加工模拟、有限元分析、构件经济性分析、从而 生成极为准确的、不包含人为绘图因素的二维工程用图。因此三维设计软件能 有效提供设计过程辅助，是真正的、现代化的设计过程。 人是设计过程的主导，虽然现在有成熟的计算机辅助设计工具存在，但是 设计过程也不可能脱离设计工程师的构思。相比简单应用二维制图软件，这里 需要工程师手动处理的具体问题会相对减少，从而可以把更多的、具有某种规 则可循的具体环节交给软件处理，彻底解放设计师思维，有利于进行更加专注 的创造。科学研究成果提出，记忆类型可以分为：长期记忆、短期记忆、工作 1 0 记忆。与设计工作休戚相关的是工作记忆。但是相对其他记忆类型，工作记忆 空间最为有限。如果使用二维出图手段配合有限的工作记忆空间，设计师不仅 要构建虚拟的三维设计图，进行设计思考，又要手动出具设计方案图。因此设 计人员的工作量是非常巨大的。如果使用三维设计软件则能极大的解放设计师 的工作量，减轻大脑负担，形成人脑以外直观的三维图像。由此节省出的工作 记忆空间有利于设计师进行技术创新性构思，利于设计进步及设计员个人技术 素质的发展。 2 1 2 采用三维软件辅助设计是必然的发展趋势 工业发展史表明，工程图纸的每次革新都与生产形式进步构成条件逻辑关 系。人工绘图板绘图时代，生产形式多以作坊模式存在。工程图纸仅是设计师 设计方案的记录，形式各异没有规范，没有图纸规范的概念。那时图纸并不主 要用于交流及信息传递。人类社会的进步，大工业时代的到来，生产形式以小 批量和批量制造为主要形式。技术交流的需求催生了相应的图纸标准的诞生。 最初及相当长一段时期内设计人员使用木质图板在图纸上制图，随着计算机技 术的发展与行业内普及，终于诞生了二维制图软件，体现了绘图方式的巨大进 步，满足了社会制造生产发展的需求。 工程图的目的是为了表达和记忆设计师的设计思维。只有经过专业培训、 有工程应用经验的工程师才能出具这些含有大量设计制造信息的工程图，同时 工程师的设计构思，需要使用这样的媒介才能展开和讨论。由此可见，图形数 据与设计构思之间，需要设计师的介入才能真正有用。 在应用二维的设计中，零件的设计图形及其相关的设计数据无法完全在同 一套工程图中共同存放。两者必须分开单独存放，即图纸是图纸，参数是参数。 这些技术资料的保存和更新都是十分的麻烦，两者之间没有必然联系，必须单 独进行管理。虽然二维工程图形在a u t o c a d 等二维制图软件中相对过去纸质 的绘图板有较方便的修改方法，但是由于是对图纸的修改而不是对设计的修改， 所以是相当麻烦，改图过程中很有可能出现错误，是相当不可靠的过程。在使 用二维制图软件的过程中，设计师无法在二维构图过程中充分展示原始设计数 山东大学硕士学文论文 据，也不能对设计数据进行智能关联，根本无法实现参数化设计构思。 三维设计软件的成功开发与应用是计算机辅助设计工具变革的一个重要 的标志性里程碑。三维设计软件中集成了诸多行业常用的设计规则、设计标准 等信息，最重要的是此种三维辅助软件能将设计人员的设计过程进行完整的记 录，实现智能的参数化设计3 。因此工程技术人员在使用三维软件时，既能有 效保证设计方案满足行业设计规则、设计标准的要求，又能智能使用之前所积 累的设计过程参数自动完成设计方案的设计。 目前机械行业发展非常迅速，所立足的市场竞争日趋激烈，各类机械产品 的结构越来越复杂，产品设计开发的难度也越来越大。当今社会企业如何满足 市场环境的要求是每个制造型企业都要进行思考的问题。使用三维软件辅助设 计是机械行业发展的必然趋势，只有借用三维软件辅助设计才能满足企业乃至 行业发展要求。三维设计软件应用的发展趋势可以从汽车制造行业、飞机制造 等行业的发展，以及三维软件近些年来的市场份额增加来加以验证。 2 1 3 二维软件和三维软件各自的优点 目前，二维软件，如a u t o c a d 和三维软件，如p r o e n g i n e e r 同时并存 于机械行业中，并且两者的应用都非常的广泛。两种不同的软件代表不同的应 用层面，虽然它们都存在一些弱点，但是它们各自的优点却都经过了市场及行 业验证，这也正是它们各自的市场价值所在。因此为了更好的使用、或更好的 结合两种不同的软件，我们应该认真充分了解它们各自的优点。 二维制图软件的优点： ( 1 ) 为纸质绘图板的换代产品，应用极为广泛。技术人员可以熟练使用，应用 时间较长； ( 2 ) 工程图设计标准完善，是行业内的绝对主流绘图产品，其垄断地位短期内 不会改变； ( 3 ) 软件本身带有很多绘图插件，大量插件的使用，极大的提高了绘图效率和 出图质量 ( 4 ) 图纸修改比较灵活，容易实现。不存在三维软件中的命令相互干涉问题； 第2 章铣钻夹具三维造型设计 三维设计软件的优点： ( 1 ) 所见即所得，为设计者提供直观的表达，极大的提高了设计质量； ( 2 ) 多种用途数据源共享，为协同并行工作提供了可能，提高了团队工作效率； ( 3 ) 可减轻设计工作量，有效集成设计参数，包括规则性参数和过程性参数， 为自动设计打下基础： ( 4 ) 模型之间具有智能关联性，可以有效保证设计数据的前后统一性，从而保 证设计的准确性； ( 5 ) 设计过程引入参数化概念：关系和大小。先确定各个零件之间的组装关系， 然后再驱动尺寸到设计值。参数化设计是对工程师设计过程的抽象和整理，完 全再现了设计师的思考过程3 。 通过上述对二维制图及三维设计之间的优势对比，我们可以看出三维设计 效率较高，适用于创造性设计；二维制图对于检索设计效率较高，越对于设计 师熟悉的设计，二维设计的效率就越高。因为设计数据的构建和表达已经非常 明晰，许多细节不需要再次配凑，结论已经清楚明了。 2 1 4 二维设计与三维设计之间的关系 设计软件，无论是二维还是三维的，它们都是设计辅助软件，不可能完全 按照设计师的构思进行工作。工程师和设计软件功能之间尽可能多功能的整合 是使用设计软件必然的、永恒的研究课题。设计软件功能越来越先进、设计师 的技术准备工作越来越充分，会相应的缩短、优化这个过程。相比二维设计软 件的广泛掌握程度，并不是所有的设计师都能充分理解和较好的掌握三维设计 过程的理念及其方法。换句话说，能够较好掌握三维设计理念的工程师人数并 不乐观，仅仅是一小部分设计师能否体会三维软件辅助设计的优势。 了解了三维软件的辅助设计功能之后，如何具体了解设计软件的规则是摆 在设计师面前的实际问题。工程师所有的想法都必须通过软件的相关功能的操 作来实现，如果设计师的构思在设计软件里没有直接对应的功能，就需要发挥 人的主观能动性，借用软件其他功能间接实现设计师的想法。三维设计软件的 主要特点是辅助设计，其出图功能自然无法与专业出图的二维软件相比。为了 山东大学硕士学文论文 能更好的体会三维软件辅助设计功能优势，刚刚接触三维设计软件的工程师们 不应将精力过多地放在如何使用三维软件出图功能上，而是要体会直观的、参 数化的设计功能，然后再使用二维制图软件出图。 在三维设计软件应用方面还存有一定误区：很长一段时间以来很多工程师 无法体会三维辅助设计的优势，它们甚至认为使用三维设计软件要做大量重复 性工作。原因在于现阶段开发的大部分三维设计功能多为验证性质，必须是根 据已有图纸来逆向建立三维模型，而并不是直接使用三维软件来进行设计。建 立好三维模型之后，再根据所得的三维模型出具工程用图。究其整个过程实际 上就是在考察三维设计软件的三维建模能力和二维出图能力。因此，基于以上 现状，如何才能让设计工程师切切实实的体验三维设计软件辅助设计功能是一 个值得研究的实际问题。在实际的设计工作中，我们应该首先使用三维设计软 件进行实体造型、装配设计，方案确定之后再导入二维制图软件中出具工程用 图。只有这样才能淋漓尽致的发挥这两种不同层次软件的各自优势，把两个不 同同能特长的软件有机的结合起来为设计工程师所用。在科学技术飞速发展的 今天，解决设计出图的方案是完备可行的，过程步骤参考如下：三维造型设计、 三维造型校核、三维造型审定、三维造型发布、二维工程出图、三维造型辅助 示意图。在机械设计制造行业，完全抛弃二维制图软件是非常不明智的选择， 众所周知，二维软件的出图能力是非常强大的。因此设计工程师们可以采用一 种相结合的折中的解决方案：造型设计、干涉校核、方案评审等过程使用三维 设计软件完成。设计方案通过审核之后，再使用三维软件中的设计导入二维软 件中的方式出具工程用图纸。具体出图过程中可用二维软件进行方便的弥补， 即在三维设计软件中绘制出设计方案的大体造型，然后导入二维制图软件进行 修改完善，以达到工程用图出图标准0 。 2 2a u t o c a d 软件在铣钻夹具设计中的应用 2 2 1a u t o c a d 软件简介 1 4 a u t o c a d 是目前行业内典型的二维制图软件，在制图软件中居于主流位 第2 章铣钻夹具三维造型设计 置。它是由美国a u t o d e s k 公司在上世纪八十年代初，为微型计算机上应用c a d 技术而开发的程序软件，用于绘制工程图。经过若干年的不断发展完善，现在 已经成为国际上最为广泛流行的绘图工具。它具有友好的用户界面，方便操作。 主要通过交互式菜单或命令行方式进行各类绘图操作。它拥有友好的操作界面， 即便是非行业专业人士也可以很快学会上手使用。经过不问断的实践，工程师 们可以更好地掌握它的各种使用技巧，从而不断提高操作熟练程度，提高工作 效率。 与传统的手工绘图板方式绘图相比，a u t o c a d 可以方便的绘制任何形状的 二维图形，而且使用a u t o c a d 绘图方便更改，速度更快、绘图精度更高。目 前，a u t o c a d 已经在机械设计制造、建筑、造船、航空航天等很多个领域得到 了极为广泛应用，并且在实际工作中取得了丰硕的成果和巨大的经济效益。 历经发展，a u t o c a d 的进程可分为：初级发展时期、快速发展时期、高级 发展时期、完善发展时期以及继续完善五个时期1 | 。 2 2 2 软件特点 ( 1 ) 相对完善的二维图形绘制功能。 ( 2 ) 较强的二维图形编辑功能。 ( 3 ) 预留二次开发或用户定制接口。 ( 4 ) 具有强大的数据交换能力，可以进行多种图形格式之间的转换。 ( 5 ) 可以和多种硬件设备配合使用。 ( 6 ) 可以在多种操作平台中使用。 ( 7 ) 良好的易用性及通用性。 2 2 3 基本功能 平面绘图功能 软件基本功能绘图辅助工具支持以不同方式创建直线、圆、样条曲线、多 边形、椭圆等基本图形。a u t o c a d 中的绘图辅助工具提供对象捕捉、极轴追踪、 捕捉追踪、正交等极为常用的功能。 山东大学硕士学文论文 编辑图形功能 a u t o c a d 编辑功能非常强大，可以对图形作如下常用操作：复制、阵列、 延长、移动、修剪、旋转、拉伸、缩放等。使用尺寸命令可以进行多种类型尺 寸。软件具有强大的图层管理功能。 三维绘图功能 虽然不能和专业的三维设计软件相比，但是软件可以创建相对简单些的实 体及表面模型，并能对模型进行需求编辑。 2 2 4 应用领域 a u t o c a d 软件的应用领域极为广泛。大量应用于机械设计与制造、城市规 划、轻工、化工、土木、建筑、园林设计、服装设计与制造、装饰装潢、航空 航天、电子电路设计制造等诸多领域。 值得一提的是，在不同的行业中，a u t o d e s k 公司还开发出了不同行业专用 的版本和插件。a u t o c a dm e c h a n i c a l 版本用于机械设计与制造行业。a u t o c a d e l e c t r i c a l 版本则用于电子电路设计行业。 a u t o d e s kc i v i l3 d 版本面向土木工 程、勘测与道路设计。 a u t o c a ds i m p l i f i e d 版本主要用于学校教学及软件普 及应用培训。 2 2 5 使用二维制图软件a u t o c a d 设计绘制本套铣钻夹具 在中国重汽的前身，也就是济南汽车制造总厂时代，工装夹具的设计是通 过使用绘图铅笔在图纸上绘制而成的。其工作量之大及绘图速度之慢