（机械电子工程专业论文）基于ug平台的机床专用夹具设计研究.pdf

摘要 摘要 夹具的设计制造在整个制造生产准备工作中占有很重要的地位，它的设计 与制造质量对保证产品质量有决定性的影响，由于当今市场竞争的激烈和企业 信息化的需要，企业对夹具的设计及制造提出了更高的要求。在此背景下，本 文根据企业的需求开发了实用性强的基于u g 平台的机床专用夹具设计系统，主 要进行了下面几个方面的研究： 1 、介绍了机床专用夹具设计的国内外研究现状，提出了基于u g 平台的参 数化设计方法，确定了系统的体系结构和功能模块。 2 、阐述了机床专用夹具设计的信息处理方法，设计支持理论和设计使能技 术，研究了机床专用夹具元件几何参数化建模设计技术。 3 、利用u go p e n 二次开发了机床专用夹具设计模块用户系统菜单，编制了 参数化的控制程序，建立了人机交互操作界面。 4 、在基于u g 参数化设计技术研究的基础上，建立了夹具定位机构、夹具 夹紧机构、和夹具对定机构常用夹具元件及非标准模型库实现了在机床虚拟 装配过程中快速调用相应元件的方法。 本文最后对开发的基于u g 平台的机床专用夹具设计系统进行了详细的介 绍，并给出了具体应用的实例，通过实例验证了所开发夹具系统的实用性。 关键词：机床夹具设计；u g o p e n ；参数化；虚拟装配 a b s t m c t a b s t r a c t t h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r i n go ff i x t u r ea r ev e r yi m p o r t a n tf o rp r o d u c t i o n p r e p a r i n g ，f i x t u r ed e s i g na n dq u a l i t ya r ec r u c i a lt ot h eq u a l i t yo fp r o d u c t ，n o w a d a y s ， d u et ot h es e v e r ec o m p e t i t i o na n dt h er e q u e s to fi n f o m a t i o n i z a t i o n ，e n t e r p r i s e sh a v e b r o u g h tu pah i g h e rd e m a n di nd e s i g n i n ga n dm a k i n go ft h ef i x t u r e i nt h i sp a p e r , r e s e a r c hf o rm a c h i n et o o lf i x t u r ed e s i g nb a s e do nu gp l a t f o r mw a sd e v e l o p e d s u c hm a i nw o r k sa les t u d i e d ： 1 、t h ed e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c hs t a t e m e n to fm a c h i n ef i x t u r ed e s i g na r e i n t r o d u c e d ，b a s e do nt h ep a r a m e t e rd e s i g nm e t h o do fu gp l a t f o r mi sp u tf o r w a r d , t h es y s t e ma r c h i t e c t u r ea n df u n c t i o n a lm o d u l e sa r ei d e n t i f i e d 2 、t h ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n gm e t h o do fm a c h i n ef i x t u r ed e s i g n , t h ed e s i g n t h e o r ya n dd e s i g ne n a b l i n gt e c h n o l o g yi sd e s c r i b e d ，t h eg e o m e t r i cp a r a m e t r i c m o d e l i n gd e s i g nt e c h n i q u e si sa n a l y z e d 3 、t h eu s eo f u go p e ns e c o n d a r yd e v e l o p m e n ts y s t e mm e n u ，t h ep a r a m e t r i c c o n t r o lp r o g r a mi sp r e p a r e d ，t h er e a l i z a t i o no ft h ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c ei sc r e a t e d 4 、o nt h eb a s i so fr e s e a r c ho nt h ep a r a m e t e rd e s i g nm e t h o do fu g , t h ec o m m o n c o m p o n e n t so ft h ef i x t u r el o c a t i n gd e v i c e ，t h ef i x t u r ec l a m p i n gd e v i c e ，t h ef i x t u r e f i x e da n dn o n s t a n d a r dm o d e ll i b r a r ya r ec r e a t e d ，t h er a p i dm e t h o do fv i r t u a l a s s e m b l yi sr e a l i z e d i nt h ee n d ，af i x t u r ed e s i g ns y s t e mb a s e do nu g p l a t f o r mi si n t r o d u c e di nd e t a i l ， a n dt h ea p p l i e di n s t a n c ei sp u tf o r w a r d ，f r o mt h i si n s t a n c e ，i tc a l lb ep r o v e dt h a tt h e f i x t u r ed e s i g ns y s t e mh a sp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：m a c h i n et o o lf i x t u r ed e s i g n ；u g o p e n ；p a r a m e t r i c ；v i r t u a la s s e m b l y l l 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文名( 瑚船琶撕期：叫伽月节日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权南昌大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写荔猡冱，一 签字日期： 吖年v 月驴 if 导师签名( 手写耋粥 签字日期： 伊月尹 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 机械制造业是国民经济的基础产业，是国民经济发展的支柱产业，国民经济 中的任何行业的发展，都必须依靠机械制造业的支持并提供装备。工艺装备是机 械制造系统中的一个重要组成部分。随着世界经济形式的不断变化，制造技术 的不断发展以及企业竞争的全球化，为了赢得产品的上市时间，现代生产要求 企业所制造的产品更新换代速度越来越快，传统的大批量生产模式逐渐被中、 小批量生产模式所取代。根据国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多 品种生产的工件品种己占工件种类总数的8 5 左右。另一方面，根据有关资料 统计，我国现有工业水平，生产准备周期一般要占整个产品研制周期的5 0 7 0 ，而工艺装备的设计制造周期又占生产准备周期的5 0 - 7 0 ，其中工艺装 备的准备阶段中有7 0 - 8 0 的时间用于夹具的设计和制造n 1 。所以夹具设计与 制造对于产品的开发周期、产品上市的时间有重大的影响。 因此，传统的夹具设计方法已不能满足现有机械制造行业的发展需要。为 了适应多品种、中、小批量生产模式对夹具快速设计的需求，随着数控机床不 断的广泛使用，越来越多的机械制造企业采用机床专用夹具。机床专用夹具是 为加工某一零件的某一工序而专门设计，加工之前，根据工件加工要求、所采 用的机床以及夹具的设计原则，选取夹具元件，确定所选元件之间的位置关系， 设计制造装配得到满足要求的夹具。机床专用夹具具有结构紧凑、刚性好、操 作迅速、方便、应用面广、量大等优点瞳1 ，由于机床专用夹具满足批量的生产 要求，它将成为制造企业提高生产率和赢得市场竞争的主要手段。 传统的机床专用夹具设计是一种基于经验的夹具设计方法，需要经验丰富 的夹具设计人员来完成，设计周期长，劳动量大，修改不便。效率低，因为传 统设计方法通常没有利用c a d 技术，给设计和修改带来了很大不便，越来越不 能适应现代制造的要求。但是，在制造业中根据统讯超过7 0 的夹具设计都 来源于对现有的相似夹具修改而成。机床专用夹具的设计也不例外。而一些大 型的三维参数化c a d 软件如u g 、p r o e 、s o l d i e d g e 等均未提供专用的夹具设 第1 章绪论 计模块。为此，很有必要利用c a d 软件二次开发出能快速、准确绘制、装配和 管理的参数化机床专用夹具设计软件，以提高夹具的设计效率和规范性，实现 夹具设计经验重用，满足快速响应市场需求的目标，该项研究有利于企业获得 良好的经济效益和社会效益。 1 2 国内外研究现状与发展方向 1 2 1 机床专用夹具的分类与组成 l 、机床夹具的分类 机床夹具是一种能够使工件按一定的技术要求准确定位和夹紧的装置，它 的种类繁多，为了设计、制造和管理的方便，可以从不同的角度对机床的夹具 进行分类。 按夹具的使用特点分类，机床夹具可分为通用夹具、专用夹具、可调央具、 组合夹具和随行夹具等五大类： ( 1 ) 通用夹具 通用夹具是指结构、尺寸已规格化，且具有一定通用性的夹具，如三爪自 定心卡盘、四爪单动卡盘、台虎钳、万能分度头、中心架、电磁吸盘等。其特 点是适用性强、不需调整或稍加调整即可装夹一定形状范围内的各种工件。这 类夹具已商品化，且成为机床附件。采用这类夹具可缩短生产准备周期，减少 夹具品种，从而降低生产成本。其缺点是夹具的加工精度不高，生产率也较低， 且较难装夹形状复杂的工件，故适用于单件小批量生产中。 ( 2 ) 专用夹具 专用夹具是针对某一工件的某一工序的加工要求而专门设计和制造的夹 具。其特点是针对性极强，没有通用性。在产品相对稳定、批量较大的生产中， 常用各种专用夹具，可获得较高的生产率和加工精度。专用夹具的设计制造周 期较长，随着现代多品种及中、小批生产的发展，专用夹具在适应性和经济性 等方面已产生许多问题。 ( 3 ) 可调夹具 可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的缺陷而发展起来的一类新型夹具。 对不同类型和尺寸的工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧 2 第1 章绪论 元件便可使用。它一般又分为通用可调夹具和成组夹具两种。通用可调夹具的 通用范围大，适用性广，加工对象不太固定。成组夹具是专门为成组工艺中某 组零件设计的，调整范围仅限于本组内的工件。可调夹具在多品种、小批量生 产中得到广泛应用。 ( 4 ) 组合夹具 组合夹具是一种模块化的夹具，并已商品化。标准的模块元件具有较高精 度和耐磨性，可组装成各种夹具，夹具用毕即可拆卸，留待组装新的夹具。由 于使用组合夹具可缩短生产准备周期，元件能重复多次使用，并具有可减少专 用夹具数量等优点；因此组合夹具在单件、中小批多品种生产和数控加工中， 是一种较经济的夹具。 ( 5 ) 随行夹具 随行夹具在使用中夹具随着工件一起运动，并将工件沿着自动线从一个工 位移至下一个工位进行加工。 机床夹具亦可按使用机床分类、或按夹紧动力源分类等，如图1 1 所示： 按使用特点分类 图1 1 所示为机床夹具分类 第1 章绪论 2 、机床夹具的组成 机床夹具虽然种类繁多，形状千差万别，其作用主要是保证加工精度，提 高生产率，扩大机床工艺范围，减轻工人劳动强度。但它们的工作原理基本相 同。如果将各种夹具中作用相同的元件或机构加以概括，夹具一般是由以下几 部分组成1 ，如图1 2 所示： ( 1 ) 定位装置 主要包括定位元件及其组合，用于确定工件在夹具中的位置，即通过它使 工件加工时相对于刀具及切削运动处于正确的位置，如定位销、v 形块等。 ( 2 ) 夹紧装置 用于保持工件在夹具中的确定位置，使工件在定位时所占据的位置在加工 过程中不因受重力、惯性力以及切削力等外力作用下而产生位移，如压块、压 板、螺钉、螺母等。 ( 3 ) 导向或对刀装置 用于引导刀具进行加工或确定刀具与夹具之间的正确位置，如对刀块、塞 尺、钻模、镗套等。 ( 4 ) 其它装置 根据夹具特殊功能需要而设计的一些装置，如定向件、定位键、操作件等。 ( 5 ) 夹具体 用于连接夹具各元件及装置，使其成为一个整体夹具骨架，并与机床有关 部位进行连接，使其成为一个整体的基础件，以确定夹具相对于机床的位置。 机床 工件 刀具 卜妙一卜一一 夕i i夕 连接元件 定位元件夹紧机构其它装置分度、对刀枫构 a l tttt 夹具f 本 l _ - _ _ 一_ - - 一m - - - - _ 一- _ - - - _ _ 一一- l - 一 图1 2 所示为夹具的组成及其与工件、机床、刀具的相互关系 4 第1 章绪论 1 2 2 机床专用夹具设计国内外研究现状 随着计算机技术应用到数控机床上，数控机床的性能日臻完善，应用领域 日益扩大，夹具在机床加工中发挥了越来越重要的作用，与其相关的设计过程、 设计方法、经验等方面的管理技术和相应的计算机辅助技术研究越来越受到国 内外学术领域的重视，产生一系列计算机辅助夹具设计的方法。 2 0 世纪7 0 年代，国外许多学者就开始了对夹具设计的研究工作，主要研 究成果有：美国p u r d u 大学的p m f e r e i r a n l 等人研制基于专家系统的夹具设计系 统a i f i x ；a a m o d t 和p l a z a 畸1 等人提出基于实例推理的c b r 循环的过程模型； p g u 1 等提出了一种面向产品生命周期的集成模块化设计方法；d a r v i s h ia r h 1 等人应用专家系统技术在组合夹具元件库的支持下实现夹具的自动生成技术研 究；a y c n e e 聃1 等人研制具有人机接口的计算机辅助夹具设计系统；w m a 睁1 等人研制的计算机辅助标准夹具构型设计系统；e m e r v y n 、k u m a r 口伽等人开发 的基于i n t e m e t 的交互式夹具设计系统等。 我国对机床夹具的研究起步于上世纪8 0 年代中期，先后有十几所高校对夹 具c a d 系统作了探索，主要有清华大学、四川大学、南京航空航天大学、哈尔 滨工业大学、华中科技大学、西北工业大学等。 清华大学的朱耀祥教授研制了基于成组技术的检索变异式系统n ；朱耀祥 教授和融亦鸣教授合作研究的夹具规划和结构生成的f i x d e s 孔系组合夹具设 计系统n 羽，成为为数不多的初步商品化的软件之一。 四川大学的徐雷n 3 3 等将知识工程与夹具设计过程结合起来，重点研究夹具 设计知识描述、分类、发现以及重用的基本原理和智能化夹具设计中的知识求 解技术，探讨一种能支持夹具整个设计过程的智能求解技术，开发基于集成知 识资源的计算机辅助夹具设计支持系统。 南京航空航天大学的廖文和n 蜘等人开发了型号工程知识驱动的夹具系统。 此系统中提供了大量的夹具设计工具和丰富的基础零件图形库；陈蔚芳n 剐等构 建基于产品数据管理( p d m ) 的夹具并行设计集成框架。分析了基于特征的工件集 成模型，重点研究了装夹特征模型、装夹特征提取流程、约束特征识别方法和特 征映射方法。 哈尔滨工业大学的黄永强、刘文剑n 6 1 等对计算机组合夹具系统研究，利用 专家系统技术，开发了面向生产的计算机辅助组合夹具设计系统。 第1 章绪论 华中科技大学的李敏波n 7 1 等提出了基于w e b 的分布式夹具方案设计方法； 李伟等提出了基于实例推理的敏捷夹具设计的设想，研究了基于实例的夹具设 计基本模型。 西北工业大学的康永刚n 踟等研究了基于实例和知识的夹具智能c a d 系统； 许琰等人对组合夹具专家数据库进行探讨，研究了组合夹具组合专家系统 ( m f a e s ) 的推理机制。 总之，这些系统和理论研究具有一定的理论水平和实际意义。 1 2 3 基于u g 的夹具参数化设计研究现状 近年来参数化的设计在计算机辅助夹具设计研究中越来越受到重视，但是， 由于u g 的函数开放程度不高、接口开发困难，与外部开发程序的数据不能直接 相互传递以及不能充分利用开发语言的成熟控件等n 引。因此，国内外对于基于 u g 平台的开发比较少，而且大多数还是理论上的研究。 b a i y , y r o n g 啪1 在1 9 9 5 年对夹具自动装配方面探讨了自动装配的相关算法， 重点讨论了组合夹具的自动装配问题。 t h o m p s o n b s ，g r i p p o p m 口u 在1 9 8 7 年研制成一个夹具设计系统c a d m f s ，并将其用于生产实践。该系统采用下拉式菜单进行夹具元件的选择和组 装。但是该系统不支持网络化管理、不能对夹具进行误差检查以及没有实现夹 具零件的参数化。 国内对于基于u g 的专用夹具c a d 的开发少之又少，大多数都是针对模具 的开发。湖南大学的徐国生研究了基于u g 的三维参数化汽车冲模标准件库研 究与开发。南京航空航天大学的高申存研究了基于u g k f 的飞机结构件数控夹 具设计技术研究及应用，江南大学的高礼凯研究的汽车机直型榫齿形叶片夹具 设计自动化，是基于u g 二次开发的。 1 2 4 机床专用夹具设计的发展方向 夹具是数控机床加工过程中必不可少的部件，随着c a d 技术的普及应用越 来越广和越来越深入，夹具设计已经从传统的手工设计发展到利用二维、三维 c a d 绘图软件的集成设计。同时，为了达到现代机床加工对数控技术提出了更 高的要求，在数控技术向高速、高效、高精度、模块化、智能化、柔性化和集 6 第1 章绪论 成化方向发展的带动下，现代机床夹具设计技术正朝着高效化、精密化、模块 化、智能化、柔性化、集成化、标准化等7 个方向发展。 ( 1 ) 高效化 高效化夹具主要用来减少加工工件的基本时间和辅助时间，以提高劳动生 产率，减轻工人的劳动强度。如瑞典3 r 夹具仅用1 分钟，即可完成线切割机床 夹具的安装与校正、美国j e r g e n s ( 杰金斯) 公司的球锁装夹系统，1 分钟内就 能将夹具定位和锁紧在机床工作台上。 ( 2 ) 精密化 随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度要求。精密 化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精度可达0 17 ； 用于精密车削的高精度三爪自定心卡盘，其定心精度为5l - tm 。 ( 3 ) 模块化 夹具元件模块化是实现组合化的基础。利用模块化设计的系列化、标准化 夹具元件，快速组装成各种夹具，已成为夹具技术开发的基点。 ( 4 ) 智能化 智能化夹具最初主要应用的是专家系统，利用人工智能技术将各种技术综 合应用，有助于提高机床夹具的设计效率。 ( 5 ) 柔性化 机床夹具的柔性化是指机床夹具通过调整、组合等方式，以适应工艺可变 因素的能力。工艺的可变因素主要有：工序特征、生产批量、工件的形状和尺 寸等。具有柔性化特征的新型夹具当前夹具发展的重要方向。 ( 6 ) 集成化 机床夹具设计是生产准备的重要部分。确定该工序所使用的夹具，给出夹 具的装配图和零件图是连接设计与加工的纽带，实现与c a p p 的集成。集成化是 夹具设计发展的必然方向，是企业信息集成的必然要求。 ( 7 ) 标准化 标准化是提高机床夹具设计系统适应性和促进集成的基础。目前我国已有 夹具零件及部件的国家标准：g b t 2 1 4 8 t 2 2 5 9 9 l 以及各类通用夹具、组合 夹具标准等。机床夹具的标准化，有利于夹具的商品化生产，有利于缩短生产 准备周期，降低生产总成本。 第1 章绪论 1 3 本文研究的意义、内容及章节安排 1 3 1 研究的意义 夹具的设计制造在整个制造生产准备工作中占有很重要的地位，它的设计 与制造质量对保证产品质量有决定性的影响，其设计与制造的周期在整个生产 准备中最长，实际决定着整个生产准备周期。通过调研得知，一般企业仍习惯 于大量采用传统的专用夹具，在具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至 近万套专用夹具，传统专用夹具设计依赖设计人员的设计经验，会导致产生以 下主要问题。 ( 1 ) 生产准备周期长、设计效率低、生产成本高： ( 2 ) 很少采用标准件，难以实现对高精度、相似性特征工件设计。 针对以上特点，本文着重研究并充分利用己有的夹具设计经验，将参数化、 模块化技术应用到系统当中，从机床专用夹具可重构性的角度出发，建立参数 化夹具定位机构、夹紧机构、对定机构以及对机床专用夹具的建模和虚拟装配， 基于u g 的二次开发对机床专用夹具进行设计，改变传统夹具设计模式，技术革 新，创建夹具三维设计的新环境，可以大大缩短设计与制造周期，减少重复劳 动，提高工作效率，降低生产成本。此外，利用u g 二次开发三维参数化技术应 用于夹具设计，对夹具的标准化、系列化将会起到积极的推动作用，有利于夹 具设计的科学性和系统性管理，有利于企业取得良好的经济效益和社会效益。 1 3 2 研究的内容与章节安排 本课题是在大型三维u g 软件平台下，利用u g 软件的二次开发功能来完成 所研究内容，并进一步开发相应的系统模块。主要的研究内容如下： ( 1 ) 研究机床专用夹具三维参数化模型的建立。 ( 2 ) 在u g 软件平台下，应用二次开发u g o p e nm e n us c r i p t 脚本语言或 v c + + 开发用户系统菜单过程。 ( 3 ) 在u g 软件平台下，根据不同的方案，应用二次开发语言，编制参数 化的控制程序，建立人机交互操作界面。 ( 4 ) 建立机床专用夹具定位机构、夹紧机构、及对定机构常用夹具元件和 8 第1 章绪论 非标准件，在装配过程中能快速调用相应元件。 ( 5 ) 研究在u g 软件平台下进行夹具机床仿真装配设计的过程，以及生成 零件图、装配图和三维爆炸视图的方法。 论文各章节内容安排如下： 第一章介绍本课题的研究背景，概括当今国内外机床夹具的研究现状与发 展方向。并针对当今机床专用夹具设计研究中存在的问题，给出本课题的研究 意义、主要研究内容和章节安排。 第二章介绍机床专用夹具设计的主要内容、设计过程，对机床专用夹具参 数化设计进行概述，阐述了基于u g 平台的机床专用夹具设计系统体系结构和 主要功能模块，为进一步机床专用夹具计算机辅助设计研究创造条件。 第三章介绍目前常用的机床专用夹具设计关键技术。针对机床专用夹具设 计的特点，重点研究了机床专用夹具设计的信息处理、关键的支持理论和使能 技术。为基于u g 平台的三维参数化机床专用夹具设计提供理论支持和技术服 务。 第四章本章讨论了基于u g 的机床专用夹具三维参数化设计，首先介绍了 u g 三维软件及u g 二次开发相关技术、二次开发流程和二次开发方法，然后 以连接螺母为例重点论述了机床专用夹具元件参数设计过程，主要包括建模设 计、开发环境设置、下拉菜单及对话框的二次开发以及u g o p e na p i 应用程 序的创建方法，同时也说明了机床专用夹具非标准模型库的建立，最后以拖拉 机转向节臂铣床专用夹具为例详细分析了基于u g 的机床虚拟装配仿真设计过 程，根据机床专用夹具设计意图将不同的夹具元件虚拟装配达到快速设计机床 专用夹具的目的。 第五章本章首先介绍了夹具性能评价的理论基础知识；接着介绍了夹具性 能评价的常用方法和主要评价指标，对评价指标作了分析；最后借助模糊数学 理论的多层次综合评价方法对转向节臂铣夹具进行了综合评价。 第六章本章总结了本文的主要研究工作和应用以及还存在的问题，并对进 一步的研究工作提出了展望。 9 第1 章绪论 1 4 本章小结 本章作为全文的概述，主要综述了课题的研究背景、研究现状、发展方向 以研究重点。先介绍了机床专用夹具设计背景，然后详细分析了国内外研究现 状，提出了解决夹具设计问题的思路，最后确定了本课题的研究重点内容和章 节安排。 1 0 第2 章机床专用夹具总体设计 第二章机床专用夹具总体设计 2 1 机床专用夹具设计的思路 2 1 1 机床专用夹具设计的主要内容 机床专用夹具一般由定位装置、夹紧装置、导向或对刀装置、其他装置装 置和夹具体等基本装置组成，根据夹具的基本组成，可以看出夹具设计的主要 内容包括： ( 1 ) 夹具定位机构的设计 包括夹具定位元件与机构的选择、定位方案的确定以及定位误差的计算等。 定位元件的选择包括定位元件的结构、形状、尺寸及布置形式等，主要决定于 工件的加工要求、工件定位基准和外力的作用状况等因素。定位方案主要指工 件以平面定位、工件以外圆柱表面定位和工件以内孔定位，然后，根据不同的 定位方式进行定位误差的计算。 ( 2 ) 夹具夹紧装置的设计 夹具夹紧装置是由力源装置、中间传力机构、夹紧元件与夹紧机构组成， 包括夹具夹紧元件与机构的选择、夹紧方案的确定以及夹紧力与切削力的计算 等。夹紧机构的选择包括斜楔夹紧机构、螺旋夹紧机构、偏心夹紧机构、杠杆 与铰链夹紧机构、联动夹紧机构、定心夹紧机构等。然后，根据切削力计算夹 紧力的大小，确定合理的夹紧方案。 ( 3 ) 夹具对定机构的设计 夹具对定机构包括对刀装置与元件、引导装置与元件、对定元件、分度装 置以及相关计算，如定向键、对刀块、对刀块到定位元件位置的尺寸计算、分 度装置、分度误差计算等。 ( 4 ) 夹具总体装配布局和工艺设计 包括生产零件图、装配图、爆炸图、装配检查、制定夹具制造工艺等。 根据夹具设计的主要内容可以得到机床专用夹具设计的一般步骤： ( 1 ) 明确设计要求和生产条件、认真调查研究，收集设计资料； 第2 章机床专用夹具总体设计 ( 2 ) 确定夹具的结构方案、绘制夹具总图； ( 3 ) 夹具精度校核、绘制夹具零件工作图； ( 4 ) 夹具设计质量评估。 2 1 2 机床专用夹具设计的思路 机床专用夹具设计的过程：包括夹具信息处理、设计三维参数化模型库、 模型处理、装配仿真，夹具性能评价如图2 1 所示。 夹具气息处理 i 设计三维参产化模型库 i 模型i 处理 i装配i 仿真 夹具性能评价 图2 1 夹具设计的过程 ( 1 ) 夹具信息处理 夹具设计系统的信息包括零件几何信息、加工工艺信息、装夹设计信息夹 具元件信息、夹具设计输出信息等。通过分析零件的结构、装夹特征以及工艺 要求，作出夹具设计的决策，即决定定位和夹紧方法，夹具元件的选择，以及 夹具结构的布局。 ( 2 ) 设计三维参数化模型库 三维参数化模型是通过对夹具进行三维实体建模，并利用程序，在人机交 互界面上实现夹具尺寸参数设置，可随时修改尺寸重新建模，达到夹具尺寸系 列化。据统计，在制造业中超过7 0 的夹具设计都来源于对现有的相似夹具修 改而成妲别。主要包括定位元件、夹紧元件、对刀元件、引导元件等。常用的软 件有u g 、p r o e n g i n e e r i n g 、s o l i dw o r k s 、a u t o c a d 等。 ( 3 ) 模型处理 设计人员根据产品的要求，按照夹具各部分不同的功能先设计出各个组成 部分，在此基础上，协调工件与夹具各装置、组建的布局，最终确定夹具的总 第2 章机床专用夹具总体设计 体结构。 ( 4 ) 装配仿真 在进行机床装配仿真操作时，必须把机床模型建立成一个装配体，机床的 各个组件分别在独立的部件中给出，然后装配起来应用装配模块组装成机床装 配模型。调用专用夹具设计模块创建各组件，然后利用其生产的组件在机床装 配模型中完成装配仿真过程。 ( 5 ) 夹具性能评价 夹具性能评估是对已设计完成的夹具，进行有关性能评价和估算。如定位 误差计算、切削力和夹紧力的计算、夹紧元件强度的校核、有限元分析等问题。 2 1 3 机床专用夹具参数化设计概述 通常，参数化设计是指在零件或部件形状的基础上，用一组尺寸参数和约 束定义该几何图形的形状。尺寸参数和约束与几何图形有显式的对应关系，当 尺寸或约束发生改变时，相应的几何图形也会进行相应的变化，可达到驱动该 几何图形的目的，充分反映了设计过程中设计者的设计理念。现今流行的三维 c a d 造型软件大多提供了参数化设计的功能。 目前，常用的参数化设计方法分为图形交互设计和编程方法两种。图形交 互设计是指在现有的参数化c a d 系统的环境下，通过交互操作来完成产品的参 数化模型设计，是在产品设计中不可缺少的方法。编程方法是指在现有的c a d 系统基础上，利用二次开发接口、高级语言和数据库等相关技术，来定义产品 的参数化模型，并支持对参数化模型库的建立、管理和使用，它是种高级的 参数化设计方法。 参数化设计便于用户修改和设计，极大地改善了图形的修改手段，提高了 设计的柔性，在概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机 构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用，体现出很高的应用价值。 u g 提供了可以提取特征参数的数据表格，通过数据表格可以生成零件库。 它的参数化设计基本内容包括硷3 1 ： ( 1 ) 根据图纸和自由变化参数表确定建模方法； ( 2 ) 创建参数化模型； ( 3 ) 设置参数之间的关系，也可在创建模型时设置； 1 3 第2 章机床专用夹具总体设计 ( 4 ) 提取自由变化参数； ( 5 ) 创建零件库，输入零件系列数据，创建零件模型； ( 6 ) 调入生成的模型，检查模型创建是否有误乜劓。 编程方法允许有经验的用户或二次开发软件工程师来定义产品的参数化模 型。u g 提供了二次开发的环境，如果利用u g o p e n a p i 或u g o p e ng r i p 创 立用户程序，实现设计、建模的自动化，将会大大提高设计速度。在u g 二次 开发建模的基础上，以v c 编写开发界面程序，通过用户输入基本的要求，把 设计计算步骤通过程序来实现，通过调用动态链接库，在u g 启动时使参数自 动加载到u g 中，完成零件模型的建立。它的特点是编程量较大，设计较复杂， 但是建立的程序有利于修改和驱动，连接速度快，界面简捷直观，操作方便， 具有良好的人机交互性、可扩充性。 2 2 机床专用夹具设计系统的体系结构 2 2 1 机床专用夹具设计系统的层次结构 从前述对机床专用夹具设计过程的研究，我们可以把整个过程划分为三个 层次结构区域：设计域、虚拟域和现实域乜副，如图2 2 所示为系统层次结构模 型。 零件信息 装夹模式 夹具定位机构设计 夹具设计州夹具夹紧机构设计 一一一一 i 笪墨鏊墼l虚拟域 p 翻现实域i 夹具制造l 现头域 1 4 第2 章机床专用夹具总体设计 ( 1 ) 设计域 设计域主要完成夹具设计信息提取、夹具结构方案的确定，以及夹紧力的 计算等。夹具设计信息来源于零件几何信息、加工工艺信息、装夹设计信息等。 夹具设计系统根据获得的信息，在对信息进行处理后，确定夹具结构方案。夹 具结构设计主要包括定位方案，选择定位方法和定位元件；夹紧方案，选择夹 紧方法和夹紧装置；其他装置及元件的结构形式；绘制夹具总图等。它是夹具 设计的核心，也是整个系统的核心。夹具设计的具体方法主要采用基于参数化 驱动、模块化技术的实例设计、虚拟仿真技术等。因此，设计域是整个夹具设 计系统的核心部分。 ( 2 ) 虚拟域 虚拟域生成夹具的虚拟模型并进行机床仿真，夹具性能测试和制造过程验 证。在一定的仿真支持环境下对夹具设计的结果进行校验，得出评价结果。本 文利用u g 平台的装配模块功能和机床仿真功能对夹具设计结果进行校验。因 此，虚拟域是夹具设计的检验部分，是提供夹具设计反馈信息的关键。 ( 3 ) 现实域 现实域主要用来完成夹具物理模型的试制、制造和生产过程管理，是把设 计结果从虚拟的三维模型变为实物夹具的部分。经过校验合格的夹具设计结果， 在现实域中生产夹具的制造) j n t 路线、制造方法以及加工程序。 2 2 2 机床专用夹具设计流程分析 如图2 3 所示为机床专用夹具设计流程图。进入系统后，首先根据夹具信息 和初步功能方案，输入设计的夹具信息查找所属元、组件类型。找出最符合要 求的夹具元件或组件，如果找不到，则调出最接近的一种夹具，通过修改或调整 参数驱动生产新的夹具元件或组件，直到获得满足要求的夹具。最后在机床上对 夹具进行虚拟装配仿真设计，对设计过程作出评价，并对夹具库等进行适当的更 新和补充。在此体系结构中有两大核心任务： ( 1 ) 建立夹具定位机构和夹紧装置参数化设计： ( 2 ) 机床虚拟装配仿真及性能评价。 第2 章机床专用夹具总体设计 图2 3 机床专用夹具设计流程图 机床专用夹具设计的依据是零件几何信息、加工工艺信息、装夹设计信息、 夹具元件信息、夹具设计输出信息等。在此基础上选择定位方式、定位面和工 件的夹紧方式等。在设计的不同阶段，将根据夹具设计过程的功能要求，如主定 位、辅定位、主夹紧、辅夹紧和辅助支承等要求，可在功能模块中选择不同的夹 具元件，并将其在虚拟机床组合装配成所需的夹具。 在机床专用夹具设计的过程中，定位面和辅助面的设计完全取决于产品的 特征。利用u g 软件可将产品上用于定位的孔、外圆、平面、轮廓、曲面等特征 与夹具体的定位特征，如轴、平面、曲面等特征联系起来，可自动化设计更改相 关的参数和特征。当产品上与夹具发生关联的特征尺寸发生变动时，夹具体上相 应的特征与之同步变动，可大大提高设计的质量和效率。 机床夹具设计过程中还要考虑定位误差、夹紧力、切削力、加工过切和干 1 6 第2 章机床专用夹具总体设计 涉、结构的强度及稳定性、加工的效率等问题。利用u g 机床虚拟仿真装配与 夹具评价检测出夹具设计结构的合理性。 2 3 机床专用夹具设计系统的主要功能模块 系统体系结构中有两大核心任务主要依靠核心模块实现，系统核心模块为 专用夹具设计平台的各子模块，每个子模块都能实现一定的设计功能。其功能 模块如图2 4 所示。 图2 4 系统功能模块 第2 章机床专用夹具总体设计 2 4 本章小结 本章主要对机床专用夹具的总体设计进行了研究，首先介绍机床专用夹具 设计的主要内容、设计过程，对机床专用夹具参数化设计进行概述，然后，阐 述了基于u g 平台的机床专用夹具设计系统体系结构和主要功能模块，为进一 步机床专用夹具计算机辅助设计研究创造条件。 1 8 第3 章机床专用夹具设计技术研究 第三章机床专用夹具设计技术研究 3 1 机床专用夹具设计的信息处理 一个夹具总体结构由若干个功能组件组成，包括定位、夹紧及其它结构组 件，一个夹具组件由若干个夹具元件组成，而在一个夹具元件上，又可能有若 干个功能表面。这些信息的获取和识别是机床专用夹具设计的关键。 一般来说，夹具设计系统中信息内容主要包括：零件几何信息、加工工艺信 息、装夹设计信息、夹具元件信息、夹具设计输出信息等。 1 、零件几何信息 零件几何形状是夹具设计的基本信息，零件几何模型中与夹具设计有关的 信息包括零件的外形类型和总体尺寸，对不同的零件形状，夹具结构通常是完 全不同的。工件的总体外形尺寸是夹具体设计时的主要依据。如图3 1 所示为 零件几何信息。 长度 宽度 高度 图3 1 零件几何信息 在不同的夹具设计阶段，几何实体信息的应用和表示方式不尽相同，例如 在确定工件定位夹紧方式时侧重于工件的表面信息，在进行夹具干涉及夹具方 案设计中侧重于工件的三维实体信息。同样对一个表面，夹具零部件选择设计 阶段侧重于该表面的形状和尺寸信息，加工精度分析阶段侧重于平面的尺寸和 公差信息，结构设计阶段则侧重于表面的方向和与其它表面间的位置关系信息。 2 、加工工艺信息 设计夹具时需要的工艺信息包括零件加工精度要求、工件材料、热处理、 毛坯形状、材料去除体积、工艺类型与机床等，如图3 2 所示为加工工艺信息。 1 9 第3 章机床专用夹具设计技术研究 加工精度要求 工件材料、热处理 毛坯形状、材料去除体积 工艺类型、机床 零件批量、年产量 图3 2 加工工艺信恳 ( 1 ) 零件加工精度要求 零件加工精度要求对夹具的精度设计和校验是很重要的； ( 2 ) 工件材料、热处理、毛坯形式和材料去除体积等 这些信息对切削力的估算和夹具稳定性设计是重要的； ( 3 ) 工艺类型和机床信息 工艺类型和机床信息是夹具结构设计基础，常在生成夹具布局时考虑； ( 4 ) 零件批量和年产量 零件批量和年产量是夹具类型选择的考虑因素，如小批量试制品与大量生 产时所选择设计的夹具类型是不一样的，这也是对成本估算与夹具管理有用的。 3 、装夹设计信息 装夹设计信息主要涉及定位夹紧方法选择与夹具结构生成，包括加工表 面、主定位表面、表面特征等之间的相互关系。如图3 3 所示为加工工艺信息。 图3 3 装夹设计信息 精度 面积 辅助 精度 面积 辅助 精度 面积 辅助 第3 章机床专用夹具设计技术研究 ( 1 ) 加工表面信息 在零件设计图中，加工表面的精度要求用一个或数个关键尺寸及其公差来 规定，工件上关键尺寸可定义为加工此表面时需输入的装夹信息。关键尺寸与 定位要求有直接关系。 ( 2 ) 主定位表面信息 主定位表面定义为具有一定装夹信息的表面，用于工件定位。主定位表面 的基本类型对应于基本的定位方法与定位元件，有平面、孔、外轮廓面等。主 定位表面知识还包括定位精度、有效定位面积、表面粗糙度、公差和其他工艺 特征。 ( 3 ) 夹紧表面信息 夹紧表面定义为相对于主定位表面的可用作夹紧的表面。因为夹紧面应该 是正对着一个这主定位表面，所以正对着主定位表面的零件另一面是否有夹紧 表面也被视为定位表面的一个特征。 ( 3 ) 各表面的相互关系 各表面的相互关系不仅是主定位表面的信息，还有各定位表面与加工面的 关系，对确定定位方法和夹具布局的生成，都是十分重要的。例如表面之间平 行或垂直的关系，表面之间的空间的方位和距离远近，这些知识对夹具精度分析 与校核同样是很有用的。 4 、夹具元件信息 夹具元件信息主要包括夹具元件的几何实体信息、尺寸信息、功能信息和 夹具元件特征表面信息、装配表面信息等。如图3 4 所示为夹具元件信息。 几何实体信息 尺寸信息 功能信息 特征表面信息 装配表面信息 图3 4 夹具元件信息 这部分信息可直接从基于特征三维参数化夹具元件库中选择、调用，也可 在系统中自动设计，并将设计结果存入元件库中。装配是夹具组装设计的关键 工艺之一，夹具的性能和功能是由夹具元件装配来实现的。夹具元件装配关系 2 l 第3 章机床专用夹具设计技术研究 信息是为面向装配的夹具设计提供信息来源和夹具元件的存取机制。夹具元件 间的装配关系主要描述夹具元件的位置参数，元件间的连接方式和定位方向。 5 、夹具设计输出信息 夹具设计的输出信息分为夹具设计的反馈信息、夹具装配图和零部件图信 息两部分。如图3 5 所示为夹具设计输出信息。 图3 5 夹具设计输出信息 夹具设计的反馈信息是在分析处理c a d 、c a p p 系统的输出信息的基础上 进行的，同时根据夹具设计过程的结果进行分析和优化，对c a d 、c a p p 的结 果信息提出修改意见。 夹具装配图以三维实体的形式表示，该三维实体可作为夹具性能分析的初 始信息，使用户可以不通过夹具实物测试而在夹具设计的早期阶段就发现夹具 性能方面的问题，从而避免后期返工，缩短夹具设计周期。 夹具零部件图是以标准的二维工程图形式表示，主要是用于夹具的制造和 装配。 3 2 机床专用夹具设计的支持理论 机床专用夹具设计的支持理论主要包括成组技术、模块化设计技术、快速 设计技术、并行协同设计技术、虚拟装配技术等。 1 、成组技术 成组技术( g r o u p t e e h n o l o g y ，g t ) 是- l - j 生产技术科学，研究和发掘生产活 动中有关事物的似性，并充分利用它，即把相似的问题分类成组，寻求解决这 一组问题的相对统一的最优方案，以取得所期望的经济效益。 成组技术是夹具设计的重要手段，其主要表现如下： ( 1 ) 新夹具开发与变型设计 第3 章机床专用夹具设计技术研究 新夹具开发初期按照成组技术原理对夹具进行相似归纳和分类，建立夹具 新产品族结构，提前准备客户的不同需求变化，为快速满足随时修改夹具提供 基础。变型设计阶段在产品开发阶段的基础上，充分利用现有的设计资源，以 产品配置器为主要工具，对客户需求进行快速实现。从而可以有效的减少产品 类别，从而降低制造的成本和周期。 ( 2 ) 夹具并行设计 成组技术在夹具开发设计阶段，通过分类检索，可以大量借用现有的零部 件以及相应的工艺工装，可以缩短设计制造周期，降低产品成本，由于现有零 部件是在实践中经过检验的，还可有效地减少工程更改，保证产品质量。因此， 成组技术是实现并行设计的有效手段。 ( 3 ) 面向产品族的夹具设计