基于CAD平台的加工中心用组合夹具设计方法.pdf

D嘲nandR踟rch设计与研究 基于CA D平台的加工中心用组合夹具设计方法 王准 安徽工程大学机械与汽车工程学院 安徽芜湖241000 摘要 从工艺系统角度 研究 分析了几个主流CA D 平台 Invent or Sol i dw orks Carl a等 中 进行组合夹 具计算机辅助设计的一些关键性技术 提出 首先在C AD 平台中创建组合夹具元件的特征模型 库 然后根据定位 夹紧等工序要求逐步调用库元件 最后推导出组合夹具的完整结构 给出了各个 C AD 平台中 组合夹具元件特征模型库创建的关键技术以及加工中心用组合夹具计算机辅助设计 过程中的推演方法 关键词 工艺系统C AD 平台组合夹具工装特征模型库 中图分类号 TP391文献标识码 A O ne design m et hodofm odul arf ixt ureM C ori ent edbasedont heC A Dpl at form s W A N GZhun School ofM echani calandAutom obi l eEngineeri ng Anhui Pol yt echni cU ni versi t y l W uhu 241000 C H N A bst ract V iew ing fromt he processi ngsyst em t heautho r researchedandanal yzedsom e keyt echnol ogi es forcor n put er ai ded des i gn t ot hem odularf ixt ur e am ong several popul ar CA Dpl atform s Invent or Soli dw orks Cat ia etc Thepri nci pal m easur esw ere pr oposed asfol l ow t hem odularf ixt ur ecom ponentsvaul t shoul dbe set upbased O i lt heC A Dpl at formf ir st l y andt hencal lt heneededpart ssuccessi vel yaccordi ng t ot he posit i on andcl am pi ngdem andof wor ki ngoperat i on fi nal l y t he m odularf ixt ur e as sem bl y st r uct ur e canbederi ved Thew ri ter pr esent ed t he key creati on t echni ques fort hefeat urem odelvaul tofm odular f ixt ur e part s andt hededucti ngm et hodsforcom put erai deddesi gnt ot heM C or i entedm odularf ixt ur e a m ong eachCA Dplat f orm K eyw or ds Pr ocessi ngSyst em C ADPl at form M odularFi xt ur e Tool i ng V aul t ofFeat ureM odel 无论国内还是国际市场 当前顾客对产品的多样 性 个性化需求越来越强烈 这迫使制造者从设计到生 产的各环节上 要有快速应变的能力 而这种能力的 基础 就是所谓的柔性制造 敏捷制造等先进制造理念 及其使能技术 3J 从实用角度看 这些使能技术大致可以分为软件 平台和硬件设备两大方面 出自软件本身的共性 无 论哪个层次的C A D平台 其柔性 灵活性是大同小异 的 因此 硬件设备方面的可变性 可重组性如何 显 得更加突出 目前 提高硬件设备配置灵活性的一个 主导思路就是模块化 组合夹具便是这种理念下的制 造装备之一M 71 为此 笔者研究了几个CAD 平台上 组合夹具计算机辅助设计技术 总结出针对加工中心 使用场合 设计 装配组合夹具的一些共性措施 希望 这些技术手段 可以帮助我国机械制造企业能更有效 地提高其生产制造中的灵活性 以适应当今客户化的 固涨I一 uo z 竞争13益白热化的市场趋势 1 组合夹具元件及其特征模型 1 1组合夹具特点及其设计使用中存在的问题 如图l 所示 机械制造业的基本单元是所谓的工 序工艺系统 一个工序工艺系统由机床 夹具 工件 刀 具及控制部分 数控加工中 主要是CN C 构成 其 中 工件是构建一个工艺系统的出发点 整个工艺 系统是围绕着具体工件展开的 而夹具是构建一个工 艺系统的 纽带 工件是产品形成过程中的一员 产 品要多变 工件就会多变 工件要变化 围绕其构建的 工艺系统应该能够及时跟随变化 显而易见 工艺系 统的这种柔性是需要通过柔性的 纽带 来实现 柔性夹具 即 组合夹具 国内有不少组合夹具元件的专业生产企业 每个 企业都能提供组合夹具8大类基本元件的详细规格资 67 设计与研究DesignandR溯呐 料 但这些资料都是以文字 表格 二维工程图 照片 或彩图等方式展示给用户的 不能被计算机辅助工艺 设计过程直接导入使用 当今时代 计算机辅助设计 与计算机辅助制造技术 CA D CA M 已经普及 机械 制造企业希望在其工艺设计 特别是计算机辅助组合 夹具设计中 能够直接调用夹具元件的特征模型 以实 现工艺规程的快速准备 而要达到此目标 就需要各 个机械制造企业 能在其工艺设计部门所熟悉使用的 CA D 平台中 准备好组合夹具元件的特征模型库 由产品需求驱动 零件加工任务 l 加工任务激活 零件工艺规程设计 工艺规程确定 全部工序工艺系统设计与准备 一 工序工艺系统 图1任务驱动下的工艺系统中夹具 1 2组合夹具元件特征概述 组合夹具的8大类基本元件 基础件 支承件 定 位件等 都已有国家标准或行业标准旧 9J 因此 组合 夹具元件属于标准件范畴 标准件的标准与规范中 会明确划定该标准件全面的工程技术参数 这些技术 参数 涵盖两方面要求 几何参数与非几何参数 从C AD CA M 的特征模型角度看 上述参数就是 几何特征和非几何特征 几何特征包括两方面内涵 形状与拓扑结构 非几何特征 便是除了 形与拓扑 之外 所有与零部件相关的工程信息 包括 材料 加工 方法 加工精度 装配方法 设计者 供应商 价格等等 在标准件的规范中 几何特征 一般是以 工程图简 图 配合 列表 方式 进行表达的 而非几何特征 一 般是以单列文字方式给出的 对于这些信息 各类 CA D平台都可以进行处理 生成其平台内的特征模 型 不过 不同CA D 平台 在具体实现方式上有所不 同 本文第3节中 笔者会针对几个主流CA D 平台 fInvent or Sol idworks C at ia等 就组合夹具元件特征 模型创建技术 给出笔者的研究对比结果 68 2 C AD 平台中组合夹具元件特征模型库创建 步骤 2 1 一个组合夹具代表性元件的特征分析 如图2所示 为组合夹具基础件之一 长方形 基础板 Rect angular B ase Plat e Z1 110 该元件是组合 夹具众多标准件中 比较有代表性的元件之一 l0 该 零件几何信息与部分标准规格信息参见图3和图4 由图可知 Z111080规格 是该 长方形基础板Z1110 所有规格中 结构最全的元件 笔者把其命名为 典型 件 其主要的几何形状特征有 由BxLx60 厚度 确 定的长方 形特征 由 12H7 确定的对定键槽 形特 征 由 n一12H 7 和T槽标准确定的T型槽 形特 征 由M 12 16螺孑L标准确定的孑L 形特征 等 o z111080主要的几何拓扑特征有 侧部T槽 螺孔 宽 为18的 U 型槽 用于zl ll0固定 及其侧凹等结构 的 镜像关系 上部T槽 螺孑L的 阵列关系 等 Z1110基础板主要的非几何特征有 材料 精度 规格 等等 本文第3节中 便是以zl l l 0为例 分析 说明 图2Z1110纸质原始资料 图3 Z1110几何信息 枷笺篾翁筹 各CA D 平台中 创建组合夹具标准件特征模型库工作 中关键问题的 图4 z1110部分规格信息 2 2组合夹具元件特征模型库创建步骤 根据1 2节分析可知 组合夹具元件属于标准件 而标准件的特征模型 在各类CA D 平台中 可以使用 系列化零件特征模型 技术来创建 笔者把不同 CAD 平台中 组合夹具元件特征模型库的创建过程 归纳为5个步骤 如图5所示 进入CAD 平台之零件环境 I 创建 典型件 几何特征 完 整的形与拓扑信息 模型 添加非几何特征 信息 创建表格 驱动特 征模型 分类 分级或封装 创建便于查询和调用 的组合夹具元件库 图5组合夹具元件库倒建流程 步骤1 进入CA D 平台的单个零件特征建模环 境 步骤2 创建 典型件 几何特征模型 根据标准 件已有的各种资料 文字 表格 工程图 彩图等 分 析 确定该类零件所具备的几何信息和非几何信息 特 别是几何信息中的结构拓扑信息 一些复杂的结构拓 扑关系 可以用表达式 函数化 来表达 传递其内在 关系 进一步 找出该类标准件所有规格中 结构最全 的 典型件 参见2 1中的z111080规格 进行几何 特征建模 步骤3 添加非几何特征 把材料信息 加工方法 正确特征名 尺寸精度 设计者 供应商等非几何信 息 逐一添加到几何特征模型中 步骤4 用表格驱动特征模型 把同一标准件 不 同规格间的特征 几何与非几何 差异 用Excel 表格 进行区分与表达 一般情况下 把首行中各个单元格设 角曼豢等等 嘶 gnandR删心设计与研究 置为 特征变量 和 特征状态 把后续各行相应单元 格 设置为具体规格的 特征值 和 状态值 在表格 中 可以使用 特征抑制 与 取消抑制 即状态值 等手段来表达结构拓扑关系 最终形成可以用表格驱 动的 系列化零件特征模型 步骤5 创建便于查询和调用的组合夹具元件库 由于组合夹具元件种类及其规格并不复杂 因此 完全 可以参照现成的8大类元件目录结构 纸质的文本目 录 利用文件夹管理方式 分类 分级建立文件夹 存 储相应 系列化零件特征模型 文件 形成便于夹具设 计工作中查询与调用的元件特征模型库 不同C AD 平台 第1 2 5步的工作过程基本相 同 主要的区别在于第3和第4步 下面以zll l0为 例 进行说明 3几个主流CA D 平台特征模型库创建要点 3 1 Invent or中特征模型库创建关键点 图6是Invent or中创建的 典型件 zl l l 080 的几何特征模型及其特征树 即第1 2步完成的工作 第3步 非几何特征的添加 尺寸精度等 可以在驱 动尺寸中赋值 公差值或符号 其他非几何特 征 设计者 单位 材料等可以在i Propert i es中添 加 l2 对于第4步工作 Invent or平台中 可以使用 i Part 编辑器 完成 如图7所示 其中 几何形状特 征直接在 参数 标签中设置 几何结构拓扑关系可以 在 抑制 标签中设置 非几何特征在 特性 标签中设 置 图8展示的是 由表格驱动的z1110系列化特征 模型中的最小规格 z111005之特征模型 图6Invent or中完成的第l 2步工作 图7Invent or中进行的第4步工作 圆 团 圃 圆 困 设计与研究D esignand Research 图8Invent or中Zl 11005的特征模型 3 2 Sol i dw orks 中特征模型库创建关键点 图9是Sol idw orks中z111080几何特征模型 Sol i dw orks中的尺寸精度 同样可以在各个驱动尺寸中 赋值 设计者 单位 材料等可以在 文件一属性 对话 框中添加 Sol i dw or ks平台内 可以通过 插入设计 表 方式来建立表格驱动的元件特征模型 图10展 示的是设计表格界面 需要表格控制的各类特征 可以 直接在 单元格 中添加 U 一激活 S一压缩 抑制 字 母符号 状态值 进行控制 图11为z111005的特征 图9Sol i dw or ks中完成的第1 2步工作 图10Sol i dw orks中进行的第4步工作 图1i Sol i dw orks中Z111005的特征模型 模型 3 3 C at i a中特征模型库创建关键点 图12是Cat i a中创建的 典型件 几何特征模型 非几何特征 尺寸精度等 类似地在驱动尺寸中添加公 差数值 产品规格 版本信息等可以在零件 Proper t ies 的 Product 标签下设置 材料特征 可以用 A p pl yM at eri al 工具添加 对于第4步工作 需要借助 K nowl edge 智能 工具集中的 DesignTable 配合 Excel 便可完成相关工作 如图13所示 需要控制的 各类特征及其拓扑关系 可以在相应单元格中用 True 一激活 Fal se一抑制 单词进行协调 图14显示的是 Z111005特征模型 图12Carl a中完成的第1 2步工作 口哂hc t It c n m ode4 I 一 一 Carl a中进行的第4步工作 图14C ar l a中Zl11005的特征矮型 3 4其他平台中特征模型库创建关键点 M DT中元件库的创建方法与Inventor基本一致 图15展示的是M DT中Z1110 典型件 的特征模型及 其特征树 图16是W i l df i re中Z1110之 典型件 W i l dfi re 固糌弋 ul O 平帚I 删 中激活 Tool s 菜单下的 Fam i lyTabl e 便可配合Ex cel 来完成表格驱动特征模型 在相应单元格中填写 Y一激活 N一抑制 字母 就能控制的各类拓扑关系 图17显示的是 Fam i l yTabl e 中预览的Z111005的特 征模型 图15M D T中Z1110的特征模型及其特征树 图16W i ldfi re中Z1110的特征模型及其特征树 图17 W i ldtt re中7 1l1005的特征模型 图18是Si em ensNX 中zl ll O 的 典型件 N X 平台内 可以通过 PartFam i l i es 工具来创建表格驱动 的特征模型 在表格的单元格中填人 Y es一激活 N o一 抑制 单词 进行几何结构的控制 图19是N X 中 Z111005的特征模型 超碜糌I P uO 年月 M Desi g懈dRe 鲫 h设计与研究 图19N X 中Z 111005的特征模型 3 5库元件的使用方法 不同CA D平台的设计 组件 环境中 库元件使 用方法上 略有差异 如图20所示 Invent or调用初始 时 就出现选择对话框 调用完成后 也可以 右击表 格 进行 更改零部件 而Sol i dw orks中 直接调用 后 通过右击菜单中的 配置零部件 激活库元件的 规格选择栏 进行选用与调整 参见图21 图20Invent or中库元件的调用与更换 蜓硼 呷 一 囊 ont l十似堰 a t d靠 qm I n 醢 tm 氇目Im 0 噜 m B l墅冀 l焉磊夏 P堕习 I i 严即l l 断 肭 n l 忒 图2i Sol i dw orks中库元件的调用与更换 使用目录浏览器 调用库元件 图22cat i a中使用目录潮览器调用库元件 Cat i a中 可以用目录编辑器 Cat al ogEdit 归类 存储 表格驱动的零件 使用目录浏览器 Cat al og Brow ser 调用库元件 如图22所示 其他CA D平台 一翮剖 慧 艘一 中 库元件的调用方法 与上述三种情况之一类似 此 处不再赘述 4 加工中心用组合夹具计算机辅助设计 4 1普通专用夹具与组合夹具CA D 比较 图23是通用的计算机辅助夹具设计 CA FD 工 作流 由定位 夹紧要求 选择和设计定位元件与夹紧 装置 xg定 导向等元件由具体机床情况取舍 最后 用 夹具体把所有元件和装置 连接成一个有机整体 专用夹具 图23普通机床用专用夹具CA D流程 根据1 1节和图1 可知 工件是夹具设计中的驱 动源 整个夹具的设计流程就是从具体工件的具体加 工工序要求开始的 并服从工序工艺系统的控制与协 调 另外 对于一般专用夹具而言 除了夹具体是凑配 出来的专用零件外 其他大部分元件属于标准件 因 此 CAD 环境下 专用夹具设计过程的实质 可以描述 如下 在CA D 平台的组件环境下 以Topdown和Bot t om U p混合方式 由工件及其工序加工要求 定位 夹 紧 导向 对定等要求 调入各个标准元件特征模型 凑配夹具体等专用件 最后由凑配出的夹具体 把所有 元件和装置 连接成整体 专用夹具 对于组合夹具而言 夹具体是8大件中的基础件 也是标准件 因此 组合夹具计算机辅助设计过程的 实质 被笔者描述为 在CA D平台的设计环境下 由 工件及其工序工装要求 由工艺规程确定 见图 1 以Bot t om Up为主Topdow n为辅的方式 调用各类 组合夹具库元件 设计 凑配 相互位置上 组装而 成 如图24 就是加工中心用组合夹具C A D 流程 4 2加工中心用组合夹具CA D 中的关键工作 夹具是针对既定工艺规程来设计的 也就是说 此 时所用的机床型号等设备信息是明确的 l3 根 1 72 1节的分析可知 夹具是工艺系统组建中的 纽带 换而言之 在工艺系统中 夹具有两个 连接端 参见 图1 一端是与机床相连 另一端是与工件相连 夹 具与机床的 桥接点 本文暂称为桥接点1 在机床 工作台上表面与夹具体 组合夹具的基础件 下表面 之间 夹具与工件的 桥接点 本文暂称为桥接点 2 在夹具体 或经支承件过渡 上表面与工件主定位 面之间 图24的工作流 便是基于此原理展开的 下 面是针对镗铣加工中心用组合夹具CA D 笔者研究归 纳出一些关键点 l li jj i口 i ll i 垂 圆一 团一 囡一 囡一 进入CA D 设计 组件 环境 调入工序终了状态工件并按 实际加工方位放置 由定位面确定定 位元件的位置 从组合夹具元件库中选 调 具体规格的定位件及可实现 桥接点2 的支承件或基础件 由夹紧点 力方向l 从组合夹具元件库中选 调 确定夹紧元件位置 具体规格的压紧件 紧固件等 T 由上述各元件的坚固方式最终凄配ll 从组合夹具元件库中选 基础板的位置与堆叠数 根据工作L j 调具体规格的其他基础 台 刀具干涉等确定 包括支lI件 支承件 定位件 对 承 紧固件等 完成蛆合夹具部装ll定 压紧件 紧固件 l 等 包括堆叠用的基础件 麓掉加工后 验钎 圆 li i i i困 定位精度与夹紧力校棱 满足I 要求 创建B OM 信息 夹具安 装使用规范等工程文件 图24加工中心用组合夹J1 cAD 流程 步骤1 进入CA D 平台的组件 A ss em bl y 环 境 打开含加工中心工作台的组件文件 如图25 所示 工作台处于机床复位回零时的位姿 这既为 桥接点l 做好准备 也为工艺系统数控加工后置验 证奠定基础 霉鎏 争二霉 图25加工中心用组合夹具C A D步骤2 步骤2 调入被该数控机床加工完成后的零件特 征模型 工序终了状态 并按照加工完成后的位姿 用CA D 平台的装配约束工具 如配合 对齐 插入 等 进行初步定位 如图25所示 左边针对的是立 式五轴加工中心 右边针对的是卧式五轴加工中心014 后续各图中 左右方情况相同 步骤3 按照主定位面 第2定位面等的顺序 依 次调入所需的基础件和定位件 并根据 桥接点2 的 特性要求 用装配约束工具 初步放置各个定位件 此 步骤中 桥接点2 包括 工件第1基准面 主定位 固等等等 一 lo十 l M 面与基础件或支承件上表面接触点 还包括 工件第 2 第3基准面与定位元件 销或支承件 的接触点 这些 桥接点 都遵循 六点定位原理 来确定其位 置 参见图26 图中隐藏了工作台等机床部件 宅纯谢 tl 州排盘乐r 接触 限制 3个f I m 度 工 帆睬警杯最 卧式J 图26加工中心用t l t g 夹具C AD 步骤3 步骤4 调入 压紧件 紧固件 等 按照对夹紧 力作用点 作用方向的设计要求 使用装配约束工具 凑配好各自的正确位置 如图27所示 图27加工中心用组合夹具CA D步骤4 步骤5 考虑所用数控机床的结构布局 刀具装夹 尺寸及主轴悬伸结构 按照 桥接点l 的要求 调入所 需的堆叠基础板 夹紧件 定位件 对定 紧固件等 使用装配约束工具 完成夹具的部装工作 使 机床一 夹具一工件 这一工艺系统的局部结构 满足工艺规程 中提出的初步要求 如图28所示 图中隐藏了基础板 与工作台间的装夹元件 炙其 图28加工中心用组合关具C A D步1115 此时 可进入 数控加工后置验证 环节 研判组 合夹具结构尺寸是否满足实际加工时的动态要求 5 步骤6 根据工艺规程中对工序质量的要求 考虑 切削载荷及夹紧力 对定位精度进行计算 分析 判断 如果不能满足要求 还需要返回到步骤3 改进夹 唧andR洲咄设计与研究 具设计 如果满足要求 则依次进入步骤7和步骤8 此过程 可以借助CA D 平台的尺寸链计算工具 如In vent or中的 公差 配合计算器 等 与FEA模块来辅 助完成 步骤7和8 对于B OM 信息 大部分CA D平台 都 可以从元件特征模型中无缝继承 获取 工件在夹具上 的安装 使用以及夹具与工作台的对定装夹等技术规 范 可以用C A D平台中的工程图模块表达 输出 同 时 组合夹具的安装 操作顺序等装配工艺规程信息 还可以调用CA D平台中的动画功能 进行视频录制并 传递给最终用户 以适应批量生产的需求 5结语 本文从工艺系统角度 详细分析 总结了实现柔性 制造的一个重要装备 组合夹具 在当今几个主流 CA D 平台中的设计技术 提出 根据各个CA D 平台 特点 首先建立可以表格驱动的组合夹具元件特征模 型库 然后 在各个CA D 平台的设计环境中 根据加工 中心工作特点 由定位 夹紧 加工动态等要求 逐步调 用库元件 最终推演出满足工序要求的夹具 这些技 术可以帮助相关企业去提高其已有组合夹具的使用效 率 同时也有助于组合夹具这一柔性装备的进一步推 广使用 从全制造业看 生产标准件类企业 都可借用本文 的技术结论 在供应硬件产品的同时 另外配套提供各 类CA D 平台的特征模型库 从而提高其用户的使用效 益 进一步可以利用数据库管理技术 进行元件库的界 面封装 以方便大量库元件的调用 参考文献 1 刘玉霞 王勇 柔性制造系统及其应用 J 制造技术与机床 2008 1 124 126 2 蔡葛明 FM S的应用前景探讨 J 机械研究与应用 2007 2 11一 13 3 郑玉皎 宋宝妮 曹英志 柔性制造系统在制造业中应用研究 J 齐 齐哈尔大学学报 自然科学版 2009 5 26 4 马自勤 王秀伦 杨志刚 等 数字组合夹具管理系统 J 制造技术 与机床 2006 3 78 80 5 金福吉 现代机械制造与柔性组合夹具 蓝新特组合夹具 介 绍 J 机械职业教育 2007 12 65 67 6 金福吉 蓝新特柔性组合夹具的应用 J 中国职业技术教育 2007 34 60 7 张勇毅 夹具技术信息化创新实现组合夹具智能化 J 世界制造技 术与装备市场 2012 1 93 94 8 融亦鸣 朱耀祥 罗振璧 计算机辅助夹具设计 M 北京 机械工业 出版社 2002 9 朱耀祥 浦林祥 现代夹具设计手册 M 北京 机械工业出版社 2010 73 辫邋 赫 一 一 一 设计与研究D 嗍n andR嗍曲 大型数控铣齿机振动测试及减振方案研究 董维新胡万良李云霞 陕西秦川机械发展股份有限公司 陕西宝鸡721009 摘要 针对某大型数控铣齿机动态性能 提高加工精度等问题 对该数控铣齿机进行了停机测试 空运转实 验和切削试验等测试实验 振动测试结果表明外界干扰较小 主轴系统存在不平衡问题 振动来源 于切削激励频率引起的受迫振动 同时切削过程可持续 未出现明显振纹 排除颤振的因素 说明了 切削系统设计的合理性 在测试结果进行分析的基础上 提出了几种减振方案 为后续振动控制提 供了依据 关键词 振动测试铣齿机动态性能 中图分类号 TG61 6文献标识码 A R esear chont hevi brat i oncontr olof geargri ndi ng m achi nebasedon cutt i ng vi brat i ontest D O N GW ei xi n H UW angl i ang LIY unxia Q ingchuanM achiner yD evel opm entCo Ltd Baoji 721009 CHN A bst ract Adynam i c cut t i ng vi brat i ont es t on geargri ndi ng m achi new ascarri ed out i ncl udi ng shutdow n t est no l oad runni ng t es tandcut t i ngt es t Ther esulti ndi cat edth