钻床夹具的虚拟设计与装配

钻床夹具的虚拟设计与装配摘要：本设计主要设计内容包含两类钻床夹具即滑柱式钻床与翻转式钻床的设计与虚拟装配，其主要利用的二维软件CAD对其图纸的绘制以及三维软件Pro/E对其模型的建立和装配。设计内容主要包括：两类钻床夹具的设计,三维零件的建模。各零件的装配，仿真动画的生成。Pro/E具有强大的三维建模和虚拟装配能力，利用其中的动画模块，生成装配体的仿真动画，完成本次设计。关键词：钻床夹具虚拟装配Pro/EIDrillingjigvirtualsdesignandassemblyAbstract：Themaindesignelementscontaintwotypesofdrillingjig：Thedesignandvirtualassemblyofstrutdrillingandflip-drilling,thetwo-dimensionalsoftwareCADdrawingsandtheestablishmentofitsmodelanditsassemblyofthree-dimensionalsoftwarePro/E.Thecontentsofthedesigninclude:thedesignoftwodrillingfixture,themodelingofthree-dimensionalparts.theassemblyofallparts,theproductionofsimulationanimation.Pro/Ehasapowerful3Dmodelingandvirtualassemblycapabilitiesthatusingoneoftheanimationmodulegeneratesassembledanimatedsimulationtocompletethedesign.Keywords:Drillingjig，virtualassembly，Pro/EII目录1前言.11.1机床夹具的概述.11.2虚拟现实技术的发展概况.11.2.1虚拟现实技术在国外的发展状况概述.21.2.2我国对虚拟现实技术的研究现状.21.3本课题所研究的内容.32钻床夹具.43翻转式钻床夹具.63.1被加工零件的分析.63.2夹具的工作原理与结构设计.73.3夹具的使用方法.93.4夹具与钻床的固定.93.5定位误差分析.93.6夹紧力计算.94翻转式钻床夹具零件的具体设计.115滑柱式钻床夹具.175.1被加工零件的分析.175.2定位基准的选择.185.3定位元件的设计与选择.185.4导向装置的设计.195.5夹紧装置的设计.205.6夹具设计及操作的简要说明.206滑柱式钻床夹具零件的具体设计.217钻床夹具的虚拟装配与动画.277.1翻转式钻床夹具的虚拟装配.277.2滑柱式钻床夹具的虚拟装配.28参考文献.30致谢.3101前言1.1机床夹具的概述夹具的作用是对工件进行有效的装夹和固定，从而使得工件在加工时具有稳定的位置，而不会因为受力的不均而出现晃动现像，从而使得工件无法达到应有的加工精度，其能有效保证零件加工精度、提高产品生产效率、降低工人工作强度、增加加工设备使用的灵活性。机床夹具的组成主要包括以下几部分：（1）定位元件及定位装置。其主要作用是对被加工件进行固定，使其在加工过程中不会发生位移的变化。（2）夹紧元件及夹紧装置。对工件起着固定作用，使其具有准确的加工位置。（3）导向及对刀元件。可以确定工件与刀具的相对位置。（4）动力装置。主要作用是用来替代人工操作，从而提高装夹速度和装夹的一致性，从而有效降低操作人员劳动强度，提高生产效率。目前使用最为广泛的动力驱动方式有液压驱动和气压驱动两类。（5）夹具体。将夹具中各零件有机地组合为一体，并合理地与机床进行连接。（6）其它元件及装置。由加工需求决定的元件或装置。夹紧装置、定位装置以及夹具体是夹具的关键部件，但其必须在其它辅助件的配合下才将有效发挥其作用。目前随着工业技术的飞速发展，各类加工设备均向着柔性化、标准化、精密化以及高效化发现发展。（1）柔性化：柔性化主要体现在加工设备的灵活化方向，比如对不同工艺的适应能力。（2）标准化：标准化主要体现在加工设备各零件的可互换性，比如当某一零件出现故障后能够随时进行更换而不需要特种加工，从而有效缩短设备维修周期、降低设备维修成本。（3）精密化：随着各行各业对设备的使用性能提出新的要求，促使其对夹具设计也提出了新的要求。（4）高效化：高效化主要是指夹具的装夹方面，提高夹具的装夹速度能有效降低工人的劳动强度，从而有效提高产品生产效率。1.2虚拟现实技术的发展概况1虚拟现实技术简称VR技术，其是一种以计算机为平台的现代高新技术，可完成各种环境的模拟仿真，其可以通过各种外置设备，完成相应的人机交互工作。从而让每一位用户亲身体验投入到模拟环境中的感觉。虚拟现实系统的基本概念起源于1965年美国ARPA信息处理技术办公室主任Ivan发表的一篇名为“TheUltimateDisplay”的文章，其主要内容包括交互界面、信号反馈以及声音提醒等。1.2.1虚拟现实技术在国外的发展状况概述虚拟现实技术最初发源于美国，其主要研究内容包括用户界面、人体感知、后台硬件、后台软件等。美国最先推出的产品为HMD，其是由美国宇航局所开发，其被应用于虚拟卫星的探索领域，并取得了较为明显的成就。德国最早推出的产品为虚拟装配系统，其由德国虚拟现实实验室所推出。而日本大学将仿人智能系统以及神经网络应用于虚拟系统内，并通过转换为机器代码后，来进行优化和评估。而加拿大日新公司所推出的通过CAD模型来生成装配关系，但其不足之处是无法对干涉进行检查和对触碰进行反馈。英国虚拟现实研究院主要针对远程技术进行研究。澳大利亚主要通过建立VRA数据库来完成虚拟现实游戏的开发。日本京都公司主要通过从人体手势识别和表面表情识别以及相应的图像处理方向进行研究，并取得了良好的成就。而日本富士公司主要从结合人体与VR环境方向展开研究，并已经成功开发出一套神经网络系统用于对人体动作姿势的识别。其次还有部分公司从人体嗅觉、味觉等方向展开了研究，从而使得虚拟现实有了新的发展方向。1.2.2我国对虚拟现实技术的研究现状在国内，对于虚拟现实技术领域的研究起步较晚，同时基于虚拟现实技术的研究需要基于较先进的硬件设备的支持，而目前这些硬件设备由于采购渠道较少，价额成本普遍偏高。所以目前国内各大研究院对虚拟现实的的研究均处于理论阶段，而还未与实践相结合。但随着国家领导人对该领域的重视，国内各研究机构以及各大院校科研工作者均开始较为深入的对该领域进行研究，并也确定了一定的突破。比如国内航天技术研究之手的北京航空航天大学基于虚拟现实装配中所存在的几点问题进行了提出，其中包括：装配的层次关系、干涉检查问题、装配路径问题以及2动态仿真问题等。目前，随着VR虚拟现实开发技术平台的不断成熟，其在产品的设计、游戏的开发、多媒体数字产品的发展等方向均起着重要的作用。目前VR虚拟现实技术的发展主要在软、硬件的基础上向着动态化、交互化、实时化以及智能化方向发展。而发展遵循的基本原则任然是“性能可靠、成本低廉、灵活性好”。1.3本课题所研究的内容本课题在深入研究钻床夹具、三维建模技术以及虚拟现实技术的基础上，将三者进行有效结合，从而完成对钻床夹具的虚拟设计与装配，其主要研究内容包括：（1）完成两套钻床夹具的设计通过结合所学知识以及相关参考资料，完成钻床夹具的设计，并通过选择两个较具有代表性的零件，基于其加工工艺，设计出一套翻转式钻床夹具和滑柱式钻床夹具。（2）三维建模技术的应用本文通过使用pro/e三维建模软件完成两套夹具各个零件的建模（3）各零件的虚拟装配在零件模型建立完成的基础上，完成整套夹具的装配，并进行相应装配过程的动画模拟仿真。32钻床夹具钻床夹具的特点保证工件的加工精度专用夹具的设计应充分对被加工零件的结构进行分析，从而设计出具有定位可靠、尺寸合理的专用夹具，从而有效保证零件的加工精度。2）提高生产效率专用夹具的设计应基于对零件的加工要领出发，并根据零件加工数量的多少来对夹具设计费用进行评估，从而设计出具有高效率、低成本的专用夹具。工艺性好专用夹具的设计应遵循结构合理、成本低廉、灵活性好等设计原则。使用性好专用夹具的设计应具有拆卸方便、无任何安全隐患、具有较好的排屑方式。经济型好专用夹具的设计在结构允许的情况下，应尽量进行标准化，从而有效降低后期设备维修费用，从而达到降低生产成本的设计目的。钻床夹具的设计要点1、钻套钻套其主要作用是对加工刀具进行引导和固定，从而有效杜绝在加工过程中刀具的偏斜，而导致零件的报废。目前常见的钻套结构形式有快拆式、可拆式和不可拆式等结构。（1）固定式钻套固定式钻套通常被直接固定在钻模上，其具有精度要求高、不易更换等特点。（2）可换式钻套可换式钻套是指在零件的加工过程中可以根据需要进行随时更换钻套，其主要用于大批量零件的生产过程中。（3）快换式钻套快换式钻套主要适用于对零件装夹次数具有限制，而使得同一次装夹需要完成多到工序的加工场合，比如当进行一次装夹过程中需要完成孔的钻、扩、铰等工序时，就需要不同的钻套来进行刀具的引导，此时就需要不停的更换钻套，同时又不能浪费太多时间，所以此时使用快换式钻套最为理想。（4）特殊钻套专用特殊钻套是指根据某一加工特征进行专门设计的钻套。42、钻模板钻模板按其结构形式的不同可以分为固定型、可卸型、铰链型以及悬挂型，其各类型的钻模板的特点如下：固定型钻模板固定型钻模板其通常与夹具设计为一体，其具有加工精度高等特点。铰链型钻模板铰链型钻模板是指其与夹具是通过采用铰链的方式进行连接。目前常见的类型有翻转型和固定型，其中翻转型是指零件装夹时仅需对钻模板进行翻转即可完成装夹动作，而固定型采用铰链钻模板对零件进行固定，其与翻转型相比较具有装夹方便、效率高、加工精度高等优点。悬挂型钻模板悬挂型钻模板其通常是与加工设备的主轴进行连接，其具有生产效率高、生产成本低等优点，其特别适用于大批量零件的生产。确定各表面加工方案零件表面孔的加工方案的确定，应基于以下几点因素进行综合考虑：（1）基于零件对表面加工质量和加工精度要求，选择合理的加工方法。（2）基于所加工零件的数量来进行综合考虑，若为大批量加工可使用高效专用夹具，而对于小批量试制件应选用较为普通的加工方法。（3）要考虑被加工材料的性质（4）基于公司现有设备的角度出发，并尽量考虑厂内加工，减少外协量，同时也应适当考虑新技术的推广和应用。（5）最后还应对零件加工的整体性能进行评估，比如加工外形特征，加工整体质量以及加工重量等。53翻转式钻床夹具选取零件杠杆臂，并对其轴线相互垂直的两孔进行加工。3.1被加工零件的分析零件图如下图3.1杠杆臂杠杆臂加工工序安排工序1铸造工序2热处理工序3粗铣尺寸为25的上下两端面工序4粗铣尺寸10的上下端面工序5粗铣尺寸42上下两侧面6工序6热处理工序7精铣尺寸为25的上下两端面工序8精铣尺寸10的上下端面工序9精铣尺寸42上下两侧面工序10钻、扩、绞22孔工序11钻10的孔工序12夹具翻身后钻13的孔工序13去毛倒钝工序14检验工序15入库杠杆臂需要对10mm和22mm的孔的底面进行定位固定安装在夹具体上，因为两孔的底面在垂直方向存在距离，所以设计的定位平面应该能够上下移动；而对于水平孔的加工时，其杠杆臂将受轴向力的作用，所以必须充分对杠杆臂进行固定，防止其产生前后位移的变化，其次在此由于对杠杆臂进行垂直孔的加工时，其将受到与钻进方向相同的作用力的作用，所以在此必须防止其在该方向发生相应的位移波动。3.2夹具的工作原理与结构设计1、定位方案与定位元件在此由杠杆臂的设计要求所知，其除需要进行水平定位外，还要求进行垂直定位，所以首先选用杠杆臂进行左右定位，同时进行调整使其被加工孔轴线与模板轴线重合，并以右端面为基准，将左侧设计为螺旋支撑，以便于对其垂直位置的调整，从而有效达到其轴线重合的要求。（如图2.2所示）2、夹紧机构：夹紧机构的作用是在进行杠杆臂的钻孔时，有效制止其发生晃动而引起零件的加工误差。对于杠杆臂其定位主要通过限制其前后的移动和两端面的移动来进行定位。因此其夹具机构主要包括：夹具螺母、垫圈以及定位销（如图2.2所示）通过三者的协同工作来完成杠杆臂的有效定位。73、其他辅助设备：其他辅助元件主要包括螺旋辅助支撑、锁紧螺母、可调支撑钉、定位体等，其各元件的作用分别如下：螺旋辅助支撑实现零件的上下调整从而对加工误差进行补偿，有效防止零件的晃动；锁紧螺母对钻孔时零件受到较大力作用而产生相反方向的位移；可调支撑钉作用是提高定位精度；定位体提高表面加工质量。图3.2螺旋辅助支撑8图3.3可调支撑钉3.3夹具的使用方法上述专用夹具的操作步骤如下：确定被加工面基准与夹具体基准重合调整螺旋辅助支撑2（满足被加工件底面同时接触）拧紧锁紧螺母1（辅助支撑固定）调整可调支撑钉11（调整轴线重合）拧紧定位销7（通过夹具体对零件进行固定）。3.4夹具与钻床的固定夹具的有效固定是夹具设计时必须充分考虑的问题，因其与被加工零件之间是相对固定的，所以当对被加工零件进行钻孔以及车削时，其将随同工件一同受轴向力和旋转切应力的作用，在其相应作用的作用下，其将产生直线运动或旋转运动趋势。若其无足够的固定力的作用，其将有运动趋势转换为相应方向的位移，从而对加工精度以及表面质量均产生较大影响，而无法达到设计要求。3.5定位误差分析本零件加工所用夹具的定位方式为孔定位和端面定位，其定位误差的来源主要有：孔的同轴度误差、铣/钻模与相应的固定销之间的配合误差以及铣/钻套与相应的衬套的配合误差，其各误差的取值分别为：0.05mm、0.02mm、0.029mm。由公式e=(H/2+h+b)max/Hmax=(0.052+0.022+0.0292)1/2=0.06mme=0.0630/32=0.05625可见这种定位方案是可行的。93.6夹紧力计算翻转型钻孔夹具主要部件为螺母、垫片。其工作原理是通过旋转螺纹推动楔形件的移动而完成零件的锁紧。由计算公式Fj=FsL/(d0tg(+1)/2+rtg2)Fj沿螺旋轴线作用的夹紧力Fs作用在六角螺母L作用力的力臂(mm)d0螺纹中径(mm)螺纹升角()1螺纹副的当量摩擦()2夹具螺纹件端部与零件之间的摩擦角()r夹具螺纹件端部与零件之间绝对摩擦半径()根据参考文献6其回归方程为FjktTs其中Fj螺栓夹紧力(N)；kt力矩系数(cm1)Ts作用在螺母上的力矩(N.cm)；Fj=52000=10000N104翻转式钻床夹具零件的具体设计钻床夹具首选要保证工件的加工精度的同时考虑提高生产效率，充分设计合理的工艺使得加工性和装夹定位性合理，从而让夹具有好的使用性能，这样才能发挥夹具大批量生产时节约成本的初衷。1、钻套钻套其主要作用是对加工刀具进行引导和固定，从而有效杜绝在加工过程中刀具的偏斜，而导致零件的报废。目前常见的钻套结构形式有固定钻套、可换钻套、快换钻套、专用钻套等结构。跟据钻套的选择原则，杠杆臂的加工属于小批量生产，所以选择固定钻套。又因为右端垂直孔孔径大，钻模板薄，应采用有肩钻套。图4.1固定钻套11图4.2有肩钻套2、钻模板钻模板按其结构形式的不同可以分为固定型、可卸型、铰链型以及悬挂型，其各类型的钻模板的特点如下：固定型钻模板固定型钻模板其通常与夹具设计为一体，其具有加工精度高等特点。铰链型钻模板铰链型钻模板是指其与夹具是通过采用铰链的方式进行连接。目前常见的类型有翻转型和固定型，其中翻转型是指零件装夹时仅需对钻模板进行翻转即可完成装夹动作，而固定型采用铰链钻模板对零件进行固定，其与翻转型相比较具有装夹方便、效率高、加工精度高等优点。悬挂型钻模板悬挂型钻模板其通常是与加工设备的主轴进行连接，其具有生产效率高、生产成本低等优点，其特别适用于大批量零件的生产。12杠杆臂零件表面加工方案的确定根据相关设计手册得知：对零件上孔加工的位置精度影响的主要因素为钻套在钻模板上的安装底孔的位置与夹具定位元件之间的位置误差，所以对其方案的选择时保证零件孔加工精度的主要因素。根据钻模板的结构以及工作原理所知，固定型钻模板具有最好的位置精度、铰链型次之而悬挂型位置精度最差。由于本文所需加工零件为杠杆臂，其为特殊零件，所以选用专用夹具，但由于其加工数量少，所以为了降低加工成本而选用固定型钻模板。其次在此基于方便拆卸角度出发，零件与夹具的固定采用螺钉固定、钻模板通过销钉和螺钉与夹具体进行连接，详情如图4.1所示。图4.3钻模板13图4.4钻模板3、非标零件的选用在此基于从降低设计和维修成本以及后期维护的方便性角度出发，在设计允许的角度下，应尽量选用标准化零件，从而提高各零件之间的可互换性。但对于为了满足某些特殊加工要求，也允许进行非标件的选用。4、夹具体的设计夹具体的作用主要是起着夹具与加工设备连接的桥梁作用。所以对于夹具体的设计必须满足以下两点要求：一是能与加工设备进行有效连接；二是能满足当夹具受到各种作用力的作用时对其有效的支撑，而使得夹具具有确定的位置。目前对于夹具体的生产通常是通过铸造所得，所以为了达到应有的强度和定位精度要求，在铸造完毕后还应进行一定的实效处理。从而提高其工作性能。14图4.5夹具体5、定位销定位销其作用是对被加工零件进行再次限位，从而提高夹具对零件的定位精度。由其结构和工作特性所知，其必须具有较好的强度和韧性，从而满足当受到瞬时冲击力的作用时，而不发生变形或折断。图4.6定位销156、钻模板与夹具体的连接固定钻模板的主要作用是对钻套进行支撑和定位。所以其固定必须牢固可靠，而不能因为外力的作用而发生任何位移的变化。目前为了提高其定位精度，其与夹具体之间的连接通常采用螺钉与销钉双固定的方式进行，从而有效避免螺纹间隙或振动时螺纹的回扣而引起相应的加工误差。165滑柱式钻床夹具选择零件轴承上盖，对肩部两孔进行加工。5.1被加工零件的分析轴承盖作为一种使用较为广泛的零件，其结构形式简单以及表面加工质量要求低，但对各定位孔的位置精度、尺寸精度等均要求较高。若其未达到应有的设计要求，将对整个零件加工的表面质量、设备的装配质量以及最终整个设备的使用寿命均产生直接的影响，所以提高定位孔的加工精度是至关重要的。图5.1轴承上盖17工序1、铸造毛坯工序2、热处理退火处理工序3、上端面的粗铣加工和精铣加工工序4、铣环槽105x5工序5、直径为60的中间孔的粗、精加工工序6、直径为15精度为H7的孔的钻扩铰加工以及直径为钻5的小孔的钻铰加工工序7、前、后端面直径为30的孔的粗、精镗加工工序8、去毛刺到棱角工序9、检验入库5.2定位基准的选择本次设计的夹具为轴承座上盖的钻小孔5夹具，在进行此孔夹具的时候考虑用工件的内下平面以及上平面为主要的定位基准，在选用滑柱型钻模的基础上对其相应的夹具工装进行设计。5.3定位元件的设计与选择工件的定位选择上定位和下定位，分别选取的对象为以工件的两孔15以及上平面和下平面。下部的定位采用下定位销钉与15孔相配合，下定位销的下定位座中与之下定位销的斜边有接触，即定位座中的调节销钉可以左右调节两侧定位销钉进行控制，以此为了保证工件在完全定位后保证两个定位销钉的高度一致。上部的定位销钉与工件上面的15孔相配合，另一侧与钻模板相连接，以此保证定位的两个孔保证同心，并且可以完全定位与之后来的夹紧。18图5.2定位元件示意图5.4导向装置的设计本次的钻小孔5是在工件的圆弧面上，由于在工件的圆弧面上钻孔很容易使得钻孔产生偏移，甚至钻断钻头的危险，所以本次设计采用一种特殊专用的钻套，此钻套分为大钻套和小钻套，小钻套嵌在大钻套的孔中，小钻套的孔即为5孔，小钻套分为两个，上面一个在大钻套的上端，下面一个在大钻套的下端，并且与工具圆弧可以相接触，下小钻套和大钻套与工件的接触段均采用圆弧形状，从而有效提高夹具与工件之间的可配合性。19图5.3钻套结构示意图5.5夹紧装置的设计本次设计的夹紧装置采用手动夹紧，夹紧是靠钻模板对工件进行夹紧，钻模板的升降靠手摇手柄对导柱进行升降，导柱中间与手柄摇杆为齿轮齿条啮合，滑柱采用导杆的形式，为了起导向并准确平稳的升降。5.6夹具设计及操作的简要说明在此由于本文所设计的夹具主要用于中批量零件的加工生产中，所以在其设计时必须基于降低工人劳动强度、提高生产效率的角度出发。所以本文所设计的夹具，在更换工件的时候只需手摇摇起钻模板，将工件的两个定位销同时拔开，拿下工件即可，整个操作简单易懂。20图5.4夹紧装置216滑柱式钻床夹具零件的具体设计夹具体是整个滑柱式钻孔夹具的主要安装载体，并且与钻床的工作台面相互连接。中部三个孔是滑柱的导向装置，在三个滑柱的导向下可以保证不会产生偏移。夹具体前侧是滑柱上下驱动机构，通过手柄进行控制。图6.1夹具体工件下定位结构是通过下部的左右两侧定位销钉进行控制，为了保证工件在完全定位后保证左右侧面高度一致，需要通过中部的斜面