机用虎钳毕业设计论文 基于Creo2.0（可自选）的机用虎钳设计与分析

德州职业技术学院高职专业毕业论文论文题目：基于Creo2.0（可自选）的机用虎钳设计与分析系 部： 机械工程系 专 业： 机械设计与制造 姓 名： 王纪香 学 号： 200801060130 指导教师： 梁东明 2010年1月6日摘要夹具对于保证加工精度，提高生产效率、 降低生产成本， 缓解工人劳动强度， 扩大机床的工艺范围等都具有重要意义。夹具是工艺装备的重要组成部分，在机 械制造行业中具有举足轻重的地位。近年来， 夹具在国内外也正在逐渐形成为一 个依附于机床业或独立的小行业。本文主要使用计算机辅助设计软件（ creo2.0）完成机用虎钳的整体机构建模与装配，并加载伺服电机进行运动仿真分析，得出结论。研究发现，虎钳具有结 构紧凑，夹紧力度强，易于操作使用等特点，很适合中小型铣床、钻床以及平面 磨床等机械设备使用。 通过该课题研究， 加强对夹具原理设计以及计算机辅助设 计等方面的系统化认识，加深对先进设计、智能制造的理解。关键词 机用虎钳计算机辅助设计运动仿真目 录第一章绪论11.1国内外夹具设计的发展背景11.2课题背景及意义2第二章机用虎钳概述22.1机床夹具概述22.1.1夹具的分类32.1.2夹具的原理42.2机用虎钳的作用与结构52.3机用虎钳的工作原理62.4机用虎钳使用的注意事项7第三章机用虎钳三维设计73.1 Creo2.0概述73.2 Creo2.0的选用理由83.3机用虎钳主要零件设计9第四章机用虎钳的运动仿真25致 谢27参考文献28第一章绪论1.1国内外夹具设计的发展背景作为机电产品制造中不可或缺的四大工具（刀具、 夹具、量具、模具）之一， 夹具对于保证加工精度，提高生产效率、降低生产成本，减轻工人劳动强度，扩 大机床的工艺范围， 缩短产品试制周期等都具有重要意义。夹具是工艺装备的重 要组成部分，在机械制造行业中具有举足轻重的地位。近 10 余年来，单件、小批量生产正逐渐成为现代机械制造业新的生产模式。 在这种模式下，发达国家普遍采用计算机辅助产品设计(CAD) 、计算机辅助工程 分析 (CAE)和计算机仿真技术进行产品设计，这同时也对加工机床及机床夹具提 出了更高的柔性要求， 以求缩短生产准备时间、 降低生产成本。 按照单一品种设 计出来的专用夹具已经远远不能满足生产发展的需求，在这种情况下， 组合夹具 的出现是必然的。 组合夹具正好能够适应单件、小批量生产的模式， 它对缩短工 艺装备的设计、 制造周期， 以及产品换型后对原有工装夹具延续使用起到至关重要的作用。图 1-1 计算机辅助设计制造 虽然我国赶超世界发达国家的步伐越来越快，借鉴“德国工业4.0”，也提出了“中国制造2025”的概念，但由于起步晚，底子薄，与德国、美国、日本 等先进水平相比， 仍然还有较大差距。 为了提高我国数字化产品在国际市场中的 竞争力，我们必须加强先进设计方面的研究。1.2课题背景及意义本课题来源于德州职业技术学院毕业设计，设计要求是：设计一机用虎钳，使用计算机辅助设计软件 （creo2.0）完成整体机构建模与装配，并加载伺服电机 进行运动仿真分析，得出结论。机用虎钳具有结构紧凑，夹紧力度强，易于操作使用等特点，很适合中型铣床、钻床以及平面磨床等机械设备使用。通过该项研究，系统加强对夹具原理设计以及计算机辅助设计等方面的认识，加深对先进设计、智能制造的理解。1.3课题设计思路本课题采用以项目导向，以工作任务驱动，以学生创新能力培养为主线，理论教学与实践教学融为一体的教学模式，充分体现了高职教育的特点。同时本课程以计算机辅助设计软件（Creo2.0）完成整体机构建模与装配，加载伺服电机进行运动仿真分析为主线，重构了课程的教学体系，重组了课程的教学内容，把知识和技能的教学溶入到项目的制作之中，实现了“实践与理论相结合”的教学方法，较好地解决了学以致用，学好善用的问题。第二章机用虎钳概述2.1机床夹具概述机床夹具是机床上用以装夹工件（和引导刀具）的一种装置。 其作用是将工 件定位，以使工件获得相对于机床和刀具的正确位置，并把工件可靠地夹紧。图 2-1 a) 机床夹具b) 机床夹具c) 机床夹具2.1.1夹具的分类（ 1）通用夹具特点是适应性广，生产效率低，主要适用于单件、小批量的生产中。（ 2）专用夹具特点是结构紧凑，操作迅速、方便，可以保证较高的加工精度和生产效率。（ 3）通用可调夹具和成组夹具该类夹具特点是夹具的部分元件可以更换，部分装置可以调整， 以适应不同零件的加工。（ 4）组合夹具组合夹具特点是灵活多变，万能性强，制造周期短、元件能反复使用，特别 适用于新产品的试制和单件小批生产。（ 5）随行夹具随行夹具是一种在自动线上使用的夹具。该夹具既要起到装夹工件的作用， 又要与工件成为一体沿着自动线从一个工位移到下一个工位，进行不同工序的加 工。2.1.2夹具的原理机用虎钳的工作原理：虎钳手轮转动丝杠，丝杠的螺旋作用带动与之配合的活动掌螺母沿螺杆轴线方向来回移动，从而使钳口打开和闭合，即可实现夹紧和松开的作用。（ 1）定位元件它与工件的定位基准相接触， 用于确定工件在夹具中的正确位置，从而保证 加工时工件相对于刀具和机床加工运动间的相对正确位置。（ 2）对刀、引导元件或装置这些元件的作用是保证工件与刀具之间的正确位置。（ 3）夹紧装置用于夹紧工件，在切削时使工件在夹具中保持既定位置。（ 4）连接元件使夹具与机床相连接的元件，保证机床与夹具之间的相互位置关系。（ 5）夹具体用于连接或固定夹具上各元件及装置，使其成为一个整体的基础件。它与机 床有关部件进行连接、对定，使夹具相对机床具有确定的位置。（ 6）其它元件及装置有些夹具根据工件的加工要求，要有分度机构，铣床夹具还要有定位键等。 以上这些组成部分， 并不都是缺一不可的， 但是任何夹具都必须有定位元件和夹紧装置，它们是保证工件加工精度的关键，目的是使工件定准、夹牢。图 2-2 夹具的原理2.2机用虎钳的作用与结构机用虎钳是安装在机床工作台上,用于夹紧工件， 以便进行切削加工的一种 通用工具。 固定钳身可安装在机床的工作台上，起固定机座作用。转动手柄可以 旋转丝杠， 丝杠通过螺旋孔带动滑块左右运动，移动滑块上面带着活动钳口。这样，活动钳口和固定钳口一起就可以实现工件的夹紧和松开。图 2-3 机用虎钳结构图 机用虎钳主要由以下几个部件组成：底座：用来支撑底盘及钳体；底盘：用来支掌钳体，并可带动钳体旋转；钳体：安装在底座上面，用来和支掌活动掌及工件；活动掌：用来收紧或放松钳身，从而夹紧工件；钳口：夹紧工件时钳口接触工件的部份，可置换；压板：用来活动掌固定在钳体上；丝杠：用来连接钳体与活动掌，并带动活动掌作轴向运动；手柄：安装在丝杠右端，使丝杠作旋转运动；螺栓、螺母：用来固定虎钳的各部件。2.3机用虎钳的工作原理它的结构是由钳体、底座、导螺母、丝杠、钳口体等组成。活动钳身通过导 轨与固定钳身的导轨作滑动配合丝杠装在活动钳身上，可以旋转，但不能轴向 移动，并与安装在固定钳身内的丝杠螺母配合。当转动手柄使丝杠旋转，就可以 带动活动钳身相对于固定钳身作轴向移动，起夹紧或放松的作用。弹簧借助挡圈 和开口销固定在丝杠上，其作用是当放松丝杠时， 可使活动钳身及时地退出。在固定钳身和活动钳身上，各装有钢制钳口，并用螺钉固定。 钳口的工作面上制有交叉的网纹， 使工件夹紧后不易产生滑动。钳口经过热处理淬硬， 具有较好的耐 磨性。固定钳身装在转座上，并能绕转座轴心线转动，当转到要求的方向时，扳 动夹紧手柄使夹紧螺钉旋紧， 便可在夹紧盘的作用下把固定钳身固紧。转座上有三个螺栓孔，用以与钳台固定。图 2-4 机用虎钳原理图图 2-5 机用虎钳装配图2.4机用虎钳使用的注意事项（ 1）安装时，必须使固定钳口的一部分突出于钳台外缘，这样在夹持长条形工 件的时候，钳台外缘不会干涉工件。（ 2）固定在钳台上的时候，三个压紧螺钉必须扳紧，不能使虎钳钳身在零件加 工过程中出现松动，否则会损坏虎钳和影响加工精度。（ 3）在夹紧工件时，只许用手的力量扳动手柄，绝不允许用锤子或其他套筒扳 动手柄，以免丝杠、螺母或钳身受到损坏。（ 4）装卸工件需要敲击时，应该在固定钳身的平台上进行，不能在钳口上敲击 工件，以免损坏钳口。（ 5）丝杠、螺母和其他滑动表面要求经常保持清洁，并加油润滑。第三章机用虎钳三维设计近年来计算机辅助设计之所以能迅速发展，主要是因为它可以提高设计效率、提高设计质量、实现数据共享、实现智能设计。计算机辅助设计方便快捷、效率高，大型设计可以数人同时操作；易修改，后期处理方便，数套设计方案可以同时推出；它的表现手段丰富，视觉冲击强烈。但是计算机辅助设计带来方便的同时也对设计人员提出了更高的要求，设计人员需要具备扎实的功底和熟练的操作技能。3.1 Creo2.0概述图 3-1 Creo2.0 界面2012 年 3 月， PTC 公司推出正式版 Creo2.0。Creo 是一组可伸缩的、可互 操作的产品设计软件，可快速实现价值，功能覆盖整个产品开发领域，空前的互 操作性，可确保在内部和外部团队之间轻松共享数据。Creo 的产品设计应用程 序使企业中的每个人都能使用最适合自己的工具，因此，他们可以全面参与产品 开发过程。Creo2.0是目前工作中最优秀的2D 和 3D CAD 软件，具备互操作性、 开放、 易用三大特点，软件整合了PTC 公司的三个软件Pro/Engineer 的参数化技术、 CoCreate的直接建模技术和ProductView的三维可视化技术， 能够为用户设计出富有创意的三维产品。3.2 Creo2.0的选用理由Creo2.0 在计算机辅助设计制造方面属于中档以上的设计软件，非常具有先 进性。同时，该软件操作简单、容易上手，操作界面比较人性化，特别是参数化 设计，对于操作者来说是更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。所以 在本次毕业课题设计中选用该软件。图 3-2 a) 零件模式下的工具栏b) 组件模式下的工具栏c) 工程图模式下的工具栏3.3机用虎钳主要零件设计该机用虎钳它的结构是由钳体、底座、底盘、丝杠、活动掌等组成。活动掌通过导轨与虎钳固定钳体的导轨作滑动配合。丝杠装在活动掌身上，可以旋转，但不能轴向移动，并与安装在固定钳体内的丝杠螺母配合。当摇动手柄使丝杠旋转，就可以带动活动钳身相对于固定钳体作轴向移动，起夹紧或放松的作用。用虎钳装夹工件有下列优点：a.能稳定地保证工件的加工精度，用夹具装夹工件时，工件相对于刀具及机床的位置精度由夹具保证，可以排除外界因素的影响，使一批工件的加工精度趋于一致。b.能提高劳动生产率，使用虎钳装夹工件方便、快速，工件不需要划线找正，可显著的减少辅助工时，提高劳动生产率；工件在虎钳装夹后提高了工件的刚性，因此可加大切削用量，提高劳动生产率。c. 能扩大机床的使用范围。（1）钳体设计本次设计的定位为一般的小型机用虎钳，所以设计钳体的三维尺寸为长 184mm。内槽两侧开有退位槽，这样可以增大虎钳的行 程。考虑到安装要求，对称添加四个耳板，半径R28。图 3-3 钳体零件图 新建文件依次点击“新建”“零件”“实体”，将文件名记为零件“qianti”,最后点击“确定”进入设计界面。 创建特征点击“拉伸”按钮，进入草绘模式。创建草绘，拉伸深度为25，单击“确 定”，完成创建。 创建导轨选择侧面螺杆支撑座的侧面为草绘平面，创建矩形，然后拉伸 127mm，得到导轨实体。 创建固定钳口的固定体 将钳体的上端面作为草绘平面，创建矩形，拉伸100mm。 添加左右耳板点击“拉伸”按钮，进入草绘模式。 创建圆形， 拉伸深度为8，单击“确定”完成创建。 创建“孔”特征单击特征工具栏中 “拉伸 ”按钮，单击 “放置 ”“定义 ”，点击相应位置作为草 绘平面，单击 “草绘 ”按钮，进入草绘模式。最后选择去除材料，拉伸得到孔眼。 最后还需要创建“螺纹孔”特征 图 3-4 a) 钳体三维视图b) 钳体仰视图b) 钳体俯视图2）活动钳身设计活动钳身主要承载活动钳口，还要连接螺杆。所以钳身上端设计螺纹孔，用于螺杆的连接，侧边采用弧形设计，以方便必要的时候生产加工人员手工操作。 图 3-5 活动钳身零件图 采用相同的建模“草绘”、“拉伸”方法，首先创建底板，然后创建上部实体，最后打通孔。得到上滑块的三维视图和俯视图如下： 创建底板特征 创建键槽特征 选择板的侧表面为草绘平面，选择“拉伸”进入草绘模式。最后选择去除材料，得到键槽。创建“孔”特征最后创建固定钳口的支撑座图 3-6 a) 活动钳身主视图b) 活动钳身左视图（ 3）螺杆的设计 图 3-7 螺杆零件图 螺杆的具体尺寸如上图所示，在参数设计时，丝杠螺纹进行45倒角，螺距为 3。具体创建过程如下： 创建“丝杠主体”特征 单击特征工具栏中“旋转”按钮，然后依次点击“放置”“定义”，选择右面为草绘平面，进入草绘模式后单击“直线”选项。 创建“丝杠螺纹”特征 单击工具栏中的“插入”按钮，依次选择“螺纹扫描”“切口”“常数穿过轴右手定则完成”“ TOP正向缺省”，输入螺距。最后点击对话框中“确定”按钮，完成“螺纹”创建。 在螺杆的端部开 9 的孔，以便安装手柄。图 3-8 a) 丝杠三维建模图（ 4）钳口的设计 钳口包括活动钳口和固定钳口。钳口主体设计 在草绘模式中创建草图如下：“拉伸”深度为10。（ 5）其它附件的设计附件主要是指螺钉、手柄、手柄球、定位销等等。 螺钉图 3-10 a) 螺钉尺寸 b) 螺钉三维建模 手柄图 3-11 a)手柄尺寸b)手柄三维建模c)手柄两端开 3.2孔 手柄球图 3-12 a) 手柄球尺寸b)手柄球与手柄装配 卡套图 3-13 a) 卡套尺寸b) 卡套三维侧视图c) 卡套三维俯视图 紧定销图 3-14 紧定销尺寸 滑键图 3-15 a) 滑键尺寸b) 滑键三维视图（ 6）装配图图 3-16 机用虎钳剖视图图 3-17 三维装配图图 3-18 三维侧视图最后的总装配图如下所示： 第四章机用虎钳的运动仿真机械运动仿真技术是一种建立在机械系统运动学、动力学理论和计算机实用技术基础上的新技术，涉及建模、运动控制、机构学、运动学和动力学等方面的内容，主要是利用计算机来模拟机械系统在真实环境下的运动和动力特性，并根据机械设计要求和仿真结果，修改设计参数直至满足机械性能指标要求或对整个机械系统进行优化。运动仿真是设计过程中不可或缺的一个环节， 通过运动仿真可以查看设计方 案是否合理、 运动和力学性能参数是否满足设计要求、 零部件在运动过程中是否 存在干涉问题等等。所以在最后一章，我们进行运动仿真来检测设计结果。首先将钳体与固定钳口用刚性连接在一起组成一个部分记为f0，再将上滑 块、下滑块、活动钳口、螺钉用刚性连接在一起记为f1，最后将 f0 和 f1 通过丝 杠连接在一起，装配完成。在装配好的基础上进行机构的运动仿真，在丝杠和下滑块以及钳体上装配伺服电动机，之后进行分析就可以让机用虎钳进行运动了。机用虎钳的运动过程具体如下：（ 1）当手柄顺时针旋转时， 丝杠带动虎钳上下滑块相对固定钳体从左向右移动， 将丝杠的转动转变为滑块的直线运动，利用固定钳口夹紧工件。图 4-1 a) 活动钳口向右运动b) 加紧工件（ 2）当手柄逆时针旋转时， 丝杠带动虎钳上下滑块相对固定钳体从右向左移动， 从而松开工件。图 4-2 a) 活动钳口向左运动 b）放开工件致 谢 经过长时间的忙碌，毕业设计已经接近尾声，在这段时间里为了制作毕业设计，我翻阅了大量有关机械专业的书籍，通过对这些书籍了阅读，不但完成了所做的毕业设计，还使自己的专业知识和独立思考问题的能力有了很大的提高，对自己今后的工作有了许多的帮助。在做毕业设计期间，经常会出现一些自己从没遇到过的问题，使毕业设计的制作走到了死胡同。如果没有指导老师的督促和指导，以及同学们的帮助，凭我一个人的力量，想要完成这次毕业设计是很难的。在这里首先要感谢我的导师侯云霞老师。在这期间，侯老师每日都很忙碌,但在我做毕业设计的的时候，每当遇上困难,她都仔细给我讲解,还从其他地方查阅资料，设计方案的确定和修改、中期检查，后期详细设计，装配草图等整个过程中都给予了我悉心的指导。导师高尚的品德，渊博的学识，严谨的学风和高度的责任心深深地影响着学生。导师的教