基于NX在挖掘机焊接工装夹具中的设计应用

1、基于NX在挖掘机焊接工装夹具中的设计应用 · NX作为优秀的三维设计系统其出色的功能模块在三一重机挖掘机焊接工装夹具项目中，得到工程师们广泛的应用由于产品的复杂多样性和随机变化性我们选用NX装配与分析仿真模块作为三维开发平台；在这个项目中就以典型的挖掘机履带架组对焊接液压工装为例简要介绍设计过程以及设备的功能性。 设计的最终输出结果是工程图，工程图是工程师的语言。绘图是工程设计乃至整个工程建设中的一个重要环节。然而，图纸的绘制是一项极其繁琐的工作，不但要求正确、精确，而且随着环境、需求等外部条件的变化，设计方案也会随之变化。一项工程图的绘制通常是在历经数遍修改完善后才完成的。在早期，

2、工程师采用手工绘图。他们用草图表达设计思想，手法不一。后来逐渐规范化，形成了一整套规则，具有一定的制图标准，从而使工程制图标准化。但由于项目的多样性、多变性，使得手工绘图周期长、效率低、重复劳动多，从而阻碍了建设的发展。于是，人们想方设法地提高劳动效率，将工程技术人员从繁琐重复的体力劳动中解放出来，集中精力从事开创性的工作。例如，工程师们为了减少工程制图中的许多繁琐重复的劳动，编制了大量的标准图集，提供给不同的工程以备套用。 焊机工业机器人随着计算机的迅猛发展，工程界的迫切需要，计算机辅助绘图(ComputerAidedDrawing)应运而生。早期的计算机辅助设计系统是在大型机、超级小型机上

3、开发的，一般需要几十万甚至上百万美元，往往只有在规模很大的汽车、航空、化工、石油，电力、轮船等行业部门中应用，工程建设设计领域各单位则难以望其项背。进入80年代，微型计算机的迅速发展，使计算机辅助工程设计逐渐成为现实。计算机绘图是通过编制计算机辅助绘图软件，将图形显示在屏幕上，用户可以用光标对图形直接进行编辑和修改。由微机配上图形输入和输出设备(如键盘、鼠标、绘图仪)以及计算机绘图软件，就组成一套计算机辅助绘图系统。由于高性能的微型计算机和各种外部设备的支持，计算机辅助绘图软件的开发也得到长足的发展。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案;各种设计信息，不论

4、是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索;设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成;由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改;利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。CAD能够减轻设计人员的计算画图等重复性劳动，专注于设计本身，缩短设计周期和提高设计质量。在科学技术日益发展的今天，虽然CAD技术已被企业重视，但通用CAD支撑软件对大多数用户来说，只是绘图工具，只能使所绘图便于保存，便于修改，不是真正的实现了通过计算机设计的目的，不能解决设计问题

5、，其实质仍是手工设计，它不仅设计效率低，同时对使用者的要求也较高，因使用者要直接使用图形支撑软件的命令去构造图形，这就要求其对各种命令的功能及其使用方法十分了解，从而限制了对这些命令不熟悉但精通产品设计的人员有效地使用计算机进行辅助设计，使硬件和软件得不到充分利用。解决此问题的办法是由少数既掌握计算机应用技术又懂产品设计的人员开发出某一产品的CAD应用软件，使其具有良好的人机界面，并融入大量专业设计人员的经验，从而使一般设计人员能够使用计算机应用软件进行产品的设计，提高设计效率与质量。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中主要有PTC公司的PRO/E，NXS公司的NX和SolidWorks等

6、。而在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上，NX一直公认的作为CAD设计软件的佼佼者。NX主要客户包括，通用汽车，通用电气，福特，波音麦道，洛克希德，劳斯莱斯，普惠发动机，日产，克莱斯勒，以及美国军方。几乎所有飞机发动机和大部分汽车发动机都采用NX进行设计，充分体现NX在高端工程领域，特别是军工领域的强大实力。在高端领域与CATIA并驾齐驱。NX 包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。 NX 具有高性能的机械设计和制图功能，为制造设计提供了高性能和灵活性，以满足客户设计任何复杂产品的需要。 NX 优于通用的设计工具，具有专

7、业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。 图1NX作为优秀的三维设计系统其出色的功能模块在三一重机挖掘机焊接工装夹具项目中，得到工程师们广泛的应用由于产品的复杂多样性和随机变化性我们选用NX装配与分析仿真模块作为三维开发平台;在这个项目中就以典型的挖掘机履带架组对焊接液压工装为例简要介绍设计过程以及设备的功能性。如图一所示，焊接工装应适应于挖掘机履带架左右两边的焊接夹紧定位，焊接的部位为左右耳板和驱动架马达座;简单介绍该工装的构造以及工作过程，整个工装夹具由马达座定位夹紧机构、驱动架定位夹紧机构、中梁定位机构、耳板定位机构、左右定位机构、底部支撑组

8、成;其中马达座定位夹紧机构与左右定位机构为液压控制。 图2见图二，根据工件左右选择工位，由左右定位油缸与左右位置驱动油缸动作完成选择，左右定位油缸位于两直线导轨中部，其结构简单，由油缸法兰直接固定于底座上，油缸直接连接于限位块上，利用油缸推动限位块上下移动实现机构的左右定位，左右位置驱动油缸直接用螺栓固定于马达座夹紧机构上，油缸尾部用销钉连接以至于油缸左右往复定位时有足够的活动间隙，将工件放入定位座台阶上另一端托于左侧定位柱上，启动夹紧油缸卡爪动作工件定位夹紧完成。在设计的过程中设计思路和常规的还是一样的，首先在NX的零部件模式下建立工件模型，根据工件在装配体模式下建立驱动架机构的各装配部件，

9、根据位置关系细化各部件，在模拟仿真模块下模拟左右定位油缸和左右位置驱动油缸的行程，检查干涉，详细操作步骤这里就不在一一列出 图3图三为工件夹紧时卡爪所处的工位，图二为夹紧前卡爪工位;工件左右对称夹紧定位装置的动作步骤也相同，马达座夹紧机构的结构采用了简易式机械手如图四所示，中部为一个双作用油缸直接通过螺纹连接于机械手端部，机械手由铰链结构组成，油缸左右动作通过铰链机械手分别在左右两个位置夹紧与松开，图四所示位置为夹紧时的位置。在工装装配检查的过程中使用较频繁的是NX的透明部件的命令，在此状态下可以准确清楚的看见各零件相互间的位置关系以及干涉情况。马达座由两条较长的直线导轨支撑配合油缸实现往复运

10、动 图4设计此机构时在使用NX装配分析模块的同时，还需要使用仿真运动分析对机构做分析检查，仿真模块功能强大适用于不同产品的分析干涉检查，运动仿真是UG/CAE(Computer Aided Engineering)模块中的主要部分,它能对任何二维或三维机构进行复杂的运动学分析、动力分析和设计仿真。通过UG/Modeling的功能建立一个三维实体模型,利用UG/Motion的功能给三维实体模型的各个部件赋予一定的运动学特性,再在各个部件之间设立一定的连接关系既可建立一个运动仿真模型。UG/Motion的功能可以对运动机构进行大量的装配分析工作、运动合理 性分析工作等，其仿真步骤大致可分为四步：第

11、一，建立一个运动分析场景;第二运动模型的输入构建，设置各零件相互间的连杆特性与运动副特性和载荷特性;第三，运动参数的设置，仿真数据的输出与运动过程的控制;第四，运动分析结果的输出表格曲线图之类的输出等;这里就不在做具体的分析说明。马达座夹紧机构采用UG/Motion做分析可检查其油缸在各工位与各铰链间详细的运动情况，各油缸在设计的过程中是不需要一一建模的，NX的输入接口也是比较强大的，他可以直接识别STEPIGSXT等主流三维的通用格式，油缸由厂家3D样本转换IGS格式直接输入转换到NX中使用，对于设计者来说是相当的方便更节约了时间，同时也体现了NX在这块上的优势。 图5然后将中间梁吊起把定位

12、块旋入工件底部螺纹孔中，前后各一个，见图四，利用定位块导向工件放于底部支撑上调整一侧紧靠至马达座平面，定位完成。在这个机构设计时首先透明化工件在装配体模式下根据工件底面孔位建立圆柱定位块，接着根据定位块关系依次完成中间梁定位机构的各部件。接下来将驱动架部分工件放入驱动架定位机构上，连同机构工件往中间梁推进并紧靠梁;插下底部定位销固定机构装置，如图六所示，转动手柄调整工件位置至对中，此机构利用齿条齿轮相对运动来保证工件的对中，锁紧尾部螺旋手柄工件定位完成。 图6该结构相对要复杂点，中部采用齿轮齿条组成相对运动副，齿轮固定于轴上，轴的上下采用深沟球轴承支撑固定，两定位块分别用螺钉固定于齿条上面，尾

13、部由块螺旋副固定于筋板上实现尾部定位，整个机构由两根直线导轨支撑实现往复运动，设计该机构时重点是齿轮定位这块，确定齿轮箱尺寸后利用NX的外挂插件生成齿轮齿条，从标件库调出轴承等标件装配后模拟齿条行程和工件的相互位置确定定位块模型，由于NX强大的数据库功能直线导轨、光轴、套筒等部件我们已经做成标件库零件在设计中可直接调用，有的厂家可利用NX二次开发达到更强大的数据库。当然最终我们的目的是提高设计效率。最后将耳板穿入耳板定位机构定位柱上，锁紧螺母，推入定位导向杆在直线导轨上调整位置，位置调整好后锁紧导向杆螺栓如图七示。左右各两个耳板座，分别定位夹紧根据工件实际情况灵活调整机构。 图7这四块耳板定位

14、机构其结构由底部的直线导轨支撑整个机构，通过支架与螺栓连接固定上部的套筒座，由定位销来保证其精度，套筒法兰面与套筒座也是螺栓固定，其余部分如图七所示，套筒座右侧各有一个注润滑脂油的油嘴，保证导向柱工作灵活自如。在设计这块机构时由两块耳板为基准依次设计各定位轴柱、固定法兰、导向柱等，完成一边后直接用镜像命令镜像对称面的另外两个机构，这样可以节约很大部分时间，NX的镜像阵列命令也是在设计设备的过程中运用频率比较高的命令之一。这样整个工件的定位夹紧就完成了，即可焊接各个需要焊接的部位，左、右履带架工件的装夹定位方式是相同的这里就不再一一叙述。此工装在点焊完成后所有夹紧装置松开可上焊接机器人来完成整个工件的环缝焊接。这个机构装配件的设计与前面的相同，根据工件定位面和孔在装配体模式下至少而下完成零件的建模、装配、仿真。在以往工装夹具的设计中难免大量的数字计算和模拟计算，而今三维设计的迅速发展为工程师带来了极大的便捷，大大的提高了效率。工装夹具在焊接工程中除了需要良好的定位精度和刚性外，越来越更需要的是柔性，灵活组合灵活使用通用性专用性强，制造周期短等，在辅助制造行业柔性设计柔性制造一样也需要发展进步 ，CNC的引进 焊接机器人的引进已成为业内的利器，高精度、高效率、高自动化，为企业带来质的改变，当然在管