机械自动化本科毕业论文基于ProE的钻床夹具的设计

PAGEPAGE24目录1绪论 12设计任务 13设计理念 23.1概念设计 23.1.1夹具的分类 23.1.2夹具的功用 43.1.3夹具的组成 43.2选择夹具的类型 53.3确定夹具的零件 54实体建模 54.1底座的设计 54.2钻套的设计 64.3螺旋夹紧定位机构的设计 104.3.1支承块的设计 104.3.2V形压头的设计 114.3.3套筒和螺旋推进机构的设计 125夹具的装配 166工程图 177装配仿真 187.1进入机构模块 187.2定义伺服电动机 197.3结果回放及捕获 228结束语 23致谢 23参考文献 24

1绪论当前三维设计技术已经达到了一个很高的境界,它能为产品开发人员提供更先进的设计方法和设计手段,具有形象生动、直观明了、快速响应等设计特点,其开发过程很符合设计人员的设计思维[1]。三维开发平台的出现和完善,为增强企业的开发能力、提高设计效率和产品质量,提供了强有力的技术支持。三维开发技术的应用和推广,可谓是传统的机械设计的一次革命;三维立体设计逐步替代传统的二维平面是必然的趋势目前,市面上可供选择的软件有很多,主要包括高端的Pro/Engineer,I-DEAS,UG,CATIA和中端的Solidworks,SolidEdge等3D设计软件[2]。这些软件的一个共是它们都具性就备了尺寸参数驱动技术以及虚拟装配技术;尤其是高端的3D设计软件还具备了智能化、集成化、并行化、模块化、相关性等特点，这些技术一般都能满足用户设计的各项诸如设计、计算分析、制造、虚拟装配、干涉检查、有限元分析、动分析等高级CAD的需求[4]。Pro/Engineer系统是美国参数技术公司（PTC）的产品。PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，开发出来的第三代机CAD/CAE/CAM产品Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程[3]。Pro/Engineer采用技术指标化设计、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。Pro/Engineer系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。2设计任务夹具作为一种重要的机械元件，其规格和型号比较繁多，传统的开发过程繁琐、效率低下、绘图量大，Pro/E作为一款高效快捷的CAD/CAM软件，克服了以上的不足之处，大大提高设计人员的开发速度，本文将着重就Pro/E的实体建模、虚拟装配、机构仿真等功能通过夹具的设计进行深入和全面的研究。设计的具体要求为：(1)实现零件设计。(2)零件和部件的装配。(3)工程图样的生成。(4)运动仿真。3设计理念使用Pro/E软件进行虚拟产品设计总的来说有俩种设计方法，它们分别是由底向上的产品设计和自顶向下的产品设计。由底向上的的产品设计就是先设计好产品的各个零部件，然后再把各个零部件逐一装配成完整产品的设计方法。由底向上的设计方法是一种比较简单、低级的方法，其设计思路比较清楚，设计原理也容易被广大用户接受，但是其设计理念还不够先进，设计方法不够灵活，还不能完全适应现代设计的基本要求。这种方法主要应用于一些已经比较成熟的产品的设计过程，可以获得比较高的设计效率[5]。由顶向下的装配设计与由底向上的设计方法正好相反。设计时，首先从整体上勾画出产品的整体结构关系或创建装配体的二维零件布局关系图，然后再根据这些关系或布局逐一设计出产品的零件模型。在现实的虚拟产品设计中，往往都是先设计出整个产品的外在概念和功能概念后，逐步对产品进行设计上的细化直至单个零件[5]。由顶向下的产品设计方法因其设计方法灵活和修改容易等优点，深受设计者喜爱。同时这种设计方法对设计者的要求较高，设计者不仅要熟练掌握Pro/E的各种应用技巧，而且要对产品有完整的构思。3.1概念设计概念设计是根据产品的功能和尺寸要求，进行产品功能创造、功能分解以及功能和子功能的结构设计；进行满足功能和结构要求的工作原理求解和进行实现功能结构的工作原理载体方案的构思和系统化设计。概念设计的过程是一个发散思维和创新设计的过程，是一个求解实现功能的，满足各种技术和经济指标的，可能存在的各种方案并最终确定综合最优方案的过程。3.1.1夹具的分类夹具的分类按专门化程度分类：（1）通用夹具用夹具是指已经标准化的，在一定范围内可用于加工不同工件的夹具。这类夹具一般由专业工厂生产，作为机床附件提供给用户，其特点是适应性广，但生产效率低，主要适用于产品固定且批量较大的生产中。（2）专用夹具专用夹具是指专为某一工件的某道工序而专门设计的夹具，其特点是结构紧凑，操作迅速、方便、省力，可以保证较高的加工精度和生产效率，但设计制造周期较长、制造费用也较高。当产品变更时，夹具将无法再使用，只适用于产品固定且批量较大的生产中。（3）通用可调夹具和组成夹具其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。组成夹具适用于相似零件的成组加工，与通用可调夹具相比，加工对象的针对性明确。（4）组合夹具组合夹具是指按零件的加工要求，由一套事先制造好的标准元件和部件组装而成的夹具，其特点是灵活多变、通用性强、制造周期短、元件可反复使用，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适用的夹具、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。按使用的机床分类：按所使用的机床不同，夹具可分为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具、磨床夹具、齿轮机床夹具和其他机床夹具等。按夹紧动力源分类：根据夹具所采用的夹紧动力源不同，夹具可分为手动夹具、气动夹具、液压夹具、气液夹具、电动夹具、磁力夹具、真空夹具等【17】。3.1.2夹具的功用（1）稳定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，不受人工技术水平的影响，使一批工件的加工精度趋于一致。（2）减少辅助工时，提高来动效率使用夹具装夹工件无需划线找正，可以显著的减少辅助工时，方便快捷；可提高工件刚性，使用较大的切削用量；可实现多件，多工位同时装夹，可采用高效夹紧机构，提高劳动生产率。（3）扩大机床的使用范围，实现一机多能根据加工机床的成形运动，附以不同类型的夹具，可扩大机床的工艺范围【17】。3.1.3夹具的组成（1）定位元件（定位装置）定位元件与工件的定位基面相接处，用于确定工件在夹具中的正确位置。（2）夹紧元件(夹紧装置)夹紧元件的作用是将工件压紧夹牢，使工件在加工过程中保持在夹具中的既定位置。（3）对刀与导引元件用于确定刀具在加工前正确位置的元件称为对刀元件。用于确定刀具位置并导引刀具进行加工的元件称为引导元件。（4）夹具体夹具体是用于联接或固定夹具上使其成为一个整体的基础件。它与机床有关部件进行联接、对定，使夹具相对机床具有确定的位置。（5）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，并不是对每种机床夹具都是缺一不可的，但是任何夹具都必须有定位元件和夹紧装置，他们是保证工件加工精度的关键，目的是使工件定准，夹牢【17】。3.2选择夹具的类型本文选择的夹具是用于在立式钻床上加工拨叉的Ф22孔的专用夹具。工件以Φ40外圆和一端面为定位基准，在V形块和支承板上实现五点定位。采用快速螺旋夹紧机构推动V形压头夹紧工件。3.3确定夹具的零件夹具夹具钻套套筒V形压头螺旋推进器连接件底座螺栓销图1：夹具的结构图4实体建模4.1底座的设计由加工零件的大小设计底座的大小，基本确定整个夹具的尺寸。单击【文件】→【新建】→【零件】，缺省模板选择。选择拉伸命令以FRONT面位基准面草绘底座，如图2，拉伸高度为20图2：底座草绘图同上操作，拉伸出V形定位块,如图3图3：底座4.2钻套的设计运用自顶向下的设计思路设计钻套单击【文件】→【新建】→【组件】，缺省模板选择。单击调入底座，在缺省位置装配元件，图4。图4放置元件确定后单击创建元件钻套。如图5-6操作，图5选择【零件】，【实体】图6选择【创建特征】图7：以底座的面为参考图8钻套的草绘如上操作，最后结果如图9-10，衬套钻套钻模板衬套钻套钻模板图9钻套图10钻套和底座4.3螺旋夹紧定位机构的设计4.3.1支承块的设计如同钻套的设计，在组件里面以底座为基准设计支承块。如图11-12图11支承块1图12支承块24.3.2V形压头的设计由于V形压头要与支承块进行配合，故以支承块为基准设计V形压头。图13：以支承块的面为基准面图14：V形压头4.3.3套筒和螺旋推进机构的设计如上，以支承块和V形压头图15螺旋推进机构1套筒套筒图16螺旋推进机构2其中螺纹的设计方法为:单击【插入】→【螺旋扫描】→【切口】，出现如图17的窗口，确定；图17：菜单管理器选择基准面草绘扫引轨迹，如图18，轨迹轨迹图18：扫引轨迹确定后输入螺距，之后如图19绘制截面，图19截面选择正向.图20材料侧菜单管理器注意不要忘了绘制中心线，否则将无法进行螺旋扫描，如图21中心线中心线图21绘制中心线5夹具的装配在Pro/E中，装配是通过定义参与装配的各个零件之间的装配约束来实现的。简而言之零件之间的装配约束关系就是实际工作环境中零件之间的装配关系在虚拟设计环境中的反映。因此合理的定义零件之间的装配约束关系是产品虚拟装配的关键，也是产品后续开发的关键[9]。Pro/E提供了匹配、对齐、插入、坐标系、相切、线上点、曲面上的点、曲面上的边、自动9种约束方式。利用着9中约束方式可以对零件进行装配，如果想让某些零件装配后可以模拟运动仿真，那么就要对这些零件进行连接装配，Pro/E提供了刚性、销钉、滑动轴、圆柱、平面、球、焊接、轴承、常规、6DOF10种连接类型。利用这些连接类型可以实现机构之间的模拟运动仿真[8]。本例后面还要做机构仿真，所以在此用连接方式装配。为了仿真的方便，本文在装配时采用圆柱连接装配结果如图22-23所示：图22夹具装配图图23装配爆炸图6工程图Pro/E拥有强大的工程图生成能力，它允许直接从实体零件按指定标准生成工程图，并且能自动标注，添加各种注释等。最为重要的是，工程图与实体零件相关，在工程图中修改的尺寸都会在模型中自动更新[12]。在Pro/E中建立工程图需要先打开需要建立工程图的三维模型，然后通过“新建”→“绘图”→“确定”命令新建一张空白的工程图纸，此时软件会再打开一个新的窗口。然后通过“插入”→“绘图视图”→“一般”命令打开“绘图视图”窗口，根据需要调整该视图的显示方式和其它信息建立第一个视图，通常情况下为第一视图。接下来就可以利用“投影”“详图”“辅助”“旋转”等命令建立其它视图了，并可以方便的建立剖视图。在Pro/E的工程图环境里建立好三视图转化可以把其转化为AutoCAD格式的工程图，以方便在AutoCAD中进行修改和尺寸。本文将不再赘诉具体操作过程，其结果如下图24，图24:装配工程图7装配仿真MechanisamDesigneXtention(MDX，机构设计扩展)是Pro/E包含的运动分析模块，能够对设计进行模拟仿真显示、运动干涉检测、运动轨迹、速度和加速度等。MDX所创建是运动机构，可以导入Pro/MechanicaMotion模块中进行进一步分析，也可以导入动画（Animation）模块中创建更完善的仿真动画，与Pro/MechanicaMotion相比，MDX完全集成于Pro/E中，操作直观简便、易于掌握，但功能相对薄弱，因此更适用于不十分复杂的机构运动分析[4]。7.1进入机构模块在【应用程序】主菜单中选取【机构】选项，进入机构仿真界面，如图25所示：图25：机构仿真界面7.2定义伺服电动机单击左下侧的【连接】→【接头】，点开一个连接右键点击平移轴，选择伺服电机，出现如图26所示图26伺服电动机定义点击轮廓，选择速度、常数，在A处输入速度10图27定义伺服电动机的速度如此定义完所有需要的连接，点击右侧定义分析，如图28，图28分析定义设置完终止时间和最小间隔后，击【电动机】，据装配顺序和时间间隔设置电动机，如图29，单击【运行】即可进行运动仿真图29定义电动机的运动时间7.3结果回放及捕获单击，系统将弹出【回放】对话框，在此对话框中单击系统将弹出如图30的动画对话框，单击【捕获】，选择存放位置和修改名字后，确定就可以进行动画录制。图30动画菜单图31捕获菜单其最后仿真结果如图32图32仿真结果8结束语本文在夹具的实体建模过程中实现了自顶向下的设计，这为夹具的尺寸的修改和后续开发带来了极大的便利。在建模过程中主要应用到了【组件】和【在组件模式下创建元件】达到了自顶向下的设计目的。Pro/E是基于单一数据库的大型设计软件，元件与元件之间的关系构成了Pro/E设计的灵魂，对Pro/E的高级设计起着重要的作用[15]。需要注意的是：由此产生了父子关系，其中以个元件的改变将会关系到别的相关元件，所以我们首先要在整体上先把握好设计思路！这是我们需要养成德好良好的设计习惯。致谢本次毕业设计得到了胡老师的热心指导和帮助，胡老师具有丰富的实践经验和较高的理论水平，在整个设计过程中胡老师在设计思路和设计方法上给予我以充分的指导，在此表示衷心的感谢。同时对于大学四年来关心过、指导过、给予我以帮助的老师一并表示感谢。非常感谢学院领导老师给我提供了这次良好的深入学习的机会和宽松的环境条件。通过这次毕业设计，不但使我能够将大学期间所学的专业知识再次回顾学习，而且也使我学到了专业领域中一些前沿的知识。非常感谢在本次设计中曾给予我耐心指导和亲切关怀的老师及帮助过我的同学，正是由于他们的帮助和鼓励才使我能够在毕业设计过程中克服种种困难，最终顺利完成论文，他们的学识和为人也深深地影响着我。在此，请允许我再次向曾直接给予我多次指导的胡师表示最忠诚的敬意！参考文献[1]朱金波.Pro/ENGINEERWildfire3.0工业产品设计完全掌握[M].北京：兵器工业出版社.2007.3[2]李翔鹏.Pro/ENGINEERWildfire3.0高级实例[M].北京：中国铁道出版社.2006.12[