陳 浩

（安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 機械工程系， 六安 237001）

0 引言

機床夾具設(shè)計是制造系統(tǒng)的重要組成部分，隨著先進制造技術(shù)的發(fā)展和市場競爭的加劇，傳統(tǒng)的夾具設(shè)計方式已成為企業(yè)中產(chǎn)品快速上市的瓶頸，企業(yè)迫切需要提高夾具設(shè)計的效率。計算機輔助夾具設(shè)計與制造正是為了適應(yīng)這一要求而產(chǎn)生的，在此背景下，本文結(jié)合實例就PRO/E在計算機輔助夾具設(shè)計方面的應(yīng)用進行了一定的研究和探索。

1 計算機輔助夾具設(shè)計(CAFD)

近年來，國內(nèi)外許多制造企業(yè)已經(jīng)在新產(chǎn)品開發(fā)過程中通過引入先進的科技手段如 CAD、CAPP、CAM 及生產(chǎn)計劃管理系統(tǒng)等，來解決產(chǎn)品開發(fā)周期、質(zhì)量和成本問題，并取得了一定的效果。人們將 CAD 技術(shù)引入到夾具設(shè)計中，形成了計算機輔助夾具設(shè)計（Computer Aided Fixture Design CAFD）方法，并研制了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。在系統(tǒng)中建立了夾具元件庫，在計算機屏幕上顯示工件的三維視圖，用戶交互地從夾具元件庫中提取相應(yīng)的夾具元件，在屏幕上形成夾具裝配圖，提高了設(shè)計效率和質(zhì)量。

計算機輔助夾具設(shè)計（Computer Aided Fixture Design）改變了傳統(tǒng)夾具設(shè)計方式，作為計算機輔助設(shè)計和制造技術(shù)的一個應(yīng)用方面，CAFD 和計算機輔助工藝設(shè)計(CAPP)共同組成了 CAD 和 CAM的橋梁。計算機輔助夾具設(shè)計系統(tǒng)的研制和開發(fā)是直接從零件 CAD/CAPP 集成環(huán)境中獲取夾具設(shè)計信息，包括 CAD 系統(tǒng)輸出的零件幾何信息和 CAPP系統(tǒng)輸出的零件加工信息，然后將讀取的幾何信息和工程信息作為夾具設(shè)計的已知條件進行夾具的計算機輔助設(shè)計與分析，以其高速、高精度、自動化的特點實現(xiàn)夾具的自動設(shè)計，提高夾具設(shè)計效率和質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。計算機輔助夾具設(shè)計方法的發(fā)展總趨勢具有更多的通用性、智能化和與 CAD、CAPP、CAM 的集成，計算機輔助設(shè)計中的新理論、新方法的發(fā)展和應(yīng)用將進一步推動 CAFD 在實用化的方向取得更大的成就[1]。

2 Pro/Engineer軟件的應(yīng)用

在夾具設(shè)計中,采用CAD技術(shù)并盡可能使用標準件是提高夾具設(shè)計效率的措施之一，所以,夾具三維標準元件庫以及標準件庫與CAD系統(tǒng)的接口在夾具CAD系統(tǒng)中顯得尤為重要。設(shè)計人員在原有基礎(chǔ)上進行變形設(shè)計時就能夠充分利用夾具三維標準元件庫的資源,避免不必要的重復(fù)勞動。以良好地適應(yīng)新夾具的設(shè)計與開發(fā)。

但是，在多數(shù)的CAD軟件中過度曲線部分由于加工方式不同而形狀各異，很難精確的表現(xiàn)出來。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以Pro/E為代表的大型優(yōu)秀的CAD軟件，其主要功能在于可進行強大的參數(shù)設(shè)計，在三維特征造型等方面具有絕對的優(yōu)勢,使得復(fù)雜的實體造型成為可能[2,3]。

而且，Pro/E是一套設(shè)計至生產(chǎn)全過程自動化的機械軟件，不僅是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能，能方便地得到任何實體的幾何參數(shù)、轉(zhuǎn)動慣量及任意截面的截面力學(xué)性能等，能夠良好地適應(yīng)新夾具的設(shè)計與開發(fā)。Pro/E具有以下顯著的特點：

1） 參數(shù)化設(shè)計和特征性能

Pro/E是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角，可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。

2） 單一數(shù)據(jù)庫

Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管它是哪個部門的。換言之在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程樣圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計結(jié)合起來。這一優(yōu)點使得設(shè)計更加優(yōu)化，成品質(zhì)量更高[4]。

3 Pro/E軟件應(yīng)用到夾具設(shè)計中的主要步驟

傳統(tǒng)的夾具設(shè)計方法在資料檢索、分析計算、繪圖、編制技術(shù)文件等方面都是由人工完成的，需要較多的人力和較長的設(shè)計周期，設(shè)計精度和質(zhì)量受到限制，甚至出現(xiàn)不必要的錯誤。隨著計算機科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，20世紀 70 年代末出現(xiàn)了計算機輔助設(shè)計新技術(shù)，并在國內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。提高了夾具設(shè)計效率和質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期和降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本。其設(shè)計流程一般被分為四個階段：1）工件裝夾規(guī)劃，2）夾具方案設(shè)計，3）夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計，4）夾具性能評價[2]。

結(jié)合計算機輔助夾具設(shè)計流程的四個階段，在建立產(chǎn)品模型時，可采用傳統(tǒng)的自下而上和現(xiàn)代化的自上而下相結(jié)合的設(shè)計方法。自下而上先設(shè)計零件，然后搭積木式地進行裝配設(shè)計；自上而下先進行總體的原則設(shè)計，然后將總體原則貫穿到所有的子裝配或者部件中（如圖1所示），其特點如下：

1）自上而下的設(shè)計可以首先確定各個子裝配或零件的空間位置和體積、全局性的關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)將被裝配中的子裝配和零件所引用。這樣，當總體參數(shù)在隨后的設(shè)計中逐漸確定并發(fā)生改變時，各個零件和子裝配將隨之改變，更能發(fā)揮參數(shù)化設(shè)計的優(yōu)越性。

2）自上而下的設(shè)計使各個裝配部件之間的關(guān)系變得更加密切。像軸與孔的配合，裝配后配鉆的孔，如果各自分別設(shè)計，既費時，又容易發(fā)生錯誤。通過自上而下的設(shè)計，一個零件上的尺寸發(fā)生變化，對應(yīng)的零件也將自動更新。

圖1 自上而下的設(shè)計模式

所以，自上而下的設(shè)計方法有利于不同的設(shè)計人員共同設(shè)計。在設(shè)計方案確定以后，所有承擔設(shè)計任務(wù)的小組和個人可以依據(jù)總裝設(shè)計迅速開展工作，可以大大加快設(shè)計進程，做到高效、快捷和方便[2,5]。

另外，如果從產(chǎn)品實體模型建立的角度來講，自上而下的設(shè)計技術(shù)是建立產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)、裝配結(jié)構(gòu)和裝配模型的約束模型，即建立零件間的聯(lián)接關(guān)系，并在零件設(shè)計后自動繼承裝配關(guān)系，具有規(guī)定的相關(guān)性，自上而下的設(shè)計技術(shù)是繼特征造型后CAD 技術(shù)發(fā)展的又一突破。Pro/E 軟件能將機械設(shè)計與生產(chǎn)的全過程集成在一起，它通過一種獨特的參數(shù)化的以及面向零件的3D實體模型的設(shè)計制造技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計理念，為我們提供了一條更直觀、更有效、更快捷的設(shè)計途徑。在機械設(shè)計和制造中，利用 Pro/E可以創(chuàng)建實體零件模型及組裝造型，它具有運動模擬、工具設(shè)計、高級數(shù)控加工等功能。全面支 而下的設(shè)計模式。利用Pro/E進行自上而下夾具設(shè)計可以采用如下步驟：

1）創(chuàng)建工件模型

在標準件庫創(chuàng)建工作完成之后，便可進行組合夾具的設(shè)計。首先要分析工序圖，分析工件的結(jié)構(gòu)形狀特征及本道工序的加工要求，同時要創(chuàng)建出工件三維實體模型，以便于進行模擬裝配。

2）夾具的模擬裝配

根據(jù)零部件之間的裝配關(guān)系和約束條件，在虛擬環(huán)境中進行設(shè)計組裝，并進行相應(yīng)檢驗，從而對設(shè)計進行分析，對不合理的設(shè)計進行修改。

在分析工序圖，初步確定了定位、夾緊及導(dǎo)向、對刀方案后，即可在標準件庫中直接選取合適的定位、 夾緊、導(dǎo)向、對刀元件，同時要選擇合適的基礎(chǔ)板來支承這些元件，接下來便可進行組合夾具的模擬裝配， 在模擬裝配時應(yīng)注意裝配的順序，首先在基礎(chǔ)夾具體上安裝定位元件，工件實現(xiàn)定位后，再安裝夾緊元件及導(dǎo)向?qū)Φ对?通過組合夾具模擬裝配，利用Analysis命令可在元件間檢查干涉現(xiàn)象，及時發(fā)現(xiàn)零部件在裝配體中的靜態(tài)空間位置的相交性和零部件在夾具裝配過程中在空間上的幾何干涉性，從而及時糾正裝配設(shè)計中存在的問題。

3）創(chuàng)建裝配圖和明細表

Pro/E有大量的功能用于裝配圖的繪制。在三維空間實現(xiàn)了組合夾具模擬 裝配后，即可快捷地創(chuàng)建二維裝配圖和零件明細表，從而完成用Pro/E軟件進行組合夾具設(shè)計的全過程。 根據(jù)組合夾具裝配圖和零件明細表配置標準件，由等級技工進行組合夾具的裝配，在自動化裝配中，可用工業(yè)機器人進行組裝。整個設(shè)計和裝配過程非常快捷，適應(yīng)了現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。

4 應(yīng)用實例

按照上述設(shè)計方法和步驟，設(shè)計了高質(zhì)的加工液壓泵上體三個階梯孔的花盤式車床專用夾具，其夾具總裝配圖如圖2所示。另外，在夾具的三維虛擬裝配體完全滿足使用性能要求以后,為了建立一套直接指導(dǎo)工人裝配夾具的工藝文件,在計算機中可采用三維的指定路徑爆炸形式,動態(tài)模擬整個夾具從零件到組件最后形成夾具的裝配過程和裝配方式,使裝配更具有“空間感和方位感”。夾具的裝配工程圖制作也很簡單,在菜單上指定一個命令就可完成,對于較復(fù)雜的裝配圖,簡單的視圖不能完整地表達裝配關(guān)系時,可作必要的剖面,選擇這些剖面做出主視圖、向視圖、投影、展開、旋轉(zhuǎn)及局部放大等種類視圖，同時也可將三維模型立體視圖放在裝配圖上,這樣可提高工程人員的讀圖速度,也克服了與非專業(yè)人員溝通的困難。如圖3所示[6]：

圖2 夾具的總裝配圖

圖3 夾具爆炸圖

5 結(jié)論

夾具是一種隨產(chǎn)品不同而專用化程度很高的工藝裝備，其生產(chǎn)效率低生產(chǎn)周期長已經(jīng)成為制約現(xiàn)代化生產(chǎn)高度自動化的“瓶頸”。夾具設(shè)計是一個復(fù)雜的并且在很大程度上依賴于經(jīng)驗的過程，它需要設(shè)計人員具備關(guān)于設(shè)計問題的大量全面的知識和經(jīng)驗。其中夾具的方案設(shè)計是其中一個最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本文就PRO/E在計算機輔助設(shè)計中的應(yīng)用進行了一定的探索和研究，具有一定的借鑒作用。

[1] 朱耀祥,融亦鳴.計算機輔助夾具設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2002.

[2] 肖繼德,陳寧平.機床夾具設(shè)計[M].機械工業(yè)出版社出版,2004.

[3] 殷國富,楊隨先.計算機輔助設(shè)計與制造技術(shù)原理及應(yīng)用[M].四川大學(xué)出版社出版,2003.

[4] 王雷.Pro/Engineer應(yīng)用基礎(chǔ)與產(chǎn)品造型實例[M].人民郵電出版社出版,2005.

[5] 史琦,敬石開,李原.基于實例推理的夾具設(shè)計知識表示方法研究[J].機械設(shè)計,2001,36-37.

[6] 孫江宏.Pro/Engineer虛擬設(shè)計與裝配[M].北京:中國鐵道出版社,2006.