周 樂，王 偉，董加歸，劉 葵

（武昌工學(xué)院，湖北 武漢 430065）

0 引言

組合夾具作為工藝過程的裝備之一，其性能的優(yōu)劣將直接影響加工零件的形狀精度和位置精度。為了節(jié)約材料、減少產(chǎn)品的不合格率、提高生產(chǎn)效率，需在夾具生產(chǎn)前，在虛擬裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行方案比較、綜合分析及修改，以得到最終適合生產(chǎn)需要的結(jié)構(gòu)。夾具虛擬裝配教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)，為虛擬裝配技術(shù)走向?qū)嶋H化應(yīng)用提供了有力的基礎(chǔ)。

1 虛擬裝配教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計體系

虛擬裝配是虛擬制造和實(shí)踐教學(xué)的重要組成部分，也是整個虛擬裝配教學(xué)過程的一個關(guān)鍵技術(shù)，它將設(shè)計過程、裝配過程有機(jī)結(jié)合，使產(chǎn)品設(shè)計具有良好的結(jié)構(gòu)性，且能高效地進(jìn)行模擬裝配。通過Solid－Works、UG、Pro／E等軟件完成夾具零件的實(shí)體建模、實(shí)體裝配、干涉檢查和動態(tài)仿真等一系列進(jìn)程，使組合夾具在虛擬裝配系統(tǒng)中的設(shè)計過程與裝配過程達(dá)到高度統(tǒng)一化和真實(shí)化。

組合夾具虛擬裝配系統(tǒng)是根據(jù)夾具產(chǎn)品形狀設(shè)計合理化、精度要求準(zhǔn)確化、模擬裝配真實(shí)化、制造成本經(jīng)濟(jì)化等原則，在Solid Works平臺上對模型進(jìn)行合理有效的控制處理來實(shí)現(xiàn)組合夾具互換裝配、動態(tài)仿真以及場景設(shè)計而開發(fā)的，其具體設(shè)計體系如圖1所示。

2 虛擬裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成

組合夾具是由夾具零部件標(biāo)準(zhǔn)化演變過來的，它由不同形式、不同規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件組合而成。在組合夾具的設(shè)計制造過程中，由于這些組件要求配合精度高、尺寸浮動小、耐磨性好、硬度高并且具有完全的互換性，因此組合夾具零件庫的基本組件數(shù)量繁多，為提高效率，方便檢索標(biāo)準(zhǔn)件，將其進(jìn)行分類，如圖2所示。

圖1 組合夾具虛擬裝配教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計體系

圖2 組合夾具零件庫的組成和分類

2.1 組合夾具虛擬裝配的精確定位

虛擬裝配環(huán)境是模擬真實(shí)的裝配過程，其通過軟件Solid Works操作待裝配零件，使其按照規(guī)定的軌跡運(yùn)動，以到達(dá)裝配位置。在虛擬空間中，系統(tǒng)應(yīng)自動捕捉設(shè)計者的意圖，按照要求確認(rèn)裝配關(guān)系進(jìn)行干涉分析，并最終實(shí)現(xiàn)待裝配件的精確定位。零件精確定位過程見圖3。

為實(shí)現(xiàn)裝配的精確定位，夾具元件之間裝配關(guān)系的確定是非常重要的。由于組合夾具元件能滿足高度標(biāo)準(zhǔn)化的要求，其一般按照特定方法相互連接，裝配成滿足使用要求的三維實(shí)體夾具結(jié)構(gòu)。夾具元件之間的表面通常具有元件連接的基本功能，并提供元件的相互連接，這種表面之間的相互特征視為裝配特征。根據(jù)日常要求把裝配特征分為平面型、銷型、槽型和孔型4類。

圖3 零件精確定位過程

在組合夾具的裝配過程中，元件間的裝配關(guān)系并非是任意的，通常受到一定的約束，但不能出現(xiàn)欠定位情況。一般應(yīng)避免不完全定位、過定位現(xiàn)象。圖4為組合夾具元件常用的幾種裝配關(guān)系。

圖4 組合夾具元件常用的裝配關(guān)系

2.2 組合夾具的檢測

在產(chǎn)品設(shè)計過程中，當(dāng)各零部件組裝完成后，設(shè)計者最關(guān)心的就是各零部件之間的干涉情況，使用Solid Works中的“干涉檢查”命令就可以幫助用戶了解到這些信息。

Solid Works中裝配體的干涉檢查分為靜態(tài)干涉檢查和動態(tài)干涉檢查，靜態(tài)干涉檢查是指在特定裝配結(jié)構(gòu)形式下檢查裝配體的各組件之間的相對位置關(guān)系是否存在干涉；而動態(tài)干涉是檢查裝配體或裝配體組件在運(yùn)動過程中是否存在運(yùn)動干涉。通過干涉檢查可以發(fā)現(xiàn)元件在裝配體中的不正確結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)裝配體的結(jié)構(gòu)和元組件的干涉情況更換元件規(guī)格或調(diào)整裝配位置。

3 虛擬裝配系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用案例

本文以成組車孔夾具為例簡述虛擬裝配在教學(xué)中的應(yīng)用過程。

3.1 調(diào)用零件

案例中的成組車孔夾具中的零件分標(biāo)準(zhǔn)件和非標(biāo)準(zhǔn)件，其中標(biāo)準(zhǔn)件可直接在Solid Works自帶的標(biāo)準(zhǔn)件庫中調(diào)?。ㄒ妶D5），非標(biāo)準(zhǔn)件則需在自己建立的夾具部件庫中調(diào)取。

3.2 零件裝配

裝配是將多個相關(guān)零件組合成具有獨(dú)特功能的產(chǎn)品的一道重要工序，任何零件在空間都有6個自由度，裝配實(shí)質(zhì)是限制零件自由度的過程。對于緊固的零件主要用到平面重合（見圖6）、孔的同軸（見圖7）；對于滑塊類的零件就需要定義其可運(yùn)動范圍（見圖8）；對于螺紋類零件還會用到螺旋配合等。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)件零件調(diào)用

圖6 平面重合

圖7 孔的同軸

3.3 快速碰撞檢測

在實(shí)際的裝配教學(xué)過程中，我們依據(jù)設(shè)計要求按照圖紙裝配，但沒考慮到元件的實(shí)際運(yùn)動關(guān)系，可能導(dǎo)致元件發(fā)生相互碰撞和穿透。為使虛擬環(huán)境更加逼真，因此需要對組合夾具的組裝進(jìn)行檢測。

對移動或旋轉(zhuǎn)零部件時產(chǎn)生干涉的部分，以箭頭所指的圖形區(qū)域進(jìn)行顯示（見圖9）。在移動或旋轉(zhuǎn)零部件的Property manager的【選項(xiàng)】標(biāo)簽中選擇【碰撞檢查】單選按鈕，可以指定碰撞檢查的方式：選擇【所有零部件之間】單選按鈕，運(yùn)動過程中檢查裝配體中所有零部件的干涉情況；選擇【這些零部件之間】單選按鈕，僅對所選擇的零部件進(jìn)行干涉檢查；選中【僅被拖動的零件】復(fù)選框，在圖形區(qū)域只顯示被拖動零件和其他零件的干涉情況；選中【碰撞時停止】復(fù)選框，在移動或旋轉(zhuǎn)零部件時遇到阻擋時停止運(yùn)動，同時顯示受碰撞的部分。這樣便實(shí)現(xiàn)了碰撞檢測功能，使各部件不能相互穿越。

圖9 存在干涉

圖8 定義可運(yùn)動范圍

3.4 實(shí)驗(yàn)與性能分析

本軟件在教學(xué)應(yīng)用中具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）基于Solid Works的夾具參數(shù)化設(shè)計虛擬環(huán)境下的干涉檢驗(yàn)，可有效地避免夾具元件之間的靜態(tài)、動態(tài)干涉，從而完成可裝配性分析，避免了復(fù)雜的計算，使學(xué)生了解了虛擬裝配的作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可指導(dǎo)實(shí)際組合夾具的設(shè)計生產(chǎn)。

（2）實(shí)踐證明，通過建立三維參數(shù)化零件的設(shè)計方法可以進(jìn)行高效的設(shè)計和干涉檢測，而且由于干涉檢測的零件信息來源于零件數(shù)據(jù)文件，從而保證了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）將虛擬設(shè)計技術(shù)、參數(shù)化設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于組合夾具的整體設(shè)計思想中，集中體現(xiàn)了以高效設(shè)計為核心的虛擬制造的思想，綜合實(shí)現(xiàn)了CAD／CAE／CAM的集成，具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。

4 結(jié)束語

組合夾具虛擬裝配系統(tǒng)具有靈活性、自主性、功能替代性、安全性及實(shí)現(xiàn)虛擬組裝效果逼真等優(yōu)點(diǎn)，故其在教學(xué)實(shí)踐中具有廣泛的應(yīng)用前景，且組合夾具虛擬裝配實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能將抽象事物具體化，活躍教學(xué)實(shí)踐氛圍，既可加強(qiáng)學(xué)生的基本功訓(xùn)練，又能讓學(xué)生掌握現(xiàn)代科學(xué)知識。在現(xiàn)代夾具的主要發(fā)展方向上，組合夾具虛擬裝配系統(tǒng)因其靈活性、高效性、智能化也具有指導(dǎo)生產(chǎn)的重要作用。

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