孫淑婷

(太原工業(yè)學(xué)院 機械工程系, 山西 太原 030008)

0 引言

機床專用夾具是機械制造中使用的一種工藝裝備。在各種切削機床上對工件進行加工時，為了保證加工要求，首先要使工件相對于刀具占有正確的位置，并使這個位置在加工過程中不因外力的影響而變動，因此進行機械加工前先要將工件裝夾好。在生產(chǎn)批量較大時，往往需要設(shè)計大量的專用夾具，每個專用夾具都屬于單件生產(chǎn)，傳統(tǒng)設(shè)計方法中的夾具裝配要進行多次試裝配，對進入裝配的零件需反復(fù)修改設(shè)計，最終導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計制造周期變長。隨著市場競爭的日益激烈，用戶對產(chǎn)品的質(zhì)量、成本、上市時間提出了越來越高的要求，傳統(tǒng)的設(shè)計、裝配方法已不能滿足工廠的需要。采用虛擬裝配技術(shù)，在計算機上對夾具進行虛擬裝配，對夾具零部件進行虛擬分析和設(shè)計，及早解決夾具從設(shè)計到生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的技術(shù)問題已經(jīng)成為加快產(chǎn)品更新?lián)Q代、增強企業(yè)競爭能力的有效手段。

1 虛擬裝配技術(shù)

1.1 虛擬裝配技術(shù)的涵義

虛擬裝配(Virtual Assembly)是虛擬現(xiàn)實(Virtual Reality)技術(shù)在機械制造領(lǐng)域的重要應(yīng)用分支。虛擬裝配是無需實物支撐的裝配，通過在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下以零部件的三維實體模型為基礎(chǔ)，在計算機上仿真操作裝配的全部過程。應(yīng)用虛擬裝配技術(shù)，設(shè)計者可以從產(chǎn)品裝配設(shè)計的角度出發(fā)，通過人機交互的方式進行零件和產(chǎn)品的裝配操作，檢驗和評價產(chǎn)品的整體裝配性能，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計錯誤，提高設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計和制造周期。虛擬裝配技術(shù)對產(chǎn)品的開發(fā)具有重大意義。

1.2 虛擬裝配的建模方法

從產(chǎn)品虛擬裝配的方法上來看,目前主要有自底向上和自頂向下兩種裝配建模方法。

1.2.1 自底向上的裝配設(shè)計

自底向上的裝配建模方法是模仿實際裝配的建模方法,其裝配流程見圖1。此法先將產(chǎn)品中所需的零件三維建模，然后將零件的三維模型裝配成產(chǎn)品的三維模型，在裝配過程中如果發(fā)現(xiàn)零件之間發(fā)生裝配干涉或零件根本無法安裝等現(xiàn)象，就要對零件進行重新設(shè)計，然后重新裝配，如此反復(fù)，直到產(chǎn)品設(shè)計滿足裝配要求為止。自底向上裝配建模方法的優(yōu)點是思路簡單，操作便捷，容易被大多數(shù)設(shè)計人員理解和接受。此法僅適用于零件數(shù)量不多、標準件所占比重較大的產(chǎn)品。

圖1 自底向上的裝配設(shè)計流程

1.2.2 自頂向下的裝配設(shè)計

自頂向下的裝配建模方法是模仿產(chǎn)品開發(fā)過程的建模方法，其裝配流程見圖2。這種建模方法先確定產(chǎn)品的功能要求與整體外形，逐層確定下級部件，畫出這些部件的大概結(jié)構(gòu)與尺寸，直到最底層的零件。自頂向下裝配建模過程先由產(chǎn)品的大致形狀特征及用途對整體進行控制結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后根據(jù)裝配情況對零件進行詳細設(shè)計。這種設(shè)計方法由粗入精更符合人的思維習(xí)慣，自頂向下虛擬裝配能使設(shè)計人員及早發(fā)現(xiàn)并解決零部件從設(shè)計到生產(chǎn)出現(xiàn)的問題，從而達到縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低生產(chǎn)成本的目的。此法適用于新產(chǎn)品開發(fā)。

圖2 自頂向下的裝配設(shè)計流程

自底向上和自頂向下的兩種裝配建模方法各有所長，實際建模中往往兩種方法結(jié)合使用。

2 基于Pro/E的虛擬裝配

Pro/E(Pro/Engineer)軟件是美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一體化的三維軟件。Pro/E的全參數(shù)、全約束、全相關(guān)性分別在零件建模、裝配建模中得到充分的展示。Pro/E 的裝配模塊提供了自底向上、自頂向下的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計方法,可以實現(xiàn)裝配設(shè)計和零件設(shè)計之間的并行設(shè)計。裝配是定義零件之間空間位置關(guān)系和幾何運動關(guān)系的過程，Pro/E裝配體由子裝配(即部件)、零件和配合(裝配約束)組成。Pro/E 提供的約束方法如圖3所示。

圖3 Pro/E的約束方式

在圖3中，剛性為0自由度；銷釘為1自由度，約束軸上的旋轉(zhuǎn)；滑動桿為1自由度，約束軸方向上的移動；圓柱為2自由度，約束軸上的旋轉(zhuǎn)和約束軸方向上的移動；平面為2自由度，約束平面上的移動；球為3自由度，約束點上的各角度旋轉(zhuǎn)；槽為點在光滑直線上的運動；缺省代表0自由度。以上這8種約束方式是裝配中常用的約束方式，除去缺省和剛性之外，其余的約束可以在一定的條件下添加新的其他約束，約束的互相疊加可以使零件按照想象的軌跡運動。

裝配設(shè)計步驟如下：①單擊新建—組件，進入裝配模式；②向裝配體中加入第一個零部件(基準件)，讓基準件的坐標系與裝配環(huán)境坐標系重合；③向裝配體中加入其他的零部件，確定零部件的配合對象、配合類型設(shè)定相互的配合關(guān)系；④所有零件裝配完成后，將裝配模型保存。

3 鉆床夾具的虛擬裝配設(shè)計

在鉆床上對零件上的孔進行鉆、擴、鉸、攻螺紋加工時所用到的夾具稱為鉆床夾具。鉆床夾具種類繁多，在各類機床夾具中占的比重最大。本文以設(shè)計加工扇形工件上的3個有角度關(guān)系的徑向孔夾具為例，論述虛擬裝配技術(shù)在專用夾具設(shè)計中的應(yīng)用。圖4是要加工的零件，其上的3個有角度關(guān)系的徑向孔是本工序要加工的內(nèi)容。根據(jù)以往的設(shè)計經(jīng)驗,此夾具必須有定位裝置、夾緊裝置、夾具體、鉆套、鉆模板、分度裝置和一些連接元件。圖5是用Pro/E軟件虛擬裝配出的鉆床夾具，工件以中間孔和端面在定位心軸上定位，擰緊螺母，通過開口墊圈將工件夾緊；轉(zhuǎn)動手柄，可將分度盤松開,此時用捏手將定位銷從分度盤的定位套中拔出，使分度盤連同工件一起回轉(zhuǎn)20°,再將手柄轉(zhuǎn)回，鎖緊分度盤，即可進行加工。

圖4扇形工件圖5鉆床夾具

3.1 鉆床夾具的裝配模式確定

在鉆床夾具設(shè)計過程中，本文主要采用了自頂向下的方法。首先考慮夾具的功能及裝配設(shè)計，之后再對組成夾具的零部件進行詳細設(shè)計。但是夾具設(shè)計的全過程并不是嚴格按照自頂向下設(shè)計的，在設(shè)計分度對定機構(gòu)時，由于其大部分零件是標準件，所以在分度對定機構(gòu)部件上采用了自底向上的設(shè)計方法。自頂向下的設(shè)計方法使所設(shè)計夾具的主模型在所屬的裝配配合中被描述，設(shè)計人員的工作與整個夾具的設(shè)計過程相關(guān)聯(lián)，零件模型的變化將自動反映到相應(yīng)的裝配零件中，保證了夾具模型數(shù)據(jù)的一致，避免了重復(fù)設(shè)計。

3.2 鉆床夾具虛擬裝配的實現(xiàn)

(1) 采用自頂向下的設(shè)計方法完成夾具骨架圖的建立。在Pro/E中點新建—組件—命名為“鉆床夾具骨架”，把鉆床夾具大部分零件繪制進一個組件中，在繪制過程中充分考慮彼此的約束關(guān)系，繪制的每個零件不必精細，只需確定零件與零件之間的相互位置關(guān)系和零件的大概尺寸即可，鉆床夾具骨架圖如圖6所示。

圖6 鉆床夾具骨架

(2) 零部件細化設(shè)計。在零件環(huán)境中打開相應(yīng)零件的骨架模型文件，如“鉆模板骨架”，將其另存為零件的細化設(shè)計模型，如“鉆模板”。根據(jù)設(shè)計信息，在零部件骨架基礎(chǔ)上完成詳細結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(3) 裝配細化設(shè)計。將裝配文件另存為“鉆床夾具”，在裝配特征樹中右擊“鉆模板骨架”，選擇“替換零部件”，查找零部件細化設(shè)計過程中完成的“鉆模板”，單擊“打開”即可用鉆模板細化模型替換其骨架模型。重復(fù)上述步驟，完成其他零件替換，最終完成的裝配模型如圖7所示。上述所有零件的約束與連接均是在標準模式(應(yīng)用程序)下進行的。

3.3 干涉檢查

裝配設(shè)計完成后，需要進行初步的干涉檢查，實現(xiàn)的方法是使用Pro/E軟件自帶的干涉檢查工具進行裝配體干涉檢查，這種方法操作簡單，檢查過程快速直觀。單擊菜單欄中的“分析”菜單下的“模型分析”，彈出模型分析對話框，在對話框“類型”選項中選擇“全局干涉”，然后單擊“計算”，軟件自動計算裝配是否發(fā)生干涉。如果干涉現(xiàn)象存在，則說明所設(shè)計零部件不能保證可靠的裝配，必須根據(jù)零部件干涉的部位和程度修改原設(shè)計，然后再次進行干涉檢查，直到滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)語

本文在Pro/E軟件的支撐下，完成了扇形工件上3個有角度關(guān)系的徑向孔夾具的虛擬裝配設(shè)計。設(shè)計主要采用了自頂向下的裝配方法，個別部件如對定裝置的裝配采用了自底向上的裝配方法。自頂向下的虛擬裝配技術(shù)支持專用夾具從概念設(shè)計到詳細設(shè)計，同時也支持零部件之間設(shè)計數(shù)據(jù)的自動傳遞。虛擬裝配技術(shù)的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計、制造模式大大改變，它的使用縮短了專用夾具的設(shè)計周期，為專用夾具設(shè)計提供了一種高效的設(shè)計途徑。

圖7 鉆床夾具

參考文獻：

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[3] 王宗彥，李文斌.CAD/CAM技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2014.