余志偉

（江漢大學(xué)智能制造學(xué)院，湖北 武漢 430056）

0 引言

虎鉗是機(jī)械加工中比較常見的一種用于快速裝夾工件的部件。在工件加工過程中，可以快捷、高效、準(zhǔn)確的固定工件的位置，以確保工件的加工精度?；Q由螺桿、墊圈、鉗身、鉗口板、螺釘、圓螺釘、活動(dòng)鉗口、方螺母、調(diào)整墊圈、銷和擋圈共11 種零件組成[1]?；Q裝配示意圖如圖1 所示。

圖1 虎鉗裝配軸測(cè)圖

工作時(shí)，螺桿固定在鉗身上，方螺母與活動(dòng)鉗口用圓螺釘連接在一起，形成一個(gè)整體。轉(zhuǎn)動(dòng)螺桿使活動(dòng)鉗口與鉗身發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，滿足不同尺寸工件的裝夾要求，以?shī)A緊或松開工件。虛擬設(shè)計(jì)是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，以計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件為平臺(tái)的一種先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)。SolidWorks（簡(jiǎn)稱為“SW”）軟件以參數(shù)化特征造型為基礎(chǔ)，操作簡(jiǎn)單、易于使用[2]，特別適合機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)者使用。

1 虎鉗零件三維建模

虎鉗由11 種零件組合而成（見圖1），其中5 號(hào)螺釘和10 號(hào)銷屬于標(biāo)準(zhǔn)件，SolidWorks 軟件帶有標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，根據(jù)國(guó)標(biāo)號(hào)選擇對(duì)應(yīng)的零件庫(kù)，輸入零件的規(guī)格尺寸即可生成零件的三維實(shí)體[2]。除了標(biāo)準(zhǔn)件外，其余9 種零件都屬于一般零件，其中2 號(hào)墊圈、4號(hào)鉗口板、6 號(hào)圓螺釘、7 號(hào)活動(dòng)鉗口、9 號(hào)調(diào)整墊圈和11 號(hào)擋圈都屬于盤蓋類零件。1 號(hào)螺桿屬于軸套類零件。3 號(hào)鉗身和8 號(hào)方螺母屬于箱體類零件[3]。以活動(dòng)鉗口、螺桿和鉗身為例，介紹典型零件的三維建模方法。

1.1 活動(dòng)鉗口的三維建模

活動(dòng)鉗口屬于盤蓋類零件。該類零件的特點(diǎn)是主體結(jié)構(gòu)是回轉(zhuǎn)體圓柱，其徑向尺寸較大，軸向尺寸較小。零件內(nèi)部一般具有孔、槽結(jié)構(gòu)?；顒?dòng)鉗口軸測(cè)圖如圖2 所示。

圖2 活動(dòng)鉗口軸測(cè)圖（單位：mm）

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其三維建模的具體方法如下：取上視基準(zhǔn)面作為草圖繪制平面，繪制Φ74 mm 高度18 mm 的凸臺(tái)草圖，通過“拉伸凸臺(tái)”命令生成凸臺(tái)1 實(shí)體；凸臺(tái)1 上頂面作為草圖繪制基準(zhǔn)面，繪制R30 mm 的凸臺(tái)和Φ28 mm 孔的草圖，通過“拉伸凸臺(tái)”命令生成凸臺(tái)2 實(shí)體；Φ28 mm 孔的底面作為草圖繪制基準(zhǔn)面，繪制Φ20 mm 孔的草圖，通過“拉伸切除”命令生成孔。取2×M6 螺紋孔所在左端面作為草圖繪制基準(zhǔn)面，繪制底部凹槽草圖，通過“拉伸凸臺(tái)”命令，選擇雙向拉伸選項(xiàng)，生成凹槽實(shí)體。取2×M6螺紋孔所在左端面作為草圖繪制基準(zhǔn)面，選擇“異型孔向?qū)А泵?，其中孔類型選擇直螺紋孔，螺紋孔深度12 mm，光孔深度軸測(cè)圖里面沒有給出，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，取M6 直徑的一半即可，即光孔深度為15 mm。最后選擇“鏡像”命令生成對(duì)稱的螺紋孔。通過“倒角”命令生成倒角。活動(dòng)鉗口實(shí)體如圖3 所示。

圖3 活動(dòng)鉗口實(shí)體

1.2 螺桿的三維建模

螺桿屬于軸套類零件，該零件的主體結(jié)構(gòu)是圓柱體。螺桿由多節(jié)直徑和長(zhǎng)度不一的圓柱組成。螺桿還有孔、螺紋等結(jié)構(gòu)，軸端有倒角。螺桿軸測(cè)圖如圖4 所示。常見的建模方式有兩種分式，第一種方法是根據(jù)零件的外形尺寸，繪制草圖，然后使用“旋轉(zhuǎn)”命令一次性生成整個(gè)零件的實(shí)體外形。但是這種方法對(duì)于節(jié)數(shù)較多的零件而言，草圖繪制比較麻煩，尺寸修改起來也比較繁瑣，一般適用于節(jié)數(shù)少的情況。第二種方法是利用“拉伸”命令來生成實(shí)體。根據(jù)每一節(jié)圓柱的直徑和長(zhǎng)度，分別建立單個(gè)圓柱實(shí)體，連接起來組成整個(gè)零件。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是建模速度快，草圖編輯修改起來比較簡(jiǎn)單方便。下面按照第二種方法，其三維建模的具體方法如下：取“右視基準(zhǔn)面”作為草圖繪制平面，選擇左視方向，繪制螺桿最右端的Φ18 mm、長(zhǎng)度28 mm 的圓柱草圖，通過“拉伸凸臺(tái)”命令生成凸臺(tái)1 實(shí)體。以右端面為草圖基準(zhǔn)面，繪制14 mm×14 mm 正方形草圖，通過“拉伸切除”命令，反向切除生成實(shí)體；凸臺(tái)1 實(shí)體左端面作為草圖繪制基準(zhǔn)面，繪制Φ22 mm 圓柱草圖，通過“拉伸凸臺(tái)”命令生成凸臺(tái)2 實(shí)體；依此類推，依次生成剩下各節(jié)圓柱實(shí)體。在“上視基準(zhǔn)面”繪制左端圓柱上Φ4 mm小孔的草圖，通過“拉伸切除”命令生成孔。螺紋圓柱左端面，偏移5 mm 創(chuàng)建草圖基準(zhǔn)面，通過“螺旋線”命令生成螺旋線，繪制螺紋牙型斷面，通過“旋轉(zhuǎn)切除”命令生成螺紋實(shí)體。通過“倒角”命令生成倒角。螺桿實(shí)體如圖5所示。

圖4 螺桿軸測(cè)圖（單位：mm）

圖5 螺桿實(shí)體

1.3 鉗身的三維建模

鉗身屬于箱體類零件。該類零件形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主體結(jié)構(gòu)由階梯狀的長(zhǎng)方體組成，中間有H 形通孔，左右有圓形通孔。前后對(duì)稱有兩個(gè)帶通孔的U 形凸臺(tái)，右側(cè)凸起部分有2 個(gè)螺紋孔。鉗身軸測(cè)圖如圖6所示。根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其三維建模的具體方法如下：取“前視基準(zhǔn)面”作為草圖繪制平面，繪制鉗身階梯外形草圖，通過“拉伸凸臺(tái)”命令生成鉗身實(shí)體；取左側(cè)長(zhǎng)方體上頂面作為草圖基準(zhǔn)面，繪制H 形通孔草圖，通過“拉伸切除”命令生成H 形通孔；取立體左端面作為草圖基準(zhǔn)面，繪制后面臺(tái)階外形草圖，通過“拉伸切除”命令生成臺(tái)階，再利用“鏡像”命令生成前面對(duì)稱臺(tái)階。取下底面作為草圖基準(zhǔn)面，繪制U 形凸臺(tái)外形草圖，通過“拉伸凸臺(tái)”命令生成凸臺(tái)實(shí)體。再通過“拉伸切除”命令生通孔；取2×M6 螺紋孔所在左端面作為草圖繪制基準(zhǔn)面，通過“異型孔向?qū)А泵钌芍甭菁y孔。再選擇“鏡像”命令生成對(duì)稱的螺紋孔。通過“倒角”命令生成倒角。鉗身實(shí)體如圖7 所示。

圖6 鉗身軸測(cè)圖（單位：mm）

圖7 鉗身實(shí)體

2 虎鉗虛擬裝配

通過對(duì)虎鉗進(jìn)行虛擬裝配和干涉檢查，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)置和處理出現(xiàn)的問題，優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。裝配體設(shè)計(jì)中，常見有自下而上或者自上而下兩種裝配方法[4]。這里采用自下而上的裝配方式，將各個(gè)零件依次插入到裝配體中，符合實(shí)際零件裝配習(xí)慣，操作簡(jiǎn)單易用。

虎鉗的虛擬裝配過程是：通過“新建”命令，選擇“裝配體”，生成裝配體文件。選擇鉗身作為第一零件，默認(rèn)狀態(tài)是“固定”，插入到裝配體中。保證設(shè)計(jì)原點(diǎn)和裝配體原點(diǎn)重合，這樣鉗身和裝配體的基準(zhǔn)面也會(huì)重合。沿著鉗身左右孔的軸線，根據(jù)裝配關(guān)系，依次插入各個(gè)零件。插入順序是鉗口板、螺釘、方螺母、活動(dòng)鉗口、圓螺釘、鉗口板、螺釘、墊圈、螺桿、調(diào)整墊圈、擋圈和銷。插入零件時(shí)，特別注意各個(gè)零件之間的裝配連接方式，添加同心、同軸、平行和重合等約束關(guān)系，完成虎鉗的虛擬裝配。裝配體完成以后，進(jìn)行干涉檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問題，確保各零件的準(zhǔn)確裝配?；Q虛擬裝配如圖8 所示。

圖8 虎鉗虛擬裝配

爆炸視圖是通過顯示分散但已定位的裝配體，來說明零部件在裝配時(shí)的裝配方式和裝配次序?？梢酝ㄟ^在圖形區(qū)域中，選擇和拖動(dòng)零件來生成爆炸視圖，從而生成爆炸步驟。在爆炸視圖中可以實(shí)現(xiàn)以下操作：零部件的均勻等距爆炸堆疊；拖動(dòng)并自動(dòng)調(diào)整多個(gè)組件間距；圍繞軸徑向爆炸組件；附加新的零部件到另一個(gè)零部件的現(xiàn)有爆炸步驟。添加爆炸直線以表示零部件關(guān)系。在更高級(jí)別的裝配體中，可以重復(fù)使用子裝配體中的爆炸視圖。虎鉗爆炸圖如圖9 所示。

圖9 虎鉗爆炸圖

3 干涉檢查

干涉檢查的目的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配體中零件之間的裝配連接關(guān)系是否正確。如果出現(xiàn)干涉情況，應(yīng)該從兩個(gè)方面進(jìn)行檢查。首先檢查零件在裝配過程中，零件之間的約束方式和定位尺寸是否正確，比如平面接觸面是否共面，回轉(zhuǎn)體的軸線是否同軸，球面接觸面是否重合等。其次是檢查裝配體中，單個(gè)零件的設(shè)計(jì)尺寸是否存在錯(cuò)誤。如果零件尺寸出現(xiàn)錯(cuò)誤，則需要先修改零件設(shè)計(jì)草圖，重新生成正確的零件實(shí)體，再重新進(jìn)行干涉檢查，直到?jīng)]有干涉問題為止。具體操作方法如下：選擇“工具-評(píng)估-干涉檢查”命令，干涉區(qū)域在裝配體中會(huì)紅色顯示，點(diǎn)擊裝配體中干涉零件，找到具體的問題，修改零件尺寸或者調(diào)整定位約束方式，最終達(dá)到設(shè)計(jì)要求。干涉檢查如圖10所示。

圖10 干涉檢查

4 結(jié)語

虛擬設(shè)計(jì)是利用CAD 軟件，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行三維建模和虛擬裝配的一種先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)。按照制圖標(biāo)準(zhǔn)對(duì)虎鉗零件進(jìn)行了分類，并詳細(xì)講解了各類零件的三維建模方法。通過虛擬裝配、爆炸視圖和干涉檢查，能夠發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題，提高設(shè)計(jì)效率，縮短開發(fā)周期，達(dá)到優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的目的。