SolidWorks等三維建模軟件在工件裝夾方案的定位誤差測量中的應用

趙啟焱 羅明生 黃 超

（鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州 450001）

現代制造技術在上個世紀八十年代就已經被提出來了，制造技術經歷了由手工到機械的發(fā)展過程，機械代替手工使得產品的質量和生產率得以提高，同時也使得勞動力得以解放，避免了繁重的體力勞動，從而產生了機械制造技術。

在制造技術中，制造系統(tǒng)分為物質系統(tǒng)、能量系統(tǒng)和信息系統(tǒng)，其中物質系統(tǒng)的一個很重要的組成部分是工件的裝配系統(tǒng)，傳統(tǒng)的裝配系統(tǒng)需要依靠人工進行工件的裝配和定位誤差的測算及調整，這就大大限制了整個制造系統(tǒng)的質量與效率。利用三維建模軟件則可以提高這個過程的效率，并將其與信息系統(tǒng)實現無縫的對接，促進整個制造系統(tǒng)的自動化。

在零件的加工中，零件的加工質量是保證機械產品質量的基礎。零件的加工質量包括零件的機械加工精度和加工表面質量兩大方面。其中機械加工精度是機械制造工藝學的主要研究問題。機械加工精度是指理想幾何參數與零件實際幾何參數之間的符合程度；加工誤差就是用來描述加工精度的一個具體的數值，即加工精度的高低就是藉由加工誤差的大小來表示的。

零件的加工精度包含三個方面的內容：尺寸精度、形狀精度和位置精度。一般情況下，零件的加工精度和零件的加工成本是正相關的，同時加工精度越高，生產效率則越低，因此加工精度的具體高低需要設計人員根據零件具體的使用條件和客戶的要求來合理地柔性地制定工件的加工精度。與此同時，零件加工的工藝人員則需要根據設計的要求和具體的生產條件制定對應的生產工藝流程，以保證零件的加工精度要求得以實現，并在此基礎上盡量降低生產成本和提高生產效率。

在機械加工中，工藝系統(tǒng)中的種種誤差，在不同的具體條件下，分別以不同的方式和程度反映到了加工誤差中，所以把工藝系統(tǒng)的誤差稱之為原始誤差。在原始誤差中，與工藝系統(tǒng)初始狀態(tài)有關的稱為幾何誤差，在幾何誤差中很大一部分就是工件的定位誤差。

工件裝配中的定位誤差是由于工件在夾具上（或機床上）定位不準確而引起的加工誤差。其本質是工件在夾具上定位后工件的工序基準在加工要求方向上的最大的變動量。定位誤差來源自基準位置誤差和基準不重合誤差，它們分別定位元件的制作誤差和定位基準的選擇不同而引起的。定位誤差的傳統(tǒng)計算方法主要有以下三種：

（1）合成法：即分別計算基準位置誤差和基準不重合誤差，然后再在加工方向上進行合成。

（2）定義法：根據定位誤差的本質即工序基準的最大變動量來計算定位誤差。

（3）微分法：用幾何方法得出某定位尺寸的表達式，然后對其進行微分，最終求得其定位誤差。

上述三種定位誤差的計算方法看似不同，但本質上是相似的，都是在二維平面上進行分析，得到相關表達式后代入數據得出計算結果，過程十分繁瑣，并且分析的過程需要依靠人工完成，極大地限制了工件加工的效率。

隨著計算機輔助設計軟件的出現，在計算機模擬的虛擬環(huán)境下進行定位誤差的分析與計算成為可能，這為制造技術中的工件安裝過程提供了很大的便利。

例如在SolidWorks裝配體環(huán)境下，可以使用軟件中的“測量工具”快速而又準確地得到定位誤差的具體數值，其分析過程的基本思想是建立在“定義法”的基礎之上的，其具體的分析計算方法是：

（1）利用SolidWorks建立定位元件與工件的三維模型并分別保存。

（2）利用SolidWorks新建一個裝配體，將第一步中的兩個三維實體作為裝配零件調入，并進行模擬工件裝夾的情況進行裝配。

（3）在裝配體中建立一系列點、線、面與工件的工序基準相對應。例如利用SolidWorks中的“臨時軸”命令，來快速建立內孔或者是外圓的中心線作為工序基準。

（4）接下來需要分析影響工序基準在加工方向上變動的因素，再分別以各個影響因素的最小或者最大尺寸對董建重建模型，從而得到工序基準兩個上下極限位置；多個獨立因素會分別影響工序基準變動，獨立因素中的尺寸因素可以直接用于重建模型，而同軸度等位置因素引起的工序基準變動量則需要進行簡單相加后再用于重建模型。

（5）在SolidWorks中選擇使用尺寸測量工具，分別測量在上述的兩種極限位置下工序基準沿加工要求方向至夾具體上的某一個固定的參考位置的距離，兩次測量值之間的差的絕對值即是所要求的定位誤差。

這種方法的計算精度可以在SolidWorks的文檔屬性的單位選項中自行設定。隨著三維的計算機輔助設計軟件的發(fā)展，這種方法具有很大的技術優(yōu)勢。

現代制造技術在向著信息化集成化的方向發(fā)展，那么將定位誤差的分析計算利用三維設計軟件來實現，可以與整個系統(tǒng)實現信息對接。在產品的設計階段即可在虛擬環(huán)境下利用三維模型對可能出現的定位誤差進行分析計算，然后根據此進行設計方案或者工件的裝夾方案的改進，可以有效的避免出現過大的定位誤差而造成工件加工制造的損失；同時也可以利用已經設計完善的夾具的三維模型，導入三維設計軟件中進行定位誤差的分析計算，以省去定位方案的建模過程，快速得到結果。根據以上的論述，可見這種利用三維建模軟件進行定位誤差計算的方法具有廣闊的應用前景以及極大的開發(fā)空間。

[1]王先逵.機械制造工藝學[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006：260-272