基于CAD平臺(tái)的加工中心用組合夾具設(shè)計(jì)方法

王 準(zhǔn)

(安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽蕪湖 241000)

無論國(guó)內(nèi)還是國(guó)際市場(chǎng)，當(dāng)前顧客對(duì)產(chǎn)品的多樣性、個(gè)性化需求越來越強(qiáng)烈，這迫使制造者從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的各環(huán)節(jié)上，要有快速應(yīng)變的能力。而這種能力的基礎(chǔ)，就是所謂的柔性制造、敏捷制造等先進(jìn)制造理念及其使能技術(shù)［1－3］。

從實(shí)用角度看，這些使能技術(shù)大致可以分為軟件平臺(tái)和硬件設(shè)備兩大方面。出自軟件本身的共性，無論哪個(gè)層次的CAD平臺(tái)，其柔性、靈活性是大同小異的。因此，硬件設(shè)備方面的可變性、可重組性如何，顯得更加突出。目前，提高硬件設(shè)備配置靈活性的一個(gè)主導(dǎo)思路就是模塊化。組合夾具便是這種理念下的制造裝備之一［4－7］。為此，筆者研究了幾個(gè)CAD平臺(tái)上組合夾具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，總結(jié)出針對(duì)加工中心使用場(chǎng)合，設(shè)計(jì)、裝配組合夾具的一些共性措施。希望這些技術(shù)手段，可以幫助我國(guó)機(jī)械制造企業(yè)能更有效地提高其生產(chǎn)制造中的靈活性，以適應(yīng)當(dāng)今客戶化的、競(jìng)爭(zhēng)日益白熱化的市場(chǎng)趨勢(shì)。

1 組合夾具元件及其特征模型

1.1 組合夾具特點(diǎn)及其設(shè)計(jì)使用中存在的問題

如圖1所示，機(jī)械制造業(yè)的基本單元是所謂的工序工藝系統(tǒng)，一個(gè)工序工藝系統(tǒng)由機(jī)床、夾具、工件、刀具及控制部分(數(shù)控加工中，主要是CNC)構(gòu)成。其中，工件是構(gòu)建一個(gè)工藝系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)——整個(gè)工藝系統(tǒng)是圍繞著具體工件展開的;而夾具是構(gòu)建一個(gè)工藝系統(tǒng)的“紐帶”。工件是產(chǎn)品形成過程中的一員，產(chǎn)品要多變，工件就會(huì)多變;工件要變化，圍繞其構(gòu)建的工藝系統(tǒng)應(yīng)該能夠及時(shí)跟隨變化。顯而易見，工藝系統(tǒng)的這種柔性是需要通過柔性的“紐帶”來實(shí)現(xiàn)——柔性夾具，即，組合夾具。

國(guó)內(nèi)有不少組合夾具元件的專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，每個(gè)企業(yè)都能提供組合夾具8大類基本元件的詳細(xì)規(guī)格資料。但這些資料都是以文字、表格、二維工程圖、照片或彩圖等方式展示給用戶的，不能被計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)過程直接導(dǎo)入使用。當(dāng)今時(shí)代，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與計(jì)算機(jī)輔助制造技術(shù)(CAD/CAM)已經(jīng)普及，機(jī)械制造企業(yè)希望在其工藝設(shè)計(jì)，特別是計(jì)算機(jī)輔助組合夾具設(shè)計(jì)中，能夠直接調(diào)用夾具元件的特征模型，以實(shí)現(xiàn)工藝規(guī)程的快速準(zhǔn)備。而要達(dá)到此目標(biāo)，就需要各個(gè)機(jī)械制造企業(yè)，能在其工藝設(shè)計(jì)部門所熟悉使用的CAD平臺(tái)中，準(zhǔn)備好組合夾具元件的特征模型庫。

1.2 組合夾具元件特征概述

組合夾具的8大類基本元件(基礎(chǔ)件、支承件、定位件等)，都已有國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［8－9］，因此，組合夾具元件屬于標(biāo)準(zhǔn)件范疇。標(biāo)準(zhǔn)件的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范中，會(huì)明確劃定該標(biāo)準(zhǔn)件全面的工程技術(shù)參數(shù)，這些技術(shù)參數(shù)，涵蓋兩方面要求:幾何參數(shù)與非幾何參數(shù)。

從CAD/CAM的特征模型角度看，上述參數(shù)就是幾何特征和非幾何特征。幾何特征包括兩方面內(nèi)涵:形狀與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);非幾何特征，便是除了“形與拓?fù)洹敝?，所有與零部件相關(guān)的工程信息，包括:材料、加工方法、加工精度、裝配方法、設(shè)計(jì)者、供應(yīng)商、價(jià)格等等。在標(biāo)準(zhǔn)件的規(guī)范中，幾何特征，一般是以“工程圖簡(jiǎn)圖”配合“列表”方式，進(jìn)行表達(dá)的;而非幾何特征，一般是以單列文字方式給出的。對(duì)于這些信息，各類CAD平臺(tái)都可以進(jìn)行處理，生成其平臺(tái)內(nèi)的特征模型。不過，不同CAD平臺(tái)，在具體實(shí)現(xiàn)方式上有所不同，本文第3節(jié)中，筆者會(huì)針對(duì)幾個(gè)主流CAD平臺(tái)(Inventor、Solidworks、Catia 等)，就組合夾具元件特征模型創(chuàng)建技術(shù)，給出筆者的研究對(duì)比結(jié)果。

2 CAD平臺(tái)中組合夾具元件特征模型庫創(chuàng)建步驟

2.1 一個(gè)組合夾具代表性元件的特征分析

如圖2所示，為組合夾具基礎(chǔ)件之一——長(zhǎng)方形基礎(chǔ)板(Rectangular Base Plate)Z1110，該元件是組合夾具眾多標(biāo)準(zhǔn)件中，比較有代表性的元件之一［10］。該零件幾何信息與部分標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格信息參見圖3和圖4。由圖可知:Z111080規(guī)格，是該“長(zhǎng)方形基礎(chǔ)板Z1110”所有規(guī)格中，結(jié)構(gòu)最全的元件，筆者把其命名為“典型件”。其主要的幾何形狀特征有:由B×L×60(厚度)確定的長(zhǎng)方“形特征”;由“12H7”確定的對(duì)定鍵槽“形特征”;由“n－12H7”和T槽標(biāo)準(zhǔn)確定的T型槽“形特征”;由 M12/16螺孔標(biāo)準(zhǔn)確定的孔“形特征”等［11］。Z111080主要的幾何拓?fù)涮卣饔?側(cè)部T槽、螺孔、寬為18的“U”型槽(用于Z1110固定)及其側(cè)凹等結(jié)構(gòu)的“鏡像關(guān)系”;上部 T槽、螺孔的“陣列關(guān)系”等。Z1110基礎(chǔ)板主要的非幾何特征有:材料、精度、規(guī)格等等。本文第3節(jié)中，便是以Z1110為例，分析、說明各CAD平臺(tái)中，創(chuàng)建組合夾具標(biāo)準(zhǔn)件特征模型庫工作中關(guān)鍵問題的。

2.2 組合夾具元件特征模型庫創(chuàng)建步驟

根據(jù)1.2節(jié)分析可知，組合夾具元件屬于標(biāo)準(zhǔn)件，而標(biāo)準(zhǔn)件的特征模型，在各類CAD平臺(tái)中，可以使用“系列化零件特征模型”技術(shù)來創(chuàng)建。筆者把不同CAD平臺(tái)中，組合夾具元件特征模型庫的創(chuàng)建過程，歸納為5個(gè)步驟，如圖5所示。

步驟1，進(jìn)入CAD平臺(tái)的單個(gè)零件特征建模環(huán)境。

步驟2，創(chuàng)建“典型件”幾何特征模型。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件已有的各種資料(文字、表格、工程圖、彩圖等)，分析、確定該類零件所具備的幾何信息和非幾何信息，特別是幾何信息中的結(jié)構(gòu)拓?fù)湫畔?。一些?fù)雜的結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系，可以用表達(dá)式(函數(shù)化)來表達(dá)、傳遞其內(nèi)在關(guān)系。進(jìn)一步，找出該類標(biāo)準(zhǔn)件所有規(guī)格中，結(jié)構(gòu)最全的“典型件”(參見2.1中的Z111080規(guī)格)，進(jìn)行幾何特征建模。

步驟3，添加非幾何特征。把材料信息、加工方法(正確特征名)、尺寸精度、設(shè)計(jì)者、供應(yīng)商等非幾何信息，逐一添加到幾何特征模型中。

步驟4，用表格驅(qū)動(dòng)特征模型。把同一標(biāo)準(zhǔn)件，不同規(guī)格間的特征(幾何與非幾何)差異，用Excel表格進(jìn)行區(qū)分與表達(dá):一般情況下，把首行中各個(gè)單元格設(shè)置為“特征變量”和“特征狀態(tài)”;把后續(xù)各行相應(yīng)單元格，設(shè)置為具體規(guī)格的“特征值”和“狀態(tài)值”。在表格中，可以使用“特征抑制”與“取消抑制”(即狀態(tài)值)等手段來表達(dá)結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系，最終形成可以用表格驅(qū)動(dòng)的“系列化零件特征模型”。

步驟5，創(chuàng)建便于查詢和調(diào)用的組合夾具元件庫。由于組合夾具元件種類及其規(guī)格并不復(fù)雜，因此，完全可以參照現(xiàn)成的8大類元件目錄結(jié)構(gòu)(紙質(zhì)的文本目錄)，利用文件夾管理方式，分類、分級(jí)建立文件夾，存儲(chǔ)相應(yīng)“系列化零件特征模型”文件，形成便于夾具設(shè)計(jì)工作中查詢與調(diào)用的元件特征模型庫。

不同CAD平臺(tái)，第1、2、5步的工作過程基本相同，主要的區(qū)別在于第3和第4步。下面以Z1110為例，進(jìn)行說明。

3 幾個(gè)主流CAD平臺(tái)特征模型庫創(chuàng)建要點(diǎn)

3.1 Inventor中特征模型庫創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)

圖6是Inventor中創(chuàng)建的“典型件”——Z111080的幾何特征模型及其特征樹，即第1、2步完成的工作。第3步——非幾何特征的添加:尺寸精度等，可以在驅(qū)動(dòng)尺寸中賦值——公差值或符號(hào);其他非幾何特征——設(shè)計(jì)者、單位、材料等可以在 iProperties中添加［12］。對(duì)于第4步工作，Inventor平臺(tái)中，可以使用“iPart編輯器”完成，如圖7所示。其中，幾何形狀特征直接在“參數(shù)”標(biāo)簽中設(shè)置;幾何結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系可以在“抑制”標(biāo)簽中設(shè)置;非幾何特征在“特性”標(biāo)簽中設(shè)置。圖8展示的是:由表格驅(qū)動(dòng)的Z1110系列化特征模型中的最小規(guī)格——Z111005之特征模型。

3.2 Solidworks中特征模型庫創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)

圖9是 Solidworks中 Z111080幾何特征模型。Solidworks中的尺寸精度，同樣可以在各個(gè)驅(qū)動(dòng)尺寸中賦值;設(shè)計(jì)者、單位、材料等可以在“文件－屬性”對(duì)話框中添加。Solidworks平臺(tái)內(nèi)，可以通過“插入設(shè)計(jì)表”方式來建立表格驅(qū)動(dòng)的元件特征模型。圖10展示的是設(shè)計(jì)表格界面，需要表格控制的各類特征，可以直接在“單元格”中添加“U－激活/S－壓縮(抑制)”字母符號(hào)(狀態(tài)值)進(jìn)行控制。圖11為Z111005的特征模型。

3.3 Catia中特征模型庫創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)

圖12是Catia中創(chuàng)建的“典型件”幾何特征模型。非幾何特征:尺寸精度等，類似地在驅(qū)動(dòng)尺寸中添加公差數(shù)值;產(chǎn)品規(guī)格、版本信息等可以在零件“Properties”的“Product”標(biāo)簽下設(shè)置;材料特征，可以用“Apply Material”工具添加。對(duì)于第4步工作，需要借助“Knowledge(智能)”工具集中的“Design Table”，配合Excel便可完成相關(guān)工作，如圖13所示。需要控制的各類特征及其拓?fù)潢P(guān)系，可以在相應(yīng)單元格中用“True－激活/False－抑制”單詞進(jìn)行協(xié)調(diào)。圖14顯示的是Z111005特征模型。

3.4 其他平臺(tái)中特征模型庫創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)

MDT中元件庫的創(chuàng)建方法與Inventor基本一致，圖15展示的是MDT中Z1110“典型件”的特征模型及其特征樹。

圖16是Wildfire中Z1110之“典型件”。Wildfire中激活“Tools”菜單下的“FamilyTable”，便可配合 Excel來完成表格驅(qū)動(dòng)特征模型。在相應(yīng)單元格中填寫“Y－激活/N－抑制”字母，就能控制的各類拓?fù)潢P(guān)系。圖17顯示的是“Family Table”中預(yù)覽的Z111005的特征模型。

圖18是Siemens NX中Z1110的“典型件”。NX平臺(tái)內(nèi)，可以通過“Part Families”工具來創(chuàng)建表格驅(qū)動(dòng)的特征模型;在表格的單元格中填入“Yes－激活/No－抑制”單詞，進(jìn)行幾何結(jié)構(gòu)的控制。圖19是NX中Z111005的特征模型。

3.5 庫元件的使用方法

不同CAD平臺(tái)的設(shè)計(jì)(組件)環(huán)境中，庫元件使用方法上，略有差異。如圖20所示，Inventor調(diào)用初始時(shí)，就出現(xiàn)選擇對(duì)話框，調(diào)用完成后，也可以“右擊表格”進(jìn)行“更改零部件”。而Solidworks中，直接調(diào)用后，通過右擊菜單中的“配置零部件”，激活庫元件的規(guī)格選擇欄，進(jìn)行選用與調(diào)整(參見圖21)。

Catia中，可以用目錄編輯器(Catalog Edit)歸類、存儲(chǔ)“表格驅(qū)動(dòng)的零件”;使用目錄瀏覽器(Catalog Browser)調(diào)用庫元件，如圖22所示。其他CAD平臺(tái)中，庫元件的調(diào)用方法，與上述三種情況之一類似，此處不再贅述。

4 加工中心用組合夾具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

4.1 普通專用夾具與組合夾具CAD比較

圖23是通用的計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)(CAFD)工作流:由定位、夾緊要求，選擇和設(shè)計(jì)定位元件與夾緊裝置;對(duì)定、導(dǎo)向等元件由具體機(jī)床情況取舍;最后，用夾具體把所有元件和裝置，連接成一個(gè)有機(jī)整體——專用夾具。

根據(jù)1.1節(jié)和圖1，可知:工件是夾具設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)源，整個(gè)夾具的設(shè)計(jì)流程就是從具體工件的具體加工工序要求開始的，并服從工序工藝系統(tǒng)的控制與協(xié)調(diào);另外，對(duì)于一般專用夾具而言，除了夾具體是湊配出來的專用零件外，其他大部分元件屬于標(biāo)準(zhǔn)件。因此，CAD環(huán)境下，專用夾具設(shè)計(jì)過程的實(shí)質(zhì)，可以描述如下:在CAD平臺(tái)的組件環(huán)境下，以Topdown和BottomUp混合方式，由工件及其工序加工要求(定位、夾緊、導(dǎo)向、對(duì)定等要求)，調(diào)入各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)元件特征模型，湊配夾具體等專用件;最后由湊配出的夾具體，把所有元件和裝置，連接成整體——專用夾具。

對(duì)于組合夾具而言，夾具體是8大件中的基礎(chǔ)件，也是標(biāo)準(zhǔn)件。因此，組合夾具計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過程的實(shí)質(zhì)，被筆者描述為:在CAD平臺(tái)的設(shè)計(jì)環(huán)境下，由“工件及其工序工裝要求”(由工藝規(guī)程確定，見圖1)，以BottomUp為主Topdown為輔的方式，調(diào)用各類組合夾具庫元件，設(shè)計(jì)、湊配(相互位置上)、組裝而成。如圖24，就是加工中心用組合夾具CAD流程。

4.2 加工中心用組合夾具CAD中的關(guān)鍵工作

夾具是針對(duì)既定工藝規(guī)程來設(shè)計(jì)的，也就是說，此時(shí)所用的機(jī)床型號(hào)等設(shè)備信息是明確的［13］。根據(jù)1.1節(jié)的分析可知，夾具是工藝系統(tǒng)組建中的“紐帶”。換而言之，在工藝系統(tǒng)中，夾具有兩個(gè)“連接端”(參見圖1):一端是與機(jī)床相連，另一端是與工件相連。夾具與機(jī)床的“橋接點(diǎn)”(本文暫稱為橋接點(diǎn)1)，在機(jī)床工作臺(tái)上表面與夾具體(組合夾具的基礎(chǔ)件)下表面之間;夾具與工件的“橋接點(diǎn)”(本文暫稱為橋接點(diǎn)2)，在夾具體(或經(jīng)支承件過渡)上表面與工件主定位面之間。圖24的工作流，便是基于此原理展開的。下面是針對(duì)鏜銑加工中心用組合夾具CAD，筆者研究歸納出一些關(guān)鍵點(diǎn)。

步驟 1，進(jìn)入 CAD平臺(tái)的組件(Assembly)環(huán)境——打開含加工中心工作臺(tái)的組件文件。如圖25所示，工作臺(tái)處于機(jī)床復(fù)位回零時(shí)的位姿。這既為“橋接點(diǎn)1”做好準(zhǔn)備，也為工藝系統(tǒng)數(shù)控加工后置驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。

步驟2，調(diào)入被該數(shù)控機(jī)床加工完成后的零件特征模型(工序終了狀態(tài))，并按照加工完成后的位姿，用CAD平臺(tái)的裝配約束工具(如配合、對(duì)齊、插入等)，進(jìn)行初步定位。如圖25所示:左邊針對(duì)的是立式五軸加工中心;右邊針對(duì)的是臥式五軸加工中心［14］(后續(xù)各圖中，左右方情況相同)。

步驟3，按照主定位面、第2定位面等的順序，依次調(diào)入所需的基礎(chǔ)件和定位件，并根據(jù)“橋接點(diǎn)2”的特性要求，用裝配約束工具，初步放置各個(gè)定位件。此步驟中，“橋接點(diǎn)2”包括:工件第1基準(zhǔn)面——主定位面與基礎(chǔ)件或支承件上表面接觸點(diǎn);還包括:工件第2、第3基準(zhǔn)面與定位元件(銷或支承件)的接觸點(diǎn)。這些“橋接點(diǎn)”，都遵循“六點(diǎn)定位原理”來確定其位置。參見圖26(圖中隱藏了工作臺(tái)等機(jī)床部件)。

步驟4，調(diào)入“壓緊件”、“緊固件”等，按照對(duì)夾緊力作用點(diǎn)、作用方向的設(shè)計(jì)要求，使用裝配約束工具，湊配好各自的正確位置，如圖27所示。

步驟5，考慮所用數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)布局、刀具裝夾尺寸及主軸懸伸結(jié)構(gòu)，按照“橋接點(diǎn)1”的要求，調(diào)入所需的堆疊基礎(chǔ)板、夾緊件、定位件(對(duì)定)、緊固件等，使用裝配約束工具，完成夾具的部裝工作:使“機(jī)床－夾具－工件”這一工藝系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)，滿足工藝規(guī)程中提出的初步要求，如圖28所示(圖中隱藏了基礎(chǔ)板與工作臺(tái)間的裝夾元件)。

此時(shí)，可進(jìn)入“數(shù)控加工后置驗(yàn)證”環(huán)節(jié)，研判組合夾具結(jié)構(gòu)尺寸是否滿足實(shí)際加工時(shí)的動(dòng)態(tài)要求［15］。

步驟6，根據(jù)工藝規(guī)程中對(duì)工序質(zhì)量的要求，考慮切削載荷及夾緊力，對(duì)定位精度進(jìn)行計(jì)算、分析、判斷，如果不能滿足要求，還需要返回到步驟3——改進(jìn)夾具設(shè)計(jì);如果滿足要求，則依次進(jìn)入步驟7和步驟8。此過程，可以借助CAD平臺(tái)的尺寸鏈計(jì)算工具(如Inventor中的“公差/配合計(jì)算器”等)與FEA模塊來輔助完成。

步驟7和8，對(duì)于BOM信息，大部分CAD平臺(tái)，都可以從元件特征模型中無縫繼承、獲取;工件在夾具上的安裝、使用以及夾具與工作臺(tái)的對(duì)定裝夾等技術(shù)規(guī)范，可以用CAD平臺(tái)中的工程圖模塊表達(dá)、輸出。同時(shí)，組合夾具的安裝、操作順序等裝配工藝規(guī)程信息，還可以調(diào)用CAD平臺(tái)中的動(dòng)畫功能，進(jìn)行視頻錄制并傳遞給最終用戶，以適應(yīng)批量生產(chǎn)的需求。

5 結(jié)語

本文從工藝系統(tǒng)角度，詳細(xì)分析、總結(jié)了實(shí)現(xiàn)柔性制造的一個(gè)重要裝備——組合夾具，在當(dāng)今幾個(gè)主流CAD平臺(tái)中的設(shè)計(jì)技術(shù)。提出，根據(jù)各個(gè)CAD平臺(tái)特點(diǎn)，首先建立可以表格驅(qū)動(dòng)的組合夾具元件特征模型庫;然后，在各個(gè)CAD平臺(tái)的設(shè)計(jì)環(huán)境中，根據(jù)加工中心工作特點(diǎn)，由定位、夾緊、加工動(dòng)態(tài)等要求，逐步調(diào)用庫元件，最終推演出滿足工序要求的夾具。這些技術(shù)可以幫助相關(guān)企業(yè)去提高其已有組合夾具的使用效率，同時(shí)也有助于組合夾具這一柔性裝備的進(jìn)一步推廣使用。

從全制造業(yè)看，生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)件類企業(yè)，都可借用本文的技術(shù)結(jié)論，在供應(yīng)硬件產(chǎn)品的同時(shí)，另外配套提供各類CAD平臺(tái)的特征模型庫，從而提高其用戶的使用效益;進(jìn)一步可以利用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，進(jìn)行元件庫的界面封裝，以方便大量庫元件的調(diào)用。

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