【文章內(nèi)容簡介】 良好的效益。 數(shù)字化制造簡介 數(shù)字化是制造技術(shù)創(chuàng)新的手段 人類技術(shù)文明史進入了信息時代，計算機軟硬件的飛速發(fā)展給信息的普及、應(yīng)用提供了技術(shù)手段。面對 21 世紀的制造技術(shù)創(chuàng)新，數(shù)字化是主要手段。數(shù)字化的核心是離散化，如何將自 然界的連續(xù)物理現(xiàn)象、模糊的不確定現(xiàn)象，以及人的經(jīng)驗與技能等離散化，進而實現(xiàn)數(shù)字化，是技術(shù)創(chuàng)新成敗、優(yōu)劣的關(guān)鍵問題。目錄 Ⅲ 繼計算幾何、計算力學(xué)問世之后，計算切削工學(xué)、計算制造、數(shù)字化制造、新型材料零件數(shù)字化設(shè)計與制造等陸續(xù)被提出，明顯地看出數(shù)字化是技術(shù)創(chuàng)新的重要手段。 為了充分發(fā)揮計算機輔助技術(shù)在技術(shù)創(chuàng)新中的作用，需要對領(lǐng)域主導(dǎo)知識進一步實現(xiàn)數(shù)字化處理。例如：制造過程的物理量（力、熱、聲、振動、速度、誤差等）的數(shù)字化模型，它們是伴隨制造過程的幾何量而產(chǎn)生的，如何將兩者的數(shù)字化量及相互關(guān)系融合到計算機系統(tǒng)中，尚有大量 工作要做；利用社會學(xué)、心理學(xué)、人體機構(gòu)與行為科學(xué)等，更好的發(fā)揮人在企業(yè)中的作用，利用計算機仿真與人機界面技術(shù)模擬企業(yè)環(huán)境，研究人的最佳工作狀態(tài)，重視人們的滿足感與舒適感，這些都有大量數(shù)字化問題。 計算機網(wǎng)絡(luò)為數(shù)字化信息的傳遞、為實現(xiàn)“光速貿(mào)易”提供了技術(shù)手段。重要的是數(shù)字化全部信息，不僅要數(shù)字化技術(shù)信息，也要數(shù)字化評估信息，以便在信息冗余的當今能選擇到有用的信息，還要數(shù)字化濾掉干擾信息和偽假信息，保證數(shù)字化信息暢通無誤。計算機網(wǎng)絡(luò)也為實現(xiàn)全球化制造、給予網(wǎng)絡(luò)的制造提供了物理保證，這不僅有利于參與市場競爭，促 進設(shè)備資源的共享，更有利于快速獲得制造技術(shù)信息，激發(fā)創(chuàng)新靈感，是實現(xiàn)數(shù)字化制造的重要保證。 為了改善數(shù)字化在技術(shù)創(chuàng)新中的作用，要求計算機工具盡可能早地進入工程過程中，以允許更廣泛地探討和多方案地信息化選擇；要求人機界面向自然化接口過渡，以加快信息的流暢交換；要求計算機在實現(xiàn)自復(fù)位工程輔助作用時，由被動變成主動，即計算機能主動向操作人員建議有關(guān)方案并傳送相關(guān)信息。 隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，推動了制造技術(shù)向更深層次的發(fā)展，自 20 世紀 50 年代以來， NC（ Numerical Control）、 CNC（ Computer Numerical Control ）、 DNC （ Distributed Numerical Control）、 FMC、 CAD（ Computer Aided Design）、 CAM（ Computer Aided Manufacturing）、 CAPP（ Computer Aided Press Planning）等新的制造技術(shù)相繼出現(xiàn)。在機械制造領(lǐng)域中，全球化經(jīng)濟的形成對產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度以及產(chǎn)品的生產(chǎn)周期都提出了越來越高的要求。這也要求必須采用先進的設(shè)計制造技術(shù)才能符合時目錄 Ⅲ 代的要 求。計算機技術(shù)和機械設(shè)計制造技術(shù)相結(jié)合、滲透，就產(chǎn)生了計算機輔助設(shè)計與輔助制造（ Computer Aided Design and Manufacturing）技術(shù)，簡稱CAD/CAM[5]。 數(shù)字化改變了社會，改變了制造，改變了制造技術(shù)。從手工業(yè)使用圖板到計算機二維繪圖和 NC 加工，從三維設(shè)計到數(shù)字樣機，由數(shù)字化工藝過程設(shè)計到數(shù)字化制造、虛擬制造，從 CAD 應(yīng)用到數(shù)字化企業(yè)（ Digital Enterprise）的發(fā)展，是傳統(tǒng)的制造發(fā)生了質(zhì)的改革。數(shù)字化程度已經(jīng)成為衡量設(shè)計制造技術(shù)水平的重要標志。實踐表明，數(shù) 字化技術(shù)是縮短產(chǎn)品研制周期、降低研制成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑，是建立現(xiàn)代產(chǎn)品快速研制系統(tǒng)的基礎(chǔ) [6]。 Pro/E 軟件的數(shù)字化 造型功能 [7] Pro/Engineer 操作軟件（以下簡稱 Pro/E ）是美國參數(shù)技術(shù)公司（ Parametric Technology Corporation，簡稱 PTC）的重要產(chǎn)品，從它剛一面世，就以其先進的參數(shù)化設(shè)計、基于特征設(shè)計的實體造型而深受用戶的歡迎。在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當今世界機械 CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界的認可 和推廣，是現(xiàn)今最成功的 CAD/CAM 軟件之一。此外， Pro/E 一開始就建立在工作站上，使系統(tǒng)獨立于硬件，便于移植；該系統(tǒng)用戶界面簡潔，概念清晰，符合工程人員的設(shè)計思想與習(xí)慣。 Pro/E 整個系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫上，具有完整而統(tǒng)一的模型，能將整個設(shè)計至生產(chǎn)過程集中在一起，他一共有 20 多個模塊供用戶選擇，讓所有的用戶能夠同時進行同一產(chǎn)品的設(shè)計制造工作，即實現(xiàn)所謂的并行工程。給予以上原因， Pro/E 在最近幾年已經(jīng)成為三維機械設(shè)計領(lǐng)域里最富有魅力的系統(tǒng)。 Pro/E 系統(tǒng)主要功能如下： Pro/E 是采用參數(shù)化設(shè)計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計者提供了在設(shè)計上從未有過的簡易和靈活。 目錄 Ⅲ Pro/E 是建立在統(tǒng)一基層的數(shù)據(jù)庫上，不像一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個獨立用戶都在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反 映在整個設(shè)計過程中的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程樣圖有改變， NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何改變，也完全同樣反應(yīng)在整個三維模型上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整的結(jié)合，使得每一件產(chǎn)品的設(shè)計過程緊密結(jié)合起來。這一優(yōu)點使得設(shè)計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。 Pro/E 軟件功能包括參數(shù)化功能定義，實體零件及組裝造型，三維上色實體或線框造型、完整工程圖產(chǎn)生及不同視圖。 Pro/E 是一個功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同設(shè)計專用功能來實現(xiàn)，其中包括 :筋 (ribs) ,槽 (slots)、倒角(chamfers)、和抽空 (shells)等。采用這種手段建立形體，更自然、更直觀。 其他優(yōu)勢如下 : 1) 無可匹敵的幾何創(chuàng)建功能提供了優(yōu)良的產(chǎn)品差異性和可制造性； 2) 完全集成的應(yīng)用程序可讓您在一個應(yīng)用程序中完成從概念設(shè)計到制造的所有工作； 3) 自動將設(shè)計變更傳播到所有下游交付件的能力可讓您滿懷信心地進行設(shè)計； 4) 完整的虛擬仿真功能可讓您提升產(chǎn)品性能和超越產(chǎn)品質(zhì)量目標； 5) 自動生成相關(guān)的刀具設(shè)計、裝配指令和機器代碼，最大限度地提高生產(chǎn)效率。 總之， Pro/E 系統(tǒng)的 參數(shù)化功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不像其他系統(tǒng)是直接指定一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關(guān)系，任何一個參數(shù)改變，其他相關(guān)的特征也會自動修正。這種功能使得修改更為方便和可令設(shè)計優(yōu)化更趨完美。造型不但可以在屏幕上顯示，還可以傳送到繪圖機上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印機。 Pro/E 還可輸出三維和二維圖形給予其他應(yīng)用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這些都是通過標準目錄 Ⅲ 數(shù)據(jù)交換格式來實現(xiàn)的，用戶更可以配上 Pro/E 軟件的其它模塊或自行利用 C 語言編程，以增強軟件的設(shè)計功 能。 目錄 Ⅲ 3. 銑床夾具的造型及動畫仿真 銑床夾具零件的三維造型 1. 夾具體及非標準件的造型 本節(jié)研究的是銑八方專用夾具，需要利用 Pro/E 的三維實體建模技術(shù)將每個非標準件的繪制出來。夾具中除定位、夾緊、對刀、導(dǎo)向和連接元件等大量應(yīng)用各種標準件 , 通常還使用少量非標準專用件 , 其中最主要的零件是夾具體。此銑八方專用夾具所涉及的零件有夾具體、芯軸、軸套、襯套、齒輪軸、調(diào)整螺母、防護套、螺母、分度盤、上卡塊、下卡塊、螺栓、定位銷、空心軸、銅套、螺堵、定位螺釘?shù)确菢藴?專用件，其余的如螺釘、墊片、銷、柱銷、拉桿、手把等標準件直接從標準庫中調(diào)取。 單個零件的三維實體造型所運用到的 Pro/E 的基礎(chǔ)實體特征有：拉伸特征、旋轉(zhuǎn)特征、掃描特征、混合特征、孔特征、可特征、倒圓角特征、倒角特征、拔模特征、特征復(fù)制等。 下面介紹生成簡單三維實體所用的拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和混合等基本操作方法和技巧。拉伸特征是將一個用草圖描述的輪廓或橫斷面沿垂直于橫截面方向延伸一段距離后所生成的特征。草圖、拉伸方向和拉伸長度是拉伸特征的 3 要素。旋轉(zhuǎn)特征是草圖輪廓或橫斷面，繞旋轉(zhuǎn)中心線轉(zhuǎn)動掃過的軌跡所形成的特 征。其中，草圖輪廓、旋轉(zhuǎn)中心線和旋轉(zhuǎn)角度構(gòu)成了旋轉(zhuǎn)特征的 3 要素。掃描特征是由一組草圖輪廓或橫斷面，沿某一路徑掃掠所形成的特征。掃描路徑和掃描輪廓是掃描特征的必備要素?；旌咸卣魇且唤M空間輪廓按一定的順序，在輪廓之間進行過渡生成的特征?；旌咸卣鞯纳杀仨毦邆鋬蓚€或兩個以上的輪廓，其中輪廓可以是草圖也可以是其它特征的面，甚至可以是一個點。簡單三維實體的建模方法一般可以歸納為： 1） 由基本體素產(chǎn)生標準幾何體特征 (方塊、圓柱、圓管、圓錐、球等特征 )； 目錄 Ⅲ 2） 由滿足約束條件的截面輪廓二維草圖經(jīng)過拉伸 /旋轉(zhuǎn)生成三維特征 ； 3） 沿路徑配置的二維幾何圖形經(jīng)掃描 /蒙掠生成曲面實體特征； 4） 結(jié)合以上 3 種方法，利用三維實體特征間的布爾運算 (交 /并 /差 )生成新的實體。 建模中參數(shù)的約束有兩種形式：一是幾何約束，包括相互平行、相互垂直、相互同心、相互共線和等長等，幾何約束是確定要素之間的幾何關(guān)系，這種約束關(guān)系（具有參數(shù)化性）在后面的設(shè)計中是保持不變的；二是尺寸約束，包括長、寬、高、角度、半徑，距離等，這種約束用于確定要素之間的尺寸大小和相對距離 [8]。 但在實際建模過程中，簡單特征可能通過以上任一種方法完成；但對復(fù)雜特征，常規(guī)的特征 操作已難以滿足設(shè)計的要求，這時可以采用參數(shù)和關(guān)系式等輔助工具和環(huán)形折彎、唇、螺旋掃描等高級特征功能。盡管機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形式千差萬別，用途和工作原理也各不相同；但在計算機上進行三維實體建模還是有一些規(guī)律可循，特別是復(fù)雜三維實體的建模方法。 復(fù)雜三維實體的建模過程一般為：零件結(jié)構(gòu)分析 — 特征分解 — 基準體系分析— 創(chuàng)建基本特征 — 創(chuàng)建附加特征。 以下分別是夾具體、分度盤、定位銷、齒輪軸、芯軸、錐套、拉桿、螺母的單個零件造型 [9,10]。 圖 31 夾具體 圖 32 分度盤 目錄 Ⅲ 圖 33 定位銷 圖 34 齒輪軸 圖 35 芯軸 圖 36 錐套 圖 37 拉桿 圖 38 螺母 2. 夾具的總體結(jié)構(gòu)造型 本夾具綜合考慮銑床夾具設(shè)計中所涉及的問題及各種注意事項， 結(jié)合夾具 的設(shè)計要求進行總體結(jié) 構(gòu)設(shè)計， 圖 39 和圖 310 是 夾具結(jié)構(gòu)的示意圖，其主要零件為分度盤。 目錄 Ⅲ 圖 39 銑八方 夾具主視圖 圖 310 銑八方夾具左視圖 銑八方夾具整體結(jié)構(gòu)示意圖 （圖 3圖 310） 2 8.目錄 Ⅲ 下卡塊 圖 311 為分度盤的平面圖， 2 個Φ 6 的通孔是用來與錐套定位的，其定位可以保證分度盤與錐套的軸中心線重合從而保證兩者的同軸度； M12 的通孔用來安裝手把，以便轉(zhuǎn)動分度盤；兩個沉孔可用螺釘將分度盤與錐套固定；而 8 個錐孔則是用于銑八方的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，每個錐孔代表要加工的一個平面，當加工完一個平面時，只需轉(zhuǎn)動分度盤使定位銷嵌入下一個錐孔，依次加工，直至加工完工件的八個平面。 圖 311 分度盤示意圖 由銑八方夾具的整體結(jié)構(gòu)示意圖可以看到 ，在加工完一個面時，通過調(diào)整將錐套處于松動狀態(tài)，通過 6 轉(zhuǎn)動齒輪軸 16，經(jīng)由齒輪軸 16 與定位銷 5 的嚙合部分帶動定位銷 5 壓入盲孔中并擰緊螺釘 17（將定位銷 固定在盲孔內(nèi)），同時轉(zhuǎn)動分度盤使下一個錐孔對準定位銷 5，在反向擰動手把 11，在盲孔中彈簧的作用力下將定位銷潛入錐孔，使工件處于新的加工位置。同時依次擰緊調(diào)整螺母、螺母（使拉桿處于拉緊狀態(tài)）；再次擰動手把 11，在螺栓 12 的作用下拉近上卡塊 10目錄 Ⅲ 與下卡塊 8 的距離；最后將定位螺釘 13 擰緊。此夾具中運用到錐度芯軸定位，其原理為利用錐套的彈性變形，當錐套在受到軸向力（當擰動螺母帶動拉桿使芯軸受到徑向力，同時有錐度的芯軸也受到軸向力的作用）的作用時，其與徑向為4 號錐度夾角的斜邊產(chǎn)生變形使其外徑變大，內(nèi)孔變小，同時消除了銅 套內(nèi) 孔與錐套外徑、錐套內(nèi)孔與芯軸的間隙，形成無間隙配合，從而消除了夾 具體的定位誤差。使用時，由于錐套的內(nèi)外徑與銅套、芯軸有間隙，安裝方便：拆卸時，只需松開螺母，錐套在沒有軸向力的作用時，可自動回彈到原尺寸，這樣即可輕松取出零件。這種定位芯軸由于消除了定位誤差，其定位可靠，用于加工中能夠嚴