【文章內容簡介】 件的需要，對夾具結構中的部分元件進行替換或調整。成組夾具用于相似零件的成組加工，通用可調夾具與成組夾具相比，加工對象多樣，適用范圍更廣一些。 4）組 合夾具。這是由一些現成標準機床附件元件和部件專用部件組合而成的夾具。這類夾具根據加工零件的不同而進行不同的組裝，因此靈活多變，萬能性強，元件重復利用率較高，非常適用于新產品的試制和單件小批生產。 5）隨行夾具。這類夾具一般在自動線生產上應用，夾具會隨著工位的轉化而移動，以完成不同工序的加工。 按使用的機床分類： 因為機床種類不同，各自工作特點和結構形式都存在很多不同的地方，相應的對用于機床的夾具結構也不同。因此按機床種類來分，夾具可分為：車、銑、鉆、鏜、磨床夾具和其他機床夾具。 按夾緊動力源分類： 根據 夾具所采用的夾緊動力源不同，又可分為：手動夾具、氣動夾具、液壓夾具、氣液夾具、磁力夾具等。 加工中心夾具特點及類型 加工中心夾具特點 加工中心夾具通常具有以下特點：（ 1）加工中心具有自動換刀的功能，這一功能決定了它的刀具為懸臂式，因此在夾具上不安裝引導刀具的導向件，如鏜模套、鉆模板等；（ 2）為了使待加工表面充分暴露在外，要求夾具最大限度開敞，必要時可以在夾具體上銑出空洞，避開鉆夾頭、鏜桿等，避免其與夾具體發(fā)生干涉，使得可以刀具懸伸長度縮短，可以提高剛度；（ 3）在工件待加工面與底面相交的時，應 在夾具上設能將工件提高一定高度的等高元件，以方便進刀，也能滿足主軸與工作臺面最小距離的要求。此外，工件夾具不得與機床的各元件相互干涉，安裝后的工件和夾具最高點不能影響主軸換刀操作，否則會影響效率。與通用機床相比，加工中心所用的夾具的要求要更簡單、結構緊湊、剛度高、精度高，裝夾便利、快速，具有一定的柔度 [26]。 加工中心夾具類型 加工中心的普及使用，使得用于加工中心的夾具也出現一些分類，總體上說與機床夾具分類相似，就其結構特點而言可以分為： 1）組合夾具。變化多、重組快，用于加工精度要求不高的情況。 2）可調夾具。剛性好、功能多、配置齊全，用于多品種、中小批量生產。 3）專用夾具。裝夾穩(wěn)定、操作便利、結構簡單，用于工件形狀復雜加工精度要求高的情況。 4）成組夾具。針對成組加工工藝，可改裝性強，用于加工同類多品種產品的情況。 加工中心夾具數字化裝配與仿真 加工中心夾具數字化裝配仿真的意義 綜上所述，加工中心在機械加工領域越來越重要，加工中心機床上所用的夾具的作用也隨之擴大。加工中心夾具的快速發(fā)展使得這類夾具的分類細化，由于此類機床 要求的精度較高，所以要求機床的各個部件也需要在結構和功能上到達一定的精度，傳統(tǒng)夾具工裝設計在當今時代不能滿足要求，數字化技術的實施，使得加工中心機床及夾具都邁向了一個新的臺階，替代傳統(tǒng)的工裝設計已是歷史的必然。數字化裝配及仿真具體能解決加工中心夾具的以下問題： 1）預知加工中心夾具裝配不易發(fā)現的碰撞（即干涉）； 2）虛擬加工進行時的場景，排除換刀、夾具轉換時的錯誤路徑； 3）可視化裝配圖準確指導現場夾具拼裝； 4）數字化仿真分析能得出加工中心夾具的參考夾緊力，以防夾壞工件。 數字化裝配及仿真應用流 程 數字化裝配及仿真涵蓋的內容較多，基本包括了從加工中心夾具的設計理念形成到裝配成品，其中涉及到了很多環(huán)節(jié)和細節(jié)，科學的規(guī)劃這些環(huán)節(jié)能減少工作量，同時加工中心產品的生產流程制度。加工中心夾具的數字化裝配及仿真應用流程如圖 所示。 圖 加工中心夾具數字化裝配及仿真流程 加工中心夾具庫的建立 本文擬對一類加工中心夾具進行建立及 PDM 管理，所以加工中心夾具庫的建立是工作的第一步，也是最基礎、最重要的一個環(huán)節(jié)。模型的質量決定著裝配的質量，承載著數據管理的意義。 1）參數化建模。整套夾具體的裝配離不開標 準件的輔助及支撐。因此夾具的三維工裝設計必須有健全的標準件庫以供調用。由于標準件種類繁多，數量龐大，一種型號多個參數的前提，故采用三維參數化建模，確保標準件準確性，規(guī)范性。具體步驟如下： （ 1）建立標準件名稱， item 等。 （ 2）創(chuàng)建標準件名片。如圖 所示。 （ 3）建立種子部件。 （ 4）創(chuàng)建部件族。 圖 創(chuàng)建標準件名片 部件族創(chuàng)建流程見圖 圖 部件族創(chuàng)建流程 零件的驅動參數表達式是參數化建模的關鍵環(huán)節(jié)，編輯表達式的方式有兩種，一種是在建模草圖及特征參數輸入時，對系統(tǒng)默認的參數名進行修改自定義，如圖 所示；另一種是在建模之后打開參數公式編輯器進行自定義參數名，可以增加或者修改系統(tǒng)默認參數名。第二種方法雖然操作方便但是為后來的參數混淆可能性較大，參數重復出現的現象時有發(fā)生，也會造成計算機的重復計算，故在進行此環(huán)節(jié)時應用第一種方法。 標準件參數化建模應注意的細節(jié)：在標準件的參數化建模過程中，螺紋是出現頻率最高的，也是驅動部件族出錯率最高的，在做標準件內螺紋時，必須 注意符號螺紋的參數驅動，以免種子文件生成的部件族文件沒有螺紋參數或螺紋參數錯誤，造成工程人員無法有效調用該標準件。具體步驟分三步：①定義螺距參數，采用手動輸參；②在種子文件上創(chuàng)建孔特征及相應的符號螺紋；③將上述孔、符號螺紋公稱直徑（ Minor Diameter）、攻絲尺寸（ Tapped Drill Size）表達式編輯為（ *P）；④其他照常設置，參數名稱需正確區(qū)分大小寫。 圖 驅動參數名稱定義 在進行完參數自定義命名和表達式的編輯之后，需要對原始驅動參數進行數據輸入，數據的輸入在格式 上有一定的要求，在數據輸入的表格中，零件的型號和名稱不能重復，否則生成部件族文件會報錯。數據數入表如圖 所示。 圖 驅動原始參數輸入 經過部件族創(chuàng)建的參數化模型都經軟件系統(tǒng)默認存儲在文件夾 Family Members 里，每個部件族都一一對應自身的部件族文件夾。在參數化設計成功之后，需要進一步檢查種子文件中的參數表格是否保存完整，如保存完整，則該參數化設計的標準件可以投入使用。 2）標準件的調用。在模型進行裝配需要使用標準件時，和裝配專用件步驟相同，選擇添加組件功能按鈕。進入 PDM 數據管理界面選擇 Search 功能欄，在框內輸入標準件號，選擇所需參數的標準件即可，如圖 所示。 圖 標準件編號表 3）加工中心夾具專用件建模。在完成了標準件庫的建立之后，開始對加工中心的專用件進行建模及裝配。在進行建模之前，對軟件環(huán)境進行設置，以方便統(tǒng)一管理。此外為了方便模型修改及草圖管理，將圖層規(guī)定為草圖層、基準層、標注層、實體層、片體層。由于 NX 建模技術已很成熟，在此不進行詳細敘述。本文對實 際參與生產的加工中心夾具建立了若干套模型，以完成本次課題。由于模型較多，在此不做展示，加工中心夾具庫中部分夾具編號見圖 。下文中選出一套典型的夾具作為完成裝配及仿真分析的實例。 圖 部分加工中心夾具編號列表 三維裝配 三維裝配的定義 三維裝配一般可以這樣定義： 三維裝配是指三維產品模型的裝配過程，是一種基于虛擬環(huán)境的裝配技術，一定環(huán)境下也叫虛擬裝配。三維裝配利用計算機工具，以模型為基礎進行與裝配相關的工作，它不需要實體產品或零件支持，相反還可以支持實體產品裝配，在軟件平臺中，只 需通過分析、先驗模型、可視化和數據表達等手段模擬物理實驗。三維裝配是虛擬制造的一個非常重要、關鍵的環(huán)節(jié)，也是未來數字化設計與制造中將不斷改進的重點。因為在傳統(tǒng)二維裝配工藝中，單純的表格、文字、二維圖已經不能全面的表達復雜的裝配工藝了。由于企業(yè)三維 CAD(Computer Aided Design)軟件的普及應用，基于三維模型的裝配技術可以很好解決這個問題 [27]。在三維虛擬的環(huán)境下，可以進行模型檢驗、干涉檢查、可視化數據表達、模擬裝配過程等方法，這些方法能很好的幫助工藝設計者直觀地看到裝配的工藝及對可行性有 了感官的判斷 [28]。 三維裝配的實現 要實現三維裝配的過程及結果，需要確定幾個方面的因素，也就是說根據不同的情況，運用相應的方法實現三維裝配及過程。 1）選取所用軟件平臺。三維裝配技術的深化離不開軟件的支持，近年來三維設計軟件發(fā)展迅速，目前國內外運用廣泛的三維軟件有如下幾種： CATIA 軟件：該軟件是世界上一種主流的 CAD/CAE/CAM 一體化軟件，在 CAD/CAE/CAM 領域是不論是功能還是運用廣泛性上都占據重要地位，廣泛應用于高科技及傳統(tǒng)制造行業(yè)，它所擁有的集成解決方案幾乎覆蓋了所有產品設計 與制造領域 [29]。 SolidWorks軟件：該軟件是生信公司推出針對機械設計，基于 windows環(huán)境開發(fā)的一款軟件。該軟件的優(yōu)勢在于建模能力，有很全面的模型庫，操作簡捷方便，同時也包括結構分析等模塊，為制造業(yè)提供解決方案 [30]。 UG（ NX）軟件：這款軟件是 Unigraphics Solutions 公司的拳頭產品。該軟件在 CAE 方面優(yōu)勢非常明顯，在經過升級后，開發(fā)出一個全面的產品建模系統(tǒng)，使得 UG 中優(yōu)越的參數化和變量化技術與傳統(tǒng)的實體、線框和表面功能很好的結合在一起，這一結合被實踐證明是非常有效的，且 被大部分 CAD/CAE 軟件廠商采用。 Pro/Engineer 軟件：該系統(tǒng)是美國參數技術公司的產品。該公司提出的數據庫、參數化、基于特征、全相關的概念改變了機械 CAD/CAE/CAM 的傳統(tǒng)觀念，這個概念已普遍被認可并且成為了當今機械 CAD/CAE/CAM 領域的新標準。采用該理念開發(fā)出的第三代產品會涉及到生產過程，使相關用戶能夠同時進行同一產品的設計，即實現并行工程。 在實際工程運用中，可根據目標項目的難易程度，需要達到的要求及工作人員對軟件的掌握程度選擇合適的三維設計軟件。本論文一方面為了和企業(yè)所用達成統(tǒng)一 ，另一方面因為研究對象特征要求，故選用 作為軟件平臺。 2）平臺相應的裝配模式。本文采用 平臺，研究 NX 的裝配方式得出： NX 軟件自身提供兩種裝配模式，一是多組件裝配，此裝配方式是指裝配過程中將所有零部件的模型及數據復制到裝配操作界面中，裝配中的零部件與引用的部件之間不存在關聯性。二是虛擬裝配模式，這種方式的原理是通過部件之間的裝配關系建立裝配體，它的優(yōu)點是裝配所需空間小，裝配速度很快，形成的裝配都是由零部件和子裝配體組成的，子裝配在高一級的裝配中作為組件被運用。在 NX 的裝配關系中有重合、對 齊、同心、角度等七種配對關系，這七種裝配關系完全可以完成機械類復雜的裝配關系。虛擬裝配方式因其優(yōu)點在裝配工作中用到得概率比較大，幾乎在非特殊情況下都采用這種方式。多組件裝配一般在只描述零組件位置情況下采用，常采用重定位方式對部件進行編輯，另外在進行裝配序列動畫時也會運用多組件裝配方式。 裝配和建模是分不開的，建模是裝配的基礎，裝配是建模的結果和目的。在 NX 中，基于建模與裝配之間的緊密關系和在實際運用中出現在裝配后需要優(yōu)化建模的情況，系統(tǒng)提供了三種方式，自底向上裝配和自頂向下模式、混合裝配。自底向上裝配是指從 最低層的元素也就是模型逐層形成裝配，基本順序是先建立模型，接著組成子裝配，再由子裝配組成總裝配。自頂向下模式是指在裝配級中使用建模功能創(chuàng)建相關的零部件，順序是從裝配體系中的高階層向下產生低階層的元素模型，配合使用了 UG/WAVE 技術和零部件表達式技術，其優(yōu)點是在設計過程中能全盤考慮所要設計零部件的結構及位置關系。混合裝配則是將前兩者方式交叉結合起來使用。 三維可視化裝配方法 三維可視化裝配是指利用三維設計軟件（本論文采用的是 軟件）把產品設計、裝配工藝的信息表示出來的過程，最終以圖形表現， 即三維可視化裝配圖。在現實中的裝配現場，工人們雖然可以從設計師的計算機終端上看到三維設計模型及裝配過程，但由于人為記憶力及理解力有限，往往不能很好地利用立體模型指導工裝，三維技術的直觀、形象地展現裝配關系這一功能發(fā)揮不了作用。三維可視化裝配圖可以使三維裝配技術最大限度的服務指導現場工人完成裝配作業(yè)，據調查與以往的文字表達方式裝配工藝相比，工人至少節(jié)約了 40%的看圖和理解文字工藝規(guī)程的時間；此外還減少了人工閱讀歧義，大大提高了裝配的準確率和效率 [31]。 設計三維可視化裝配圖的方法有兩種，其共同點是都是以三維 裝配體為基礎，由裝配模型（包括所有專用件、標準件等）出發(fā)，對裝配圖進行圖形處理達到裝配圖效果。不同之處在于處理圖形時所用的平臺及方法不同。 1）設計 KMCAPP 制作工藝卡 KMCAPP 是由武漢開目公司研發(fā)的一款工藝卡制作軟件。在制作工藝卡之前第一步需要獲取模型的三維裝配體，有兩種方法可以實現。一是由結構設計提供；二是從 PDM 數據庫系統(tǒng)中下載。關于如何運用 PDM 獲取目標數據將在后面的章節(jié)做具體敘述，在此不過多描述。獲取模型后，開始設計 KMCAPP 裝配工藝卡。具體步驟：①創(chuàng)建 KMCAPP 裝配工藝卡；②擬制裝 配工藝路線；③創(chuàng)建工序、工步卡；④將 NX 界面的三維裝配視圖拷屏；⑤ “粘接”在作圖板上，裁掉不需要的邊框，輸出生成“ *.bmp”文件；⑥打開“ *.bmp”文件，選定圖形區(qū)進行“拷貝”；⑦將拷貝內容 “粘接”在在 KMCAPP 工藝簡圖界面中；⑧在該工藝簡圖界面中調整裝配圖，找準位置；⑨在工藝繪圖界面中對裝配零件的序列號及其相關裝配技術