【文章內(nèi)容簡介】 件的需要，對夾具結(jié)構(gòu)中的部分元件進(jìn)行替換或調(diào)整。成組夾具用于相似零件的成組加工，通用可調(diào)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(xiàn)成標(biāo)準(zhǔn)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(jù)加工零件的不同而進(jìn)行不同的組裝，因此靈活多變，萬能性強，元件重復(fù)利用率較高，非常適用于新產(chǎn)品的試制和單件小批生產(chǎn)。 5）隨行夾具。這類夾具一般在自動線生產(chǎn)上應(yīng)用，夾具會隨著工位的轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)形式都存在很多不同的地方，相應(yīng)的對用于機床的夾具結(jié)構(gòu)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(jù) 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(dǎo)刀具的導(dǎo)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(yīng) 在夾具上設(shè)能將工件提高一定高度的等高元件，以方便進(jìn)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(jié)構(gòu)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(xiàn)一些分類，總體上說與機床夾具分類相似，就其結(jié)構(gòu)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(diào)夾具。剛性好、功能多、配置齊全，用于多品種、中小批量生產(chǎn)。 3）專用夾具。裝夾穩(wěn)定、操作便利、結(jié)構(gòu)簡單，用于工件形狀復(fù)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(chǎn)品的情況。 加工中心夾具數(shù)字化裝配與仿真 加工中心夾具數(shù)字化裝配仿真的意義 綜上所述，加工中心在機械加工領(lǐng)域越來越重要，加工中心機床上所用的夾具的作用也隨之?dāng)U大。加工中心夾具的快速發(fā)展使得這類夾具的分類細(xì)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(jié)構(gòu)和功能上到達(dá)一定的精度，傳統(tǒng)夾具工裝設(shè)計在當(dāng)今時代不能滿足要求，數(shù)字化技術(shù)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(shè)計已是歷史的必然。數(shù)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(yù)知加工中心夾具裝配不易發(fā)現(xiàn)的碰撞（即干涉）； 2）虛擬加工進(jìn)行時的場景，排除換刀、夾具轉(zhuǎn)換時的錯誤路徑； 3）可視化裝配圖準(zhǔn)確指導(dǎo)現(xiàn)場夾具拼裝； 4）數(shù)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(shù)字化裝配及仿真應(yīng)用流 程 數(shù)字化裝配及仿真涵蓋的內(nèi)容較多，基本包括了從加工中心夾具的設(shè)計理念形成到裝配成品，其中涉及到了很多環(huán)節(jié)和細(xì)節(jié)，科學(xué)的規(guī)劃這些環(huán)節(jié)能減少工作量，同時加工中心產(chǎn)品的生產(chǎn)流程制度。加工中心夾具的數(shù)字化裝配及仿真應(yīng)用流程如圖 所示。 圖 加工中心夾具數(shù)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(jìn)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(chǔ)、最重要的一個環(huán)節(jié)。模型的質(zhì)量決定著裝配的質(zhì)量，承載著數(shù)據(jù)管理的意義。 1）參數(shù)化建模。整套夾具體的裝配離不開標(biāo) 準(zhǔn)件的輔助及支撐。因此夾具的三維工裝設(shè)計必須有健全的標(biāo)準(zhǔn)件庫以供調(diào)用。由于標(biāo)準(zhǔn)件種類繁多，數(shù)量龐大，一種型號多個參數(shù)的前提，故采用三維參數(shù)化建模，確保標(biāo)準(zhǔn)件準(zhǔn)確性，規(guī)范性。具體步驟如下： （ 1）建立標(biāo)準(zhǔn)件名稱， item 等。 （ 2）創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(qū)動參數(shù)表達(dá)式是參數(shù)化建模的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，編輯表達(dá)式的方式有兩種，一種是在建模草圖及特征參數(shù)輸入時，對系統(tǒng)默認(rèn)的參數(shù)名進(jìn)行修改自定義，如圖 所示；另一種是在建模之后打開參數(shù)公式編輯器進(jìn)行自定義參數(shù)名，可以增加或者修改系統(tǒng)默認(rèn)參數(shù)名。第二種方法雖然操作方便但是為后來的參數(shù)混淆可能性較大，參數(shù)重復(fù)出現(xiàn)的現(xiàn)象時有發(fā)生，也會造成計算機的重復(fù)計算，故在進(jìn)行此環(huán)節(jié)時應(yīng)用第一種方法。 標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化建模應(yīng)注意的細(xì)節(jié)：在標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)化建模過程中，螺紋是出現(xiàn)頻率最高的，也是驅(qū)動部件族出錯率最高的，在做標(biāo)準(zhǔn)件內(nèi)螺紋時，必須 注意符號螺紋的參數(shù)驅(qū)動，以免種子文件生成的部件族文件沒有螺紋參數(shù)或螺紋參數(shù)錯誤，造成工程人員無法有效調(diào)用該標(biāo)準(zhǔn)件。具體步驟分三步：①定義螺距參數(shù)，采用手動輸參；②在種子文件上創(chuàng)建孔特征及相應(yīng)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(dá)式編輯為（ *P）；④其他照常設(shè)置，參數(shù)名稱需正確區(qū)分大小寫。 圖 驅(qū)動參數(shù)名稱定義 在進(jìn)行完參數(shù)自定義命名和表達(dá)式的編輯之后，需要對原始驅(qū)動參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入，數(shù)據(jù)的輸入在格式 上有一定的要求，在數(shù)據(jù)輸入的表格中，零件的型號和名稱不能重復(fù)，否則生成部件族文件會報錯。數(shù)據(jù)數(shù)入表如圖 所示。 圖 驅(qū)動原始參數(shù)輸入 經(jīng)過部件族創(chuàng)建的參數(shù)化模型都經(jīng)軟件系統(tǒng)默認(rèn)存儲在文件夾 Family Members 里，每個部件族都一一對應(yīng)自身的部件族文件夾。在參數(shù)化設(shè)計成功之后，需要進(jìn)一步檢查種子文件中的參數(shù)表格是否保存完整，如保存完整，則該參數(shù)化設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)件可以投入使用。 2）標(biāo)準(zhǔn)件的調(diào)用。在模型進(jìn)行裝配需要使用標(biāo)準(zhǔn)件時，和裝配專用件步驟相同，選擇添加組件功能按鈕。進(jìn)入 PDM 數(shù)據(jù)管理界面選擇 Search 功能欄，在框內(nèi)輸入標(biāo)準(zhǔn)件號，選擇所需參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)件即可，如圖 所示。 圖 標(biāo)準(zhǔn)件編號表 3）加工中心夾具專用件建模。在完成了標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立之后，開始對加工中心的專用件進(jìn)行建模及裝配。在進(jìn)行建模之前，對軟件環(huán)境進(jìn)行設(shè)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(zhǔn)層、標(biāo)注層、實體層、片體層。由于 NX 建模技術(shù)已很成熟，在此不進(jìn)行詳細(xì)敘述。本文對實 際參與生產(chǎn)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(chǎn)品模型的裝配過程，是一種基于虛擬環(huán)境的裝配技術(shù)，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(chǔ)進(jìn)行與裝配相關(guān)的工作，它不需要實體產(chǎn)品或零件支持，相反還可以支持實體產(chǎn)品裝配，在軟件平臺中，只 需通過分析、先驗?zāi)Ｐ?、可視化和?shù)據(jù)表達(dá)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(guān)鍵的環(huán)節(jié)，也是未來數(shù)字化設(shè)計與制造中將不斷改進(jìn)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(jīng)不能全面的表達(dá)復(fù)雜的裝配工藝了。由于企業(yè)三維 CAD(Computer Aided Design)軟件的普及應(yīng)用，基于三維模型的裝配技術(shù)可以很好解決這個問題 [27]。在三維虛擬的環(huán)境下，可以進(jìn)行模型檢驗、干涉檢查、可視化數(shù)據(jù)表達(dá)、模擬裝配過程等方法，這些方法能很好的幫助工藝設(shè)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(xiàn) 要實現(xiàn)三維裝配的過程及結(jié)果，需要確定幾個方面的因素，也就是說根據(jù)不同的情況，運用相應(yīng)的方法實現(xiàn)三維裝配及過程。 1）選取所用軟件平臺。三維裝配技術(shù)的深化離不開軟件的支持，近年來三維設(shè)計軟件發(fā)展迅速，目前國內(nèi)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(lǐng)域是不論是功能還是運用廣泛性上都占據(jù)重要地位，廣泛應(yīng)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(chǎn)品設(shè)計 與制造領(lǐng)域 [29]。 SolidWorks軟件：該軟件是生信公司推出針對機械設(shè)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(jié)構(gòu)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(chǎn)品。該軟件在 CAE 方面優(yōu)勢非常明顯，在經(jīng)過升級后，開發(fā)出一個全面的產(chǎn)品建模系統(tǒng)，使得 UG 中優(yōu)越的參數(shù)化和變量化技術(shù)與傳統(tǒng)的實體、線框和表面功能很好的結(jié)合在一起，這一結(jié)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(shù)技術(shù)公司的產(chǎn)品。該公司提出的數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)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(rèn)可并且成為了當(dāng)今機械 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)。采用該理念開發(fā)出的第三代產(chǎn)品會涉及到生產(chǎn)過程，使相關(guān)用戶能夠同時進(jìn)行同一產(chǎn)品的設(shè)計，即實現(xiàn)并行工程。 在實際工程運用中，可根據(jù)目標(biāo)項目的難易程度，需要達(dá)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(shè)計軟件。本論文一方面為了和企業(yè)所用達(dá)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(yīng)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(shù)據(jù)復(fù)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(guān)聯(lián)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(guān)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(guān)系中有重合、對 齊、同心、角度等七種配對關(guān)系，這七種裝配關(guān)系完全可以完成機械類復(fù)雜的裝配關(guān)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(jìn)行編輯，另外在進(jìn)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(chǔ)，裝配是建模的結(jié)果和目的。在 NX 中，基于建模與裝配之間的緊密關(guān)系和在實際運用中出現(xiàn)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(guān)的零部件，順序是從裝配體系中的高階層向下產(chǎn)生低階層的元素模型，配合使用了 UG/WAVE 技術(shù)和零部件表達(dá)式技術(shù)，其優(yōu)點是在設(shè)計過程中能全盤考慮所要設(shè)計零部件的結(jié)構(gòu)及位置關(guān)系。混合裝配則是將前兩者方式交叉結(jié)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(shè)計軟件（本論文采用的是 軟件）把產(chǎn)品設(shè)計、裝配工藝的信息表示出來的過程，最終以圖形表現(xiàn)， 即三維可視化裝配圖。在現(xiàn)實中的裝配現(xiàn)場，工人們雖然可以從設(shè)計師的計算機終端上看到三維設(shè)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(dǎo)工裝，三維技術(shù)的直觀、形象地展現(xiàn)裝配關(guān)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(shù)最大限度的服務(wù)指導(dǎo)現(xiàn)場工人完成裝配作業(yè)，據(jù)調(diào)查與以往的文字表達(dá)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(zhǔn)確率和效率 [31]。 設(shè)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(chǔ)，由裝配模型（包括所有專用件、標(biāo)準(zhǔn)件等）出發(fā)，對裝配圖進(jìn)行圖形處理達(dá)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(shè)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(xiàn)。一是由結(jié)構(gòu)設(shè)計提供；二是從 PDM 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中下載。關(guān)于如何運用 PDM 獲取目標(biāo)數(shù)據(jù)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(shè)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(jìn)行“拷貝”；⑦將拷貝內(nèi)容 “粘接”在在 KMCAPP 工藝簡圖界面中；⑧在該工藝簡圖界面中調(diào)整裝配圖，找準(zhǔn)位置；⑨在工藝?yán)L圖界面中對裝配零件的序列號及其相關(guān)裝配技術(shù)