林喜娜 劉凱 王志隨

摘要：本文綜述了工藝裝備的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。并以杠桿臂鉆床夾具為例介紹了夾具設(shè)計的技術(shù)路線，根據(jù)工件圖紙、生產(chǎn)裝備、工序安排等信息要求，確定夾具的設(shè)計方案，運用設(shè)計的夾具元件庫選擇所需夾具元件，運用參數(shù)化驅(qū)動修改夾具元件尺寸，采用自上而下裝配建模與自下而上裝配相結(jié)合的方式進行設(shè)計，形成夾具的三維模型直觀圖，為生成加工圖紙和計算機輔助編程提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：UG NX;工藝裝備;夾具;設(shè)計

0 引言

在機械制造業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模及工藝要求，需要采用種類繁多的工藝裝備。制造系統(tǒng)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品的質(zhì)量及成本都與工藝裝備有關(guān)。工藝裝備的設(shè)計和制造是生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備工作中工作量最大、周期最長的階段。據(jù)統(tǒng)計[1]，專用工裝的設(shè)計和制造工作占到工藝裝備工作量的50%，大批量生產(chǎn)中甚至占到80%以上，而且工藝裝備的費用平均占產(chǎn)品成本的10%-15%甚至更高，而夾具是各類工具中最復(fù)雜、專用化程度最高的工藝裝備之一。設(shè)計制造周期又占工藝裝備設(shè)計制造周期的70%-80%。因此，夾具的設(shè)計制造周期極大地影響了新產(chǎn)品的研制周期，應(yīng)用機械CAD/CAM技術(shù)提高工藝裝備設(shè)計、制造的質(zhì)量和效率，對于保證產(chǎn)品質(zhì)量、縮短研制周期意義重大。

傳統(tǒng)的機床夾具設(shè)計是設(shè)計人員通過類比法和經(jīng)驗法進行設(shè)計。查閱大量的手冊資料，通過復(fù)雜的計算，再繪制出機床夾具的零件圖和裝配圖簡圖。通常使用二維CAD軟件繪制其二維圖紙，無法觀看到其三維結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的設(shè)計方法勞動強度大、設(shè)計周期長、修改不便、效率低，[2-3]而且所設(shè)計的機床夾具標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度低。因此，傳統(tǒng)的機床夾具設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足市場快速多變的要求，甚至成為了制約現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

本文提出采用計算機輔助夾具設(shè)計，結(jié)合實例歸納總結(jié)、實現(xiàn)和利用夾具設(shè)計領(lǐng)域的知識和經(jīng)驗，并快速靈活的進行夾具設(shè)計。徹底改變傳統(tǒng)夾具設(shè)計，主要依靠設(shè)計人員個人經(jīng)驗的情況，并有效減少設(shè)計人員勞動強度大、負(fù)擔(dān)重、加工精度低的狀況。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

Rong Kevin[4]（融亦鳴）是計算機輔助夾具設(shè)計方面的專家，他先后在美國南伊利諾伊大學(xué)（SIUC）和伍斯特理工學(xué)院（WPI）歷時十年并至今仍在繼續(xù)進行的夾具CAD 的研究開發(fā)和工業(yè)應(yīng)用。并對夾具CAD進行了大量的理論分析、實驗研究和軟件系統(tǒng)的開發(fā)工作，取得了顯著的成效。

郭歡[5]建立了機床夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫，提出在數(shù)控加工過程中，數(shù)控加工逐漸取代傳統(tǒng)機械加工，必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程和步驟，在如何突顯數(shù)控加工工藝的優(yōu)勢方面提供了一些建議。

張溥海[6]提出運用CATIA二次開發(fā)方法設(shè)計了工裝夾具的設(shè)計系統(tǒng)。并設(shè)計了文件輸出模塊。并在CATIA平臺上實現(xiàn)了相應(yīng)的功能。

以上研究基本是基于基于軟件二次開發(fā)的基礎(chǔ)上進行的，但隨著各種軟件版本的更新，設(shè)計的系統(tǒng)通用性不強，不能滿足各個版本的需求，另外推廣的不夠深入，應(yīng)用不強，基于以上情況，亟需解決夾具設(shè)計系統(tǒng)所存在的問題，如果使設(shè)計變的快速、方便。

2 研究思路及技術(shù)路線

傳統(tǒng)的機床夾具設(shè)計，通常使用二維 CAD 技術(shù)或UGNX10.0及SolidWorks等三位軟件進行設(shè)計，一般情況下設(shè)計周期長、勞動量大、修改不便、效率低，為此，機床夾具設(shè)計過程中采用模板，運用 UGNX10.0軟件作為設(shè)計工具，設(shè)計機床夾具庫和典型夾具庫。其中，機床夾具庫是參照機床夾具設(shè)計手冊的體系結(jié)構(gòu)和機床夾具的國家標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計的。改變了傳統(tǒng)夾具設(shè)計模式，根據(jù)工件圖紙、生產(chǎn)裝備、工序安排等信息要求，以加工件為基本件，采用自上而下裝配建模和自下而上裝配相結(jié)合的方式進行設(shè)計，實例庫設(shè)計了各種機床的常用典型夾具，夾具庫用所有符合國家標(biāo)準(zhǔn)的夾具零部件，結(jié)合典型實例，交互式式的夾具設(shè)計方法進行機床夾具的設(shè)計，以三維建模為基礎(chǔ)構(gòu)建夾具實體模型，再運用 UGNX10.0 軟件工程圖功能，生成夾具的二維裝配圖和零件圖，大大縮短了夾具設(shè)計與制造周期，減少重復(fù)勞動，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。UGNX10.0專用夾具設(shè)計技術(shù)路線如圖1所示。

3 夾具設(shè)計案例

本夾具是針對杠桿臂進行設(shè)計的鉆床專用夾具，根據(jù)工件加工圖紙要求，及加工工序安排，確定本夾具主要解決加工杠桿臂上Φ10和Φ13的孔，由于在鉆床或者銑床上運用通用夾具平口鉗裝夾定位不準(zhǔn)確，所以基于UG軟件構(gòu)建三維實體建模。

3.1 創(chuàng)建工件的三維實體建模

建立草圖，然后通過拉伸、掃掠、打孔、修剪體、布爾運算、修剪、美化等操作創(chuàng)建工件的三維模型，如圖2所示。

3.2 設(shè)計杠桿臂鉆床夾具

運用設(shè)計的夾具元件庫選擇所需夾具元件，運用參數(shù)化驅(qū)動設(shè)計夾具元件尺寸，通過杠桿臂零件的加工意圖，精確定義圖形的幾何形狀，尺寸和位置，滿足設(shè)計需要，同時按照六點定位原理，確定定位元件的設(shè)計方案，采用定位銷和端面限制工件的5個自由度，可調(diào)支承限制工件繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度，而由于工件加工Φ10部位處于懸臂狀態(tài)，為了保持工件定位時的穩(wěn)定性及增強剛性，在此采用輔助支承解決。輔助支承具有足夠的剛性，它除了能幫助主要支承承受切削力以外，又不使工件離開定位面，使加工精度更高。夾緊元件采用墊圈和螺母相結(jié)合的方式進行夾緊，然后根據(jù)工件、定位元件、夾緊元件、輔助元件來設(shè)計夾具體，從而確定夾具的三維模型直觀圖，基于UGNX10.0杠桿臂鉆床夾具三維建模設(shè)計如圖3所示 ，為加工圖紙和計算機輔助編程提供了素材。

3.3 杠桿臂夾具工程圖的設(shè)計

借助UG軟件，通過三維模型可以直接生成二維工程圖，并且當(dāng)三維模型改變時，二維圖中的相關(guān)視圖、尺寸等會同步更新，設(shè)計步驟包括：選擇圖紙、比例、創(chuàng)建視圖、標(biāo)注、圖紙輸出，夾具裝配圖如圖4所示。

4 結(jié)束語

工藝裝備計算機輔助設(shè)計與制造隨著CAD/CAM技術(shù)和工藝裝備發(fā)展而不斷進步，運用UGNX軟件參照機床夾具設(shè)計手冊的體系結(jié)構(gòu)和機床夾具的國家標(biāo)準(zhǔn)建立了機床夾具元件庫通用性更強。結(jié)合實例為主，交互式為輔的夾具設(shè)計方法進行機床夾具的設(shè)計。大大縮短了夾具設(shè)計與制造周期，減少重復(fù)勞動，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。

參考文獻：

[1] 徐春林.工藝裝備計算機輔助設(shè)計與制造[M].安徽：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2016：1-2.

[2] 李艷霞，郭新蘭.基于UG平臺的銑床夾具設(shè)計研究[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2018（06）：1-2.

[3] 溫滬斌.薄壁框體零件加工工藝分析及其專用夾具的設(shè)計研究[J].模具工業(yè)，2020，46（03）： 60-64.

[4] 良辰.走進國際化視野的南科大機械制造——訪南方科技大學(xué)機械與能源工程系融亦鳴教授[J].航空制造技術(shù)，2018，61（11）：24-25.

[5] 郭歡.數(shù)控加工工藝規(guī)程與夾具設(shè)計問題的思考[J].南方農(nóng)機，2020，51（04）：178.

[6] 張溥海.基于CATIA二次開發(fā)的組合夾具設(shè)計研究[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2017.

基金項目：山東商務(wù)職業(yè)學(xué)院院級科研基金項目（項目名稱：基于UGNX10.0的機床夾

具實例設(shè)計及夾具庫的研究;編號：2018SWZR04）

作者簡介：林喜娜（1984.02-），女，漢，山東煙臺，研究生（碩士），講師，研究方向：機械設(shè)計制造。