现代柔性制造系统中组合夹具的设计分析和研究

本文对组合夹具在柔性制造系统中的应用现状做了简要介绍，重点讨论应用三维实体造型软件Pro / E 进行计算机辅助组合夹具设计过程，包括建库、创建工件模型、装配、装配体分析以及相关信息的处理等步骤的阐述。以此来说明计算机辅助夹具设计的研究应用将促进制造业柔性化发展。

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一、引言

    随着机械制造业的飞速发展，产品的更新换代越来越快，传统的大批量生产模式逐步被中小批量生产模式所取代，机械制造系统欲适应这种变化须具备较高的柔性。国外已把柔性制造系统（FMS）作为开发新产品的有效手段，并将其作为机械制造业的主要发展方向。

    柔性化的着眼点主要在机床和工装两个方面，而组合夹具又是工装柔性化的重点。组合夹具是一种标准化、系列化、通用化程度很高的工艺装备，它是由一套预先制造好的各种不同形状、不同规格、不同尺寸、具有完全互换性的标准元件和组合件，按工件的加工要求组装而成的夹具。由于组合夹具使用完毕后，可以拆卸、清洗，重新组装新的夹具，因此，组合夹具的应用非常普遍，尤其适合于多品种、中小批量的生产。

    然而，多年来，对组合夹具的设计和组装，由于时间、环境条件的限制，总体设计与系统结构只能串行不能并行。夹具工艺师对工件的定位、装夹设计主要依赖经验，定性分析较多，定量分析较少，且计算复杂，同时缺乏必要的优化设计，设计的图纸不够直观。在装夹过程中工人要认真消化图纸，设计过程前期的潜在问题，在总装时汇总，达不到预期的效果，甚至造成返工。设计过程中的装配干涉问题，无法在设计中提前发现，造成工人的劳动强度增大。已经很难适应当今快速、多样化的制造需求。这一特点为计算机辅助装配系统的研制与开发，提出了亟待解决的问题。

    传统的组合夹具设计主要依靠手工完成，CAD 设计系统主要采用以交互式为主的半创成式设计方法。现在，大量三维实体造型软件崛起，如Pro / E 、Solidworks、UG、Solidedge 等，推动了设计领域的新革命，由于这些三维软件，不仅仅可创建三维实体模型，还可利用设计出三维模型进行模拟装配和静态干涉检查、机构分析、动态干涉检查、动力学分析、强度分析等。同时由于组合夹具的组件全部是标准件，而且数量有限，易于储存和检索等特点，使建立组合夹具站成为可能。若将计算机辅助设计应用到组合夹具设计中，尤其是将Pro / E 应用到组合夹具设计中，则可使组合夹具的设计非常快捷，装配生产率得以显著提高。

二、建库

2.1 建库必要性

    尽管系统本身有一个数量庞大的特征库：其中包括少部分组合夹具标准件，但各种不同规格尺寸的组合夹具标准件数量非常多是不争的事实，况且一般情况下组合夹具组装站只配置其中一部分标准件，同时不同厂家生产的标准件规格略有不同，这种情况势必影响设计效果和效率。若能根据组装站实际配置的标准件重新创建标准件库，既可充分利用现有标准件进行组合夹具的设计，又可免去重复烦琐地创建标准件模型，同时标准件的回取比较快捷。这样，设计者可以直接在标准件库中选取零件，非常快捷地实现组合夹具的动态模拟装配。

2.2 组合夹具库的结构

    组合夹具是在夹具零部件标准化的基础上发展起来的一种新型的工艺装备。它由一套预先定制好的、具有各种不同形状的规格尺寸的标准元件和组合件组成。在加工工件前，根据工件的工艺要求、采用的设备和夹具设计原则，选择夹具元件，确定元件间的位置关系，组装出机械加工使用的工装夹具。组合夹具基本组件数量繁多，为便于归类和方便检索标准件，将组合夹具可分为九大类，即基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、其它件、合件，其中每一类型中又包括多个品种，每个品种中又有不同的规格。

2.3 建库的步骤

    创建夹具标准件图形库的主要任务是图形生成。对于标准件等相似性强的图形生成可采用变量法即参数法：对于原始模型的所有几何特征，给定它的组成参数及其参数值的变化范围，这些可变参数称为变量，通过输入这些变量值，便可得到所需形状及尺寸。组合夹具的标准件上都设计有尺寸相同、间隔均匀的T 形槽、长方槽、螺纹孔等结构，因此，采用以下两个步骤建库便可简化烦琐重复的标准件创建过程。

第一步，创建用户定义特征。UDF 把标准件上都具有的T形槽、螺纹孔等特征建立UDF，一般根据组合夹具系列的不同，需创建的主要UDF 如附表所示。在创建各标准件时只需把UDF 特征加载到基本几何体上，便可非常快捷地创建标准件。

第二步，创建簇表Family Table。既然同一类型中的组件其形状相似，用Pro / E 中的族表功能则会事半功倍。Pro / E 中的簇表（Family Table）是本质上相似的零件（或组件、特征）的集合，但在大小或详细特征等一两个方面稍有不同。对于重复性高、相似性大的零件（如螺丝、扳手等）或者标准件，不需要每个规格都建立一个零件，而可以使用一个原始样本零件（Generic Part）及一簇表（Family Table）即可代表无数个零件。任何时候，只要调出簇表内任一个零件的名称，即可自动产生一个照簇表所示尺寸比例的零件。

    显然，族表大大提高了标准化组件的用途。它们不但允许在Pro / E 中表示实际的零件清单，而且使得组件中的零件和子组件容易互换（因为来自同一族的实例互相之间可以自动互换）。但在创建簇表的过程中，对于原始模型的选择要注意两个问题：一是往往选择同类型标准件中尺寸最大的标准件作为原始模型。二是当尺寸最大的标准件不能包含同类型标准件的所有特征时，应在尺寸最大的标准件基础上添加上未包含的特征才能作为原始模型。

三、用Pro / E 进行组合夹具设计步骤

3.1 创建工件模型

    创建工件模型是在标准件库创建工作完成之后进行的。首先需要分析的内容包括：工序图、工件的结构形状特征、本道工序的加工要求。然后创建出工件三维实体模型，以便于进行动态模拟装配。

3.2 夹具装配

    根据零部件之间的装配关系和约束条件，进行虚拟设计组装，并进行相应检验，进而对设计进行分析，对不合理的设计进行修改。首先分析工序图，初步确定定位、夹紧及导向、对刀方案，然后可在标准件库中直接选取合适的定位、夹紧、导向、对刀元件，并要选择合适的基础板来支承这些元件。接下来便可进行组合夹具的动态装配，在模拟装配时应注意装配的顺序，在基础夹具体上安装定位元件，实现工件定位后，再安装夹紧元件及导向对刀元件。如图1所示，应用Pro / E 设计的车削一偏心轴外圆的组合夹具。                                            

2.3 装配体的分析

    对夹具装配体的结构、大小、转动惯量等的分析是总体设计必不可少的环节之一。在传统的设计过程中，这一过程一般靠手工计算，大多数情况只是依靠经验而使准确度不易保证，增加总体设计的困难。应用Pro / E 软件，会使装配间隙的调整和装配干涉的检查变得更加准确、直观、快捷。而且对于检验设备不能接近的部位，间隙也能得到控制，使得干涉问题消除在方案阶段。

第一步，在菜单【Model】→【Part】→【Setup】→【Densit.】的提示行给出材料密度，在菜单【Model】→【Part】→【Setup】→【Units】下定义质量、长度单位。

第二步，进入【Analysis】主菜单，可以对距离、模型、曲线、曲面等进行实时分析。

    调换不合理的组件，修改不合理的位置，Pro / E 的全相关性能够对组件的尺寸、大小、规格稍作变化，装配体随之会相应更改，达到完全满足设计要求为止。

3.4 信息处理  相关信息的处理包括装配图和爆炸图的生成和明细表的提取。

（1）装配图和爆炸图的生成

    Pro / E 拥有强健的装配图绘制功能。在三维空间实现了组合夹具模拟装配后，即可在菜单上指定一个命令，快捷地创建二维装配图。若基本视图或向视图不能清楚表达较复杂装配关系时，则作必要的剖面，选择这些剖面作局部放大、旋转、展开等种类视图。对于三维组装模型，可将其作为独立视图，缩放后放于图纸右上角，以提高工程人员的阅读速度。这样，既可节省校对、审核和批准人员的图面检查时间，又可以使其投入更多的精力进行功能性审查。

（2）明细表的提取

    在视图完成后，Pro / E 平台能自动地完成零件数量的统计和明细表的填写等相关信息，而在传统的组合夹具设计中，对组合组件的信息统计需耗费夹具工艺师不少的时间和精力。在主菜单【Info】列表中可以显示出特性信息、装配体模型的所有组成组件、特征主从关系、模型尺寸等。例如【Info】→【Model】→【Top】→【Leve】→【Apply】可以列出装配顺序、主从关系、基本尺寸等，建立基本信息明细表，工艺师可以编辑明细表，为组装工人提供组装依据，使实际组装更加条理化。最后是组装工人依靠建立的三维装配模型、爆炸图、二维视图、信息明细表进行实际装配。

四、结束语

    采用Pro / E 软件创建组合夹具标准件库，设计人员通过合理选择标准件，可迅速进行模拟装配，对不合理的装配结构可及时调整更改。随着机器人的发展，组合夹具的实际装配更趋于自动化，由Pro / E 设计完成装配体后，建立的装配信息控制机器人自动装配，可将工人工作量减到最低，可使装配技术更加适合现代制造的需要。Pro / E 智能化的三维软件为组合夹具设计带来方便，也使组合夹具更加适合应用于柔性制造系统。

    东莞三威装备专注于焊接工装夹具、柔性制造系统、柔性组合夹具、柔性组合焊接工装夹具、专用工装夹具的研发与制造。

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