Pro/E在計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)中的新應(yīng)用

陳 浩

（安徽國(guó)防科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系， 六安 237001）

0 引言

機(jī)床夾具設(shè)計(jì)是制造系統(tǒng)的重要組成部分，隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)方式已成為企業(yè)中產(chǎn)品快速上市的瓶頸，企業(yè)迫切需要提高夾具設(shè)計(jì)的效率。計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)與制造正是為了適應(yīng)這一要求而產(chǎn)生的，在此背景下，本文結(jié)合實(shí)例就PRO/E在計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用進(jìn)行了一定的研究和探索。

1 計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)(CAFD)

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多制造企業(yè)已經(jīng)在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中通過(guò)引入先進(jìn)的科技手段如 CAD、CAPP、CAM 及生產(chǎn)計(jì)劃管理系統(tǒng)等，來(lái)解決產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、質(zhì)量和成本問(wèn)題，并取得了一定的效果。人們將 CAD 技術(shù)引入到夾具設(shè)計(jì)中，形成了計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)（Computer Aided Fixture Design CAFD）方法，并研制了相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。在系統(tǒng)中建立了夾具元件庫(kù)，在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示工件的三維視圖，用戶(hù)交互地從夾具元件庫(kù)中提取相應(yīng)的夾具元件，在屏幕上形成夾具裝配圖，提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)（Computer Aided Fixture Design）改變了傳統(tǒng)夾具設(shè)計(jì)方式，作為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用方面，CAFD 和計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)(CAPP)共同組成了 CAD 和 CAM的橋梁。計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研制和開(kāi)發(fā)是直接從零件 CAD/CAPP 集成環(huán)境中獲取夾具設(shè)計(jì)信息，包括 CAD 系統(tǒng)輸出的零件幾何信息和 CAPP系統(tǒng)輸出的零件加工信息，然后將讀取的幾何信息和工程信息作為夾具設(shè)計(jì)的已知條件進(jìn)行夾具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析，以其高速、高精度、自動(dòng)化的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)夾具的自動(dòng)設(shè)計(jì)，提高夾具設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)方法的發(fā)展總趨勢(shì)具有更多的通用性、智能化和與 CAD、CAPP、CAM 的集成，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的新理論、新方法的發(fā)展和應(yīng)用將進(jìn)一步推動(dòng) CAFD 在實(shí)用化的方向取得更大的成就[1]。

2 Pro/Engineer軟件的應(yīng)用

在夾具設(shè)計(jì)中,采用CAD技術(shù)并盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)件是提高夾具設(shè)計(jì)效率的措施之一，所以,夾具三維標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)以及標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)與CAD系統(tǒng)的接口在夾具CAD系統(tǒng)中顯得尤為重要。設(shè)計(jì)人員在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行變形設(shè)計(jì)時(shí)就能夠充分利用夾具三維標(biāo)準(zhǔn)元件庫(kù)的資源,避免不必要的重復(fù)勞動(dòng)。以良好地適應(yīng)新夾具的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

但是，在多數(shù)的CAD軟件中過(guò)度曲線(xiàn)部分由于加工方式不同而形狀各異，很難精確的表現(xiàn)出來(lái)。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了以Pro/E為代表的大型優(yōu)秀的CAD軟件，其主要功能在于可進(jìn)行強(qiáng)大的參數(shù)設(shè)計(jì)，在三維特征造型等方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì),使得復(fù)雜的實(shí)體造型成為可能[2,3]。

而且，Pro/E是一套設(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過(guò)程自動(dòng)化的機(jī)械軟件，不僅是一個(gè)參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫(kù)功能，能方便地得到任何實(shí)體的幾何參數(shù)、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及任意截面的截面力學(xué)性能等，能夠良好地適應(yīng)新夾具的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。Pro/E具有以下顯著的特點(diǎn)：

1） 參數(shù)化設(shè)計(jì)和特征性能

Pro/E是采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的、基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)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，可以隨意勾畫(huà)草圖，輕易改變模型。

2） 單一數(shù)據(jù)庫(kù)

Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層的數(shù)據(jù)庫(kù)上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)上。所謂單一數(shù)據(jù)庫(kù)，就是工程中的資料全部來(lái)自一個(gè)庫(kù)，使得每一個(gè)用戶(hù)在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管它是哪個(gè)部門(mén)的。換言之在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的相關(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(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)。這一優(yōu)點(diǎn)使得設(shè)計(jì)更加優(yōu)化，成品質(zhì)量更高[4]。

3 Pro/E軟件應(yīng)用到夾具設(shè)計(jì)中的主要步驟

傳統(tǒng)的夾具設(shè)計(jì)方法在資料檢索、分析計(jì)算、繪圖、編制技術(shù)文件等方面都是由人工完成的，需要較多的人力和較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期，設(shè)計(jì)精度和質(zhì)量受到限制，甚至出現(xiàn)不必要的錯(cuò)誤。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì) 70 年代末出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)新技術(shù)，并在國(guó)內(nèi)外得到了迅速的發(fā)展。提高了夾具設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本。其設(shè)計(jì)流程一般被分為四個(gè)階段：1）工件裝夾規(guī)劃，2）夾具方案設(shè)計(jì)，3）夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，4）夾具性能評(píng)價(jià)[2]。

結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)流程的四個(gè)階段，在建立產(chǎn)品模型時(shí)，可采用傳統(tǒng)的自下而上和現(xiàn)代化的自上而下相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。自下而上先設(shè)計(jì)零件，然后搭積木式地進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)；自上而下先進(jìn)行總體的原則設(shè)計(jì)，然后將總體原則貫穿到所有的子裝配或者部件中（如圖1所示），其特點(diǎn)如下：

1）自上而下的設(shè)計(jì)可以首先確定各個(gè)子裝配或零件的空間位置和體積、全局性的關(guān)鍵參數(shù)，這些參數(shù)將被裝配中的子裝配和零件所引用。這樣，當(dāng)總體參數(shù)在隨后的設(shè)計(jì)中逐漸確定并發(fā)生改變時(shí)，各個(gè)零件和子裝配將隨之改變，更能發(fā)揮參數(shù)化設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

2）自上而下的設(shè)計(jì)使各個(gè)裝配部件之間的關(guān)系變得更加密切。像軸與孔的配合，裝配后配鉆的孔，如果各自分別設(shè)計(jì)，既費(fèi)時(shí)，又容易發(fā)生錯(cuò)誤。通過(guò)自上而下的設(shè)計(jì)，一個(gè)零件上的尺寸發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)的零件也將自動(dòng)更新。

圖1 自上而下的設(shè)計(jì)模式

所以，自上而下的設(shè)計(jì)方法有利于不同的設(shè)計(jì)人員共同設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)方案確定以后，所有承擔(dān)設(shè)計(jì)任務(wù)的小組和個(gè)人可以依據(jù)總裝設(shè)計(jì)迅速開(kāi)展工作，可以大大加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，做到高效、快捷和方便[2,5]。

另外，如果從產(chǎn)品實(shí)體模型建立的角度來(lái)講，自上而下的設(shè)計(jì)技術(shù)是建立產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)、裝配結(jié)構(gòu)和裝配模型的約束模型，即建立零件間的聯(lián)接關(guān)系，并在零件設(shè)計(jì)后自動(dòng)繼承裝配關(guān)系，具有規(guī)定的相關(guān)性，自上而下的設(shè)計(jì)技術(shù)是繼特征造型后CAD 技術(shù)發(fā)展的又一突破。Pro/E 軟件能將機(jī)械設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的全過(guò)程集成在一起，它通過(guò)一種獨(dú)特的參數(shù)化的以及面向零件的3D實(shí)體模型的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，為我們提供了一條更直觀、更有效、更快捷的設(shè)計(jì)途徑。在機(jī)械設(shè)計(jì)和制造中，利用 Pro/E可以創(chuàng)建實(shí)體零件模型及組裝造型，它具有運(yùn)動(dòng)模擬、工具設(shè)計(jì)、高級(jí)數(shù)控加工等功能。全面支 而下的設(shè)計(jì)模式。利用Pro/E進(jìn)行自上而下夾具設(shè)計(jì)可以采用如下步驟：

1）創(chuàng)建工件模型

在標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)創(chuàng)建工作完成之后，便可進(jìn)行組合夾具的設(shè)計(jì)。首先要分析工序圖，分析工件的結(jié)構(gòu)形狀特征及本道工序的加工要求，同時(shí)要?jiǎng)?chuàng)建出工件三維實(shí)體模型，以便于進(jìn)行模擬裝配。

2）夾具的模擬裝配

根據(jù)零部件之間的裝配關(guān)系和約束條件，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計(jì)組裝，并進(jìn)行相應(yīng)檢驗(yàn)，從而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對(duì)不合理的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。

在分析工序圖，初步確定了定位、夾緊及導(dǎo)向、對(duì)刀方案后，即可在標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中直接選取合適的定位、 夾緊、導(dǎo)向、對(duì)刀元件，同時(shí)要選擇合適的基礎(chǔ)板來(lái)支承這些元件，接下來(lái)便可進(jìn)行組合夾具的模擬裝配， 在模擬裝配時(shí)應(yīng)注意裝配的順序，首先在基礎(chǔ)夾具體上安裝定位元件，工件實(shí)現(xiàn)定位后，再安裝夾緊元件及導(dǎo)向?qū)Φ对?通過(guò)組合夾具模擬裝配，利用Analysis命令可在元件間檢查干涉現(xiàn)象，及時(shí)發(fā)現(xiàn)零部件在裝配體中的靜態(tài)空間位置的相交性和零部件在夾具裝配過(guò)程中在空間上的幾何干涉性，從而及時(shí)糾正裝配設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。

3）創(chuàng)建裝配圖和明細(xì)表

Pro/E有大量的功能用于裝配圖的繪制。在三維空間實(shí)現(xiàn)了組合夾具模擬 裝配后，即可快捷地創(chuàng)建二維裝配圖和零件明細(xì)表，從而完成用Pro/E軟件進(jìn)行組合夾具設(shè)計(jì)的全過(guò)程。 根據(jù)組合夾具裝配圖和零件明細(xì)表配置標(biāo)準(zhǔn)件，由等級(jí)技工進(jìn)行組合夾具的裝配，在自動(dòng)化裝配中，可用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行組裝。整個(gè)設(shè)計(jì)和裝配過(guò)程非常快捷，適應(yīng)了現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要。

4 應(yīng)用實(shí)例

按照上述設(shè)計(jì)方法和步驟，設(shè)計(jì)了高質(zhì)的加工液壓泵上體三個(gè)階梯孔的花盤(pán)式車(chē)床專(zhuān)用夾具，其夾具總裝配圖如圖2所示。另外，在夾具的三維虛擬裝配體完全滿(mǎn)足使用性能要求以后,為了建立一套直接指導(dǎo)工人裝配夾具的工藝文件,在計(jì)算機(jī)中可采用三維的指定路徑爆炸形式,動(dòng)態(tài)模擬整個(gè)夾具從零件到組件最后形成夾具的裝配過(guò)程和裝配方式,使裝配更具有“空間感和方位感”。夾具的裝配工程圖制作也很簡(jiǎn)單,在菜單上指定一個(gè)命令就可完成,對(duì)于較復(fù)雜的裝配圖,簡(jiǎn)單的視圖不能完整地表達(dá)裝配關(guān)系時(shí),可作必要的剖面,選擇這些剖面做出主視圖、向視圖、投影、展開(kāi)、旋轉(zhuǎn)及局部放大等種類(lèi)視圖，同時(shí)也可將三維模型立體視圖放在裝配圖上,這樣可提高工程人員的讀圖速度,也克服了與非專(zhuān)業(yè)人員溝通的困難。如圖3所示[6]：

圖2 夾具的總裝配圖

圖3 夾具爆炸圖

5 結(jié)論

夾具是一種隨產(chǎn)品不同而專(zhuān)用化程度很高的工藝裝備，其生產(chǎn)效率低生產(chǎn)周期長(zhǎng)已經(jīng)成為制約現(xiàn)代化生產(chǎn)高度自動(dòng)化的“瓶頸”。夾具設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的并且在很大程度上依賴(lài)于經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程，它需要設(shè)計(jì)人員具備關(guān)于設(shè)計(jì)問(wèn)題的大量全面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。其中夾具的方案設(shè)計(jì)是其中一個(gè)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。本文就PRO/E在計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了一定的探索和研究，具有一定的借鑒作用。

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