基于SolidWorks的三維夾具設計

萬宏強 姚敏茹 解衛斌 侯海貴

(西安工業大學機電工程學院，陜西西安710032)

機械制造業的設計制造水平，在很大程度上反映出企業工藝技術水平和制造能力的高低，直接影響著機械產品的加工質量、工人的勞動強度、生產效率和生產成本。夾具是工藝裝備的一個重要組成部分，應用十分廣泛，其設計與制造水平直接影響了產品生產準備周期和加工成本，因而越來越受到企業的關注［1］。

大量三維實體造型軟件崛起，如Pro/E、UG、Solid-Works、Solidedge等，推動了設計領域的新革命。由于這些三維軟件，不僅僅可創建三維實體模型，還可利用設計出三維模型進行模擬裝配和靜態干涉檢查、機構分析、動態干涉檢查、動力學分析、強度分析等，機床夾具設計也由原先的二維平面設計向著三維化、集成化、智能化和網絡化方向發展，三維夾具CAD的開發受到了普遍關注，并取得了較快的進展［2］。

結合專用夾具設計的復雜性、高精度性等特點，采用了易學易懂的SolidWorks三維實體造型軟件來實現設計過程。SolidWorks是完全基于 Windows的三維CAD/CAE/CAM軟件。它采用與UG相同的底層圖形核心Parasolid，具有強大的基于特征的參數化實體建模能力，然而要使SolidWorks軟件真正為我國企業帶來經濟效益，必須使其國產化、專業化［3］。

1 機床夾具標準件庫的創建

標準件在機械制造領域中大量存在，屬于加工工藝裝備的夾具中同樣也廣泛使用各種標準件，按照功能可分為:(1)定位零件與部件;(2)夾緊零件與部件;(3)其它夾緊元件;(4)導向零件與部件;(5)對刀零件;(6)對定零件與部件;(7)鍵;(8)支承用零部件;(9)操作件;(10)其它零件。

夾具設計要求設計者盡量選用標準化、系列化的元件以提高效率，降低成本。針對此特點，利用Solid-Works提供的系列零件設計表功能，建立夾具設計所需的標準件庫［4］。

1.1 機床夾具標準件參數數據庫

Access是一種關系性數據庫系統，使用簡單方便，通用性好，且便于與VC程序連接。利用Access軟件建立標準件數據庫，其中每種類型夾具不同規格的尺寸構成一個數據文件，以供用SolidWorks生成一系列的三維模型。數據文件按照機床夾具標準中的數據建立，數據庫的使用，不僅方便管理機床夾具零部件，而且便于數據的擴展［5］。

數據庫中JB/T8034-1999的數據如表1所示。

1.2 螺釘的建模和模型庫的建立

(1)分析零件

鉸鏈支座(JB/T8034-1999)的二維圖如圖1所示，此零件為圓柱狀零件，在建模時可考慮用“旋轉”命令來生成模型，然后再切制螺紋，最后在其頭部打孔并倒角。

(2)建模

進入SolidWorks軟件，新建模型名稱為鉸鏈支座(JB/T8034-1999)。使用旋轉、螺旋掃描、拉伸、倒角等命令完成整個鉸鏈支座的建模如圖2所示。

(3)零件的系列化

在鉸鏈支座模型的文件夾里新建一個Excel表，并與模型命名一樣。然后將數據庫(表1)里的數據粘貼到Excel表里，刪除與尺寸控制無關的“ID”列、“標準件模板”列、“極限偏差”列等，并修改尺寸命名。在SolidWorks里雙擊零件，會出現尺寸，把鼠標放到某一尺寸上會顯示其特性。如圖3，將“φ10”的尺寸名“D(大徑)”保存為“D3@草圖1”。同樣把所有的尺寸名為Solid-Works默認的格式“xx@xx”，完成的Excel表如表2。

(4)子零件的分解

利用外掛程序進行零件的分解，可生成數據庫中的全部子零件。

1.3 機床夾具標準件庫的調用

機床夾具標準件庫界面如圖4所示。單擊圖標“二維示意圖”可查看該標準件的二維工程圖及其控制參數，單擊圖標“三維渲染圖”可查看該標準件的三維圖片。

在參數模塊中瀏覽零件的尺寸規格參數，選中該欄，單擊“確定”按鈕就可調用該零件的三維模型，然后保存到自己建立的文件夾中以供裝配使用。

2 非標準件的建模與裝配

夾具中除了定位、夾緊、對刀、導向和連接元件等應用各種標準件外，還通常使用少量非標準專用件，其中最主要的零件是夾具體。夾具體是夾具的基本件，它既要把夾具的各種元件、機構、裝置連接成一個整體，而且還要考慮工件裝卸的方便。因此，夾具體的形狀和尺寸主要取決于夾具各組成件的分布位置、工件的外形輪廓尺寸以及加工的條件等，所以一般最后確定其模型。一般專用夾具上所加工工件結構和工藝的特殊性，夾具體結構復雜、專用化程度高，此種夾具體只能夠單獨建模。

有部分夾具體的總體結構在一定程度上具有較大的相似性。此時可建立典型結構夾具體庫，當設計某夾具體時，則從庫中調出相似零件，并對某些特征、部位進行必要的修改和增刪以便適用。

以加工車床離合齒輪的兩個寬38 mm的槽為例，分析三維夾具設計過程。

2.1 夾具的定位

車床離合齒輪三維模型如圖5所示。要加工2個寬38 mm的槽，就要實現完全定位。用臺階狀心軸和花鍵軸套實現工件的完全定位。

2.2 夾具的夾緊

夾緊裝置如圖6所示。夾緊裝置由螺母、帶肩六角螺母、球面墊圈、彈簧、聯動壓板、活節螺栓、調節支承、鉸鏈壓板和球頭支承等組成，各零件可以根據設計尺寸從“機床夾具標準件庫”直接調用。安裝工件時，松開帶肩六角螺母，將壓板后撤，將兩工件裝在定位套上，轉動手把，使定位齒插入工件齒槽，將兩壓板的壓緊面推至工件上方，擰緊帶肩六角螺母，可使四個壓緊點同時均勻受力，便可同時將兩工件夾緊。

2.3 夾具的裝配

裝配是將多個相關零件組合成具有獨特功能的產品的一道重要工序，任何零件在空間都有6個自由度，裝配實質是限制零件自由度的過程，三維建模軟件的出現使傳統的產品設計發生了根本性變化［6］。

在設計裝配體時，有兩種方法中，自下而上設計，或自上而下設計。自下而上的設計方法，是首先生成單獨零件，并將其插入空白裝配體文件，然后，根據設計要求，在零部件之間建立一定的配合和約束關系，最終形成裝配體。自上而下設計方法是從裝配體中開始設計工作的［5］。圖7所示為車床離合齒輪的銑夾具三維裝配模型。其中，多個零件可以根據設計尺寸從“機床夾具標準件庫”直接調用，減少了零件設計與建模時間，提高了設計效率。

3 結語

利用SolidWorks建立機床夾具標準件模型庫和數據庫的使用，將大大提高設計人員的工作效率，減少產品的開發周期，為企業創造更高的效益。同時使用標準件庫調用標準件可以改善設計質量，能在最短的時間找到設計所需的標準件，減少了標準件的參數查找和繪圖工作，提高了設計效率和質量，減少了設計錯誤。這樣的設計方法在其他機械部件設計中具有普遍的應用意義和推廣價值。

1 倪小丹，胡競湘，胡爭先等.基于SolidWorks的機床夾具通用零件庫的建立［J］.湖南工程學院學報，2007，17(2):29 ～32

2 朱朝寬.應用SOLIDWORKS進行專用夾具設計［J］.渝州大學學報(自然科學版)，2002，19(1):25 ～27

3 陳顯俊，符純華，廖映華.基于Solidworks對夾具標準件快速建模的探索［J］.長江大學學報(自然科學版)，2008，5(4):315 ～316

4 閹春會，殷國富，陳佳等.基于SolidWorks的三維夾具CAD系統研究［J］.機械，2007，34(9):43 ～45

5 李大磊，王曙光.在SolidWorks平臺上進行機床夾具定位元件二次開發［J］.制造技術與機床，2008(8):47～49

6 宮培毅，武曉光.三維軟件Pro/ENGINEER在機床夾具設計中的應用［J］.新技術新工藝，2008(5):19～20