SolidWorks等三維建模軟件在工件裝夾方案的定位誤差測量中的應(yīng)用

趙啟焱 羅明生 黃 超

（鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

現(xiàn)代制造技術(shù)在上個世紀(jì)八十年代就已經(jīng)被提出來了，制造技術(shù)經(jīng)歷了由手工到機(jī)械的發(fā)展過程，機(jī)械代替手工使得產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率得以提高，同時也使得勞動力得以解放，避免了繁重的體力勞動，從而產(chǎn)生了機(jī)械制造技術(shù)。

在制造技術(shù)中，制造系統(tǒng)分為物質(zhì)系統(tǒng)、能量系統(tǒng)和信息系統(tǒng)，其中物質(zhì)系統(tǒng)的一個很重要的組成部分是工件的裝配系統(tǒng)，傳統(tǒng)的裝配系統(tǒng)需要依靠人工進(jìn)行工件的裝配和定位誤差的測算及調(diào)整，這就大大限制了整個制造系統(tǒng)的質(zhì)量與效率。利用三維建模軟件則可以提高這個過程的效率，并將其與信息系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫的對接，促進(jìn)整個制造系統(tǒng)的自動化。

在零件的加工中，零件的加工質(zhì)量是保證機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的基礎(chǔ)。零件的加工質(zhì)量包括零件的機(jī)械加工精度和加工表面質(zhì)量兩大方面。其中機(jī)械加工精度是機(jī)械制造工藝學(xué)的主要研究問題。機(jī)械加工精度是指理想幾何參數(shù)與零件實(shí)際幾何參數(shù)之間的符合程度；加工誤差就是用來描述加工精度的一個具體的數(shù)值，即加工精度的高低就是藉由加工誤差的大小來表示的。

零件的加工精度包含三個方面的內(nèi)容：尺寸精度、形狀精度和位置精度。一般情況下，零件的加工精度和零件的加工成本是正相關(guān)的，同時加工精度越高，生產(chǎn)效率則越低，因此加工精度的具體高低需要設(shè)計人員根據(jù)零件具體的使用條件和客戶的要求來合理地柔性地制定工件的加工精度。與此同時，零件加工的工藝人員則需要根據(jù)設(shè)計的要求和具體的生產(chǎn)條件制定對應(yīng)的生產(chǎn)工藝流程，以保證零件的加工精度要求得以實(shí)現(xiàn)，并在此基礎(chǔ)上盡量降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率。

在機(jī)械加工中，工藝系統(tǒng)中的種種誤差，在不同的具體條件下，分別以不同的方式和程度反映到了加工誤差中，所以把工藝系統(tǒng)的誤差稱之為原始誤差。在原始誤差中，與工藝系統(tǒng)初始狀態(tài)有關(guān)的稱為幾何誤差，在幾何誤差中很大一部分就是工件的定位誤差。

工件裝配中的定位誤差是由于工件在夾具上（或機(jī)床上）定位不準(zhǔn)確而引起的加工誤差。其本質(zhì)是工件在夾具上定位后工件的工序基準(zhǔn)在加工要求方向上的最大的變動量。定位誤差來源自基準(zhǔn)位置誤差和基準(zhǔn)不重合誤差，它們分別定位元件的制作誤差和定位基準(zhǔn)的選擇不同而引起的。定位誤差的傳統(tǒng)計算方法主要有以下三種：

（1）合成法：即分別計算基準(zhǔn)位置誤差和基準(zhǔn)不重合誤差，然后再在加工方向上進(jìn)行合成。

（2）定義法：根據(jù)定位誤差的本質(zhì)即工序基準(zhǔn)的最大變動量來計算定位誤差。

（3）微分法：用幾何方法得出某定位尺寸的表達(dá)式，然后對其進(jìn)行微分，最終求得其定位誤差。

上述三種定位誤差的計算方法看似不同，但本質(zhì)上是相似的，都是在二維平面上進(jìn)行分析，得到相關(guān)表達(dá)式后代入數(shù)據(jù)得出計算結(jié)果，過程十分繁瑣，并且分析的過程需要依靠人工完成，極大地限制了工件加工的效率。

隨著計算機(jī)輔助設(shè)計軟件的出現(xiàn)，在計算機(jī)模擬的虛擬環(huán)境下進(jìn)行定位誤差的分析與計算成為可能，這為制造技術(shù)中的工件安裝過程提供了很大的便利。

例如在SolidWorks裝配體環(huán)境下，可以使用軟件中的“測量工具”快速而又準(zhǔn)確地得到定位誤差的具體數(shù)值，其分析過程的基本思想是建立在“定義法”的基礎(chǔ)之上的，其具體的分析計算方法是：

（1）利用SolidWorks建立定位元件與工件的三維模型并分別保存。

（2）利用SolidWorks新建一個裝配體，將第一步中的兩個三維實(shí)體作為裝配零件調(diào)入，并進(jìn)行模擬工件裝夾的情況進(jìn)行裝配。

（3）在裝配體中建立一系列點(diǎn)、線、面與工件的工序基準(zhǔn)相對應(yīng)。例如利用SolidWorks中的“臨時軸”命令，來快速建立內(nèi)孔或者是外圓的中心線作為工序基準(zhǔn)。

（4）接下來需要分析影響工序基準(zhǔn)在加工方向上變動的因素，再分別以各個影響因素的最小或者最大尺寸對董建重建模型，從而得到工序基準(zhǔn)兩個上下極限位置；多個獨(dú)立因素會分別影響工序基準(zhǔn)變動，獨(dú)立因素中的尺寸因素可以直接用于重建模型，而同軸度等位置因素引起的工序基準(zhǔn)變動量則需要進(jìn)行簡單相加后再用于重建模型。

（5）在SolidWorks中選擇使用尺寸測量工具，分別測量在上述的兩種極限位置下工序基準(zhǔn)沿加工要求方向至夾具體上的某一個固定的參考位置的距離，兩次測量值之間的差的絕對值即是所要求的定位誤差。

這種方法的計算精度可以在SolidWorks的文檔屬性的單位選項(xiàng)中自行設(shè)定。隨著三維的計算機(jī)輔助設(shè)計軟件的發(fā)展，這種方法具有很大的技術(shù)優(yōu)勢。

現(xiàn)代制造技術(shù)在向著信息化集成化的方向發(fā)展，那么將定位誤差的分析計算利用三維設(shè)計軟件來實(shí)現(xiàn)，可以與整個系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信息對接。在產(chǎn)品的設(shè)計階段即可在虛擬環(huán)境下利用三維模型對可能出現(xiàn)的定位誤差進(jìn)行分析計算，然后根據(jù)此進(jìn)行設(shè)計方案或者工件的裝夾方案的改進(jìn)，可以有效的避免出現(xiàn)過大的定位誤差而造成工件加工制造的損失；同時也可以利用已經(jīng)設(shè)計完善的夾具的三維模型，導(dǎo)入三維設(shè)計軟件中進(jìn)行定位誤差的分析計算，以省去定位方案的建模過程，快速得到結(jié)果。根據(jù)以上的論述，可見這種利用三維建模軟件進(jìn)行定位誤差計算的方法具有廣闊的應(yīng)用前景以及極大的開發(fā)空間。

[1]王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006：260-272