基于UGNX的工藝裝備設計的應用研究

林喜娜 劉凱 王志隨

摘要：本文綜述了工藝裝備的國內外研究現狀。并以杠桿臂鉆床夾具為例介紹了夾具設計的技術路線，根據工件圖紙、生產裝備、工序安排等信息要求，確定夾具的設計方案，運用設計的夾具元件庫選擇所需夾具元件，運用參數化驅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合的方式進行設計，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。

關鍵詞：UG NX;工藝裝備;夾具;設計

0 引言

在機械制造業的產品生產過程中，根據生產規模及工藝要求，需要采用種類繁多的工藝裝備。制造系統生產效率、產品的質量及成本都與工藝裝備有關。工藝裝備的設計和制造是生產技術準備工作中工作量最大、周期最長的階段。據統計[1]，專用工裝的設計和制造工作占到工藝裝備工作量的50%，大批量生產中甚至占到80%以上，而且工藝裝備的費用平均占產品成本的10%-15%甚至更高，而夾具是各類工具中最復雜、專用化程度最高的工藝裝備之一。設計制造周期又占工藝裝備設計制造周期的70%-80%。因此，夾具的設計制造周期極大地影響了新產品的研制周期，應用機械CAD/CAM技術提高工藝裝備設計、制造的質量和效率，對于保證產品質量、縮短研制周期意義重大。

傳統的機床夾具設計是設計人員通過類比法和經驗法進行設計。查閱大量的手冊資料，通過復雜的計算，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構，傳統的設計方法勞動強度大、設計周期長、修改不便、效率低，[2-3]而且所設計的機床夾具標準化、通用化程度低。因此，傳統的機床夾具設計方法已經不能滿足市場快速多變的要求，甚至成為了制約現代制造技術發展的瓶頸。

本文提出采用計算機輔助夾具設計，結合實例歸納總結、實現和利用夾具設計領域的知識和經驗，并快速靈活的進行夾具設計。徹底改變傳統夾具設計，主要依靠設計人員個人經驗的情況，并有效減少設計人員勞動強度大、負擔重、加工精度低的狀況。

1 國內外研究現狀分析

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

郭歡[5]建立了機床夾具標準件庫，提出在數控加工過程中，數控加工逐漸取代傳統機械加工，必須嚴格按照操作規程和步驟，在如何突顯數控加工工藝的優勢方面提供了一些建議。

張溥海[6]提出運用CATIA二次開發方法設計了工裝夾具的設計系統。并設計了文件輸出模塊。并在CATIA平臺上實現了相應的功能。

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

2 研究思路及技術路線

傳統的機床夾具設計，通常使用二維 CAD 技術或UGNX10.0及SolidWorks等三位軟件進行設計，一般情況下設計周期長、勞動量大、修改不便、效率低，為此，機床夾具設計過程中采用模板，運用 UGNX10.0軟件作為設計工具，設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計手冊的體系結構和機床夾具的國家標準而設計的。改變了傳統夾具設計模式，根據工件圖紙、生產裝備、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合的方式進行設計，實例庫設計了各種機床的常用典型夾具，夾具庫用所有符合國家標準的夾具零部件，結合典型實例，交互式式的夾具設計方法進行機床夾具的設計，以三維建模為基礎構建夾具實體模型，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，大大縮短了夾具設計與制造周期，減少重復勞動，提高工作效率，降低生產成本。UGNX10.0專用夾具設計技術路線如圖1所示。

3 夾具設計案例

本夾具是針對杠桿臂進行設計的鉆床專用夾具，根據工件加工圖紙要求，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確，所以基于UG軟件構建三維實體建模。

3.1 創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、美化等操作創建工件的三維模型，如圖2所示。

3.2 設計杠桿臂鉆床夾具

運用設計的夾具元件庫選擇所需夾具元件，運用參數化驅動設計夾具元件尺寸，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，滿足設計需要，同時按照六點定位原理，確定定位元件的設計方案，采用定位銷和端面限制工件的5個自由度，可調支承限制工件繞Z軸旋轉的自由度，而由于工件加工Φ10部位處于懸臂狀態，為了保持工件定位時的穩定性及增強剛性，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合的方式進行夾緊，然后根據工件、定位元件、夾緊元件、輔助元件來設計夾具體，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，并且當三維模型改變時，二維圖中的相關視圖、尺寸等會同步更新，設計步驟包括：選擇圖紙、比例、創建視圖、標注、圖紙輸出，夾具裝配圖如圖4所示。

4 結束語

工藝裝備計算機輔助設計與制造隨著CAD/CAM技術和工藝裝備發展而不斷進步，運用UGNX軟件參照機床夾具設計手冊的體系結構和機床夾具的國家標準建立了機床夾具元件庫通用性更強。結合實例為主，交互式為輔的夾具設計方法進行機床夾具的設計。大大縮短了夾具設計與制造周期，減少重復勞動，提高工作效率，降低生產成本。

參考文獻：

[1] 徐春林.工藝裝備計算機輔助設計與制造[M].安徽：中國科學技術大學出版社，2016：1-2.

[2] 李艷霞，郭新蘭.基于UG平臺的銑床夾具設計研究[J].現代制造技術與裝備，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計研究[J].模具工業，2020，46（03）： 60-64.

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

[5] 郭歡.數控加工工藝規程與夾具設計問題的思考[J].南方農機，2020，51（04）：178.

[6] 張溥海.基于CATIA二次開發的組合夾具設計研究[D].合肥工業大學，2017.

基金項目：山東商務職業學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：機械設計制造。