基于數字化制造平臺的專用夾具制造實訓探索

杜官將， 賈曉林， 李光榮

（南京工程學院機械工程學院，南京211167）

0 引 言

隨著信息技術、人工智能技術的飛速發展以及與制造業加速融合，為全球制造業轉型升級帶來了新機遇，智能制造應運而生。智能制造影響廣泛，為應對挑戰，日本提出“智能制造系統（IMS）”，美國提出“信息物理系統（CPS）”，德國提出“工業4.0”，我國提出“中國制造2025”。“中國制造2025”以創新驅動為主題，以信息化與工業化深度融合為主線，以推進智能制造為主攻方向。根據智能制造技術特征，智能制造可歸納為3個階段，即：數字化制造（第一代智能制造）、數字化網絡化制造（“互聯網＋”制造）、數字化網絡化智能化制造（新一代智能制造）［1-3］。其中，數字化制造是智能制造的基礎。

圍繞培養智能制造應用型人才，更好地服務社會，我校機械設計制造及其自動化專業對原課程體系進行了調整和充實，在原數控實習的基礎上，充分利用數控加工設備，增加3D打印，自主開發車間網絡數字傳播平臺，構建數字化制造平臺［4-7］，設計了數字化制造綜合實踐實訓項目，并重新制訂教學大綱，強化數字化應用。到目前為止，已完成3屆學生的實訓，根據實施效果、同學反饋、專家的建議等，在實踐中進行了持續改進，使我校的數字化制造綜合實踐的教學水平再上一個臺階。

1 數字化制造平臺

1.1 硬件

主要有各類數控機床，如數控車床、數控銑床、五軸加工中心，3D打印設備，鋸床，電火花加工設備，普通機床和鉗工工作臺等，能夠完成數控車削、銑削加工，孔加工，形狀較復雜的表面加工；3D打印能完成較復雜零件的制造；鋸床可實現對棒料、塊料等原料的分割和切斷。

1.2 軟件

主要有：UG NX軟件，CURA軟件（3D打印），自主開發車間網絡數字傳播平臺（控制中心主機），FANUC數控系統，SIEMENS數控系統。

根據我校機械設計制造及其自動化專業教學大綱，在此實訓前，學生已完成機械制造工藝學、數控技術、CAD／CAM等相關課程的學習，了解數控機床結構及編程方面的知識，具備了數控加工工藝設計能力和UG NX軟件的應用能力。

2 項目規劃和流程

2.1 項目規劃

項目以小組為單位，8～10位同學1組，每組完成1套專用夾具的加工、裝配，每位同學加工1～2個非標準零件，1位同學完成專用夾具中工件的3D打印，標準零件可在市場上購買或分配給同學加工，全組成員參加夾具裝配和調整工作。

2.2 項目流程

學生以完成專用夾具的數控加工、裝配等任務為項目核心，運用UG軟件建立專用夾具非標準零件的模型，通過CAM生成數控加工程序，數控加工，完成非標準零件的制造。UG軟件建立工件的三維模型，導入3D打印機，打印工件。最后，進行專用夾具的檢測和裝配。項目工作流程如圖1所示。

圖1 項目流程圖

3 項目目標

通過項目實訓，主要培養學生以下幾個方面能力：

（1）數控工藝設計并編程。能根據被加工零件結構、技術要求，設計零件數控加工工藝方案，要求考慮經濟性，并制定數控加工工藝卡片，編寫數控加工程序。對于結構復雜的零件，可使用UG NX軟件建模，CAM操作，后處理生成數控加工程序。

（2）加工零件、裝配，撰寫實踐報告。根據現場加工情況，具有調整、控制零件相關表面加工精度和表面粗糙度的能力，產品裝配、調整后，須符合裝配質量要求。根據自己在實踐過程中任務情況，查閱資料，每人完成1份詳細的實踐報告。

（3）能與小組成員協作，共同完成項目。小組中每個成員都要積極主動與他人溝通，明確自己在小組中承擔的任務。因實行項目教學，每一個環節都可能會影響項目的完成進度。因此，小組成員之間應互相學習、互相督促，在實踐過程中培養團結協作精神，并依據組員在小組中所起的作用和貢獻進行評價。

（4）具備機床操作能力和安全意識。掌握數控車床、數控銑床、加工中心、鋸床及3D打印機等設備結構、工作原理和操作步驟，樹立安全觀念，膽大心細，牢記人身安全和設備安全。

4 項目實施

4.1 項目選取及任務分配

機床專用夾具是機械設計制造及其自動化專業的重要專業內容，我校在教學大綱中安排了機械制造技術課程設計（工藝、夾具），如果條件允許，可結合前期工藝夾具課程設計成果，從中挑選設計質量比較好的專用夾具作為本項目的課題，讓學生見證自己設計的產品加工出來的過程，從而體現設計、制造一體化，提升學生的成就感，加深學生對專業知識的綜合理解能力。也可以從有關資料中選用專用夾具作為項目課題。

通常，中等復雜程度的機床專用夾具，除標準件外，零件數量大約10幾個，同時，要求夾具結構尺寸不宜過大，應在數控車、銑床和加工中心的加工尺寸范圍內。學生在選題過程中，根據已掌握的專業知識，對專用夾具的結構工藝性進行審查，最后需經指導老師審核，以確保項目質量［8-10］。

某小組選擇了撥叉鉆夾具，該夾具共有23種零件組成，其三維裝配圖如圖2所示；小組成員任務分配如表1所示。

表1 任務分配表

圖2 撥叉鉆夾具三維裝配圖

4.2 毛坯的準備與下料

夾具中非標準零件的毛坯種類多樣，有鑄件、鍛件或焊接件等。因現場條件限制，毛坯只能選用各種型號的棒料、塊料或金屬板料等，且均為鋁合金材料。這與夾具設計時各零件選用的材料、毛坯制作方法可能不相符，導致零件性能、加工工藝及材料切削加工性能等都會發生變化，這些都是項目需要改進的地方。對于棒料或尺寸較大塊料、板料，使用鋸床進行下料。根據零件尺寸大小，估算好加工余量和裝夾余量，計算下料尺寸。本平臺使用鋸床型號為GY4230，在該鋸床上進行裝夾、下料，下料時要注意冷卻，保護鋸齒。

4.3 夾具非標準零件的數控加工工藝設計

根據零件結構、加工精度、表面質量、生產類型等要求，制訂零件數控加工工藝，并填寫數控加工工藝卡片。表2所示為支架零件（尺寸：110 mm×132 mm×65 mm）數控加工工藝卡片。

表2 支架數控加工工藝及參數

4.4 夾具非標準零件的建模、CAM

機床專用夾具中，比較簡單的零件，可以手工編程；比較復雜的零件（如夾具體、支架、心軸等），UG軟件三維建模后，可借助其CAM功能，后處理生成數控加工程序。UG CAM的流程圖如圖3所示。

圖3 UG CAM的流程圖

以支架為例，其三維模型如圖4所示，CAM后刀路軌跡如圖5所示。

圖4 支架三維模型

圖5 支架刀路軌跡

UG CAM生成的支架鉆孔程序：

%＿N＿JX143221＿MPF

；＄PATH＝／＿N＿MPF＿DIR

N0010 G54 G40 G90 ＇設置坐標系、補償取消、絕對坐標

N0030 T01 M08 ＇刀補、冷卻液打開

S800 M03 ＇主軸正轉，轉速800 r／min

G0 Z20

X0 Y0 ＇刀具快進到X0 Y0 Z20

N0040 G00 G90 X-11 Y-1 F100

CYCLE83（20.00，0.00，3.00，－45.00，45.00，－3.00，

3.00，2.00，0.00，0.00，0.50，1）

G0 Z100 ＇刀具快退到Z100

N0090 M30 ＇程序結束

%

4.5 數控加工程序的傳輸

數字化制造平臺依托自主開發的“生產工位物聯網系統”資源，通過互聯網將控制中心主機與平臺內的數控機床、加工中心連接，實現了計算機與機床間的信息傳輸。先調整數控機床至程序接收狀態，由平臺主機傳輸NC程序至機床，節約了準備時間，提高了數字化利用效率。

4.6 加工操作

FANUC系統數控機床，開機后，需先回機床零點，再進行其他操作。

（1）對刀。在數控加工前，必須對加工過程中所有用到的刀具進行對刀。對刀的目的是確定刀具與機床或工件的相對位置，對刀的好壞直接影響零件的加工質量。數控車削利用試切對刀，一般需要進行X、Z方向對刀；數控銑削利用對刀儀對刀，一般需要進行X、Y、Z方向對刀。對刀完畢后，需要驗刀，驗證對刀結果，以保證零件加工質量和操作安全。

（2）刀軌仿真。NC程序傳輸至機床后，為了確保加工安全，需要驗證數控程序的正確性和后處理構造器的匹配性，必須在數控機床上進行刀軌仿真。仿真過程中，仔細觀察刀具運動軌跡是否正常，機床是否有報錯信息等。如發現異常，需及時處置，找出原因，對程序進行修改或對機床進行調整，以免影響加工質量，甚至安全事故。

（3）加工。加工前，要讓學生進行數控機床操作練習，熟悉數控機床結構、各按鈕的功能和操作步驟，以便在加工時進行有效操作，注意安全教育，讓學生熟知緊急情況下的應對措施。在確認零件加工程序、對刀正確的情況下，就可以對零件進行加工了。圖6所示支架零件加工中，毛坯下部留有虎鉗夾持余量，加工后，銑去夾持余量，得到支架零件。

圖6 支架零件加工實況

5 工件3D打印

為了演示夾具的工作過程和裝配關系，夾具中的工件必須制作出來。根據工件的要求，需要用傳統的方法（如鑄造，或鍛造，或焊接等）制造毛坯，經加工才能獲得工件。因受到條件限制，且傳統方法生產周期長，故實訓采用3D打印技術，快速生成工件模型。

3D打印技術使用金屬粉末、熱塑性材料等，在相關載體上，逐層打印疊加，獲得產品三維原型，數字模型是3D打印技術的重要組成部分。但由于受到打印材料的局限，產品強度往往較弱［11-13］。

數字化平臺現有8臺威寶仕3D打印機（型號為Wiiboox），料絲使用PLA材料。采用熱塑擠壓3D打印的原理，可制作體積較大且較精致的模型。應用UG NX建立工件三維模型，然后轉換成打印機所需格式文件（***.stl），打印機讀取文件后，通過CURA調整參數，最后導入SD卡，打印機直接讀取打印，得到工件。圖7所示為工件3D打印中，圖8所示為3D打印的工件。

圖7 工件3D打印實況

圖8 3D打印的工件

6 專用夾具的裝配

因單件生產，故專用夾具裝配采用固定式組織形式。裝配順序采用先內后外，先下后上，先難后易的原則。為了保證裝配精度，提高裝配效率，將本專用夾具劃分若干裝配單元，實行平行裝配，最后進行總裝。

本例中，基礎件為底座，由支架、導向組件、定位件等裝配形成支架部件，由手柄、偏心輪、夾緊塊組成夾緊部件。零件安裝前必須經過檢查，不合格的零件不能裝配。根據專用夾具的裝配要求，選取相應的裝配方法、裝配工具及設備。由于專用夾具制造屬于單件小批生產，通常只需要繪制裝配系統圖，裝配時，按照裝配系統圖進行裝配［14-15］。圖9所示為支架部件裝配系統圖。

圖9 支架部件裝配系統圖

7 結 語

通過3周的數字化綜合實踐，學生以組為單位，完成了專用夾具制造、裝配的全過程，加深了學生對本專業方向的理解，鍛煉了學生操作數控機床的能力，了解制造過程中的經濟性，對學生的成長、成才都有較大幫助，學生普遍反映良好，工程教育專業認證專家現場考察也給予了充分肯定。

主要成績：①依據數字化綜合實踐平臺，實現加工對象由單個零件到產品（專用夾具）的轉變，不僅有制造環節，還有裝配環節，數字化制造特色顯著。②通過分工協作，以小組為單位推進項目開展，促進了學生之間的交流與溝通，培養學生團結、協作精神。③通過項目實訓，加深了對數控加工工藝、數字化制造技術的理解和應用能力的提升。

主要不足：①由于毛坯選用材料為鋁合金，與原零件材料不同，導致切削用量、切削刀具等選擇上有差異；②選用棒料、塊料、板料等作為毛坯，由于與夾具零件結構上有差異，其加工方法也發生變化，因采用材料去除原理加工，一些在零件上的非加工表面也變成了加工表面，導致零件加工工藝發生改變。