智能制造背景下組合夾具拆裝實驗設計*

劉 永 ，陳 誠 ，王生懷 ，陳君寶 ，褚曉雯 ，周 旭

（湖北汽車工業學院機械工程學院，湖北 十堰 442002）

0 引言

近年來，數控機床、加工中心已經被日益廣泛地應用到機械加工領域，面對大批量、多規格的市場需求，在非標工裝設計中組合夾具具有設計周期短、可柔性組裝的優點[1-2]，符合實際生產需要。機械設計制造及其自動化本科專業中的“機械制造技術基礎”是一門重要的偏實踐類的專業必修課程，而機床專用夾具設計是其中的一個重要章節。實踐是檢驗真理的唯一標準。實驗教學作為高校課程教學環節中不可缺少的一部分，起到了理論教學不可替代的作用。機床專用夾具設計的實驗教學內容能有效地印證課堂理論教學內容，為學生直觀、感性地掌握機床夾具設計的原理和流程提供實踐場景。

為了進一步提升實驗教學的效果，支撐起“機械制造技術基礎”課程中機床專用夾具設計部分的教學內容，相關高校進行了實驗教學改革的嘗試。隨著計算機技術的發展，利用三維軟件[3-4]及虛擬現實技術[5-6]，可以在沒有夾具實物的情況下使學生依然能獲得直觀的感性認識，激發其學習興趣，增強了實驗教學的效果。綜合夾具實驗臺將手動和液壓兩種類型的夾具融合在一起，將液壓、機電傳動控制等課程相關內容聯系起來，增加了實驗臺的教學功能[7]。項目式[8]、工藝與夾具結合式[9]實驗教學，能通過具體的工程案例凸顯教學內容，使學生在“做中學，學中做”，潛移默化地培養其工程素養和工程能力。利用自制的拼裝式組合夾具模型[10]可以對多種典型零件進行夾具設計、組裝，在實驗教學中，教師可方便地演示模型，此種實驗教學模型有利于培養學生的動手能力和創新能力。

湖北汽車工業學院的夾具實驗教具均是特定的、安裝好的，不具備方便拆卸、隨意組裝的功能。為了提高人才培養質量，針對實際生產中數控裝備應用日益廣泛、加工零件規格逐漸多樣化的柔性生產模式，需要設計相關的組合夾具實驗以滿足實驗教學的需要。

1 夾具設計理論與實驗教學存在的問題

機床專用夾具設計是“機械制造技術基礎”課程中的一個重要章節，湖北汽車工業學院該門課程章節對應的課程目標為：能根據機械產品、零件的技術要求，設計合理的制造、裝配工藝及工裝夾具。“機械制造技術基礎”課程本身的實踐性強，教材內容由于篇幅的限制，只能對該章節中的六點定位原理、定位元件、加緊機構、定位誤差等理論進行理論闡述，雖然其中也會列舉簡單的實例，但實例圖是簡單的結構示意圖，如果僅僅照本宣科，完全達不到課程目標的要求。課堂上教師在講解夾具設計基本理論的同時，會穿插列舉一些典型車床、銑床、鉆床、鏜床專用夾具的設計案例，以工程圖的形式展開分析。圖紙是“工程語言”，夾具設計案例以裝配工程圖的形式在圖紙上體現，由于工程圖是二維圖，學生缺少工程實際經驗，在學校里畫圖、識圖的數量偏少，識圖能力欠缺。課堂上若以二維工程圖的形式講解，學生會因為看不懂圖進而跟不上理論課教師的講解思路而產生“挫敗感”，從而難以深入掌握機床夾具設計的關鍵內容，更談不上工程素養和工程能力的培養。實驗教學過程中，實驗室里有木質夾具模型和鋼件夾具實物，有螺紋夾緊、偏心輪夾緊、液壓夾緊等不同夾緊方式的夾具。學生在此部分理論課程學習完成后，進入實驗室親眼見到這些模型會有一定的感性認識，方便消化、理解課堂教學內容。但實驗教學環節也明顯存在一定的不足之處：沒有專門的實驗項目支撐理論教學內容，學生進入實驗室只是隨意看看；實驗室里的機床夾具模型上沒有要加工的工件，學生看后不知道此夾具是用來加工什么樣的零件的，也不知道能用來加工零件的哪一個表面；夾具模型是裝配好的，拆卸不方便，不能為學生提供動手拆裝的機會。

由此可見，亟須在實驗教學中增加夾具拆裝實驗項目，以此增強學生的感性認識和動手實踐能力，從而促進該部分課程教學目標的達成，實現培養學生工程素養和工程能力的目的。

2 組合夾具拆裝實驗設計及實施過程

選購某教學儀器公司生產的組合夾具，其實物圖如圖1所示。

圖1 組合夾具實物圖

選購的組合夾具為鋁合金材質，重量輕、便于搬運，可以避免掉落造成的身體傷害。共購買了3套，每套組合夾具有15個工件，可以組合成多套機床專用夾具。每套組合夾具中有長方形、正方形、圓形、T形槽式基礎板用來當作機床的工作臺。另外還有支撐件，其作用是將基礎件和定位元件連接，這些支撐件有不同規格及厚度的支撐板、墊塊等。定位元件有定位塊、定位套、定位板、V型塊、定位銷等，這些元件和工件表面接觸，起定位作用。夾緊裝置有螺紋夾緊裝置、偏心輪夾緊裝置、斜楔夾緊裝置等，其作用是將工件夾緊，保持工件在定位元件上的位置不變。引刀元件有鉆模板、對刀塊等，其作用是引導刀具進入加工位置，通過夾具設計控制刀具和定位元件的尺寸精度，保證設定好的背吃刀量，從而保證實際加工尺寸達到設定好的工序尺寸。每套組合夾具配有活動扳手、內六角扳手等裝卸工具。

學生進入實驗室前，教師應提前將實驗作業指導書、夾具三維裝配動畫、錄制的實驗操作過程講解視頻等資料放在超星學習通線上平臺的課程里，供學生進行實驗前預習。提前將3～5人分為一組，每組選用不同的零件。學生進入實驗室后用游標卡尺、深度尺和卡規等測量工具測繪出零件圖。教師指定每個零件要加工的表面，提供工序尺寸及公差，要求學生設計、裝配、拆卸此道機械加工工序專用夾具。

實驗過程中，學生應先確定零件要加工的表面及工序尺寸，在測繪出的零件草圖上確定此道機械加工工序夾具的定位夾緊方式。再由指導教師檢查定位夾緊方案的合理性，對于不合理的方案，和學生一起從六點定位原理、粗及精基準的選擇原則、零件加工工藝、夾緊裝置的選擇等角度進行分析、改進。有的小組設計的定位方案是過定位和欠定位，表明這些學生雖然進行了相關理論課的學習，但對定位和夾緊的概念還是不太清楚，正好可以對著零件和組合夾具部件深入學習。定位是將工件看作成一個剛體，限制其在空間直角坐標系下的3個移動和轉動的自由度，六點定位原理是通過定位元件模擬支撐點在工件表面上將上述6個自由度都限制。大批量生產時，通過夾具上的定位元件保證每一個工件放到夾具上的位置都是確定的，不需要像單件小批量生產那樣每件都要重新調整，提高了生產效率。定位完成后，依靠夾緊裝置將工件固定在定位元件上。夾具上安裝工件的順序是先定位再夾緊，這樣對著實物講解，學生能很直觀地掌握兩者之間的區別和聯系。如果是欠定位，保證加工尺寸精度和形位公差的自由度就沒有被限制；如果是過定位，則同一個自由度被不同的定位元件重復限制，一批工件的同一加工尺寸有波動，就會出現有的工件安裝不上的情況。以過定位為例，讓組合夾具中的連桿零件采用“一面兩銷”的定位方式。如果兩個銷都是短圓柱銷，一批連桿工件的大、小頭孔心距尺寸是波動的，就會出現兩個銷不能同時裝進連桿零件大、小頭孔的情況。而若將其中一個短圓柱銷改成削邊銷，削邊的方向與孔心線垂直，就能消除過定位現象。學生對著工件和夾具自己操作試裝一下就會很快明白相關概念。

定位夾緊方案確定后，學生即可選擇合適的元件實現方案，從而完成組合夾具的設計和裝配。裝配好的組合夾具三維圖如圖2所示。裝配過程中如果存在問題，教師可以將三維軟件生成的裝配圖及爆炸圖視頻播放給學生觀看。

圖2 組合夾具三維圖

實驗完成后，讓學生課后完成實驗報告。實驗報告預留的題目應緊密結合實驗內容，便于引導學生深度思考。這些題目有：1）簡述機床通用夾具、專用夾具、組合夾具之間的異同點。2）繪制出本道工序組合夾具的工序簡圖，并分析定位誤差的構成及大小。3）在設計的組合夾具中指出定位元件、夾緊元件、引刀元件。4）本道工序的機床夾具是如何保證工序尺寸精度的？通過這些習題使學生對實驗及課堂相關教學內容進行提煉與再認識。

3 結論

在智能制造背景下，傳統的機床夾具實驗教學內容已經滿足不了讓學生掌握相關專業知識、培養學生工程素養和工程能力的課程目標要求。本文設計的組合夾具拆裝實驗，在教學過程中不僅增加了感性認識，還能鍛煉學生的動手實踐能力，使其在實驗的過程中積極思考工程問題，達到了預期的教學效果。