柔性制造系統(tǒng)中組合夾具的設(shè)計
0、引言
隨著機械制造業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式逐步被中小批量生產(chǎn)模式所取代，機械制造系統(tǒng)欲適應(yīng)這種變化須具備較高的柔性。國外已把柔性制造系統(tǒng)（FMS）作為開發(fā)新產(chǎn)品的有效手段，并將其作為機械制造業(yè)的主要發(fā)展方向。
柔性化的著眼點主要在機床和工裝兩個方面，而組合夾具又是工裝柔性化的重點。組合夾具是一種標準化、系列化、通用化程度很高的工藝裝備，它是由一套預先制造好的各種不同形狀、不同規(guī)格、不同尺寸、具有完全互換性的標準元件和組合件，按工件的加工要求組裝而成的夾具。由于組合夾具使用完畢后，可以拆卸、清洗，重新組裝新的夾具，因此，組合夾具的應(yīng)用非常普遍，尤其適合于多品種、中小批量的生產(chǎn)。
然而，多年來，對組合夾具的設(shè)計和組裝，由于時間、環(huán)境條件的限制，總體設(shè)計與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只能串行不能并行。夾具工藝師對工件的定位、裝夾設(shè)計主要依賴經(jīng)驗，定性分析較多，定量分析較少，且計算復雜，同時缺乏必要的優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計的圖紙不夠直觀。在裝夾過程中工人要認真消化圖紙，設(shè)計過程前期的潛在問題，在總裝時匯總，達不到預期的效果，甚至造成返工。設(shè)計過程中的裝配干涉問題，無法在設(shè)計中提前發(fā)現(xiàn)，造成工人的勞動強度增大。已經(jīng)很難適應(yīng)當今快速、多樣化的制造需求。這一特點為計算機輔助裝配系統(tǒng)的研制與開發(fā)，提出了亟待解決的問題。
傳統(tǒng)的組合夾具設(shè)計主要依靠手工完成，CAD 設(shè)計系統(tǒng)主要采用以交互式為主的半創(chuàng)成式設(shè)計方法?，F(xiàn)在，大量三維實體造型軟件崛起，如Pro / E 、Solidworks、UG、Solidedge 等，推動了設(shè)計領(lǐng)域的新革命，由于這些三維軟件，不僅僅可創(chuàng)建三維實體模型，還可利用設(shè)計出三維模型進行模擬裝配和靜態(tài)干涉檢查、機構(gòu)分析、動態(tài)干涉檢查、動力學分析、強度分析等。同時由于組合夾具的組件全部是標準件，而且數(shù)量有限，易于儲存和檢索等特點，使建立組合夾具站成為可能。若將計算機輔助設(shè)計應(yīng)用到組合夾具設(shè)計中，尤其是將Pro / E 應(yīng)用到組合夾具設(shè)計中，則可使組合夾具的設(shè)計非常快捷，裝配生產(chǎn)率得以顯著提高。
1、建庫
1.1 建庫必要性
盡管系統(tǒng)本身有一個數(shù)量龐大的特征庫：其中包括少部分組合夾具標準件，但各種不同規(guī)格尺寸的組合夾具標準件數(shù)量非常多是不爭的事實，況且一般情況下組合夾具組裝站只配置其中一部分標準件，同時不同廠家生產(chǎn)的標準件規(guī)格略有不同，這種情況勢必影響設(shè)計效果和效率。若能根據(jù)組裝站實際配置的標準件重新創(chuàng)建標準件庫，既可充分利用現(xiàn)有標準件進行組合夾具的設(shè)計，又可免去重復煩瑣地創(chuàng)建標準件模型，同時標準件的回取比較快捷。這樣，設(shè)計者可以直接在標準件庫中選取零件，非?？旖莸貙崿F(xiàn)組合夾具的動態(tài)模擬裝配。
1.2 組合夾具庫的結(jié)構(gòu)
組合夾具是在夾具零部件標準化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的工藝裝備。它由一套預先定制好的、具有各種不同形狀的規(guī)格尺寸的標準元件和組合件組成。在加工工件前，根據(jù)工件的工藝要求、采用的設(shè)備和夾具設(shè)計原則，選擇夾具元件，確定元件間的位置關(guān)系，組裝出機械加工使用的工裝夾具。組合夾具基本組件數(shù)量繁多，為便于歸類和方便檢索標準件，將組合夾具可分為九大類，即基礎(chǔ)件、支承件、定位件、導向件、壓緊件、緊固件、其它件、合件，其中每一類型中又包括多個品種，每個品種中又有不同的規(guī)格。
1.3 建庫的步驟
創(chuàng)建夾具標準件圖形庫的主要任務(wù)是圖形生成。對于標準件等相似性強的圖形生成可采用變量法即參數(shù)法：對于原始模型的所有幾何特征，給定它的組成參數(shù)及其參數(shù)值的變化范圍，這些可變參數(shù)稱為變量，通過輸入這些變量值，便可得到所需形狀及尺寸。組合夾具的標準件上都設(shè)計有尺寸相同、間隔均勻的T 形槽、長方槽、螺紋孔等結(jié)構(gòu)，因此，采用以下兩個步驟建庫便可簡化煩瑣重復的標準件創(chuàng)建過程。
第一步，創(chuàng)建用戶定義特征。UDF 把標準件上都具有的T形槽、螺紋孔等特征建立UDF，一般根據(jù)組合夾具系列的不同，需創(chuàng)建的主要UDF 如附表所示。在創(chuàng)建各標準件時只需把UDF 特征加載到基本幾何體上，便可非?？旖莸貏?chuàng)建標準件。
第二步，創(chuàng)建簇表Family Table。既然同一類型中的組件其形狀相似，用Pro / E 中的族表功能則會事半功倍。Pro / E 中的簇表（Family Table）是本質(zhì)上相似的零件（或組件、特征）的集合，但在大小或詳細特征等一兩個方面稍有不同。對于重復性高、相似性大的零件（如螺絲、扳手等）或者標準件，不需要每個規(guī)格都建立一個零件，而可以使用一個原始樣本零件（Generic Part）及一簇表（Family Table）即可代表無數(shù)個零件。任何時候，只要調(diào)出簇表內(nèi)任一個零件的名稱，即可自動產(chǎn)生一個照簇表所示尺寸比例的零件。
顯然，族表大大提高了標準化組件的用途。它們不但允許在Pro / E 中表示實際的零件清單，而且使得組件中的零件和子組件容易互換（因為來自同一族的實例互相之間可以自動互換）。但在創(chuàng)建簇表的過程中，對于原始模型的選擇要注意兩個問題：一是往往選擇同類型標準件中尺寸最大的標準件作為原始模型。二是當尺寸最大的標準件不能包含同類型標準件的所有特征時，應(yīng)在尺寸最大的標準件基礎(chǔ)上添加上未包含的特征才能作為原始模型。
2、用Pro / E 進行組合夾具設(shè)計步驟
2.1 創(chuàng)建工件模型
創(chuàng)建工件模型是在標準件庫創(chuàng)建工作完成之后進行的。首先需要分析的內(nèi)容包括：工序圖、工件的結(jié)構(gòu)形狀特征、本道工序的加工要求。然后創(chuàng)建出工件三維實體模型，以便于進行動態(tài)模擬裝配。
2.2 夾具裝配
根據(jù)零部件之間的裝配關(guān)系和約束條件，進行虛擬設(shè)計組裝，并進行相應(yīng)檢驗，進而對設(shè)計進行分析，對不合理的設(shè)計進行修改。首先分析工序圖，初步確定定位、夾緊及導向、對刀方案，然后可在標準件庫中直接選取合適的定位、夾緊、導向、對刀元件，并要選擇合適的基礎(chǔ)板來支承這些元件。接下來便可進行組合夾具的動態(tài)裝配，在模擬裝配時應(yīng)注意裝配的順序，在基礎(chǔ)夾具體上安裝定位元件，實現(xiàn)工件定位后，再安裝夾緊元件及導向?qū)Φ对Ｈ鐖D1所示，應(yīng)用Pro / E 設(shè)計的車削一偏心軸外圓的組合夾具。
圖1 夾具裝配圖
2.3 裝配體的分析
對夾具裝配體的結(jié)構(gòu)、大小、轉(zhuǎn)動慣量等的分析是總體設(shè)計必不可少的環(huán)節(jié)之一。在傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，這一過程一般靠手工計算，大多數(shù)情況只是依靠經(jīng)驗而使準確度不易保證，增加總體設(shè)計的困難。應(yīng)用Pro / E 軟件，會使裝配間隙的調(diào)整和裝配干涉的檢查變得更加準確、直觀、快捷。而且對于檢驗設(shè)備不能接近的部位，間隙也能得到控制，使得干涉問題消除在方案階段。
第一步，在菜單【Model】→【Part】→【Setup】→【Densit.】的提示行給出材料密度，在菜單【Model】→【Part】→【Setup】→【Units】下定義質(zhì)量、長度單位。
第二步，進入【Analysis】主菜單，可以對距離、模型、曲線、曲面等進行實時分析。
調(diào)換不合理的組件，修改不合理的位置，Pro / E 的全相關(guān)性能夠?qū)M件的尺寸、大小、規(guī)格稍作變化，裝配體隨之會相應(yīng)更改，達到完全滿足設(shè)計要求為止。
2.4 信息處理
相關(guān)信息的處理包括裝配圖和爆炸圖的生成和明細表的提取。
（1）裝配圖和爆炸圖的生成
Pro / E 擁有強健的裝配圖繪制功能。在三維空間實現(xiàn)了組合夾具模擬裝配后，即可在菜單上指定一個命令，快捷地創(chuàng)建二維裝配圖。若基本視圖或向視圖不能清楚表達較復雜裝配關(guān)系時，則作必要的剖面，選擇這些剖面作局部放大、旋轉(zhuǎn)、展開等種類視圖。對于三維組裝模型，可將其作為獨立視圖，縮放后放于圖紙右上角，以提高工程人員的閱讀速度。這樣，既可節(jié)省校對、審核和批準人員的圖面檢查時間，又可以使其投入更多的精力進行功能性審查。
（2）明細表的提取
在視圖完成后，Pro / E 平臺能自動地完成零件數(shù)量的統(tǒng)計和明細表的填寫等相關(guān)信息，而在傳統(tǒng)的組合夾具設(shè)計中，對組合組件的信息統(tǒng)計需耗費夾具工藝師不少的時間和精力。在主菜單【Info】列表中可以顯示出特性信息、裝配體模型的所有組成組件、特征主從關(guān)系、模型尺寸等。例如【Info】→【Model】→【Top】→【Leve】→【Apply】可以列出裝配順序、主從關(guān)系、基本尺寸等，建立基本信息明細表，工藝師可以編輯明細表，為組裝工人提供組裝依據(jù)，使實際組裝更加條理化。最后是組裝工人依靠建立的三維裝配模型、爆炸圖、二維視圖、信息明細表進行實際裝配。
3、結(jié)束語
采用Pro / E 軟件創(chuàng)建組合夾具標準件庫，設(shè)計人員通過合理選擇標準件，可迅速進行模擬裝配，對不合理的裝配結(jié)構(gòu)可及時調(diào)整更改。隨著機器人的發(fā)展，組合夾具的實際裝配更趨于自動化，由Pro / E 設(shè)計完成裝配體后，建立的裝配信息控制機器人自動裝配，可將工人工作量減到最低，可使裝配技術(shù)更加適合現(xiàn)代制造的需要。Pro / E 智能化的三維軟件為組合夾具設(shè)計帶來方便，也使組合夾具更加適合應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)。
隨著機械制造業(yè)的飛速發(fā)展，產(chǎn)品的更新?lián)Q代越來越快，傳統(tǒng)的大批量生產(chǎn)模式逐步被中小批量生產(chǎn)模式所取代，機械制造系統(tǒng)欲適應(yīng)這種變化須具備較高的柔性。國外已把柔性制造系統(tǒng)（FMS）作為開發(fā)新產(chǎn)品的有效手段，并將其作為機械制造業(yè)的主要發(fā)展方向。
柔性化的著眼點主要在機床和工裝兩個方面，而組合夾具又是工裝柔性化的重點。組合夾具是一種標準化、系列化、通用化程度很高的工藝裝備，它是由一套預先制造好的各種不同形狀、不同規(guī)格、不同尺寸、具有完全互換性的標準元件和組合件，按工件的加工要求組裝而成的夾具。由于組合夾具使用完畢后，可以拆卸、清洗，重新組裝新的夾具，因此，組合夾具的應(yīng)用非常普遍，尤其適合于多品種、中小批量的生產(chǎn)。
然而，多年來，對組合夾具的設(shè)計和組裝，由于時間、環(huán)境條件的限制，總體設(shè)計與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)只能串行不能并行。夾具工藝師對工件的定位、裝夾設(shè)計主要依賴經(jīng)驗，定性分析較多，定量分析較少，且計算復雜，同時缺乏必要的優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計的圖紙不夠直觀。在裝夾過程中工人要認真消化圖紙，設(shè)計過程前期的潛在問題，在總裝時匯總，達不到預期的效果，甚至造成返工。設(shè)計過程中的裝配干涉問題，無法在設(shè)計中提前發(fā)現(xiàn)，造成工人的勞動強度增大。已經(jīng)很難適應(yīng)當今快速、多樣化的制造需求。這一特點為計算機輔助裝配系統(tǒng)的研制與開發(fā)，提出了亟待解決的問題。
傳統(tǒng)的組合夾具設(shè)計主要依靠手工完成，CAD 設(shè)計系統(tǒng)主要采用以交互式為主的半創(chuàng)成式設(shè)計方法?，F(xiàn)在，大量三維實體造型軟件崛起，如Pro / E 、Solidworks、UG、Solidedge 等，推動了設(shè)計領(lǐng)域的新革命，由于這些三維軟件，不僅僅可創(chuàng)建三維實體模型，還可利用設(shè)計出三維模型進行模擬裝配和靜態(tài)干涉檢查、機構(gòu)分析、動態(tài)干涉檢查、動力學分析、強度分析等。同時由于組合夾具的組件全部是標準件，而且數(shù)量有限，易于儲存和檢索等特點，使建立組合夾具站成為可能。若將計算機輔助設(shè)計應(yīng)用到組合夾具設(shè)計中，尤其是將Pro / E 應(yīng)用到組合夾具設(shè)計中，則可使組合夾具的設(shè)計非常快捷，裝配生產(chǎn)率得以顯著提高。
1、建庫
1.1 建庫必要性
盡管系統(tǒng)本身有一個數(shù)量龐大的特征庫：其中包括少部分組合夾具標準件，但各種不同規(guī)格尺寸的組合夾具標準件數(shù)量非常多是不爭的事實，況且一般情況下組合夾具組裝站只配置其中一部分標準件，同時不同廠家生產(chǎn)的標準件規(guī)格略有不同，這種情況勢必影響設(shè)計效果和效率。若能根據(jù)組裝站實際配置的標準件重新創(chuàng)建標準件庫，既可充分利用現(xiàn)有標準件進行組合夾具的設(shè)計，又可免去重復煩瑣地創(chuàng)建標準件模型，同時標準件的回取比較快捷。這樣，設(shè)計者可以直接在標準件庫中選取零件，非?？旖莸貙崿F(xiàn)組合夾具的動態(tài)模擬裝配。
1.2 組合夾具庫的結(jié)構(gòu)
組合夾具是在夾具零部件標準化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型的工藝裝備。它由一套預先定制好的、具有各種不同形狀的規(guī)格尺寸的標準元件和組合件組成。在加工工件前，根據(jù)工件的工藝要求、采用的設(shè)備和夾具設(shè)計原則，選擇夾具元件，確定元件間的位置關(guān)系，組裝出機械加工使用的工裝夾具。組合夾具基本組件數(shù)量繁多，為便于歸類和方便檢索標準件，將組合夾具可分為九大類，即基礎(chǔ)件、支承件、定位件、導向件、壓緊件、緊固件、其它件、合件，其中每一類型中又包括多個品種，每個品種中又有不同的規(guī)格。
1.3 建庫的步驟
創(chuàng)建夾具標準件圖形庫的主要任務(wù)是圖形生成。對于標準件等相似性強的圖形生成可采用變量法即參數(shù)法：對于原始模型的所有幾何特征，給定它的組成參數(shù)及其參數(shù)值的變化范圍，這些可變參數(shù)稱為變量，通過輸入這些變量值，便可得到所需形狀及尺寸。組合夾具的標準件上都設(shè)計有尺寸相同、間隔均勻的T 形槽、長方槽、螺紋孔等結(jié)構(gòu)，因此，采用以下兩個步驟建庫便可簡化煩瑣重復的標準件創(chuàng)建過程。
第一步，創(chuàng)建用戶定義特征。UDF 把標準件上都具有的T形槽、螺紋孔等特征建立UDF，一般根據(jù)組合夾具系列的不同，需創(chuàng)建的主要UDF 如附表所示。在創(chuàng)建各標準件時只需把UDF 特征加載到基本幾何體上，便可非?？旖莸貏?chuàng)建標準件。
第二步，創(chuàng)建簇表Family Table。既然同一類型中的組件其形狀相似，用Pro / E 中的族表功能則會事半功倍。Pro / E 中的簇表（Family Table）是本質(zhì)上相似的零件（或組件、特征）的集合，但在大小或詳細特征等一兩個方面稍有不同。對于重復性高、相似性大的零件（如螺絲、扳手等）或者標準件，不需要每個規(guī)格都建立一個零件，而可以使用一個原始樣本零件（Generic Part）及一簇表（Family Table）即可代表無數(shù)個零件。任何時候，只要調(diào)出簇表內(nèi)任一個零件的名稱，即可自動產(chǎn)生一個照簇表所示尺寸比例的零件。
顯然，族表大大提高了標準化組件的用途。它們不但允許在Pro / E 中表示實際的零件清單，而且使得組件中的零件和子組件容易互換（因為來自同一族的實例互相之間可以自動互換）。但在創(chuàng)建簇表的過程中，對于原始模型的選擇要注意兩個問題：一是往往選擇同類型標準件中尺寸最大的標準件作為原始模型。二是當尺寸最大的標準件不能包含同類型標準件的所有特征時，應(yīng)在尺寸最大的標準件基礎(chǔ)上添加上未包含的特征才能作為原始模型。
2、用Pro / E 進行組合夾具設(shè)計步驟
2.1 創(chuàng)建工件模型
創(chuàng)建工件模型是在標準件庫創(chuàng)建工作完成之后進行的。首先需要分析的內(nèi)容包括：工序圖、工件的結(jié)構(gòu)形狀特征、本道工序的加工要求。然后創(chuàng)建出工件三維實體模型，以便于進行動態(tài)模擬裝配。
2.2 夾具裝配
根據(jù)零部件之間的裝配關(guān)系和約束條件，進行虛擬設(shè)計組裝，并進行相應(yīng)檢驗，進而對設(shè)計進行分析，對不合理的設(shè)計進行修改。首先分析工序圖，初步確定定位、夾緊及導向、對刀方案，然后可在標準件庫中直接選取合適的定位、夾緊、導向、對刀元件，并要選擇合適的基礎(chǔ)板來支承這些元件。接下來便可進行組合夾具的動態(tài)裝配，在模擬裝配時應(yīng)注意裝配的順序，在基礎(chǔ)夾具體上安裝定位元件，實現(xiàn)工件定位后，再安裝夾緊元件及導向?qū)Φ对Ｈ鐖D1所示，應(yīng)用Pro / E 設(shè)計的車削一偏心軸外圓的組合夾具。
圖1 夾具裝配圖
2.3 裝配體的分析
對夾具裝配體的結(jié)構(gòu)、大小、轉(zhuǎn)動慣量等的分析是總體設(shè)計必不可少的環(huán)節(jié)之一。在傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，這一過程一般靠手工計算，大多數(shù)情況只是依靠經(jīng)驗而使準確度不易保證，增加總體設(shè)計的困難。應(yīng)用Pro / E 軟件，會使裝配間隙的調(diào)整和裝配干涉的檢查變得更加準確、直觀、快捷。而且對于檢驗設(shè)備不能接近的部位，間隙也能得到控制，使得干涉問題消除在方案階段。
第一步，在菜單【Model】→【Part】→【Setup】→【Densit.】的提示行給出材料密度，在菜單【Model】→【Part】→【Setup】→【Units】下定義質(zhì)量、長度單位。
第二步，進入【Analysis】主菜單，可以對距離、模型、曲線、曲面等進行實時分析。
調(diào)換不合理的組件，修改不合理的位置，Pro / E 的全相關(guān)性能夠?qū)M件的尺寸、大小、規(guī)格稍作變化，裝配體隨之會相應(yīng)更改，達到完全滿足設(shè)計要求為止。
2.4 信息處理
相關(guān)信息的處理包括裝配圖和爆炸圖的生成和明細表的提取。
（1）裝配圖和爆炸圖的生成
Pro / E 擁有強健的裝配圖繪制功能。在三維空間實現(xiàn)了組合夾具模擬裝配后，即可在菜單上指定一個命令，快捷地創(chuàng)建二維裝配圖。若基本視圖或向視圖不能清楚表達較復雜裝配關(guān)系時，則作必要的剖面，選擇這些剖面作局部放大、旋轉(zhuǎn)、展開等種類視圖。對于三維組裝模型，可將其作為獨立視圖，縮放后放于圖紙右上角，以提高工程人員的閱讀速度。這樣，既可節(jié)省校對、審核和批準人員的圖面檢查時間，又可以使其投入更多的精力進行功能性審查。
（2）明細表的提取
在視圖完成后，Pro / E 平臺能自動地完成零件數(shù)量的統(tǒng)計和明細表的填寫等相關(guān)信息，而在傳統(tǒng)的組合夾具設(shè)計中，對組合組件的信息統(tǒng)計需耗費夾具工藝師不少的時間和精力。在主菜單【Info】列表中可以顯示出特性信息、裝配體模型的所有組成組件、特征主從關(guān)系、模型尺寸等。例如【Info】→【Model】→【Top】→【Leve】→【Apply】可以列出裝配順序、主從關(guān)系、基本尺寸等，建立基本信息明細表，工藝師可以編輯明細表，為組裝工人提供組裝依據(jù)，使實際組裝更加條理化。最后是組裝工人依靠建立的三維裝配模型、爆炸圖、二維視圖、信息明細表進行實際裝配。
3、結(jié)束語
采用Pro / E 軟件創(chuàng)建組合夾具標準件庫，設(shè)計人員通過合理選擇標準件，可迅速進行模擬裝配，對不合理的裝配結(jié)構(gòu)可及時調(diào)整更改。隨著機器人的發(fā)展，組合夾具的實際裝配更趨于自動化，由Pro / E 設(shè)計完成裝配體后，建立的裝配信息控制機器人自動裝配，可將工人工作量減到最低，可使裝配技術(shù)更加適合現(xiàn)代制造的需要。Pro / E 智能化的三維軟件為組合夾具設(shè)計帶來方便，也使組合夾具更加適合應(yīng)用于柔性制造系統(tǒng)。
文章版權(quán)歸西部工控xbgk所有，未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載。
服務(wù)咨詢