1、柔性制造系統(tǒng)中組合夾具的設(shè)計(jì)研究         0、引言    隨著機(jī)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(jī)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(jī)械制造業(yè)的主要發(fā)展方向。    柔性化的著眼點(diǎn)主要在機(jī)床和工裝兩個方面，而組合夾具又是工裝柔性化的重點(diǎn)。組合夾具是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化程度很高的工藝裝備，它是由一套預(yù)先制造好的各種不同形

2、狀、不同規(guī)格、不同尺寸、具有完全互換性的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)和組裝，由于時間、環(huán)境條件的限制，總體設(shè)計(jì)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(jì)主要依賴經(jīng)驗(yàn)，定性分析較多，定量分析較少，且計(jì)算復(fù)雜，同時缺乏必要的優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的圖紙不夠直觀。在裝夾過程中工人要認(rèn)真消化圖紙，設(shè)計(jì)過程前期的潛在問題，在總裝時匯總，達(dá)不到預(yù)期的效果，甚至造成返工。設(shè)計(jì)過程中的裝配干

3、涉問題，無法在設(shè)計(jì)中提前發(fā)現(xiàn)，造成工人的勞動強(qiáng)度增大。已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)今快速、多樣化的制造需求。這一特點(diǎn)為計(jì)算機(jī)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(jì)主要依靠手工完成，CAD 設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要采用以交互式為主的半創(chuàng)成式設(shè)計(jì)方法。現(xiàn)在，大量三維實(shí)體造型軟件崛起，如Pro / E 、Solidworks、UG、Solidedge 等，推動了設(shè)計(jì)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(shí)體模型，還可利用設(shè)計(jì)出三維模型進(jìn)行模擬裝配和靜態(tài)干涉檢查、機(jī)構(gòu)分析、動態(tài)干涉檢查、動力學(xué)分析、強(qiáng)度分析等。同時由于組合夾具的組件全部是標(biāo)準(zhǔn)件，而且數(shù)

4、量有限，易于儲存和檢索等特點(diǎn)，使建立組合夾具站成為可能。若將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)應(yīng)用到組合夾具設(shè)計(jì)中，尤其是將Pro / E 應(yīng)用到組合夾具設(shè)計(jì)中，則可使組合夾具的設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)件，但各種不同規(guī)格尺寸的組合夾具標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)量非常多是不爭的事實(shí)，況且一般情況下組合夾具組裝站只配置其中一部分標(biāo)準(zhǔn)件，同時不同廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格略有不同，這種情況勢必影響設(shè)計(jì)效果和效率。若能根據(jù)組裝站實(shí)際

5、配置的標(biāo)準(zhǔn)件重新創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件庫，既可充分利用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行組合夾具的設(shè)計(jì)，又可免去重復(fù)煩瑣地創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件模型，同時標(biāo)準(zhǔn)件的回取比較快捷。這樣，設(shè)計(jì)者可以直接在標(biāo)準(zhǔn)件庫中選取零件，非常快捷地實(shí)現(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(biāo)準(zhǔn)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(yù)先定制好的、具有各種不同形狀的規(guī)格尺寸的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)原則，選擇夾具元件，確定元件間的位置關(guān)系，組裝出機(jī)械加工使用的工裝夾具。組合夾具基本組件數(shù)量繁多

6、，為便于歸類和方便檢索標(biāo)準(zhǔn)件，將組合夾具可分為九大類，即基礎(chǔ)件、支承件、定位件、導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)件圖形庫的主要任務(wù)是圖形生成。對于標(biāo)準(zhǔn)件等相似性強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)件上都設(shè)計(jì)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

7、可簡化煩瑣重復(fù)的標(biāo)準(zhǔn)件創(chuàng)建過程。    第一步，創(chuàng)建用戶定義特征。UDF 把標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)件時只需把UDF 特征加載到基本幾何體上，便可非常快捷地創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)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(xì)特征等一兩個方面稍有不同。對于重復(fù)性高、相

8、似性大的零件（如螺絲、扳手等）或者標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)化組件的用途。它們不但允許在Pro / E 中表示實(shí)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?yàn)閬碜酝蛔宓膶?shí)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(biāo)準(zhǔn)件中尺寸最大的標(biāo)準(zhǔn)件作為原始模型。二是當(dāng)尺寸最

9、大的標(biāo)準(zhǔn)件不能包含同類型標(biāo)準(zhǔn)件的所有特征時，應(yīng)在尺寸最大的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行組合夾具設(shè)計(jì)步驟    2.1 創(chuàng)建工件模型    創(chuàng)建工件模型是在標(biāo)準(zhǔn)件庫創(chuàng)建工作完成之后進(jìn)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(shí)體模型，以便于進(jìn)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(jìn)行虛擬設(shè)計(jì)組裝，

10、并進(jìn)行相應(yīng)檢驗(yàn)，進(jìn)而對設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，對不合理的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。首先分析工序圖，初步確定定位、夾緊及導(dǎo)向、對刀方案，然后可在標(biāo)準(zhǔn)件庫中直接選取合適的定位、夾緊、導(dǎo)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(jìn)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(shí)現(xiàn)工件定位后，再安裝夾緊元件及導(dǎo)向?qū)Φ对Ｈ鐖D1所示，應(yīng)用Pro / E 設(shè)計(jì)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(jì)必不可少的環(huán)節(jié)之一。在傳

11、統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，這一過程一般靠手工計(jì)算，大多數(shù)情況只是依靠經(jīng)驗(yàn)而使準(zhǔn)確度不易保證，增加總體設(shè)計(jì)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(zhǔn)確、直觀、快捷。而且對于檢驗(yàn)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(jìn)入【Analysis】主菜單，可以對距離、模型、曲線、曲面等進(jìn)行實(shí)時分析

12、。    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(dá)到完全滿足設(shè)計(jì)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(xì)表的提取。    （1）裝配圖和爆炸圖的生成    Pro / E 擁有強(qiáng)健的裝配圖繪制功能。在三維空間實(shí)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(dá)較復(fù)雜裝

13、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(dú)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(zhǔn)人員的圖面檢查時間，又可以使其投入更多的精力進(jìn)行功能性審查。    （2）明細(xì)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(jì)和明細(xì)表的填寫等相關(guān)信息，而在傳統(tǒng)的組合夾具設(shè)計(jì)中，對組合組件的信息統(tǒng)計(jì)需耗費(fèi)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

14、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(xì)表，工藝師可以編輯明細(xì)表，為組裝工人提供組裝依據(jù)，使實(shí)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(xì)表進(jìn)行實(shí)際裝配。    3、結(jié)束語    采用Pro / E 軟件創(chuàng)建組合夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫，設(shè)計(jì)人員通過合理選擇標(biāo)準(zhǔn)件，可迅速進(jìn)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(jī)器人的發(fā)展，組合夾具的實(shí)際裝配更趨于自動化，由Pro / E 設(shè)計(jì)完成裝配體后，建立的裝配信息控制機(jī)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(jì)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)。    參考文獻(xiàn)    1 張斌. 在計(jì)算機(jī)輔助組合夾具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J. 工藝裝備，2002，（12）：40 - 42