Pro/E在計算機輔助夾具設計中的新應用

陳 浩

（安徽國防科技職業學院 機械工程系， 六安 237001）

0 引言

機床夾具設計是制造系統的重要組成部分，隨著先進制造技術的發展和市場競爭的加劇，傳統的夾具設計方式已成為企業中產品快速上市的瓶頸，企業迫切需要提高夾具設計的效率。計算機輔助夾具設計與制造正是為了適應這一要求而產生的，在此背景下，本文結合實例就PRO/E在計算機輔助夾具設計方面的應用進行了一定的研究和探索。

1 計算機輔助夾具設計(CAFD)

近年來，國內外許多制造企業已經在新產品開發過程中通過引入先進的科技手段如 CAD、CAPP、CAM 及生產計劃管理系統等，來解決產品開發周期、質量和成本問題，并取得了一定的效果。人們將 CAD 技術引入到夾具設計中，形成了計算機輔助夾具設計（Computer Aided Fixture Design CAFD）方法，并研制了相應的軟件系統。在系統中建立了夾具元件庫，在計算機屏幕上顯示工件的三維視圖，用戶交互地從夾具元件庫中提取相應的夾具元件，在屏幕上形成夾具裝配圖，提高了設計效率和質量。

計算機輔助夾具設計（Computer Aided Fixture Design）改變了傳統夾具設計方式，作為計算機輔助設計和制造技術的一個應用方面，CAFD 和計算機輔助工藝設計(CAPP)共同組成了 CAD 和 CAM的橋梁。計算機輔助夾具設計系統的研制和開發是直接從零件 CAD/CAPP 集成環境中獲取夾具設計信息，包括 CAD 系統輸出的零件幾何信息和 CAPP系統輸出的零件加工信息，然后將讀取的幾何信息和工程信息作為夾具設計的已知條件進行夾具的計算機輔助設計與分析，以其高速、高精度、自動化的特點實現夾具的自動設計，提高夾具設計效率和質量，縮短產品開發周期和降低產品生產成本。計算機輔助夾具設計方法的發展總趨勢具有更多的通用性、智能化和與 CAD、CAPP、CAM 的集成，計算機輔助設計中的新理論、新方法的發展和應用將進一步推動 CAFD 在實用化的方向取得更大的成就[1]。

2 Pro/Engineer軟件的應用

在夾具設計中,采用CAD技術并盡可能使用標準件是提高夾具設計效率的措施之一，所以,夾具三維標準元件庫以及標準件庫與CAD系統的接口在夾具CAD系統中顯得尤為重要。設計人員在原有基礎上進行變形設計時就能夠充分利用夾具三維標準元件庫的資源,避免不必要的重復勞動。以良好地適應新夾具的設計與開發。

但是，在多數的CAD軟件中過度曲線部分由于加工方式不同而形狀各異，很難精確的表現出來。隨著CAD技術的發展，出現了以Pro/E為代表的大型優秀的CAD軟件，其主要功能在于可進行強大的參數設計，在三維特征造型等方面具有絕對的優勢,使得復雜的實體造型成為可能[2,3]。

而且，Pro/E是一套設計至生產全過程自動化的機械軟件，不僅是一個參數化、基于特征的實體造型系統，并且具有單一數據庫功能，能方便地得到任何實體的幾何參數、轉動慣量及任意截面的截面力學性能等，能夠良好地適應新夾具的設計與開發。Pro/E具有以下顯著的特點：

1） 參數化設計和特征性能

Pro/E是采用參數化設計的、基于特征的實體模型化系統，工程設計人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角，可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。

2） 單一數據庫

Pro/Engineer是建立在統一基層的數據庫上，不象一些傳統的CAD/CAM系統建立在多個數據庫上。所謂單一數據庫，就是工程中的資料全部來自一個庫，使得每一個用戶在為一件產品造型而工作，不管它是哪個部門的。換言之在整個設計過程的任何一處發生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環節上。例如，一旦工程樣圖有改變，NC（數控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。這種獨特的數據結構與工程設計的完整結合，使得一件產品的設計結合起來。這一優點使得設計更加優化，成品質量更高[4]。

3 Pro/E軟件應用到夾具設計中的主要步驟

傳統的夾具設計方法在資料檢索、分析計算、繪圖、編制技術文件等方面都是由人工完成的，需要較多的人力和較長的設計周期，設計精度和質量受到限制，甚至出現不必要的錯誤。隨著計算機科學與技術的發展，20世紀 70 年代末出現了計算機輔助設計新技術，并在國內外得到了迅速的發展。提高了夾具設計效率和質量，縮短了產品開發周期和降低了產品生產成本。其設計流程一般被分為四個階段：1）工件裝夾規劃，2）夾具方案設計，3）夾具結構設計，4）夾具性能評價[2]。

結合計算機輔助夾具設計流程的四個階段，在建立產品模型時，可采用傳統的自下而上和現代化的自上而下相結合的設計方法。自下而上先設計零件，然后搭積木式地進行裝配設計；自上而下先進行總體的原則設計，然后將總體原則貫穿到所有的子裝配或者部件中（如圖1所示），其特點如下：

1）自上而下的設計可以首先確定各個子裝配或零件的空間位置和體積、全局性的關鍵參數，這些參數將被裝配中的子裝配和零件所引用。這樣，當總體參數在隨后的設計中逐漸確定并發生改變時，各個零件和子裝配將隨之改變，更能發揮參數化設計的優越性。

2）自上而下的設計使各個裝配部件之間的關系變得更加密切。像軸與孔的配合，裝配后配鉆的孔，如果各自分別設計，既費時，又容易發生錯誤。通過自上而下的設計，一個零件上的尺寸發生變化，對應的零件也將自動更新。

圖1 自上而下的設計模式

所以，自上而下的設計方法有利于不同的設計人員共同設計。在設計方案確定以后，所有承擔設計任務的小組和個人可以依據總裝設計迅速開展工作，可以大大加快設計進程，做到高效、快捷和方便[2,5]。

另外，如果從產品實體模型建立的角度來講，自上而下的設計技術是建立產品零件結構、裝配結構和裝配模型的約束模型，即建立零件間的聯接關系，并在零件設計后自動繼承裝配關系，具有規定的相關性，自上而下的設計技術是繼特征造型后CAD 技術發展的又一突破。Pro/E 軟件能將機械設計與生產的全過程集成在一起，它通過一種獨特的參數化的以及面向零件的3D實體模型的設計制造技術，改變了傳統的設計理念，為我們提供了一條更直觀、更有效、更快捷的設計途徑。在機械設計和制造中，利用 Pro/E可以創建實體零件模型及組裝造型，它具有運動模擬、工具設計、高級數控加工等功能。全面支 而下的設計模式。利用Pro/E進行自上而下夾具設計可以采用如下步驟：

1）創建工件模型

在標準件庫創建工作完成之后，便可進行組合夾具的設計。首先要分析工序圖，分析工件的結構形狀特征及本道工序的加工要求，同時要創建出工件三維實體模型，以便于進行模擬裝配。

2）夾具的模擬裝配

根據零部件之間的裝配關系和約束條件，在虛擬環境中進行設計組裝，并進行相應檢驗，從而對設計進行分析，對不合理的設計進行修改。

在分析工序圖，初步確定了定位、夾緊及導向、對刀方案后，即可在標準件庫中直接選取合適的定位、 夾緊、導向、對刀元件，同時要選擇合適的基礎板來支承這些元件，接下來便可進行組合夾具的模擬裝配， 在模擬裝配時應注意裝配的順序，首先在基礎夾具體上安裝定位元件，工件實現定位后，再安裝夾緊元件及導向對刀元件。 通過組合夾具模擬裝配，利用Analysis命令可在元件間檢查干涉現象，及時發現零部件在裝配體中的靜態空間位置的相交性和零部件在夾具裝配過程中在空間上的幾何干涉性，從而及時糾正裝配設計中存在的問題。

3）創建裝配圖和明細表

Pro/E有大量的功能用于裝配圖的繪制。在三維空間實現了組合夾具模擬 裝配后，即可快捷地創建二維裝配圖和零件明細表，從而完成用Pro/E軟件進行組合夾具設計的全過程。 根據組合夾具裝配圖和零件明細表配置標準件，由等級技工進行組合夾具的裝配，在自動化裝配中，可用工業機器人進行組裝。整個設計和裝配過程非常快捷，適應了現代化生產的需要。

4 應用實例

按照上述設計方法和步驟，設計了高質的加工液壓泵上體三個階梯孔的花盤式車床專用夾具，其夾具總裝配圖如圖2所示。另外，在夾具的三維虛擬裝配體完全滿足使用性能要求以后,為了建立一套直接指導工人裝配夾具的工藝文件,在計算機中可采用三維的指定路徑爆炸形式,動態模擬整個夾具從零件到組件最后形成夾具的裝配過程和裝配方式,使裝配更具有“空間感和方位感”。夾具的裝配工程圖制作也很簡單,在菜單上指定一個命令就可完成,對于較復雜的裝配圖,簡單的視圖不能完整地表達裝配關系時,可作必要的剖面,選擇這些剖面做出主視圖、向視圖、投影、展開、旋轉及局部放大等種類視圖，同時也可將三維模型立體視圖放在裝配圖上,這樣可提高工程人員的讀圖速度,也克服了與非專業人員溝通的困難。如圖3所示[6]：

圖2 夾具的總裝配圖

圖3 夾具爆炸圖

5 結論

夾具是一種隨產品不同而專用化程度很高的工藝裝備，其生產效率低生產周期長已經成為制約現代化生產高度自動化的“瓶頸”。夾具設計是一個復雜的并且在很大程度上依賴于經驗的過程，它需要設計人員具備關于設計問題的大量全面的知識和經驗。其中夾具的方案設計是其中一個最關鍵的環節。本文就PRO/E在計算機輔助設計中的應用進行了一定的探索和研究，具有一定的借鑒作用。

[1] 朱耀祥,融亦鳴.計算機輔助夾具設計[M].北京:機械工業出版社,2002.

[2] 肖繼德,陳寧平.機床夾具設計[M].機械工業出版社出版,2004.

[3] 殷國富,楊隨先.計算機輔助設計與制造技術原理及應用[M].四川大學出版社出版,2003.

[4] 王雷.Pro/Engineer應用基礎與產品造型實例[M].人民郵電出版社出版,2005.

[5] 史琦,敬石開,李原.基于實例推理的夾具設計知識表示方法研究[J].機械設計,2001,36-37.

[6] 孫江宏.Pro/Engineer虛擬設計與裝配[M].北京:中國鐵道出版社,2006.