基于CAD平臺的加工中心用組合夾具設計方法

王 準

(安徽工程大學機械與汽車工程學院，安徽蕪湖 241000)

無論國內還是國際市場，當前顧客對產品的多樣性、個性化需求越來越強烈，這迫使制造者從設計到生產的各環節上，要有快速應變的能力。而這種能力的基礎，就是所謂的柔性制造、敏捷制造等先進制造理念及其使能技術［1－3］。

從實用角度看，這些使能技術大致可以分為軟件平臺和硬件設備兩大方面。出自軟件本身的共性，無論哪個層次的CAD平臺，其柔性、靈活性是大同小異的。因此，硬件設備方面的可變性、可重組性如何，顯得更加突出。目前，提高硬件設備配置靈活性的一個主導思路就是模塊化。組合夾具便是這種理念下的制造裝備之一［4－7］。為此，筆者研究了幾個CAD平臺上組合夾具計算機輔助設計技術，總結出針對加工中心使用場合，設計、裝配組合夾具的一些共性措施。希望這些技術手段，可以幫助我國機械制造企業能更有效地提高其生產制造中的靈活性，以適應當今客戶化的、競爭日益白熱化的市場趨勢。

1 組合夾具元件及其特征模型

1.1 組合夾具特點及其設計使用中存在的問題

如圖1所示，機械制造業的基本單元是所謂的工序工藝系統，一個工序工藝系統由機床、夾具、工件、刀具及控制部分(數控加工中，主要是CNC)構成。其中，工件是構建一個工藝系統的出發點——整個工藝系統是圍繞著具體工件展開的;而夾具是構建一個工藝系統的“紐帶”。工件是產品形成過程中的一員，產品要多變，工件就會多變;工件要變化，圍繞其構建的工藝系統應該能夠及時跟隨變化。顯而易見，工藝系統的這種柔性是需要通過柔性的“紐帶”來實現——柔性夾具，即，組合夾具。

國內有不少組合夾具元件的專業生產企業，每個企業都能提供組合夾具8大類基本元件的詳細規格資料。但這些資料都是以文字、表格、二維工程圖、照片或彩圖等方式展示給用戶的，不能被計算機輔助工藝設計過程直接導入使用。當今時代，計算機輔助設計與計算機輔助制造技術(CAD/CAM)已經普及，機械制造企業希望在其工藝設計，特別是計算機輔助組合夾具設計中，能夠直接調用夾具元件的特征模型，以實現工藝規程的快速準備。而要達到此目標，就需要各個機械制造企業，能在其工藝設計部門所熟悉使用的CAD平臺中，準備好組合夾具元件的特征模型庫。

1.2 組合夾具元件特征概述

組合夾具的8大類基本元件(基礎件、支承件、定位件等)，都已有國家標準或行業標準［8－9］，因此，組合夾具元件屬于標準件范疇。標準件的標準與規范中，會明確劃定該標準件全面的工程技術參數，這些技術參數，涵蓋兩方面要求:幾何參數與非幾何參數。

從CAD/CAM的特征模型角度看，上述參數就是幾何特征和非幾何特征。幾何特征包括兩方面內涵:形狀與拓撲結構;非幾何特征，便是除了“形與拓撲”之外，所有與零部件相關的工程信息，包括:材料、加工方法、加工精度、裝配方法、設計者、供應商、價格等等。在標準件的規范中，幾何特征，一般是以“工程圖簡圖”配合“列表”方式，進行表達的;而非幾何特征，一般是以單列文字方式給出的。對于這些信息，各類CAD平臺都可以進行處理，生成其平臺內的特征模型。不過，不同CAD平臺，在具體實現方式上有所不同，本文第3節中，筆者會針對幾個主流CAD平臺(Inventor、Solidworks、Catia 等)，就組合夾具元件特征模型創建技術，給出筆者的研究對比結果。

2 CAD平臺中組合夾具元件特征模型庫創建步驟

2.1 一個組合夾具代表性元件的特征分析

如圖2所示，為組合夾具基礎件之一——長方形基礎板(Rectangular Base Plate)Z1110，該元件是組合夾具眾多標準件中，比較有代表性的元件之一［10］。該零件幾何信息與部分標準規格信息參見圖3和圖4。由圖可知:Z111080規格，是該“長方形基礎板Z1110”所有規格中，結構最全的元件，筆者把其命名為“典型件”。其主要的幾何形狀特征有:由B×L×60(厚度)確定的長方“形特征”;由“12H7”確定的對定鍵槽“形特征”;由“n－12H7”和T槽標準確定的T型槽“形特征”;由 M12/16螺孔標準確定的孔“形特征”等［11］。Z111080主要的幾何拓撲特征有:側部T槽、螺孔、寬為18的“U”型槽(用于Z1110固定)及其側凹等結構的“鏡像關系”;上部 T槽、螺孔的“陣列關系”等。Z1110基礎板主要的非幾何特征有:材料、精度、規格等等。本文第3節中，便是以Z1110為例，分析、說明各CAD平臺中，創建組合夾具標準件特征模型庫工作中關鍵問題的。

2.2 組合夾具元件特征模型庫創建步驟

根據1.2節分析可知，組合夾具元件屬于標準件，而標準件的特征模型，在各類CAD平臺中，可以使用“系列化零件特征模型”技術來創建。筆者把不同CAD平臺中，組合夾具元件特征模型庫的創建過程，歸納為5個步驟，如圖5所示。

步驟1，進入CAD平臺的單個零件特征建模環境。

步驟2，創建“典型件”幾何特征模型。根據標準件已有的各種資料(文字、表格、工程圖、彩圖等)，分析、確定該類零件所具備的幾何信息和非幾何信息，特別是幾何信息中的結構拓撲信息。一些復雜的結構拓撲關系，可以用表達式(函數化)來表達、傳遞其內在關系。進一步，找出該類標準件所有規格中，結構最全的“典型件”(參見2.1中的Z111080規格)，進行幾何特征建模。

步驟3，添加非幾何特征。把材料信息、加工方法(正確特征名)、尺寸精度、設計者、供應商等非幾何信息，逐一添加到幾何特征模型中。

步驟4，用表格驅動特征模型。把同一標準件，不同規格間的特征(幾何與非幾何)差異，用Excel表格進行區分與表達:一般情況下，把首行中各個單元格設置為“特征變量”和“特征狀態”;把后續各行相應單元格，設置為具體規格的“特征值”和“狀態值”。在表格中，可以使用“特征抑制”與“取消抑制”(即狀態值)等手段來表達結構拓撲關系，最終形成可以用表格驅動的“系列化零件特征模型”。

步驟5，創建便于查詢和調用的組合夾具元件庫。由于組合夾具元件種類及其規格并不復雜，因此，完全可以參照現成的8大類元件目錄結構(紙質的文本目錄)，利用文件夾管理方式，分類、分級建立文件夾，存儲相應“系列化零件特征模型”文件，形成便于夾具設計工作中查詢與調用的元件特征模型庫。

不同CAD平臺，第1、2、5步的工作過程基本相同，主要的區別在于第3和第4步。下面以Z1110為例，進行說明。

3 幾個主流CAD平臺特征模型庫創建要點

3.1 Inventor中特征模型庫創建關鍵點

圖6是Inventor中創建的“典型件”——Z111080的幾何特征模型及其特征樹，即第1、2步完成的工作。第3步——非幾何特征的添加:尺寸精度等，可以在驅動尺寸中賦值——公差值或符號;其他非幾何特征——設計者、單位、材料等可以在 iProperties中添加［12］。對于第4步工作，Inventor平臺中，可以使用“iPart編輯器”完成，如圖7所示。其中，幾何形狀特征直接在“參數”標簽中設置;幾何結構拓撲關系可以在“抑制”標簽中設置;非幾何特征在“特性”標簽中設置。圖8展示的是:由表格驅動的Z1110系列化特征模型中的最小規格——Z111005之特征模型。

3.2 Solidworks中特征模型庫創建關鍵點

圖9是 Solidworks中 Z111080幾何特征模型。Solidworks中的尺寸精度，同樣可以在各個驅動尺寸中賦值;設計者、單位、材料等可以在“文件－屬性”對話框中添加。Solidworks平臺內，可以通過“插入設計表”方式來建立表格驅動的元件特征模型。圖10展示的是設計表格界面，需要表格控制的各類特征，可以直接在“單元格”中添加“U－激活/S－壓縮(抑制)”字母符號(狀態值)進行控制。圖11為Z111005的特征模型。

3.3 Catia中特征模型庫創建關鍵點

圖12是Catia中創建的“典型件”幾何特征模型。非幾何特征:尺寸精度等，類似地在驅動尺寸中添加公差數值;產品規格、版本信息等可以在零件“Properties”的“Product”標簽下設置;材料特征，可以用“Apply Material”工具添加。對于第4步工作，需要借助“Knowledge(智能)”工具集中的“Design Table”，配合Excel便可完成相關工作，如圖13所示。需要控制的各類特征及其拓撲關系，可以在相應單元格中用“True－激活/False－抑制”單詞進行協調。圖14顯示的是Z111005特征模型。

3.4 其他平臺中特征模型庫創建關鍵點

MDT中元件庫的創建方法與Inventor基本一致，圖15展示的是MDT中Z1110“典型件”的特征模型及其特征樹。

圖16是Wildfire中Z1110之“典型件”。Wildfire中激活“Tools”菜單下的“FamilyTable”，便可配合 Excel來完成表格驅動特征模型。在相應單元格中填寫“Y－激活/N－抑制”字母，就能控制的各類拓撲關系。圖17顯示的是“Family Table”中預覽的Z111005的特征模型。

圖18是Siemens NX中Z1110的“典型件”。NX平臺內，可以通過“Part Families”工具來創建表格驅動的特征模型;在表格的單元格中填入“Yes－激活/No－抑制”單詞，進行幾何結構的控制。圖19是NX中Z111005的特征模型。

3.5 庫元件的使用方法

不同CAD平臺的設計(組件)環境中，庫元件使用方法上，略有差異。如圖20所示，Inventor調用初始時，就出現選擇對話框，調用完成后，也可以“右擊表格”進行“更改零部件”。而Solidworks中，直接調用后，通過右擊菜單中的“配置零部件”，激活庫元件的規格選擇欄，進行選用與調整(參見圖21)。

Catia中，可以用目錄編輯器(Catalog Edit)歸類、存儲“表格驅動的零件”;使用目錄瀏覽器(Catalog Browser)調用庫元件，如圖22所示。其他CAD平臺中，庫元件的調用方法，與上述三種情況之一類似，此處不再贅述。

4 加工中心用組合夾具計算機輔助設計

4.1 普通專用夾具與組合夾具CAD比較

圖23是通用的計算機輔助夾具設計(CAFD)工作流:由定位、夾緊要求，選擇和設計定位元件與夾緊裝置;對定、導向等元件由具體機床情況取舍;最后，用夾具體把所有元件和裝置，連接成一個有機整體——專用夾具。

根據1.1節和圖1，可知:工件是夾具設計中的驅動源，整個夾具的設計流程就是從具體工件的具體加工工序要求開始的，并服從工序工藝系統的控制與協調;另外，對于一般專用夾具而言，除了夾具體是湊配出來的專用零件外，其他大部分元件屬于標準件。因此，CAD環境下，專用夾具設計過程的實質，可以描述如下:在CAD平臺的組件環境下，以Topdown和BottomUp混合方式，由工件及其工序加工要求(定位、夾緊、導向、對定等要求)，調入各個標準元件特征模型，湊配夾具體等專用件;最后由湊配出的夾具體，把所有元件和裝置，連接成整體——專用夾具。

對于組合夾具而言，夾具體是8大件中的基礎件，也是標準件。因此，組合夾具計算機輔助設計過程的實質，被筆者描述為:在CAD平臺的設計環境下，由“工件及其工序工裝要求”(由工藝規程確定，見圖1)，以BottomUp為主Topdown為輔的方式，調用各類組合夾具庫元件，設計、湊配(相互位置上)、組裝而成。如圖24，就是加工中心用組合夾具CAD流程。

4.2 加工中心用組合夾具CAD中的關鍵工作

夾具是針對既定工藝規程來設計的，也就是說，此時所用的機床型號等設備信息是明確的［13］。根據1.1節的分析可知，夾具是工藝系統組建中的“紐帶”。換而言之，在工藝系統中，夾具有兩個“連接端”(參見圖1):一端是與機床相連，另一端是與工件相連。夾具與機床的“橋接點”(本文暫稱為橋接點1)，在機床工作臺上表面與夾具體(組合夾具的基礎件)下表面之間;夾具與工件的“橋接點”(本文暫稱為橋接點2)，在夾具體(或經支承件過渡)上表面與工件主定位面之間。圖24的工作流，便是基于此原理展開的。下面是針對鏜銑加工中心用組合夾具CAD，筆者研究歸納出一些關鍵點。

步驟 1，進入 CAD平臺的組件(Assembly)環境——打開含加工中心工作臺的組件文件。如圖25所示，工作臺處于機床復位回零時的位姿。這既為“橋接點1”做好準備，也為工藝系統數控加工后置驗證奠定基礎。

步驟2，調入被該數控機床加工完成后的零件特征模型(工序終了狀態)，并按照加工完成后的位姿，用CAD平臺的裝配約束工具(如配合、對齊、插入等)，進行初步定位。如圖25所示:左邊針對的是立式五軸加工中心;右邊針對的是臥式五軸加工中心［14］(后續各圖中，左右方情況相同)。

步驟3，按照主定位面、第2定位面等的順序，依次調入所需的基礎件和定位件，并根據“橋接點2”的特性要求，用裝配約束工具，初步放置各個定位件。此步驟中，“橋接點2”包括:工件第1基準面——主定位面與基礎件或支承件上表面接觸點;還包括:工件第2、第3基準面與定位元件(銷或支承件)的接觸點。這些“橋接點”，都遵循“六點定位原理”來確定其位置。參見圖26(圖中隱藏了工作臺等機床部件)。

步驟4，調入“壓緊件”、“緊固件”等，按照對夾緊力作用點、作用方向的設計要求，使用裝配約束工具，湊配好各自的正確位置，如圖27所示。

步驟5，考慮所用數控機床的結構布局、刀具裝夾尺寸及主軸懸伸結構，按照“橋接點1”的要求，調入所需的堆疊基礎板、夾緊件、定位件(對定)、緊固件等，使用裝配約束工具，完成夾具的部裝工作:使“機床－夾具－工件”這一工藝系統的局部結構，滿足工藝規程中提出的初步要求，如圖28所示(圖中隱藏了基礎板與工作臺間的裝夾元件)。

此時，可進入“數控加工后置驗證”環節，研判組合夾具結構尺寸是否滿足實際加工時的動態要求［15］。

步驟6，根據工藝規程中對工序質量的要求，考慮切削載荷及夾緊力，對定位精度進行計算、分析、判斷，如果不能滿足要求，還需要返回到步驟3——改進夾具設計;如果滿足要求，則依次進入步驟7和步驟8。此過程，可以借助CAD平臺的尺寸鏈計算工具(如Inventor中的“公差/配合計算器”等)與FEA模塊來輔助完成。

步驟7和8，對于BOM信息，大部分CAD平臺，都可以從元件特征模型中無縫繼承、獲取;工件在夾具上的安裝、使用以及夾具與工作臺的對定裝夾等技術規范，可以用CAD平臺中的工程圖模塊表達、輸出。同時，組合夾具的安裝、操作順序等裝配工藝規程信息，還可以調用CAD平臺中的動畫功能，進行視頻錄制并傳遞給最終用戶，以適應批量生產的需求。

5 結語

本文從工藝系統角度，詳細分析、總結了實現柔性制造的一個重要裝備——組合夾具，在當今幾個主流CAD平臺中的設計技術。提出，根據各個CAD平臺特點，首先建立可以表格驅動的組合夾具元件特征模型庫;然后，在各個CAD平臺的設計環境中，根據加工中心工作特點，由定位、夾緊、加工動態等要求，逐步調用庫元件，最終推演出滿足工序要求的夾具。這些技術可以幫助相關企業去提高其已有組合夾具的使用效率，同時也有助于組合夾具這一柔性裝備的進一步推廣使用。

從全制造業看，生產標準件類企業，都可借用本文的技術結論，在供應硬件產品的同時，另外配套提供各類CAD平臺的特征模型庫，從而提高其用戶的使用效益;進一步可以利用數據庫管理技術，進行元件庫的界面封裝，以方便大量庫元件的調用。

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