基于UGNX的工藝裝備設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究

林喜娜 劉凱 王志隨

摘要：本文綜述了工藝裝備的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。并以杠桿臂鉆床夾具為例介紹了夾具設(shè)計(jì)的技術(shù)路線(xiàn)，根據(jù)工件圖紙、生產(chǎn)裝備、工序安排等信息要求，確定夾具的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用設(shè)計(jì)的夾具元件庫(kù)選擇所需夾具元件，運(yùn)用參數(shù)化驅(qū)動(dòng)修改夾具元件尺寸，采用自上而下裝配建模與自下而上裝配相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成夾具的三維模型直觀圖，為生成加工圖紙和計(jì)算機(jī)輔助編程提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：UG NX;工藝裝備;夾具;設(shè)計(jì)

0 引言

在機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中，根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模及工藝要求，需要采用種類(lèi)繁多的工藝裝備。制造系統(tǒng)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品的質(zhì)量及成本都與工藝裝備有關(guān)。工藝裝備的設(shè)計(jì)和制造是生產(chǎn)技術(shù)準(zhǔn)備工作中工作量最大、周期最長(zhǎng)的階段。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，專(zhuān)用工裝的設(shè)計(jì)和制造工作占到工藝裝備工作量的50%，大批量生產(chǎn)中甚至占到80%以上，而且工藝裝備的費(fèi)用平均占產(chǎn)品成本的10%-15%甚至更高，而夾具是各類(lèi)工具中最復(fù)雜、專(zhuān)用化程度最高的工藝裝備之一。設(shè)計(jì)制造周期又占工藝裝備設(shè)計(jì)制造周期的70%-80%。因此，夾具的設(shè)計(jì)制造周期極大地影響了新產(chǎn)品的研制周期，應(yīng)用機(jī)械CAD/CAM技術(shù)提高工藝裝備設(shè)計(jì)、制造的質(zhì)量和效率，對(duì)于保證產(chǎn)品質(zhì)量、縮短研制周期意義重大。

傳統(tǒng)的機(jī)床夾具設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員通過(guò)類(lèi)比法和經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。查閱大量的手冊(cè)資料，通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算，再繪制出機(jī)床夾具的零件圖和裝配圖簡(jiǎn)圖。通常使用二維CAD軟件繪制其二維圖紙，無(wú)法觀看到其三維結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法勞動(dòng)強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、修改不便、效率低，[2-3]而且所設(shè)計(jì)的機(jī)床夾具標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度低。因此，傳統(tǒng)的機(jī)床夾具設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足市場(chǎng)快速多變的要求，甚至成為了制約現(xiàn)代制造技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

本文提出采用計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)，結(jié)合實(shí)例歸納總結(jié)、實(shí)現(xiàn)和利用夾具設(shè)計(jì)領(lǐng)域的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，并快速靈活的進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)。徹底改變傳統(tǒng)夾具設(shè)計(jì)，主要依靠設(shè)計(jì)人員個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的情況，并有效減少設(shè)計(jì)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、負(fù)擔(dān)重、加工精度低的狀況。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析

Rong Kevin[4]（融亦鳴）是計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)方面的專(zhuān)家，他先后在美國(guó)南伊利諾伊大學(xué)（SIUC）和伍斯特理工學(xué)院（WPI）歷時(shí)十年并至今仍在繼續(xù)進(jìn)行的夾具CAD 的研究開(kāi)發(fā)和工業(yè)應(yīng)用。并對(duì)夾具CAD進(jìn)行了大量的理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)工作，取得了顯著的成效。

郭歡[5]建立了機(jī)床夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)，提出在數(shù)控加工過(guò)程中，數(shù)控加工逐漸取代傳統(tǒng)機(jī)械加工，必須嚴(yán)格按照操作規(guī)程和步驟，在如何突顯數(shù)控加工工藝的優(yōu)勢(shì)方面提供了一些建議。

張溥海[6]提出運(yùn)用CATIA二次開(kāi)發(fā)方法設(shè)計(jì)了工裝夾具的設(shè)計(jì)系統(tǒng)。并設(shè)計(jì)了文件輸出模塊。并在CATIA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能。

以上研究基本是基于基于軟件二次開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，但隨著各種軟件版本的更新，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通用性不強(qiáng)，不能滿(mǎn)足各個(gè)版本的需求，另外推廣的不夠深入，應(yīng)用不強(qiáng)，基于以上情況，亟需解決夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)所存在的問(wèn)題，如果使設(shè)計(jì)變的快速、方便。

2 研究思路及技術(shù)路線(xiàn)

傳統(tǒng)的機(jī)床夾具設(shè)計(jì)，通常使用二維 CAD 技術(shù)或UGNX10.0及SolidWorks等三位軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，一般情況下設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、勞動(dòng)量大、修改不便、效率低，為此，機(jī)床夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中采用模板，運(yùn)用 UGNX10.0軟件作為設(shè)計(jì)工具，設(shè)計(jì)機(jī)床夾具庫(kù)和典型夾具庫(kù)。其中，機(jī)床夾具庫(kù)是參照機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)的體系結(jié)構(gòu)和機(jī)床夾具的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的。改變了傳統(tǒng)夾具設(shè)計(jì)模式，根據(jù)工件圖紙、生產(chǎn)裝備、工序安排等信息要求，以加工件為基本件，采用自上而下裝配建模和自下而上裝配相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)例庫(kù)設(shè)計(jì)了各種機(jī)床的常用典型夾具，夾具庫(kù)用所有符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的夾具零部件，結(jié)合典型實(shí)例，交互式式的夾具設(shè)計(jì)方法進(jìn)行機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)，以三維建模為基礎(chǔ)構(gòu)建夾具實(shí)體模型，再運(yùn)用 UGNX10.0 軟件工程圖功能，生成夾具的二維裝配圖和零件圖，大大縮短了夾具設(shè)計(jì)與制造周期，減少重復(fù)勞動(dòng)，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。UGNX10.0專(zhuān)用夾具設(shè)計(jì)技術(shù)路線(xiàn)如圖1所示。

3 夾具設(shè)計(jì)案例

本夾具是針對(duì)杠桿臂進(jìn)行設(shè)計(jì)的鉆床專(zhuān)用夾具，根據(jù)工件加工圖紙要求，及加工工序安排，確定本夾具主要解決加工杠桿臂上Φ10和Φ13的孔，由于在鉆床或者銑床上運(yùn)用通用夾具平口鉗裝夾定位不準(zhǔn)確，所以基于UG軟件構(gòu)建三維實(shí)體建模。

3.1 創(chuàng)建工件的三維實(shí)體建模

建立草圖，然后通過(guò)拉伸、掃掠、打孔、修剪體、布爾運(yùn)算、修剪、美化等操作創(chuàng)建工件的三維模型，如圖2所示。

3.2 設(shè)計(jì)杠桿臂鉆床夾具

運(yùn)用設(shè)計(jì)的夾具元件庫(kù)選擇所需夾具元件，運(yùn)用參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)夾具元件尺寸，通過(guò)杠桿臂零件的加工意圖，精確定義圖形的幾何形狀，尺寸和位置，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需要，同時(shí)按照六點(diǎn)定位原理，確定定位元件的設(shè)計(jì)方案，采用定位銷(xiāo)和端面限制工件的5個(gè)自由度，可調(diào)支承限制工件繞Z軸旋轉(zhuǎn)的自由度，而由于工件加工Φ10部位處于懸臂狀態(tài)，為了保持工件定位時(shí)的穩(wěn)定性及增強(qiáng)剛性，在此采用輔助支承解決。輔助支承具有足夠的剛性，它除了能幫助主要支承承受切削力以外，又不使工件離開(kāi)定位面，使加工精度更高。夾緊元件采用墊圈和螺母相結(jié)合的方式進(jìn)行夾緊，然后根據(jù)工件、定位元件、夾緊元件、輔助元件來(lái)設(shè)計(jì)夾具體，從而確定夾具的三維模型直觀圖，基于UGNX10.0杠桿臂鉆床夾具三維建模設(shè)計(jì)如圖3所示 ，為加工圖紙和計(jì)算機(jī)輔助編程提供了素材。

3.3 杠桿臂夾具工程圖的設(shè)計(jì)

借助UG軟件，通過(guò)三維模型可以直接生成二維工程圖，并且當(dāng)三維模型改變時(shí)，二維圖中的相關(guān)視圖、尺寸等會(huì)同步更新，設(shè)計(jì)步驟包括：選擇圖紙、比例、創(chuàng)建視圖、標(biāo)注、圖紙輸出，夾具裝配圖如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

工藝裝備計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造隨著CAD/CAM技術(shù)和工藝裝備發(fā)展而不斷進(jìn)步，運(yùn)用UGNX軟件參照機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)的體系結(jié)構(gòu)和機(jī)床夾具的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)建立了機(jī)床夾具元件庫(kù)通用性更強(qiáng)。結(jié)合實(shí)例為主，交互式為輔的夾具設(shè)計(jì)方法進(jìn)行機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)。大大縮短了夾具設(shè)計(jì)與制造周期，減少重復(fù)勞動(dòng)，提高工作效率，降低生產(chǎn)成本。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：山東商務(wù)職業(yè)學(xué)院院級(jí)科研基金項(xiàng)目（項(xiàng)目名稱(chēng)：基于UGNX10.0的機(jī)床夾

具實(shí)例設(shè)計(jì)及夾具庫(kù)的研究;編號(hào)：2018SWZR04）

作者簡(jiǎn)介：林喜娜（1984.02-），女，漢，山東煙臺(tái)，研究生（碩士），講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)制造。