基于數(shù)字化制造平臺的專用夾具制造實(shí)訓(xùn)探索

杜官將， 賈曉林， 李光榮

（南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，南京211167）

0 引 言

隨著信息技術(shù)、人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展以及與制造業(yè)加速融合，為全球制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級帶來了新機(jī)遇，智能制造應(yīng)運(yùn)而生。智能制造影響廣泛，為應(yīng)對挑戰(zhàn)，日本提出“智能制造系統(tǒng)（IMS）”，美國提出“信息物理系統(tǒng)（CPS）”，德國提出“工業(yè)4.0”，我國提出“中國制造2025”。“中國制造2025”以創(chuàng)新驅(qū)動為主題，以信息化與工業(yè)化深度融合為主線，以推進(jìn)智能制造為主攻方向。根據(jù)智能制造技術(shù)特征，智能制造可歸納為3個階段，即：數(shù)字化制造（第一代智能制造）、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化制造（“互聯(lián)網(wǎng)＋”制造）、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化制造（新一代智能制造）［1-3］。其中，數(shù)字化制造是智能制造的基礎(chǔ)。

圍繞培養(yǎng)智能制造應(yīng)用型人才，更好地服務(wù)社會，我校機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)對原課程體系進(jìn)行了調(diào)整和充實(shí)，在原數(shù)控實(shí)習(xí)的基礎(chǔ)上，充分利用數(shù)控加工設(shè)備，增加3D打印，自主開發(fā)車間網(wǎng)絡(luò)數(shù)字傳播平臺，構(gòu)建數(shù)字化制造平臺［4-7］，設(shè)計了數(shù)字化制造綜合實(shí)踐實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，并重新制訂教學(xué)大綱，強(qiáng)化數(shù)字化應(yīng)用。到目前為止，已完成3屆學(xué)生的實(shí)訓(xùn)，根據(jù)實(shí)施效果、同學(xué)反饋、專家的建議等，在實(shí)踐中進(jìn)行了持續(xù)改進(jìn)，使我校的數(shù)字化制造綜合實(shí)踐的教學(xué)水平再上一個臺階。

1 數(shù)字化制造平臺

1.1 硬件

主要有各類數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、五軸加工中心，3D打印設(shè)備，鋸床，電火花加工設(shè)備，普通機(jī)床和鉗工工作臺等，能夠完成數(shù)控車削、銑削加工，孔加工，形狀較復(fù)雜的表面加工；3D打印能完成較復(fù)雜零件的制造；鋸床可實(shí)現(xiàn)對棒料、塊料等原料的分割和切斷。

1.2 軟件

主要有：UG NX軟件，CURA軟件（3D打印），自主開發(fā)車間網(wǎng)絡(luò)數(shù)字傳播平臺（控制中心主機(jī)），F(xiàn)ANUC數(shù)控系統(tǒng)，SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)。

根據(jù)我校機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)教學(xué)大綱，在此實(shí)訓(xùn)前，學(xué)生已完成機(jī)械制造工藝學(xué)、數(shù)控技術(shù)、CAD／CAM等相關(guān)課程的學(xué)習(xí)，了解數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)及編程方面的知識，具備了數(shù)控加工工藝設(shè)計能力和UG NX軟件的應(yīng)用能力。

2 項(xiàng)目規(guī)劃和流程

2.1 項(xiàng)目規(guī)劃

項(xiàng)目以小組為單位，8～10位同學(xué)1組，每組完成1套專用夾具的加工、裝配，每位同學(xué)加工1～2個非標(biāo)準(zhǔn)零件，1位同學(xué)完成專用夾具中工件的3D打印，標(biāo)準(zhǔn)零件可在市場上購買或分配給同學(xué)加工，全組成員參加夾具裝配和調(diào)整工作。

2.2 項(xiàng)目流程

學(xué)生以完成專用夾具的數(shù)控加工、裝配等任務(wù)為項(xiàng)目核心，運(yùn)用UG軟件建立專用夾具非標(biāo)準(zhǔn)零件的模型，通過CAM生成數(shù)控加工程序，數(shù)控加工，完成非標(biāo)準(zhǔn)零件的制造。UG軟件建立工件的三維模型，導(dǎo)入3D打印機(jī)，打印工件。最后，進(jìn)行專用夾具的檢測和裝配。項(xiàng)目工作流程如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目流程圖

3 項(xiàng)目目標(biāo)

通過項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，主要培養(yǎng)學(xué)生以下幾個方面能力：

（1）數(shù)控工藝設(shè)計并編程。能根據(jù)被加工零件結(jié)構(gòu)、技術(shù)要求，設(shè)計零件數(shù)控加工工藝方案，要求考慮經(jīng)濟(jì)性，并制定數(shù)控加工工藝卡片，編寫數(shù)控加工程序。對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，可使用UG NX軟件建模，CAM操作，后處理生成數(shù)控加工程序。

（2）加工零件、裝配，撰寫實(shí)踐報告。根據(jù)現(xiàn)場加工情況，具有調(diào)整、控制零件相關(guān)表面加工精度和表面粗糙度的能力，產(chǎn)品裝配、調(diào)整后，須符合裝配質(zhì)量要求。根據(jù)自己在實(shí)踐過程中任務(wù)情況，查閱資料，每人完成1份詳細(xì)的實(shí)踐報告。

（3）能與小組成員協(xié)作，共同完成項(xiàng)目。小組中每個成員都要積極主動與他人溝通，明確自己在小組中承擔(dān)的任務(wù)。因?qū)嵭许?xiàng)目教學(xué)，每一個環(huán)節(jié)都可能會影響項(xiàng)目的完成進(jìn)度。因此，小組成員之間應(yīng)互相學(xué)習(xí)、互相督促，在實(shí)踐過程中培養(yǎng)團(tuán)結(jié)協(xié)作精神，并依據(jù)組員在小組中所起的作用和貢獻(xiàn)進(jìn)行評價。

（4）具備機(jī)床操作能力和安全意識。掌握數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心、鋸床及3D打印機(jī)等設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理和操作步驟，樹立安全觀念，膽大心細(xì)，牢記人身安全和設(shè)備安全。

4 項(xiàng)目實(shí)施

4.1 項(xiàng)目選取及任務(wù)分配

機(jī)床專用夾具是機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的重要專業(yè)內(nèi)容，我校在教學(xué)大綱中安排了機(jī)械制造技術(shù)課程設(shè)計（工藝、夾具），如果條件允許，可結(jié)合前期工藝夾具課程設(shè)計成果，從中挑選設(shè)計質(zhì)量比較好的專用夾具作為本項(xiàng)目的課題，讓學(xué)生見證自己設(shè)計的產(chǎn)品加工出來的過程，從而體現(xiàn)設(shè)計、制造一體化，提升學(xué)生的成就感，加深學(xué)生對專業(yè)知識的綜合理解能力。也可以從有關(guān)資料中選用專用夾具作為項(xiàng)目課題。

通常，中等復(fù)雜程度的機(jī)床專用夾具，除標(biāo)準(zhǔn)件外，零件數(shù)量大約10幾個，同時，要求夾具結(jié)構(gòu)尺寸不宜過大，應(yīng)在數(shù)控車、銑床和加工中心的加工尺寸范圍內(nèi)。學(xué)生在選題過程中，根據(jù)已掌握的專業(yè)知識，對專用夾具的結(jié)構(gòu)工藝性進(jìn)行審查，最后需經(jīng)指導(dǎo)老師審核，以確保項(xiàng)目質(zhì)量［8-10］。

某小組選擇了撥叉鉆夾具，該夾具共有23種零件組成，其三維裝配圖如圖2所示；小組成員任務(wù)分配如表1所示。

表1 任務(wù)分配表

圖2 撥叉鉆夾具三維裝配圖

4.2 毛坯的準(zhǔn)備與下料

夾具中非標(biāo)準(zhǔn)零件的毛坯種類多樣，有鑄件、鍛件或焊接件等。因現(xiàn)場條件限制，毛坯只能選用各種型號的棒料、塊料或金屬板料等，且均為鋁合金材料。這與夾具設(shè)計時各零件選用的材料、毛坯制作方法可能不相符，導(dǎo)致零件性能、加工工藝及材料切削加工性能等都會發(fā)生變化，這些都是項(xiàng)目需要改進(jìn)的地方。對于棒料或尺寸較大塊料、板料，使用鋸床進(jìn)行下料。根據(jù)零件尺寸大小，估算好加工余量和裝夾余量，計算下料尺寸。本平臺使用鋸床型號為GY4230，在該鋸床上進(jìn)行裝夾、下料，下料時要注意冷卻，保護(hù)鋸齒。

4.3 夾具非標(biāo)準(zhǔn)零件的數(shù)控加工工藝設(shè)計

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)、加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)類型等要求，制訂零件數(shù)控加工工藝，并填寫數(shù)控加工工藝卡片。表2所示為支架零件（尺寸：110 mm×132 mm×65 mm）數(shù)控加工工藝卡片。

表2 支架數(shù)控加工工藝及參數(shù)

4.4 夾具非標(biāo)準(zhǔn)零件的建模、CAM

機(jī)床專用夾具中，比較簡單的零件，可以手工編程；比較復(fù)雜的零件（如夾具體、支架、心軸等），UG軟件三維建模后，可借助其CAM功能，后處理生成數(shù)控加工程序。UG CAM的流程圖如圖3所示。

圖3 UG CAM的流程圖

以支架為例，其三維模型如圖4所示，CAM后刀路軌跡如圖5所示。

圖4 支架三維模型

圖5 支架刀路軌跡

UG CAM生成的支架鉆孔程序：

%＿N＿JX143221＿M(jìn)PF

；＄PATH＝／＿N＿M(jìn)PF＿DIR

N0010 G54 G40 G90 ＇設(shè)置坐標(biāo)系、補(bǔ)償取消、絕對坐標(biāo)

N0030 T01 M08 ＇刀補(bǔ)、冷卻液打開

S800 M03 ＇主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速800 r／min

G0 Z20

X0 Y0 ＇刀具快進(jìn)到X0 Y0 Z20

N0040 G00 G90 X-11 Y-1 F100

CYCLE83（20.00，0.00，3.00，－45.00，45.00，－3.00，

3.00，2.00，0.00，0.00，0.50，1）

G0 Z100 ＇刀具快退到Z100

N0090 M30 ＇程序結(jié)束

%

4.5 數(shù)控加工程序的傳輸

數(shù)字化制造平臺依托自主開發(fā)的“生產(chǎn)工位物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)”資源，通過互聯(lián)網(wǎng)將控制中心主機(jī)與平臺內(nèi)的數(shù)控機(jī)床、加工中心連接，實(shí)現(xiàn)了計算機(jī)與機(jī)床間的信息傳輸。先調(diào)整數(shù)控機(jī)床至程序接收狀態(tài)，由平臺主機(jī)傳輸NC程序至機(jī)床，節(jié)約了準(zhǔn)備時間，提高了數(shù)字化利用效率。

4.6 加工操作

FANUC系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床，開機(jī)后，需先回機(jī)床零點(diǎn)，再進(jìn)行其他操作。

（1）對刀。在數(shù)控加工前，必須對加工過程中所有用到的刀具進(jìn)行對刀。對刀的目的是確定刀具與機(jī)床或工件的相對位置，對刀的好壞直接影響零件的加工質(zhì)量。數(shù)控車削利用試切對刀，一般需要進(jìn)行X、Z方向?qū)Φ叮粩?shù)控銑削利用對刀儀對刀，一般需要進(jìn)行X、Y、Z方向?qū)Φ丁Φ锻戤吅螅枰?yàn)刀，驗(yàn)證對刀結(jié)果，以保證零件加工質(zhì)量和操作安全。

（2）刀軌仿真。NC程序傳輸至機(jī)床后，為了確保加工安全，需要驗(yàn)證數(shù)控程序的正確性和后處理構(gòu)造器的匹配性，必須在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行刀軌仿真。仿真過程中，仔細(xì)觀察刀具運(yùn)動軌跡是否正常，機(jī)床是否有報錯信息等。如發(fā)現(xiàn)異常，需及時處置，找出原因，對程序進(jìn)行修改或?qū)C(jī)床進(jìn)行調(diào)整，以免影響加工質(zhì)量，甚至安全事故。

（3）加工。加工前，要讓學(xué)生進(jìn)行數(shù)控機(jī)床操作練習(xí)，熟悉數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)、各按鈕的功能和操作步驟，以便在加工時進(jìn)行有效操作，注意安全教育，讓學(xué)生熟知緊急情況下的應(yīng)對措施。在確認(rèn)零件加工程序、對刀正確的情況下，就可以對零件進(jìn)行加工了。圖6所示支架零件加工中，毛坯下部留有虎鉗夾持余量，加工后，銑去夾持余量，得到支架零件。

圖6 支架零件加工實(shí)況

5 工件3D打印

為了演示夾具的工作過程和裝配關(guān)系，夾具中的工件必須制作出來。根據(jù)工件的要求，需要用傳統(tǒng)的方法（如鑄造，或鍛造，或焊接等）制造毛坯，經(jīng)加工才能獲得工件。因受到條件限制，且傳統(tǒng)方法生產(chǎn)周期長，故實(shí)訓(xùn)采用3D打印技術(shù)，快速生成工件模型。

3D打印技術(shù)使用金屬粉末、熱塑性材料等，在相關(guān)載體上，逐層打印疊加，獲得產(chǎn)品三維原型，數(shù)字模型是3D打印技術(shù)的重要組成部分。但由于受到打印材料的局限，產(chǎn)品強(qiáng)度往往較弱［11-13］。

數(shù)字化平臺現(xiàn)有8臺威寶仕3D打印機(jī)（型號為Wiiboox），料絲使用PLA材料。采用熱塑擠壓3D打印的原理，可制作體積較大且較精致的模型。應(yīng)用UG NX建立工件三維模型，然后轉(zhuǎn)換成打印機(jī)所需格式文件（***.stl），打印機(jī)讀取文件后，通過CURA調(diào)整參數(shù)，最后導(dǎo)入SD卡，打印機(jī)直接讀取打印，得到工件。圖7所示為工件3D打印中，圖8所示為3D打印的工件。

圖7 工件3D打印實(shí)況

圖8 3D打印的工件

6 專用夾具的裝配

因單件生產(chǎn)，故專用夾具裝配采用固定式組織形式。裝配順序采用先內(nèi)后外，先下后上，先難后易的原則。為了保證裝配精度，提高裝配效率，將本專用夾具劃分若干裝配單元，實(shí)行平行裝配，最后進(jìn)行總裝。

本例中，基礎(chǔ)件為底座，由支架、導(dǎo)向組件、定位件等裝配形成支架部件，由手柄、偏心輪、夾緊塊組成夾緊部件。零件安裝前必須經(jīng)過檢查，不合格的零件不能裝配。根據(jù)專用夾具的裝配要求，選取相應(yīng)的裝配方法、裝配工具及設(shè)備。由于專用夾具制造屬于單件小批生產(chǎn)，通常只需要繪制裝配系統(tǒng)圖，裝配時，按照裝配系統(tǒng)圖進(jìn)行裝配［14-15］。圖9所示為支架部件裝配系統(tǒng)圖。

圖9 支架部件裝配系統(tǒng)圖

7 結(jié) 語

通過3周的數(shù)字化綜合實(shí)踐，學(xué)生以組為單位，完成了專用夾具制造、裝配的全過程，加深了學(xué)生對本專業(yè)方向的理解，鍛煉了學(xué)生操作數(shù)控機(jī)床的能力，了解制造過程中的經(jīng)濟(jì)性，對學(xué)生的成長、成才都有較大幫助，學(xué)生普遍反映良好，工程教育專業(yè)認(rèn)證專家現(xiàn)場考察也給予了充分肯定。

主要成績：①依據(jù)數(shù)字化綜合實(shí)踐平臺，實(shí)現(xiàn)加工對象由單個零件到產(chǎn)品（專用夾具）的轉(zhuǎn)變，不僅有制造環(huán)節(jié)，還有裝配環(huán)節(jié)，數(shù)字化制造特色顯著。②通過分工協(xié)作，以小組為單位推進(jìn)項(xiàng)目開展，促進(jìn)了學(xué)生之間的交流與溝通，培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)結(jié)、協(xié)作精神。③通過項(xiàng)目實(shí)訓(xùn)，加深了對數(shù)控加工工藝、數(shù)字化制造技術(shù)的理解和應(yīng)用能力的提升。

主要不足：①由于毛坯選用材料為鋁合金，與原零件材料不同，導(dǎo)致切削用量、切削刀具等選擇上有差異；②選用棒料、塊料、板料等作為毛坯，由于與夾具零件結(jié)構(gòu)上有差異，其加工方法也發(fā)生變化，因采用材料去除原理加工，一些在零件上的非加工表面也變成了加工表面，導(dǎo)致零件加工工藝發(fā)生改變。