【摘要】介紹了組合夾具的用途、結(jié)構(gòu)，以圖文并茂的形式敘述了基于Pro/ENGINEER平臺上的組合夾具元件庫的建立、動態(tài)模擬裝配、裝配體的分析、指導(dǎo)組裝工人的工程圖和相關(guān)信息的生成，簡述了建立虛擬組合夾具站的必要性和實用性。
【關(guān)鍵詞】Pro/ENGINEER 組合夾具 三維造型 裝配體 爆炸圖 工程圖

1 前言

組合夾具是在夾具零部件標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種工藝裝備，它由一套預(yù)先制定好的由各種不同形式、不同規(guī)格尺寸的標(biāo)準(zhǔn)組件和組合體組成。這些組件相互配合，部分尺寸精度高、硬度高、耐磨性好并且有完全的互換性。利用這些組件，根據(jù)被加工工件的工藝要求，可以很快地組裝出機(jī)械加工及檢驗、裝配等各工種用的夾具。組合夾具具有很大的機(jī)動性和靈活性，它適用于多品種、中小批量的生產(chǎn)和大批生產(chǎn)的工廠，也可在某些生產(chǎn)環(huán)節(jié)中得到應(yīng)用。

由于現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和技術(shù)發(fā)展迅速，機(jī)械工業(yè)也發(fā)生了很大變化，這種變化的特點是新產(chǎn)品開發(fā)快，產(chǎn)品的品種、系列和規(guī)格愈來愈多，形成了多樣化的特點。新產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度加快，用戶要求的交貨期愈來愈短。在生產(chǎn)類型中，大批大量生產(chǎn)的比例下降，中小批量生產(chǎn)的比例增加。市場競爭激烈，產(chǎn)品即要質(zhì)量好，又要成本低。現(xiàn)代機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)的現(xiàn)代柔性制造單元（FMC）和柔性制造系統(tǒng)（FMS）需要一種性能可靠、裝配時間短和靈活快速的夾具，并最終實現(xiàn)自動組裝。

然而，多年來，對組合夾具的設(shè)計和組裝，由于時間、環(huán)境條件的限制，總體設(shè)計與系統(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)計主要依賴經(jīng)驗，定性分析較多，定量分析較少，且計算復(fù)雜，同時缺乏必要的優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計的圖樣不夠直觀。在裝夾過程中，工人要認(rèn)真消化圖樣，設(shè)計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)計過程中的裝配干涉問題，無法在設(shè)計中提前發(fā)現(xiàn)，造成工人的勞動強度增大，已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)今快速、多樣化的制造需求。這一特點為計算機(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。同時該系統(tǒng)的成功應(yīng)用將為中小企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。在計算機(jī)逐步普及的過程中，二維繪圖CAD軟件在產(chǎn)品研制過程中，深入到設(shè)計、工藝過程的各個環(huán)節(jié)，使設(shè)計人員徹底甩掉圖版，從繁瑣的重復(fù)勞動中解放出來，大大縮短了研制周期。現(xiàn)在，大量三維實體造型軟件崛起，如Pro/ENGINEER、UG、SolidWorks、Solid Edge等，推動了設(shè)計領(lǐng)域的新革命，由于這些三維軟件，不僅可創(chuàng)建三維實體模型，還可利用設(shè)計出三維模型進(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)量有限，易于儲存和檢索，使利用Pro/ENGINEER建立組合夾具站成為可能。

2 組合夾具標(biāo)準(zhǔn)組件庫的建立

2.1 組合夾具庫的結(jié)構(gòu)

組合夾具基本組件數(shù)量繁多，為便于歸類和方便檢索標(biāo)準(zhǔn)件，將組合夾具進(jìn)行分類，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，如圖1所示。

圖1 組合夾具分類

2.2 用Pro/ENGINEER建立組件庫

Pro/ENGINEER三維元實體造型功能非常強大。簡單的組件如基礎(chǔ)板、壓板等，用拉伸、切割、打孔、加強筋、倒角等直觀指令即可實現(xiàn)，而對一些型面復(fù)雜的零件，如彈簧、螺栓等，用高級功能的旋轉(zhuǎn)掃描變截面掃描等來完成，也很方便快捷。所有這些設(shè)計都成為單一特征，在開發(fā)建立夾具站的全過程中可以修改。對組合夾具組件來說，同一類型中的組件，其形狀相似，用Pro/ENGINEER中的族表功能會事倍工半。

Pro/ENGINEER中的族表（Family table）是本質(zhì)上相似的零件（或組件、特征）的集合，但在一兩個方面稍有不同，諸如大小或詳細(xì)特征。對于重復(fù)性高、相似性大的零件（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）及一族表（Family table），即可代表無數(shù)個零件。任何時候，只要調(diào)出族表內(nèi)任一個零件的名稱，即可自動產(chǎn)生一個照族表所示尺寸比例的零件。

族表提高了標(biāo)準(zhǔn)化組件的用途。它們允許在Pro/ENGINEER中表示實際的零件清單。同時，族使得組件中的零件和子組件容易互換，因為來自同一族的實例互相之間可以自動互換。下面，以方形基礎(chǔ)板為例說明創(chuàng)建零件庫的操作步驟。

（1）按照組合夾具標(biāo)準(zhǔn)，創(chuàng)建方形基礎(chǔ)板的原始樣本三維模型，如圖2所示。

（2）進(jìn)入【Part】/【Modify】→【DimCosmetics】→【Symbol】，修改相應(yīng)零件尺寸的數(shù)字元記號，如圖2、圖3所示。

圖2 簡式方形基礎(chǔ)板原始樣本組件

圖3相應(yīng)符號對照

（3）定義尺寸關(guān)系式。具體為：【Part】/【Ralations】→【Add/Edit...Rel】定義、編輯尺寸關(guān)系式，限制零件形狀，如DL1=D1/2等。

（4）將尺寸及特征加入標(biāo)準(zhǔn)零件庫。具體為：【Part】/【Family Tab】→【Add/delete the table columns】圖標(biāo) →加入特征尺寸符號→【OK】。

（5）建立標(biāo)準(zhǔn)零件數(shù)據(jù)庫。具體為在規(guī)格較多的情況下，進(jìn)入Excel進(jìn)行編輯零件的零件表內(nèi)容，有效管理零件，產(chǎn)生子零件，如圖4所示。

圖4 簡式方形基礎(chǔ)板數(shù)據(jù)庫

（6）檢查子零件，存儲此基礎(chǔ)板零件庫。以類似的方法可以建立所有組合夾具的標(biāo)準(zhǔn)組件，形成組合夾具標(biāo)準(zhǔn)組件庫，以便調(diào)用。

2.3 組合夾具動態(tài)虛擬裝配

加工工件在組合夾具上的定位夾緊和最終裝配是設(shè)計的關(guān)鍵部分，要把工件合理準(zhǔn)確地組裝到位并不容易。而虛擬裝配（VA）是產(chǎn)品數(shù)字化定義中的一個重要環(huán)節(jié)。在對部件或整體進(jìn)行有限元分析或動態(tài)分析之前，要將它們先裝配起來。其內(nèi)涵就是在計算機(jī)上完成產(chǎn)品零部件的實體造型，進(jìn)行計算機(jī)裝配、干涉分析等多次協(xié)調(diào)的設(shè)計過程，并通過統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)三維設(shè)計過程與產(chǎn)品零部件制造、裝配過程的高度統(tǒng)一。基于Pro/ENGINEER平臺的動態(tài)虛擬裝配模塊很好地解決了這一問題，建立組合夾具組件庫后，允許設(shè)計人員用粘貼、插入、對齊、同向等直觀命令來完成裝配設(shè)計。Pro/ENGINEER完成這項工作非常方便，只須定義出工件與各組合夾具組件之間的關(guān)系，系統(tǒng)就會根據(jù)給出的約束關(guān)系，將工件和夾具組件自動安裝到位。如果改變原有設(shè)計，與其相關(guān)的夾具組件位置就會自動改變。夾具組件的尺寸可以在裝配中加入關(guān)系或進(jìn)行約束。零件的高級功能則支持大型、復(fù)雜的裝配，復(fù)制功能提供用戶坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，平移或旋轉(zhuǎn)復(fù)制零部件。下面以圖5所示的加工管接頭外圓為例，說明其組合夾具的裝夾過程。

圖5 管接頭工件

(1) 分析零件結(jié)構(gòu)，確定定位面和夾緊位置。

(2) 虛擬裝配。具體為：【File】/【New】→【Assembly】→不選【Use default template】→【OK】→選mmns-asm-design→【OK】進(jìn)入裝配環(huán)境。

(3) 【Assembly】→【Component】→【Assemble】→從組合組件庫中調(diào)出需要的組件，依次類推，進(jìn)行工件的裝配。最終此工件的組合夾具裝配體建成（如圖6所示）。

圖6 車接頭外圓夾具

本夾具采用環(huán)抱式結(jié)構(gòu)，是車床夾具一種比較典型的六點組裝法結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)剛度好，定位精度穩(wěn)定，組件分布較均勻，偏重小，有利于減少簡單平衡塊的數(shù)量，從而減輕夾具的重量。

2.4 裝配體的分析（Analysis）

對夾具裝配體的結(jié)構(gòu)、大小和轉(zhuǎn)動慣量等的分析是總體設(shè)計的重點之一，傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，裝配體的大小、質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動慣量只能靠手工計算，大多數(shù)情況只是依靠經(jīng)驗，準(zhǔn)確度不宜保證，給總體設(shè)計帶來困難。使用Pro/ENGINEER軟件，使得裝配間隙的調(diào)整和裝配干涉的檢查變得更加準(zhǔn)確、直觀、快捷，尤其是對于檢驗設(shè)備不能接近的部位，間隙也能得到控制，使干涉問題消除在方案階段。

首先在菜單【Model】→【Part】→【Set up】→【density】的提示行，給出材料密度，并且在菜單【Model】→【Part】→【Set up】→【Units】下定義質(zhì)量、長度單位。進(jìn)入【Analysis】主菜單，可以對距離、模型、曲線、曲面等進(jìn)行實時分析。例如，進(jìn)入【Analysis】 →【Measure】對話框的（Type）中選擇距離、角度、面積等基本幾何參數(shù)，進(jìn)行測量。進(jìn)入【Analysis】 →【Model Analysis】對話框的（Type）中對質(zhì)量屬性分析、模型截面質(zhì)量分析、單邊體積計算、兩特征間公差分析、兩組件間公差分析、曲面與實體間的干涉分析、兩組件間干涉分析、邊的長度分析、邊的種類分析、厚度分析。其中【Analysis】 →【Model Analysis】→【Assembly Mass properties】可以實時顯示體積、表面積、平均密度、質(zhì)量、質(zhì)心、相對與坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)動慣量、相對與質(zhì)心的轉(zhuǎn)動慣量、主轉(zhuǎn)軸慣量等。【Analysis】 →【Model Analysis】→【Global Interference】，可以檢查零件的干涉情況，選取干涉屬性時，干涉的零件會自動變亮色，以確定對其修改。

對不合理的組件進(jìn)行調(diào)換，不合理的位置進(jìn)行修改，由Pro/ENGINEER的全相關(guān)性決定了，對組件的尺寸、大小、規(guī)格稍作變化，其裝配體會相應(yīng)更改，直到完全滿足設(shè)計要求。

2.5 爆炸圖和工程圖的生成

當(dāng)然，在虛擬裝配完全滿足性能要求后，為建立一套直觀的指導(dǎo)組裝工人的實際組裝文件，首先在裝配圖上，可采用3D爆炸形式，動態(tài)模擬整個裝配體從組件到形成裝配體的安裝過程和安裝方式。拋棄傳統(tǒng)的圖樣方式，使裝配更具有空間感和方位感。裝配體的工程圖制作變得較為簡單，在菜單上指定一個命令就能立即完成，對于較為復(fù)雜的組裝圖，簡單的向視圖不能清楚表達(dá)裝配關(guān)系時，作必要的剖面，完成工程圖時，選擇這些剖面作出主視、向視、投影、局部放大、旋轉(zhuǎn)、展開等種類視圖。同時能將三維組裝模型作為獨立視圖，縮放后放于圖樣右上角，大大提高了工程人員的閱讀速度，作為三級審簽的校對、審核、批準(zhǔn)也省去了圖面檢查時間，可以投入更多的精力進(jìn)行功能性審查，同時也克服了非專業(yè)人員溝通的困難。Pro/ENGINEER能將圖樣的低級錯誤率降到最低。圖7為自動生成的管接頭組合夾具二維工程圖。

圖7 管接頭組合夾具二維工程示圖

2.6 信息的提取和實際裝配

傳統(tǒng)的組合夾具設(shè)計中，夾具工藝師對組合組件的信息統(tǒng)計費事費時，而Pro/ENGINEER平臺上，在視圖完成后，自動地完成零件數(shù)量的統(tǒng)計和明細(xì)表的填寫等相關(guān)信息，為組裝工人建立指導(dǎo)性文件，使實際組裝更加條理化。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)系模型尺寸等。例如 【Info】→【Model】→【Top level】→【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)，圖8為提取的以上管接頭夾具裝配體的部分資料。

圖8 管接頭夾具出配明細(xì)

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)行實際裝配。

3 結(jié)束語

Pro/ENGINEER智能化的三維軟件為夾具設(shè)計帶來方便，也為機(jī)械行業(yè)帶來更大效益。由以上方法建立的夾具站已初步用于生產(chǎn)加工中，顯示了強大的使用價值。當(dāng)然這種方法也適合于專用夾具設(shè)計，隨著機(jī)器人的發(fā)展，組合夾具的實際裝配更趨于自動化，由Pro/ENGINEER設(shè)計完成裝配體后，建立的裝配信息控制機(jī)器人自動裝配，工人工作量減到最低，可以使裝配技術(shù)更加適合現(xiàn)代制造的需要。