三維設(shè)計(jì)軟件的發(fā)展，為定位夾具能夠?qū)崿F(xiàn)低成本，短周期，設(shè)計(jì)提供了條件，且可以虛擬模擬加工進(jìn)行驗(yàn)證。如圖1 是一個(gè)與YZ 和ZX 平面均成45°夾角的典型零件：

圖1

零件加工方案選擇

這種具有特殊空間結(jié)構(gòu)的零部件一般有2 種加工方法：

①提高機(jī)床的性能，即把原來(lái)的2.5 軸或3 軸的數(shù)控機(jī)床提高到5 軸以上；

②設(shè)計(jì)出合適的定位夾具，利用現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行加工。

考慮到加工成本，第二種方案顯然是更理想的選擇。下面就針對(duì)此零件設(shè)計(jì)一個(gè)定位夾具，利用CATIA軟件，進(jìn)行夾具各零部件的實(shí)體建模、裝配、干涉檢測(cè)、精度分析，將設(shè)計(jì)完成的夾具導(dǎo)入數(shù)控加工模塊中進(jìn)行虛擬加工，以檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的可行性與正確性。

定位夾具設(shè)計(jì)及三維建模

考慮被加工零件的特點(diǎn)，保證加工精度，同時(shí)為了提高夾具的適用范圍， 將定位夾具設(shè)計(jì)為模塊化組合式夾具，如圖2 所示。夾具主要由4 部分組成：定位支架、定位板、導(dǎo)向模塊和定位夾，其中定位支架是整個(gè)夾具的基石，它直接決定了定位的斜度，其他零部件均也安裝在其上。

圖2 定位夾具三維實(shí)體模型

1. 定位夾2. 定位支架3. 定位板4. 導(dǎo)向模塊

定位板是用來(lái)將導(dǎo)向模塊安裝到定位支架， 并且當(dāng)所加工斜度為45°工件的尺寸大小和基面形狀發(fā)生改變時(shí)， 只需要改變導(dǎo)向模塊結(jié)構(gòu)和尺寸， 在定位板上選擇合適的位置進(jìn)行固定，使得該定位夾具的應(yīng)用范圍較廣。在導(dǎo)向模塊和定位夾的設(shè)計(jì)中應(yīng)以加工零件的結(jié)構(gòu)形狀為依據(jù)，使其與待加工零件外邊面相配合，高度應(yīng)相同，以便于定位夾的安裝， 定位夾一般采用三點(diǎn)定位來(lái)設(shè)計(jì)安裝， 與定位板配合實(shí)現(xiàn)對(duì)待加工零件6 個(gè)自由度的限制。

定位夾具的靜態(tài)干涉檢驗(yàn)

為了保證所設(shè)計(jì)夾具的各零部件能夠被加工和組裝，并且能夠?qū)崿F(xiàn)其定位功能，必須對(duì)夾具進(jìn)行干涉檢測(cè)。

靜態(tài)干涉分析包括夾具各單元之間的干涉和夾具與工件之間的干涉。每套夾具都有若干單元組成，完成包括定位和夾緊作用。由于空間有限和各單元的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且?jiàn)A具的設(shè)計(jì)一般為逐層設(shè)計(jì)，很難控制空間余量，容易出現(xiàn)干涉。另外，工件的形狀復(fù)雜，由于夾具單元位置或結(jié)構(gòu)上的原因，可能造成工件不能正確地安裝。

圖3 靜態(tài)干涉檢測(cè)示意圖

在CATIA中的“DMU Space Analysis”模塊下，對(duì)夾具進(jìn)行靜態(tài)干涉分析，利用碰撞檢測(cè)“CheckClash”和剖面工具“Sectioning Definition”對(duì)夾具進(jìn)行檢測(cè)。

動(dòng)態(tài)干涉分析

利用CATIA 提供的“DUM Fitting”模塊對(duì)組裝的產(chǎn)品進(jìn)行檢測(cè)，能夠記錄組裝時(shí)零件的轉(zhuǎn)配路徑，分析組裝零件時(shí)，移動(dòng)零件所需求的動(dòng)態(tài)空間，檢測(cè)各零件間的干涉情況。首先將“裝配件設(shè)計(jì)”切換到“DUM Fitting”模塊下，按照夾具的裝配給出每個(gè)裝配路徑，其中包括各零部件的轉(zhuǎn)配運(yùn)動(dòng)距離信息，目的是為了能夠在干涉發(fā)生時(shí)獲得具體的干涉位置和深度，然后按順序建立裝配模擬，最后打開(kāi)“碰撞”分析，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 動(dòng)態(tài)碰撞檢測(cè)

圖4 所示A 區(qū)為區(qū)域位置為干涉發(fā)生處，其具體顯示如圖5 所示。干涉發(fā)生在定位夾與導(dǎo)向模塊上，通過(guò)對(duì)干涉信息的分析得出，由于在裝配過(guò)程中定位夾與導(dǎo)向模塊的裝配路徑相沖突發(fā)生碰撞。針對(duì)出現(xiàn)的干涉，對(duì)夾具做如下修改：在保持定位點(diǎn)和夾緊點(diǎn)無(wú)較大變動(dòng)的前提下， 改變單元中其他零部件的空間位置或部分尺寸參數(shù)。

圖5 干涉發(fā)生區(qū)域

數(shù)控模擬加工

利用CATIA 提供的“加工”模塊，對(duì)工件進(jìn)行數(shù)控加工， 以檢驗(yàn)刀具在加工工件時(shí)與夾具是否發(fā)生碰撞干涉，從而驗(yàn)證數(shù)控加工的可行性。為了能夠直觀(guān)地觀(guān)察到碰撞是否發(fā)生， 本文選擇加工工件中具有空間斜度的拔模圓柱體的外圓輪廓。首先將裝配好的夾具切換到“ 加工” 模塊下的“Surface Machining” 中對(duì)加工零件的外表面進(jìn)行“Contourdriven”（輪廓驅(qū)動(dòng)精加工）； 然后在彈出的對(duì)話(huà)框中選擇加工區(qū)域?yàn)榇�加工零件�?選擇合適刀具路徑參數(shù)，其中包括驅(qū)動(dòng)引導(dǎo)線(xiàn)的選擇，合適的刀具參數(shù)和退刀路線(xiàn)；最后進(jìn)行數(shù)控模擬加工生成刀具軌跡線(xiàn)，如圖6 所示。

圖6 生成的刀具軌跡線(xiàn)

由圖可以清晰地看出軌跡線(xiàn)覆蓋了整個(gè)加工區(qū)域， 并且沒(méi)有與夾具的任何零部件發(fā)生碰撞，能夠?qū)崿F(xiàn)加工目的。為了能夠更加形象地顯示數(shù)控加工的整個(gè)過(guò)程，可以選擇“道路仿真”功能，通過(guò)觀(guān)察， 整個(gè)加工過(guò)程中刀具沒(méi)有與夾具發(fā)生任何碰撞干涉。

定位夾具的精度校核

在對(duì)定位夾具進(jìn)行設(shè)計(jì)中， 定位精度是衡量夾具性能的重要指標(biāo)。定位精度的高低直接影響到所加工工件的質(zhì)量，所以還需要校核其精度。定位精度一般有誤差計(jì)算不等式，既要求所有與工序有關(guān)的誤差的總和小于工序尺寸的公差范圍來(lái)驗(yàn)證。

在夾具的使用過(guò)程中，影響夾具精度的因素一般分為：

（1）定位精度ΔD，其中包括基準(zhǔn)唯一誤差和基準(zhǔn)不重合誤差；

（2）對(duì)刀和導(dǎo)向誤差ΔT和ΔJ；

（3）夾具在機(jī)床上的安裝誤差ΔA；

（4）夾緊誤差ΔF。

夾具的定位總誤差：

（式中 δK=加工工件的工序尺寸公差）

上述案例通過(guò)發(fā)揮CATIA 的三維虛擬設(shè)計(jì)能力，對(duì)定位夾具的設(shè)計(jì)和功能檢測(cè)，能夠有效地降低成本，縮短設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期；在整個(gè)設(shè)計(jì)構(gòu)成中，計(jì)算機(jī)完成了從設(shè)計(jì)到裝配再到在數(shù)控機(jī)床上模擬加工， 其中包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的干涉分析，這是傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法所無(wú)法比擬的， 也是現(xiàn)代夾具工業(yè)發(fā)展的一種必然趨勢(shì)。

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