毕业设计论文加工液压泵上体三个阶梯孔的机床专用夹具计算机辅助设计研究

毕业设计（论文）题 目： 加工液压泵上体三个阶梯孔的机床专用夹具计算机辅助设计研究 作者： 系 （部）： 机电控制工程系 专业班级： 机械制造工艺与设备 指导教师： 职称： 摘 要机床夹具设计是制造系统的重要组成部分，随着先进制造技术的发展和市场竞争的加剧，传统的夹具设计方式已成为企业中产品快速上市的瓶颈，企业迫切需要提高夹具设计的效率。计算机辅助设计与制造正是为了适应这一要求而产生的，在此背景下，开发了实用性强的 CAD/CAM系统，主要进行了下面几个方面的研究：1、 介绍了计算机辅助设计系统(CAD/CAM)的发展概况和研究现状2、 现代技术把CAD 技术引入到夹具设计中，形成了计算机辅助夹具设计（Computer Aided Fixture Design CAFD）方法，研制了相应的软件系统。研究了参数化、产品数据管理、数据库及网络技术及在 CAFD 系统中的应用。3、 CAD/CAM技术发展的另一个特点是从零件的CAD建模发展到面向产品的CAD建模。产品为满足用户多样化的要求,常常需要改动一个或几个主要参数,也就是所谓的系列化、多样化的设计。4、 20世纪90年代以来，CAD技术基础理论主要以PTC的Pro/Engineer为代表的参数化造型理论和以SDRC的I-DEAS为代表的变量化造型理论形成了基于特征的实体建模技术,为建立产品信息模型奠定了基础。5、 利用Pro/E等三维绘图软件绘制了大量的夹具标准件图，并建立Pro/E系统的数据库和图形库。关键词：CAD/CAM/CAFD，建模，Pro/E, 数据库，图形库 目 录第一章 绪论.1 1.1CAD技术的发展.1 1.2计算机辅助夹具设计的研究状况.1 1.3 Pro/Engineer软件的介绍.21.4本课题的目的与意义.2第二章 机床夹具设计计算过程及平面图纸绘制.3 2.1设计题目.3 2.2题目分析及工件加工工艺分析.4 2.3设计计算过程及平面图纸绘制.4 2.3.1明确设计任务与收集设计资料.4 2.3.2拟定夹具结构方案与绘制夹具草图.4 2.4夹具的精度分析.11第三章 机床夹具零件的创建过程.14 3.1机床夹具的设计方法.143.2 Pro/E软件的一般造型过程.16 3.2.1 Pro/E软件创建夹具零件图形库.17 3.2.2 Pro/E软件应用到夹具设计中的主要步骤.17 3.3夹具零件的具体创建实例.27第四章 夹具的装配方法.21 4.1在Pro/E中夹具的装配方法步骤.21 4.2 夹具的具体装配过程.224.3爆炸图的生成.25第五章 总结与展望.26参考文献.27第一章 绪 论1.1CAD技术的发展CAD（计算机辅助设计，Computer Aided Design）是指工程技术人员以计算机为工具，用各自的专业知识，对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等设计活动的总称。计算机辅助设计是人和计算机相结合，各尽所长的一种新的设计方法。在设计过程中，人是设计的主题，要进行创造性的思维，拟定工作原理、构思设计方案等。计算机作为辅助工具，协助人来完成设计中大部分事务性的工作，诸如计算、绘图、查找数据资料、生成技术文件等。一个好的计算机辅助设计系统既能充分发挥人的创造性作用，又能充分利用计算机的高速分析计算和大量存储数据的能力，找到人和计算机最佳结合点。CAD为设计提供了有力的支持，是制造业的支撑技术，CAD技术的发展和应用水平是衡量一个国家的工业现代化、科学技术发展水平的重要标志之一。CAD 技术起步于20世纪50年代，40多年来CAD技术的发展经历了以下几个发展阶段：1、60 年代，CAD 的主要技术特征是交互式二维绘图和三维线框模型。利用解析几何的方法定义了有关图素（如点、线、圆等），用来绘制或显示直线、圆弧组成的图形。2、70 年代，CAD 的主要技术特征是自由曲线曲面生长算法和表面造型理论，虽然表面造型技术可以解决 CAM 表面加工的问题，但不能表达形体的质量、重心等特征，不利于实施 CAE 方法。3、80 年代，CAD 的主要技术特征是实体造型（Solid Modeling）理论和几何建模（Geometric Modeling）方法。实体建模的边界表示法（BRep）和构造实体几何表示法（CGS）在软件开发上得到应用。4、90 年代以来，CAD 技术基础理论主要是以 PTC 的 Pro/Engineer 为代表的参数化造型理论和以 SDRC 公司的 IDEAS 为代表的变量化造型理论，形成了基于特征的实体建模技术，为建立产品信息模型奠定了基础。计算机辅助造型技术经过几十年的探索，已经发展到特征造型和参数化、变量化设计阶段，推动了工业自动化进程，促进了现代制造技术的发展。1.2计算机辅助夹具设计(CAFD)的研究状况近年来，国内外许多制造企业已经在新产品开发过程中通过引入先进的科技手段如 CAD、CAPP、CAM 及生产计划管理系统等，来解决产品开发周期、质量和成本问题，并取得了一定的效果。人们将 CAD 技术引入到夹具设计中，形成了计算机辅助夹具设计（Computer Aided Fixture Design CAFD）方法，研制了相应的软件系统。在系统中建立了夹具元件库，在计算机屏幕上显示工件的三维视图，用户交互地从夹具元件库中提取相应的夹具元件，在屏幕上形成夹具装配图，提高了设计和质量。计算机辅助夹具设计（ComputerAided Fixture Design）是改变传统夹具设计作为计算机辅助夹具设计技术的一个应用方面，CAFD 和计算机辅助工艺设计(CAPP)共同组成了 CAD 和 CAM 的桥梁。计算机辅助夹具设计系统的研制和开发是直接从零件 CAD/CAPP 集成环境中获取夹具设计信息，包括 CAD 系统输出的零件几何信息和 CAPP 系统输出的零件加工信息，然后将读取的几何信息和工程信息作为夹具设计的已知条件进行夹具的计算机辅助设计与分析，以其高速、准备、自动化的特点实现夹具的自动设计，提高夹具设计效率和质量，缩短产品开发周期和降低产品生产成本。计算机辅助夹具设计方法的发展总趋势应该是具有更多的通用性、智能化和与 CAD、CAPP、CAM 的集成，计算机辅助设计中的新理论、新方法的发展和应用将进一步推动 CAFD 在实用化的方向取得更大的成就。1.3Pro/Engineer软件的介绍 在夹具设计中,采用CAD技术 并尽可能使用标准件是提高夹具设计效率的措施之一.这样,夹具三维标准元件库以及标准件库与CAD系统的接口在夹具CAD系统中显得尤为重要.设计人员在原有基础上进行变形设计时就能够充分利用夹具三维标准元件库的资源,避免不必要的重复劳动.本次毕业设计采用美国PTC公司开发的CAD/CAM软件Pro/E为平台,建立夹具三维标准元件库(简称标准件库),以适应新夹具的设计与开发.这在多数的CAD软件中过度曲线部分由于加工方式不同而形状各异，很难精确的表现出来。由于CAD技术的发展，出现了Pro/Engineer等大型优秀的CAD软件，其主要功能在于可进行强大的参数设计，使得复杂的实体造型成为可能。鉴于上述原因，采用Pro/E进行精确的三维建模。 Pro/E是一套设计至生产自动化的机械软件，是新一代产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。由于它能快捷地实现三维实体建模，并能方便地得到任何实体的几何参数，转动惯量任意截面的截面力学性能。Pro/E有以下的特点：（1） 参数化设计和特征性能Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。（2） 单一数据库Pro/Engineer是建立在统一基层的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个用户在为一件产品造型而工作，不管它是哪个部门的。换言之在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程祥图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点使得设计更加优化，成品质量更高。1.4本课题的目的与意义本课题在学习机床专用夹具的基本知识和基本理论的同时，研究如何利用计算机来使用CAD、Proe等绘图软件来设计专用夹具以及如何对专用夹具进行可视化设计，形成专用夹具的三维爆炸视图。本课题对学习和巩固机床夹具设计的专业知识具有极大的帮助，通过设计实践，能切实掌握设计制造专用夹具的基本理论和方法，全面熟悉机械制造工艺方面的知识，培养独立设计机械产品的能力和利用机械设计自动化程序的能力。第二章 机床夹具设计计算过程及平面图纸绘制2.1设计题目：如图2-1所示，加工液压泵上体的三个阶梯孔，中批生产，根据工艺规程，在加工阶梯孔之前，工件的顶面与底面、两个8H7孔和两个8mm孔均已加工好。本工序的加工要求有：三个阶梯孔的距离为250.1mm,三孔轴线与底面的垂直度，中间阶梯孔与四小孔的位置度试设计所需的车床夹具。 图21 液压泵上体零件图2.2 题目分析及工件加工工艺分析1）基本概念：在工件加工的工序图中，用来确定本工序加工表面位置的基准，称为工序基准。当工件以回转面（圆柱面、圆锥面、球面等）与定位元件接触（或配合）时，工件上的回转面称为定位基面，其轴线称为定位基准。与此对应，心轴的圆柱面称为限位基面，心轴的轴线称为限位基准。2）题目分析及工件加工工艺分析：本课题要求设计一加工液压泵上体阶梯孔的专用夹具，工件的结构形状复杂，根据工艺规程，在加工阶梯孔之前，工件的顶面与底面、两个8H7孔和两个8mm孔均已加工好。本工序的加工要求有：三个阶梯孔的距离为250.1mm,三孔轴线与底面的直度，中间阶梯孔与四小孔的位置度。后两项未注公差，加工要求低。壁薄刚性差。加工孔30时精度要求高，表面光洁度也有较高的要求，故工艺规程中分钻，扩，铰三个工步进行加工，依靠设计的夹具来保证加工表面的下列位置精度。：孔相对两端表面的对称度不超过0.15。：孔相对套筒轴心线的对称度误差不超过0.15。2.3设计计算过程及平面图纸绘制2.3.1明确设计任务与收集设计资料1）工件的结构特点阶梯孔2） 本工序的加工表面、加工要求、加工余量、定位基准和夹紧表面及所用的机床、刀具、量具等（1）加工表面：21，18，17.5，22.5，13.5孔。（2）加工要求：a. 三个阶梯孔的距离为250.1mm；b. 四小孔的位置要求分别为870.05；480.05。c. 阶梯孔要保持较高的同轴度。（3）加工余量：8mm（4）定位基准：主要加工表面阶梯孔的定位基准为滑盘上表面。（5）夹紧表面：工件的上表面。（6）需机床：CA6140车床2.3.2拟定夹具结构方案与绘制夹具草图1）确定工件的定位方案，设计定位装置。根据本工序的加工要求，不仅要钻，扩，铰孔，还要在车床主轴的旋转中保证安全性，因此工件必须完全定位，即六点定位原则。按照加工和基准重合原则要求，工件的定位方案分析如下：（1）加工阶梯孔的工序基准为分度滑盘的上表面，限位基准也为分度滑盘的上表面.根据基准重合原理，分度滑盘的上表面应为定位基准。分度滑盘的上表面限制Z、Y、X三个自由度；而短圆柱销限制Y、X二个自由度，而削边削限制了Z一个自由度。即工件用一个平面和一个圆柱销和一个削边销来定位，即一面两孔定位，限制了、Z、Y、X、X、Y、Z六个自由度。下面列表说明工件的定位：表21： 定位元件所限制的自由度定位元件限位基准定位基准限制自由度 平面滑盘的表面滑盘的表面Z、X、Y圆柱销圆柱销的中心线8mm孔轴心线Y 、X 削边销削边销的中心线削边销孔的中心线Z根据加工要求和基准重合原则，应以底面和两个8H7孔定位，定位元件采用“一面两销”，定位孔与定位销的主要尺寸见图22所示。1）两定位孔的中心距L及两定位销中心距l。因L=mm=99.36mmLmax=mm=99.43mmLmin=mm=99.29mm所以 L=99.360.07mm 取l0=99.360.022) 取圆柱销直径为8g6=3)查表1-3的菱形销尺寸b=3mm4)菱形销的直径。由式知由式 =0.07mm所以 菱形销的直径的公差取IT6为0.009，得菱形销的直径为 图22一面两销定位简图2）夹具类型的确定由于滑盘的上表面为主要定位基准，且在车床上加工，而工件的形状与尺寸决定了它不适宜于采用心轴类、卡盘类或角铁式花盘类夹具，只能采用花盘类车床加工。花盘类车床夹具上的夹具体是一个大圆盘（俗称花盘），在花盘的端面上固定着定位、夹紧元件及其他的辅助元件，夹具的结构不对称。3）确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置。（1）确定夹紧装置车床夹具的夹紧装置必须安全可靠。夹紧力的方向和作用点应按以下要求进行选择：a) 主要夹紧力应朝向主要定位基准，作用点应靠近支承面的几何中心；b) 夹紧力的方向应有利于减少夹紧力，尽量垂直于工件的主要定位基面，尽量和切削力、重力方向一致；c) 紧力的方向和作用点应施于工件刚性较好的方向和部位；d) 紧力的作用点应适当靠近加工表面。由于车削时工件和夹具一起随主轴作旋转运动，故在加工过程中，工件除受切削扭矩的作用外，整个夹具还受到离心力的作用，转速越高离心力越大，会降低夹紧机构产生的夹紧力。此外，工件定位基准的位置相对于切削力和重力的方向来说是变化的。因此，夹紧机构所产生的夹紧力必须足够，自锁性能要好，以防止工件在加工过程中脱离定位元件的工作表面。所以我们采用螺旋夹紧机构。不但因为螺旋夹紧机构结构简单，容易制造，而且，由于缠绕在螺钉表面的螺旋线很长，升角又小，所以螺旋夹紧机构的自锁性能好，夹紧力和夹紧行程都很大，是手动夹紧中用的最多的一种夹紧机构。考虑到单个螺旋夹紧机构有诸多缺点，如：1）机构中的螺钉头直接与洞见表面接触，螺钉转动时，可能损伤工件表面，或带动工件旋转。2）夹紧动作慢，工件装卸费时。我们这里用螺旋压板机构。（2）夹紧力分析螺旋压板夹紧机构是利用杠杆原理来实现夹紧作用。其好处是：增大夹紧力，改变夹紧力作用方向，增大夹紧行程。它可以绕水平轴翻转，增力显著，夹紧时既省力又迅速可靠。夹紧受力分析如下：图23 夹紧力受力分析图由杠杆原理知： Wa =Qb当a=1/2b时，W =2Q 由此可见，该夹紧机构所产生的夹紧力比作用力大一倍。（3）螺旋夹紧机构各元件材料、热处理要求和结构尺寸确定螺旋夹紧机构各元件均已标准化，可参阅机械零件手册确定。a) 带肩六角螺纹（GB/T2148-91） 图24带肩六角螺纹技术要求：材料：45钢；热处理：HRC35-40；细牙螺纹的支承面对螺纹轴线的垂直度按GB1184-80形状和位置公差规定的9级公差。b) 钩形压板（GB/T2188-91）图25带肩六角螺纹技术要求：1.材料：45钢 ; 2.热处理：淬火、回火HRC35-40。d) 活节螺栓（GB/T798-88）图26活节螺栓技术要求：1材料：钢2表面处理：a.不经处理；b.镀锌钝化；3螺纹公差：8g4）夹具与机床的连接方式，设计连接元件及安装基面车床夹具与机床主轴的连接精度对夹具的回转精度有决定性的影响。因此，要求夹具的回转轴线与车床主轴轴线有尽可能高的同轴度。对于径向尺寸较大的夹具，一般通过过渡盘与车床主轴轴颈联接。专用夹具以其定位止口按H7/h6或H7/js6装配在过渡盘的凸缘上，然后用螺钉紧固。过渡盘与主轴配合的表面形状取决于主轴前端的结构。如下图所示的过渡盘，其上有一个定位圆孔按H7/h6或H7/js6和主轴的轴颈相配合，并有螺纹和主轴连接。为了安全起见，还可以用压块把过渡盘压紧在主轴上，这样可防止停车和倒车时，不致因惯性作用而可能松开。这种连接方式的安装精度受到配合精度的限制，为了提高安装精度，在车床上安装夹具时，可按找正圆校正夹具与车床主轴的同轴度。图27过度盘与车床主轴的连接示意图 图28 过渡盘尺寸要求：D1=210 D=285 H1=28 H2=235）夹具的平衡由于加工时夹具随同主轴旋转，如果夹具的重心不在主轴旋转轴线上就会产生离心力，这样不仅加剧机床主轴和轴承的磨损，而且会产生振动，影响加工质量和刀具寿命且不安全。所以对于角铁式夹具，要有平衡要求，平衡的方法是设置平衡块。平衡块重心的位置应可以调节，可在平衡块上（或夹具体上）开径向槽或环形槽，以使夹具装配时调整其位置。6）对夹具总体结构的要求结构要紧凑.车床夹具的夹具体应制成圆形，夹具上（包括工件在内）的各元件不应伸出夹具体的轮廓之外，当夹具上有不规则的突出部分，或有切削液飞溅及切屑缠绕时，应加设防护罩。夹具的结构应便于工件在夹具上安装和测量，切屑能顺利排出或清理7）分渡装置的设计 工件一次装夹后，能按一定的规律依次改变工件加工位置的装置，称为分渡装置。分渡装置广泛应用于各类机床夹具上。 分渡装置分为两类，一类是直线分渡装置；另一类是回转分渡装置。分渡装置一般有以下几个部分组成：a. 转动或移动部分。它实现工件的转位或移位。b. 固定部分。它是分渡位置的基体，常与夹具体连成一体。c. 对定机构。它是保证工件正确的分渡位置，并完成插销和拔销动作。d. 锁紧机构。它将转动或移动部分与固定部分紧固在一起，起减小加工是的振动和保护对定机构的作用。1）移动部分的设计 由于要加工的工件是成直线分布的阶梯孔，为了保证加工时的精度及操作的方便，这里采用移动式分渡装置。图25 分度滑块2) 固定部分的设计固定部分不但要保证与分渡装置的配合，而且要保证移动部分，对定部分和锁紧部分的配合精度。图26 固定元件3）对定部分的设计对定机构保证工件正确的分渡位置，并完成插销和拔销的动作。我们这里采用手拉式圆柱销对定机构。这类机构操作方便，制造较容易，并且在对定销插入分渡盘时能将灰尘和污物推出，不需要严格的防尘措施。对定销和分渡盘之间常采用H7/g6配合。图27 对定块在与分渡盘的连接上主要采用螺栓连接。图28 螺栓对定销和手柄主要采用螺钉连接。4）锁紧部分的设计锁紧部分的设计主要考虑到分渡装置的移动灵活，装卸方便。我们这里主要采用T型螺栓为保持夹具回转运动时平衡，在分渡装置的另一端设置了平衡块，平衡块和分渡装置的配合上主要采用槽的形式，在最大限度上保证夹具在主轴的旋转过程中的平衡。2.4夹具的精度分析工件在车床夹具上加工时，加工误差的大小受工件在夹具在夹具上的定位误差D、夹具误差J、夹具在主轴上的安装误差A和加工方法误差G的影响。以下对尺寸250.1mm的精度问题作一分析。1）定位误差D一批工件逐个在夹具上定位时，由于工件及定位元件存在公差，使各个工件所占据的位置不完全一致，加工后形成加工尺寸的不一致，为加工误差。这种只与工件定位有关的加工误差，称为定位误差D。造成定位误差的原因有两个：一是定位基准与工序基准不重合，由此产生基准不重合误差B。基准不重合误差B是一批工件逐个在夹具上定位时，定位基准与工序基准不重合而造成的加工误差，其大小为定位尺寸的公差S在加工尺寸方向上的投影.二，是定位基准与限位基准不重合，由此产生基准位移误差Y。基准位移误差Y是一批工件逐个在夹具上定位时，定位基准相对于限位基准的最大变化范围i在加工尺寸方向上的投影。定位误差D常用合成法进行计算。由于定位基准与工序基准不重合以及定位基准与限位基准不重合是造成定位误差的原因，因此，定位误差应是基准不重合误差B与基准位移误差Y的合成。计算时，可先算出B和Y，然后将两者合成而得D。本工序中的主要加工要求是三孔的孔距尺寸250.1mm。此尺寸主要受分渡误差和加工方法误差的影响，故只要计算这两部分的误差即可。（1）分度误差，按公式，直线分渡的分渡误差=式中 2两相邻对定套的距离尺寸误差。因对定套的距离为250.02mm，所以=0.02。X1 对定销和对定套的最大配合间隙。因两者的配合尺寸是10，10H7为mm，10g6为,所以(0.015+0.014)mm=0.029; X2 对定销与导向孔的最大配合间隙。因两者的配合尺寸是14，14H7为mm，14g6为mm,所以X2=(0.018+0.017)mm=0.035mm; e 对定销的对定部分与导向部分的同轴度。设e=0.01mm,因此 =（1） 加工方法误差G 取加工尺寸公差的1/3，加工尺寸公差=0.2mm,所以G=0.2/3mm=0.066mm.总加工误差和精度储备Jc的见下表。 表21 液压泵上体镗三孔夹具的加工误差 由计算结果可知，该夹具能保证加工精度，并有一定的精度储备。 总的装配效果图如下图29夹具总装配图 第三章 机床夹具零件的创建3.1机床夹具的设计方法机床夹具是机械加工设备的重要组成部分 ,其设计质量的优劣直接影响着产品性能。如果被加工零件的批量较小 ,采用通用机床来加工 ,这时使用通用夹具(如卡盘、花盘、台虎钳等) 来夹持工件 ,通用夹具一般设计比较简单 ,有的可直接在市场上购买或已是机床的固定配置。 如果被加工件批量较大 ,通用机床就不能适应。通用机床一般是适用于中小批量加工 ,用它来加工工件虽然不需对加工设备进行设计和投资 ,但加工效率较低 ,对加工操作人员的操作技能要求较高 ,精度难以保证。为了提高加工效率和制件精度 ,降低对操作人员的要求 ,一般是使用多轴加工的专用机床加工(如加工柴油机箱体所使用的组合机床) ,这种机床包含相应夹具 ,或者设计专用夹具与通用机床配合使用 ,这两种方法都涉及到专用夹具的设计问题。为构建一个能支持产品快速制造的生产准备系统,夹具设计要从全局自动化的高度进行变革。计算机辅助夹具设计技术就是在这种应用要求下产生的一种先进制造技术,它利用计算机辅助人工进行夹具设计。近年来，国内外许多制造企业已经在新产品开发过程中通过引入先进的科技手段如 CAD、CAPP、CAM 及生产计划管理系统等，来解决产品开发周期、质量和成本问题，并取得了一定的效果。但是由于企业首先考虑解决新产品的设计和加工设备问题，而造成生产准备工作的重头部分，即工装的设计与准备技术落后于产品的设计技术，致使先进的柔性加工系统等不能发挥其柔性，影响产品的快速响应。夹具是一种能够使工件按一定的技术要求准确定位和牢固夹紧的工艺装置,它广泛的应用在零件的加工、检测和装配工艺过程中。它的主要作用是：保证工件的加工质量，减轻劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能。据统计,在整个生产过程中,生产准备时间要占整个产品制造周期的 50%-70%,而其中,夹具设计与制造占生产准备时间的70%左右,所以夹具的设计与制造对产品的开发周期有较大的影响。早期的夹具设计主要靠工艺人员的经验，需要的时间长，可靠性差，质量低。尽管人们认识到夹具在生产中的重要性，但夹具设计和装配手段仍旧未从计算机辅助工程中得到更多的受益，它仍是制约生产高度自动化的“瓶颈”。经过几年新技术的实践，制造行业已经领会到要缩短产品的生产周期，必须以有效的方式充分挖掘生产准备各个环节的潜力，构建一个能支持快速产品制造的生产准备系统。夹具准备技术作为制约企业快速相应的一个关键环节，也应从全局自动化的高度变革现有的落后准备技术。因此，人们将 CAD 技术引入到夹具设计中，形成了计算机辅助夹具设计（Computer Aided Fixture Design CAFD）方法，研制了相应的软件系统。在系统中建立了夹具元件库，在计算机屏幕上显示工件的三维视图，用户交互地从夹具元件库中提取相应的夹具元件，在屏幕上形成夹具装配图，提高了设计和质量。 随着计算机科学与技术的发展，于二十世纪 70 年代末才出现的一种新技术。近十年以来，计算机辅助夹具设计技术已经引起了国内、外学术界的重视，对此进行了大量的研究工作，并取得了一定的成就。CAFD 即计算机夹具设计是上个世纪 70 年代末期出现并开始发展的一门新技术。传统的夹具设计方法在资料检索、分析计算、绘图、编制技术文件等方面都是由人工完成的，需要较多的人力和较长的设计周期，设计精度和质量受到限制，甚至出现不必要的错误。作为计算机辅助夹具设计技术的一个应用方面，CAFD 和计算机辅助工艺设计(CAPP)共同组成了 CAD 和 CAM 的桥梁。计算机辅助夹具设计系统的研制和开发是直接从零件 CAD/CAPP 集成环境中获取夹具设计信息，包括 CAD 系统输出的零件几何信息和 CAPP 系统输出的零件加工信息，然后将读取的几何信息和工程信息作为夹具设计的已知条件进行夹具的计算机辅助设计与分析，以其高速、准备、自动化的特点实现夹具的自动设计，提高夹具设计效率和质量，缩短产品开发周期和降低产品生产成本。辅助夹具设计系统其设计流程一般被分为四个阶段：1）工件装夹规划，2）夹具方案设计，3）夹具结构设计，4）夹具性能评价。装夹规划是决定工件在加工中所需的安装次数，每次安装中工件的方位和待加工的表面。夹具方案设计是根据待加工工件的几何形状及加工工艺信息，确定工件的定位形式，工件表面上的定位、夹紧点的个数和位置。夹具结构设计是选择夹具元件，确定夹具元件的尺寸参数，完成夹具元件的布局和组装。夹具性能分析是对已设计完成的夹具进行有关性能的评价和估算，如夹具精度、刚度和稳定性分析，工件在加工过程中的变形分析等。在现代机械装备设计系统在建立产品模型时，应该综合自下而上和自上而下的设计方法。前者先设计零件，然后搭积木式地进行装配设计；后者首先进行总体的原则设计，然后将总体原则贯穿到所有的子装配或者部件中。自上而下的设计非常适合复杂的大型装配，具有很多优点： 图31 自上而下的设计模式（1）自上而下的设计可以首先确定各个子装配或零件的空间位置和体积、全局性的关键参数，这些参数将被装配中的子装配和零件所引用。这样，当总体参数在随后的设计中逐渐确定并发生改变时，各个零件和子装配将随之改变，更能发挥参数化设计的优越性。（2）自上而下的设计使各个装配部件之间的关系变得更加密切。像轴与孔的配合，装配后配钻的孔，如果各自分别设计，既费时，又容易发生错误。通过自上而下的设计，一个零件上的尺寸发生变化，对应的零件也将自动更新。自上而下的设计方法有利于不同的设计人员共同设计。在设计方案确定以后，所有承担设计任务的小组和个人可以依据总装设计迅速开展工作，可以大大加快设计进程，做到高效、快捷和方便。自上而下的设计步骤：1）确定设计目标。确定诸如产品的设计目的、如何满足功能要求、必要的子装配、子装配与其他装配的关系、哪些设计将可能变动、有无可参考的设计等。定义大致的装配结构。把装配的各个子装配勾画出来，至少包括子装配的名称，形成装配树。每个子装配可能来自一个已有的设计，或者仅仅是一个空部件，不过随后就可以细化每个子装配。这些结构是产品总设计师设计并维护的，其结果将公布给所有其他参加设计的人员。2）设计骨架模型。每个子装配都有一个骨架模型，在三维设计空间用它来确定装配的空间位置和大小，部件与部件之间的关系以及简单的机构运动模型。骨田困模型包含整个装配的重要的设计参数。这些参数可以被各个部件引用，所以骨架模型是装配设计的核心。将设计意图贯穿到装配结构中。将设计参数从上层装配逐渐传递到下层的部件中。3）部件设计。当获得所需要的设计信息以后，就可以着手具体的部件设计。部件设计可以在装配中直接进行，也可以装配已经预先完成的部件造型。自上而下的设计中，相关的设计信息可在不同的装配部件之间传递。从产品实体模型建立的角度来讲，自上而下的设计技术是建立产品零件结构、装配结构和装配模型的约束模型，即建立零件间的联接关系，并在零件设计后自动继承装配关系，具有规定的相关性，自上而下的设计技术的特征造型后 CAD 技术发展的又一突破。许多优秀的商业 CAD 系统开发了支持自上而下设计模式的模块，大大增强了对产品设计的支持。3.2 Pro/E软件的一般造型过程 3.2.1 创建夹具零件图形库随着机械设计自动化的不断发展，CAD/CAE/CAM一体化软件，Pro/E 软件便是其中之一。Pro/E 软件能将机械设计与生产的全过程集成在一起，它通过一种独特的参数化的以及面向零件的3D实体模型的设计制造技术，改变了传统的设计理念，为我们提 供了一条更直观、更有效、更快捷的设计途径。在机械制造中。利用 Pro/E可以创建实体零件模型及组装造型，它具有运动模拟功能、工具设计功能、高级数控加工功能等，在此，就 Pro/E 在计算机辅助夹具设计中的应用作一个探讨。应用 Pro/E 软件进行夹具具体设计，需要创建一个夹具零件图形库，这样，在夹具设计中就无需重复烦琐地创建标准件模型，可以直接在标准件库中选取零件，非常快捷地实现夹具的模拟装配。 Pro/E 系统本身有一个数量庞大的特征库：Pro/LIBRARY 其中包括少部分组合夹具标准件，由于各种不同规格尺寸的组合夹具标准件数量非常多，一般情况下组合夹具组装站只配置其中一部分标准件，且不同厂家生产的标准件规格略有不同，若能根据组装站实际配置的标准件重新创建标准件库， 便可充分利用现有标准件进行组合夹具的设计，且标准件的回取比较快捷。 图形生成是夹具标准件图形库的主要任务，一般对于标准件等相似性强的图形生成可采用变量法即参数法。对于原始模型的所有几何特征，给定它的组成参数及其参数值的变化范围，这些可变参数称为变量，通过输入这些变量值，便可得到所需形状及尺寸。 组合夹具的标准件由基础件、支承件、定位件、导向件、夹紧件、辅助件、组合件构成，由于各个标准件在装配时要彼此实现定位、联接，所以各个标准件上都 设计有尺寸相同、间隔均匀的T形槽、长方槽、螺纹孔等结构，为了简化烦琐重复的标准件创建过程，建立标准件库可分以下两步： (1) 创建用户定义特征UDF把标准件上都具有的 T形槽、螺纹孔等特征建立UDF，一般根据组合夹具系列的不同，需创建的主要UDF。在创建各标准件时只需把 UDF特征加载到基本几何体上，便可非常快捷地创建标准件。在创建二侧槽方形基础板原始模型时将T形槽特征加载到正方形基本几何体上。 (2) 创建簇表 Family table由于每一类标准件所含标准零件种类较多，如支承件有 A 形支承、长方 支承、方形支承、小长方支承，而每一种形状的支承又有许多不同规格的尺寸，这些成千上万的标准件若机械式地一个个创建，非常费时，而且没有必要。通过创 建簇表，可根据一个原始模型重复开发多个零件。根据二侧槽方形基础板原始模型通过创建 簇表所开发的一组标准件。在创建簇表选择合理的原始模型时应注意以下两个问题： 1) 原始模型及其衍变模型的大多数尺寸、特征、 参数应该相同，对于组合夹具来说往往选择同类型标 准件中尺寸最大的标准件作为原始模型。创 建的中型组合夹具的二侧槽方形基础板簇表，其原始 模型为尺寸最大的 z101020，尺寸最大的方形 基础板。 2) 一些情况下，当尺寸最大的标准件不能包含同类型标准件的所有特征时，应在尺寸最大的标准件基 础上添加上未包含的特征才能作为原始模型。3.2.2 Pro/E软件应用到夹具设计中的主要步骤(1)创建工件模型 在标准件库创建工作完成之 后，便可进行组合夹具的设计。首先要分析工序图，分 析工件的结构形状特征及本道工序的加工要求，同时要创建出工件三维实体模型，以便于进行模拟装配。(2) 夹具的模拟装配,根据零部件之间的装 配关系和约束条件，在虚拟环境中进行设计组装，并 进行相应检验，从而对设计进行分析，对不合理的设 计进行修改。 在分析工序图，初步确定了定位、夹紧及导向、对刀方案后，即可在标准件库中直接选取合适的定位、 夹紧、导向、对刀元件，同时要选择合适的基础板来支承这些元件，接下来便可进行组合夹具的模拟装配， 在模拟装配时应注意装配的顺序，首先在基础夹具体 上安装定位元件，工件实现定位后，再安装夹紧元件及导向对刀元件。 通过组合夹具模拟装配，利用Analysis命令可在 元件间检查干涉现象，及时发现零部件在装配体中的 静态空间位置的相交性和零部件在夹具装配过程中在空间上的几何干涉性，从而及时纠正装配设计中存在的问题。(3) 创建装配图和明细表 Pro/E有大量的功能用于装配图的绘制。在三维空间实现了组合夹具模拟 装配后，即可快捷地创建二维装配图和零件明细表，从而完成用Pro/E软件进行组合夹具设计的全过程。 根据组合夹具装配图和零件明细表配置标准件，由等级技工进行组合夹具的装配，在自动化装配中，可用工业机器人进行组装。整个设计和装配过程非常快捷，适应了现代化生产的需要。3.3夹具零件的具体创建实例分度盘的创建第1步：创建基础实体特征。1.在【菜单管理器】中依次选取【零件】/【特征】/【创建】，在【特征类】菜单中选取【实体】选项，在【实体】菜单选取【加材料】选项，在【实体选项】中选取【拉伸】和【实体】，然后选取完成。2.选取标准基准平面TOP作为草绘平面，在【方向】菜单上选取【正向】，接受系统缺省的特征生成方向，在【草绘视图】菜单选取【缺省】选项，接受系统缺省的放置参照。接受系统提供的尺寸参照：FRONT和RIGHT基准平面，关闭【参照】对话框，进入草绘模式。3.绘制一个直径为285.0mm的圆，然后退出草绘模式。4.设定特征的拉伸深度为28mm。第2步：在实体特征上生成凸台。1.在【菜单管理器】中依次选取【零件】/【特征】/【创建】，在【特征类】菜单中选取【实体】选项，在【实体】菜单选取【加材料】选项，在【实体选项】中选取【拉伸】和【实体】，然后选取完成。2.选取标准基准平面TOP作为草绘平面，在【方向】菜单上选取【正向】，接受系统缺省的特征生成方向，在【草绘视图】菜单选取【缺省】选项，接受系统缺省的放置参照。接受系统提供的尺寸参照：FRONT和RIGHT基准平面，关闭【参照】对话框，进入草绘模式。3.绘制一个直径为211.1mm的圆，然后退出草绘模式。4.设定特征的拉伸深度为5.3mm. 第3步：在实体特征上加入减材料旋转特征1.在【菜单管理器】中依次选取【零件】/【特征】/【创建】在【特征类】菜单中选取【实体】选项，在【实体】菜单选取【减材料】选项，在【实体选项】中选取【旋转】和【实体】，然后选取完成。2.选取标准基准平面RIGHT作为草绘平面，在【方向】菜单上选取【正向】，接受系统缺省的特征生成方向，在【草绘视图】菜单选取【缺省】选项，接受系统缺省的放置参照。接受系统提供的尺寸参照：FRONT和TOP基准平面，关闭【参照】对话框，进入草绘模式。3.选取分度盘的中心线作为旋转减切的中心线，绘制草图，完成后退出草绘模式。4.系统提示REV TO，选取360，再点确定。第4步 创建圆孔特征1. 在【菜单管理器】中依次选取【特征】/【创建】/【实体】/【孔】选项，打开【孔】对话框，然后进行如下设置：（1）在【孔】类型分组框中，选中草绘单选按钮，系统自动进入草绘模式。（2）绘制圆孔草绘剖面，完成后退出草绘模式。2. 设置圆孔的放置参数。（1）系统提示选取平面，圆柱，圆锥或点作为孔放置的主参照，在此处选取分度盘的上平面。（2）在【孔放置】分组框中的【放置类型】下拉框中选取【线性】。（3）分别指定两个线性尺寸。单击线性参照按钮，选取主参照平面的边线，在右侧的【距离】编辑框中输入参照尺寸“125.00”。再单击下一个线性参照按钮，然后选取主参照平面的边线，在右侧的【距离】编辑框中输入参照尺寸“125.00”。3.生成草绘圆孔特征。 单击【孔】对话框下部的 按钮，最后生成草绘孔特征。 第5步 创建直孔1.在【菜单管理器】中依次选取【特征】/【创建】/【实体】/【减材料】选项，在系统弹出的【实体选项】菜单中选取【拉伸】和【实体】选项后，选取【完成】选项。2.在【属性】菜单中选取【单侧】选项，然后指定分度盘的上平面为草绘平面，在【方向】菜单中选取【反向】选项，按照图所示的肩头指向产生减切拉伸实体特征。3.选取系统缺省的放置参照和尺寸参照后，进入草绘模式，绘制直径为12的圆，完成后退出草绘模式。4.在【方向】菜单中选取【正向】选项，在【拉伸深度】上选取【穿过所有】，选取菜单中的完成选项。 第6步 镜向圆孔特征1.创建基准平面,点击插入基准面，选择【穿过】，系统提示:轴、边、曲线、通道, 点、顶点, 平面, 圆柱，选择分度盘的轴线A1。【菜单管理器】跳出【基准平面】选项，选择【角】选项，再选择FRONT平面为旋转平面。点完成，系统生成一个与FRONT平面同轴但角度为45度的平面DTM1。2.镜向复制特征在【菜单管理器】中依次选取【特征】/【复制】，在【复制特征】选项中依次选取【镜向】/【选取】/【独立】，点完成。系统提示：选择要镜象的特征，选取刚插入的圆孔特征，点完成。系统提示：选择一个平面或创建一个基准以其作镜象，选取DTM1基准平面，点完成。零件图形如图所示：图31分度盘创建效果图（二）花盘的创建效果图图32花盘的创建效果图（三）对定块的创建效果图 图33对定块的创建效果图（四）分度滑块的创建效果图 图34分度滑块的创建效果图第四章 夹具的装配方法4.1在Pro/e中夹具的装配方法步骤产品是由零件和子装配体按照一定的装配特征关系（如装配关系和约束关系）装配而成的。如何快速准确地移动零件是发展基于特征的计算机辅助装配的重要环节。在工程技术领域,经常需要将多个简单的零件组合在一起,构成一个装配提.以执行特定的功能.PRO/E提供了基本的装配工具,用户可以指定零件之间的装配关系来执行装配操作.在零件装配到一起之后,可以在PRO/E中显示装配体的分解图,以了解各个零件之间的装配关系.在RRO/E中创建装配体的一般步骤如下:1. 在启动PRO/E后,单击主菜单中”文件”新建”,此时会打开”新建”对话框在左边一栏中选择”组建”,在下面的文本输入框内输入文件名称,单击”确定”进入PRO/E环境2.选择主菜单中选择”插入”元件”装配”,选择需要装配的文件.此时图形窗口内会出现所选择的零件,单击”元件放置”对话框的确定按钮.3.选择主菜单中选择”插入”元件”装配”,选择所需要装配的其他文件.4.在”元件放置”对话框内指定约束条件,将两个元件装配到一起.如图所示 5.重复装配步骤,知道装配所有零部件.6.装配完成之后,可以使用主菜单中的”视图”分解”选项来看装配的分解视图.4.2夹具的具体装配过程选择默认位子（花盘）装入。 线面对齐（线为中心线）,装入螺栓。 线面对齐（线为中心线），装入分度盘。 线面对齐，在分度滑块中装入导向键。面面对齐，将分度滑块装入到花盘并用螺钉锁紧。线面对齐线线面对齐，在对定块中装入圆柱对定销。线面对齐，将对定块安装到花盘上。 线面对齐，装入弹簧。线面对齐，装入螺旋压板。 夹具的总装配图 图41夹具的总装配图 4.3爆炸图的生成在夹具的三维虚拟装配体完全满足使用性能要求以后,为了建立一套直接指导工人装配夹具的工艺文件,在计算机中可采用三维的指定路径爆炸形式,动态模拟整个夹具从零件到组件最后形成夹具的装配过程和装配方式,使装配更具有“空间感和方位感”夹具的装配工程图制作也很简单,在菜单上指定一个命令就可完成,对于较复杂的装配图,简单的视图不能完整地表达装配关系时,可作必要的剖面,选择这些剖面做出主视图!向视图!投影!展开!旋转!局部放大等种类视图同时也可将三维模型立体视图放在装配图上,这样可提高工程人员的读图速度,也克服了与非专业人员沟通的困难。图42 夹具爆炸图第五章 总结与展望夹具是一种随产品不同而专用化程度很高的工艺装备，其生产效率低生产周期长已经成为制约现代化生产高度自动化的“瓶井”。夹具设计是一个复杂的并且在很大程度上依赖于经验的过程，它需要设计人员具备关于设计问题的大量全面的知识和经验。其中夹具的方案设计是其中一个最关键的环节，本课题在学习机床专用夹具的基本知识和基本理论的同时，以花盘式车床夹具设计为例子，构建了一个由文字说明机床夹具计算机辅助设计，研究如何利用计算机来使用CAD、Proe等绘图软件来设计专用夹具以及如何对专用夹具进行可视化设计，形成专用夹具的三维夹具组装图，三维爆炸视图。在夹具设计过程中，零件的创建是一个重要组成部分，零件的创建是由若干特征集组成,其中形状特征是最重要的部分。特征造型不仅有自身的规律,同时还需要几何实体造型的支持。利用现有CAD系统的实体造型功能开发基于特征的CAD造型系统,生成理想的特征模型,并整理成规范化的工程数据为后续工程直接利用,是实现系统集成的行之有效的方案。同时Pro/E 软件能将机械设计与生产的全过程集成在一起，它通过一种独特的参数化的以及面向零件的3D实体模型的设计制造技术，改变了传统的设计理念，为我们提供了一条更直观、更有效、更快捷的设计途径。在机械制造中。利用 Pro/E可以创建实体零件模型及组装造型，它具有运动模拟功能、工具设计功能、高级数控加工功能等。其主要功能在于可进行强大的参数设计，使得复杂的实体造型成为可能。Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化多功能系统，即造型是通过各种不同的设计专用功能来实现，其中包括：筋（Ribs）、槽（Slots）、倒角（chamfers）和抽空（Shells）等，采用这种手段来建立形体，对工程师来说更自然，更直观，无需采用复杂的几何设计方式。参考文献1. 肖继德 陈宁平 主编机床夹具设计机械工业出版社出版 2002年。2. 东北重型机械学院，洛阳工学院，第一汽车制造厂职工大学编，机床夹具设计手册上海科技学技术出版社，1988年。3. 巩云鹏 田万禄 张祖立 黄秋波 主编机械设计课程设计东北大学出版社出版2000年。4. 殷国富 杨随先 主编计算机辅助设计与制造技术原理及应用四川大学出版社出版，2001年。5. 王雷 主编Pro/Engineer应用基础与产品造型实例人民邮电出版社出版，2003年。6. 徐鸿本 主编机床夹具设计手册 辽宁科学科技技术出版社，2001年。7. 刘守勇 主编机