陳曉梅

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

數(shù)控加工組合夾具仿真設(shè)計應(yīng)用研究*

陳曉梅

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

在建立數(shù)控加工常用組合夾具數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上，進(jìn)行零件數(shù)字化裝夾仿真設(shè)計。運(yùn)用零件三維裝夾仿真模型、柔性夾具組裝圖和夾具明細(xì)清單，指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場搭建工裝夾具。實踐證明，應(yīng)用該項技術(shù)不僅能提高數(shù)控加工工裝準(zhǔn)備的反應(yīng)能力、雷達(dá)精密零件數(shù)控加工的質(zhì)量穩(wěn)定性及批量生產(chǎn)能力，還能提高數(shù)控機(jī)床的利用率。

數(shù)控加工；精密零件；夾具裝夾仿真

引 言

長期以來，組合夾具的應(yīng)用一直徘徊在實物拼裝狀態(tài)，既無零件裝夾方案的夾具裝配圖，亦無組合夾具調(diào)用夾具基礎(chǔ)件的設(shè)計文檔。在生產(chǎn)現(xiàn)場，工藝人員、組合夾具裝配人員和機(jī)床操作人員主要憑經(jīng)驗組裝夾具。這不僅使生產(chǎn)準(zhǔn)備時間長，機(jī)床利用率低，而且復(fù)雜零部件的裝夾方案得不到很好的保留與合理利用。雷達(dá)產(chǎn)品系多品種小批量投產(chǎn)，產(chǎn)品更新?lián)Q代較快，生產(chǎn)中時常出現(xiàn)復(fù)雜零件的裝夾質(zhì)量不穩(wěn)定、裝夾周期長、生產(chǎn)效率低等問題。快速進(jìn)行工裝生產(chǎn)準(zhǔn)備，提高加工零件裝夾質(zhì)量和穩(wěn)定性，提高機(jī)床有效利用率，已逐漸引起人們的關(guān)注。

數(shù)字化零件裝夾仿真技術(shù)是在三維CAD軟件設(shè)計平臺上創(chuàng)建常用組合夾具標(biāo)準(zhǔn)件元件庫、組合夾具典型裝配結(jié)構(gòu)組件庫和開放型的典型零件裝夾實例庫。在此基礎(chǔ)上，合理設(shè)計精密復(fù)雜零件的裝夾方案，進(jìn)行零件的虛擬裝夾[1-3]。數(shù)字化零件裝夾仿真技術(shù)的應(yīng)用能夠較好地扭轉(zhuǎn)生產(chǎn)現(xiàn)場憑借操作人員工作經(jīng)驗拼裝組合夾具的狀況，保留零件裝夾信息，提高數(shù)控加工精密零件裝夾質(zhì)量和裝夾效率，提高數(shù)控加工工裝準(zhǔn)備反應(yīng)能力。在某些復(fù)雜零件的數(shù)控加工中，它不僅能保證零件的裝夾質(zhì)量，提高零件的加工質(zhì)量穩(wěn)定性，還可大幅度縮短零件占用機(jī)床的裝夾時間。該技術(shù)對提高雷達(dá)精密深腔薄壁殼體零件及傳動系統(tǒng)精密支撐件數(shù)控加工的質(zhì)量穩(wěn)定性及批量生產(chǎn)能力具有技術(shù)保障作用，對提高機(jī)床利用率和加工效率起到積極的推動作用，而且還適應(yīng)雷達(dá)產(chǎn)品多品種、少批量生產(chǎn)的需求。

1 零件裝夾仿真系統(tǒng)的基本組成

數(shù)字化數(shù)控加工零件裝夾仿真系統(tǒng)的基本組成如圖1所示。系統(tǒng)以CAD軟件為平臺，在數(shù)控編程環(huán)境下進(jìn)行工裝夾具快速設(shè)計。系統(tǒng)建有常用夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫、通用夾具組件結(jié)構(gòu)庫、典型零件裝夾方案實例庫、零件裝夾仿真設(shè)計環(huán)境、零件裝夾方案2D和3D展示平臺以及仿真設(shè)計后組裝夾具調(diào)用基礎(chǔ)件清單。其作用是通過計算機(jī)載體先期進(jìn)行精密數(shù)控加工零件柔性裝夾仿真，獲取優(yōu)化的零件裝夾方案，保證零件裝夾質(zhì)量，提高零件加工質(zhì)量穩(wěn)定性，提高數(shù)控加工工裝準(zhǔn)備反應(yīng)能力，節(jié)省零件占機(jī)裝夾時間，提高機(jī)床利用率和加工效率。

圖1 數(shù)字化零件柔性裝夾仿真系統(tǒng)的組成

2 組合夾具數(shù)據(jù)庫

在CAD軟件設(shè)計平臺上，采用基于元件族的參數(shù)化設(shè)計創(chuàng)建組合夾具標(biāo)準(zhǔn)件庫[4]，即通過參數(shù)化方式設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)件基礎(chǔ)夾具的三維幾何模型，再利用元件族設(shè)計理念將同一系列標(biāo)準(zhǔn)件夾具按幾何尺寸變化規(guī)律進(jìn)行排序、分類、賦值，同一系列的標(biāo)準(zhǔn)件夾具只需創(chuàng)建一個幾何模型。在裝夾仿真時，可以在裝配環(huán)節(jié)中對同一族類標(biāo)準(zhǔn)夾具按尺寸規(guī)格需求進(jìn)行互換。如圖2所示，基板夾具族的外形尺寸分別是400 mm × 320 mm 、500 mm × 400 mm 、630 mm × 500 mm 、800 mm × 630 mm4種規(guī)格。

圖2 參數(shù)化設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)夾具元件

根據(jù)夾具組件的使用頻率，通過調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件庫中的基礎(chǔ)夾具，按相似性產(chǎn)品零件的加工方式(銑加工、車加工等)分類虛擬裝配夾具組件，建立組合夾具基礎(chǔ)件、支承件、定位件、導(dǎo)向件、夾緊件等通用夾具組件數(shù)據(jù)庫，并實現(xiàn)通用夾具組件參數(shù)化設(shè)計，以此提高零件組合夾具仿真設(shè)計的效率和組合夾具裝夾設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化，如圖3所示。

梳理已有復(fù)雜零件裝夾方案，分類創(chuàng)建典型零件裝夾實例信息庫。在進(jìn)行相似零件的組合裝夾仿真設(shè)計時，應(yīng)借鑒成功的組合裝夾設(shè)計實例，這不僅可保證相似零件裝夾質(zhì)量的可靠性，還能減少組合夾具仿真設(shè)計的時間和夾具生產(chǎn)現(xiàn)場安裝調(diào)試的時間，從而提高零件的加工質(zhì)量和合格率及數(shù)控加工設(shè)備的利用率。

圖3 參數(shù)化設(shè)計的通用夾具組件

3 組合夾具庫的管理

引入產(chǎn)品BOM管理思路，以結(jié)構(gòu)樹形式對組合夾具庫進(jìn)行分類管理[5-7]。分別設(shè)立柔性夾具標(biāo)準(zhǔn)件單元、組合夾具組件單元、典型零件組合夾具裝夾實例單元等分支，建立基于知識庫的導(dǎo)向系統(tǒng)，由此進(jìn)行上述各種信息的查詢、調(diào)用。

柔性夾具標(biāo)準(zhǔn)件單元下設(shè)定位元件、夾緊元件、基板元件等常用元件，一旦在BOM結(jié)構(gòu)樹上選擇所需標(biāo)準(zhǔn)件，工作界面即可展示該標(biāo)準(zhǔn)夾具基礎(chǔ)件的3D預(yù)覽圖、2D工程圖及該標(biāo)準(zhǔn)件組族的一系列尺寸規(guī)格設(shè)計參數(shù)，方便夾具仿真設(shè)計人員選用。

組合夾具組件單元按定位組件、基礎(chǔ)組件、壓緊組件、頂緊組件等常用組合夾具組件進(jìn)行分類管理，每個組件可通過BOM結(jié)構(gòu)樹獲得清晰的組件結(jié)構(gòu)，并能瀏覽組件的3D模型和夾具組件主要結(jié)構(gòu)尺寸，利于仿真設(shè)計人員快捷實現(xiàn)組合夾具的動態(tài)模擬裝配。

典型零件裝夾實例單元的典型零件裝夾實例均通過了生產(chǎn)驗證，是對既往復(fù)雜零件裝夾經(jīng)驗及知識的總結(jié)、繼承與有效利用，為組裝夾具設(shè)計人員提供一個參考和引用平臺。

4 夾具信息庫與CAD設(shè)計平臺集成

要實現(xiàn)快速零件裝夾仿真就需將組合夾具數(shù)據(jù)庫與通用三維CAD軟件設(shè)計平臺集成起來[8]，將夾具數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)件實體模型、三維預(yù)覽圖、二維工程圖及相關(guān)參數(shù)信息相互關(guān)聯(lián)，集成一體，以保證零件虛擬裝夾調(diào)用夾具元件時，可直接通過標(biāo)準(zhǔn)件庫的導(dǎo)向系統(tǒng)瀏覽夾具名稱、視圖、參數(shù)表等信息，如圖4所示。在調(diào)用夾具組件時，可直接瀏覽組件名稱、組件裝配視圖、組件裝配明細(xì)表等信息，在引用典型零件裝夾方案時，可直接瀏覽裝配視圖、裝配明細(xì)表等信息，從而提高數(shù)控加工零件裝夾設(shè)計質(zhì)量和效率。

圖4 夾具數(shù)據(jù)庫元件信息與CAD設(shè)計平臺集成

5 組合夾具仿真設(shè)計

在導(dǎo)入待加工零件模型的基礎(chǔ)上，調(diào)用夾具數(shù)據(jù)庫的標(biāo)準(zhǔn)元件、常用夾具組件，可快速完成精密加工零件裝夾仿真，如圖5所示。通過零件裝夾仿真結(jié)果，可清晰列出柔性組合夾具的裝配順序、主從關(guān)系，同時給出組合夾具裝配圖和裝配夾具明細(xì)清單。數(shù)控加工操作人員依據(jù)仿真信息進(jìn)行零件裝夾，這不僅提高了精密零件的裝夾質(zhì)量和質(zhì)量穩(wěn)定性，而且還降低了零件占用機(jī)床的裝夾時間。該項技術(shù)的應(yīng)用，可保證數(shù)控加工零件的裝夾設(shè)計和裝配過程快捷、方便，利于典型精密零件裝夾方案的保留和重復(fù)應(yīng)用，可有效提高雷達(dá)精密深腔薄壁殼體零件及傳動系統(tǒng)精密支撐件數(shù)控加工的質(zhì)量穩(wěn)定性及批量生產(chǎn)能力，滿足雷達(dá)產(chǎn)品批量生產(chǎn)時工裝夾具生產(chǎn)準(zhǔn)備的需求。

圖5 典型零件裝夾實例信息

6 結(jié)束語

在建立數(shù)控加工常用夾具標(biāo)準(zhǔn)件、典型結(jié)構(gòu)組件和典型零件裝夾方案數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，進(jìn)行復(fù)雜零件柔性夾具數(shù)字化裝夾仿真。保證數(shù)控加工零件裝夾方案合理，裝配過程快捷方便，使裝夾方案得以保留和重復(fù)調(diào)用。這不僅能提高精密數(shù)控加工零件的裝夾質(zhì)量，還扭轉(zhuǎn)了數(shù)控加工現(xiàn)場臨時設(shè)計、拼裝組合夾具的被動狀況，減少了占用數(shù)控機(jī)床裝夾零件的時間。

在某產(chǎn)品精密深腔薄壁殼體零件、精密伺服傳動零件的加工中，應(yīng)用該項技術(shù)合理制定了零件的裝夾方案，提高了精密加工零件的裝夾質(zhì)量和數(shù)控加工工裝準(zhǔn)備反應(yīng)能力，零件占用數(shù)控機(jī)床的裝夾時間節(jié)省了45%～55% ，有效提高了數(shù)控機(jī)床的利用率，保證了雷達(dá)精密零件數(shù)控加工的質(zhì)量穩(wěn)定性及批量生產(chǎn)能力。

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陳曉梅(1959-),女， 研究員級高級工程師，主要從事先進(jìn)制造技術(shù)和金屬材料等領(lǐng)域的應(yīng)用研究工作。

Assembled Tool Simulation and Application in Precise NC Machining

CHEN Xiao-mei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsandTechnology，Nanjing210039,China)

Based on establishment of a tool parameter database, assembled tool simulation for process equipment in precise NC machining is carried out. The tool can be assembled with the help of 3-D assembly simulation model of the part, the assembly drawing and the list of assembly tool. Practice shows that this technology can not only shorten tool preparation time in NC machining, improve the quality and productivity of a batch production for high-precision key parts, but also raise the use rate of the NC machine.

NC machining；high-precision part；assembled tool simulation

2012-12-18

TG754

A

1008-5300(2013)03-0041-03