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基于Pro/E平台的虚拟组合夹具站的建立及应用
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 曹志全 曾忠 江有勇 范卫高点击:
【摘要】介绍了组合的用途、结构，以图文并茂的形式叙述了基于Pro/ENGINEER平台上的组合夹具元件库的建立、动态模拟装配、装配体的分析、指导组装工人的工程图和相关信息的生成，简述了建立虚拟组合夹具站的必要性和实用性。
【关键词】Pro/ENGINEER 组合夹具 三维造型 装配体 爆炸图 工程图
1 前言
组合夹具是在夹具零部件标准化的基础上发展起来的一种工艺装备，它由一套预先制定好的由各种不同形式、不同规格尺寸的标准组件和组合体组成。这些组件相互配合，部分尺寸精度高、硬度高、耐磨性好并且有完全的互换性。利用这些组件，根据被加工工件的工艺要求，可以很快地组装出机械加工及检验、装配等各工种用的夹具。组合夹具具有很大的机动性和灵活性，它适用于多品种、中小批量的生产和大批生产的工厂，也可在某些生产环节中得到应用。
由于现代经济和技术发展迅速，机械工业也发生了很大变化，这种变化的特点是新产品开发快，产品的品种、系列和规格愈来愈多，形成了多样化的特点。新产品更新换代的速度加快，用户要求的交货期愈来愈短。在生产类型中，大批大量生产的比例下降，中小批量生产的比例增加。市场竞争激烈，产品即要质量好，又要成本低。现代机械加工业的发展，为基础的现代柔性制造单元（FMC）和柔性制造系统（FMS）需要一种性能可靠、装配时间短和灵活快速的夹具，并最终实现自动组装。
然而，多年来，对组合夹具的设计和组装，由于时间、环境条件的限制，总体设计与系统结构只能串行不能并行。夹具工艺师对工件的定位、装夹设计主要依赖经验，定性分析较多，定量分析较少，且计算复杂，同时缺乏必要的优化设计，设计的图样不够直观。在装夹过程中，工人要认真消化图样，设计过程前期的潜在问题，在总装时汇总，达不到预期的效果，甚至造成返工。设计过程中的装配干涉问题，无法在设计中提前发现，造成工人的劳动强度增大，已经很难适应当今快速、多样化的制造需求。这一特点为计算机辅助装配系统的研制与开发，提出了亟待解决的问题。同时该系统的成功应用将为中小企业带来更大的经济效益和社会效益。在计算机逐步普及的过程中，二维绘图软件在产品研制过程中，深入到设计、工艺过程的各个环节，使设计人员彻底甩掉图版，从繁琐的重复劳动中解放出来，大大缩短了研制周期。现在，大量三维实体造型软件崛起，如Pro/ENGINEER、UG、SolidWorks、Solid Edge等，推动了设计领域的新革命，由于这些三维软件，不仅可创建三维实体模型，还可利用设计出三维模型进行模拟装配和静态干涉检查、机构分析、动态干涉检查、动力学分析、强度分析等。同时由于组合夹具的组件全部是标准件，而且数量有限，易于储存和检索，使利用Pro/ENGINEER建立组合夹具站成为可能。
2 组合夹具标准组件库的建立
2.1 组合夹具库的结构
组合夹具基本组件数量繁多，为便于归类和方便检索标准件，将组合夹具进行分类，每一类型中又包括多个品种，每个品种中又有不同的规格，如图1所示。
Pro/ENGINEER三维元实体造型功能非常强大。简单的组件如基础板、压板等，用拉伸、切割、打孔、加强筋、倒角等直观指令即可实现，而对一些型面复杂的零件，如弹簧、螺栓等，用高级功能的旋转扫描变截面扫描等来完成，也很方便快捷。所有这些设计都成为单一特征，在开发建立夹具站的全过程中可以修改。对组合夹具组件来说，同一类型中的组件，其形状相似，用Pro/ENGINEER中的族表功能会事倍工半。
Pro/ENGINEER中的族表（Family table）是本质上相似的零件（或组件、特征）的集合，但在一两个方面稍有不同，诸如大小或详细特征。对于重复性高、相似性大的零件（如螺丝、扳手等）或者标准件，不需要每个规格都建立一个零件，而可以使用一个原始样本零件（Generic part）及一族表（Family table），即可代表无数个零件。任何时候，只要调出族表内任一个零件的名称，即可自动产生一个照族表所示尺寸比例的零件。
族表提高了标准化组件的用途。它们允许在Pro/ENGINEER中表示实际的零件清单。同时，族使得组件中的零件和子组件容易互换，因为来自同一族的实例互相之间可以自动互换。下面，以方形基础板为例说明创建零件库的操作步骤。
（1）按照组合夹具标准，创建方形基础板的原始样本三维模型，如图2所示。
（2）进入【Part】/【Modify】→【DimCosmetics】→【Symbol】，修改相应零件尺寸的数字元记号，如图2、图3所示。
（4）将尺寸及特征加入标准零件库。具体为：【Part】/【Family Tab】→【Add/delete the table columns】图标 →加入特征尺寸符号→【OK】。
（5）建立标准零件数据库。具体为在规格较多的情况下，进入Excel进行编辑零件的零件表内容，有效管理零件，产生子零件，如图4所示。
2.3 组合夹具动态虚拟装配
加工工件在组合夹具上的定位夹紧和最终装配是设计的关键部分，要把工件合理准确地组装到位并不容易。而虚拟装配（VA）是产品数字化定义中的一个重要环节。在对部件或整体进行或动态分析之前，要将它们先装配起来。其内涵就是在计算机上完成产品零部件的实体造型，进行计算机装配、干涉分析等多次协调的设计过程，并通过统一的产品数据管理实现三维设计过程与产品零部件制造、装配过程的高度统一。基于Pro/ENGINEER平台的动态虚拟装配模块很好地解决了这一问题，建立组合夹具组件库后，允许设计人员用粘贴、插入、对齐、同向等直观命令来完成装配设计。Pro/ENGINEER完成这项工作非常方便，只须定义出工件与各组合夹具组件之间的关系，系统就会根据给出的约束关系，将工件和夹具组件自动安装到位。如果改变原有设计，与其相关的夹具组件位置就会自动改变。夹具组件的尺寸可以在装配中加入关系或进行约束。零件的高级功能则支持大型、复杂的装配，复制功能提供用户坐标系为基准，平移或旋转复制零部件。下面以图5所示的加工管接头外圆为例，说明其组合夹具的装夹过程。
(2) 虚拟装配。具体为：【File】/【New】→【Assembly】→不选【Use default template】→【OK】→选mmns-asm-design→【OK】进入装配环境。
(3) 【Assembly】→【Component】→【Assemble】→从组合组件库中调出需要的组件，依次类推，进行工件的装配。最终此工件的组合夹具装配体建成（如图6所示）。
2.4 装配体的分析（Analysis）
对夹具装配体的结构、大小和转动惯量等的分析是总体设计的重点之一，传统的设计过程中，装配体的大小、质量、质心、转动惯量只能靠手工计算，大多数情况只是依靠经验，准确度不宜保证，给总体设计带来困难。使用Pro/ENGINEER软件，使得装配间隙的调整和装配干涉的检查变得更加准确、直观、快捷，尤其是对于检验设备不能接近的部位，间隙也能得到控制，使干涉问题消除在方案阶段。
首先在菜单【Model】→【Part】→【Set up】→【density】的提示行，给出材料密度，并且在菜单【Model】→【Part】→【Set up】→【Units】下定义质量、长度单位。进入【Analysis】主菜单，可以对距离、模型、曲线、曲面等进行实时分析。例如，进入【Analysis】 →【Measure】对话框的（Type）中选择距离、角度、面积等基本几何参数，进行测量。进入【Analysis】 →【Model Analysis】对话框的（Type）中对质量属性分析、模型截面质量分析、单边体积计算、两特征间公差分析、两组件间公差分析、曲面与实体间的干涉分析、两组件间干涉分析、边的长度分析、边的种类分析、厚度分析。其中【Analysis】 →【Model Analysis】→【Assembly Mass properties】可以实时显示体积、表面积、平均密度、质量、质心、相对与坐标系的转动惯量、相对与质心的转动惯量、主转轴惯量等。【Analysis】 →【Model Analysis】→【Global Interference】，可以检查零件的干涉情况，选取干涉属性时，干涉的零件会自动变亮色，以确定对其修改。
对不合理的组件进行调换，不合理的位置进行修改，由Pro/ENGINEER的全相关性决定了，对组件的尺寸、大小、规格稍作变化，其装配体会相应更改，直到完全满足设计要求。
2.5 爆炸图和工程图的生成
当然，在虚拟装配完全满足性能要求后，为建立一套直观的指导组装工人的实际组装文件，首先在装配图上，可采用3D爆炸形式，动态模拟整个装配体从组件到形成装配体的安装过程和安装方式。抛弃传统的图样方式，使装配更具有空间感和方位感。装配体的工程图制作变得较为简单，在菜单上指定一个命令就能立即完成，对于较为复杂的组装图，简单的向视图不能清楚表达装配关系时，作必要的剖面，完成工程图时，选择这些剖面作出主视、向视、投影、局部放大、旋转、展开等种类视图。同时能将三维组装模型作为独立视图，缩放后放于图样右上角，大大提高了工程人员的阅读速度，作为三级审签的校对、审核、批准也省去了图面检查时间，可以投入更多的精力进行功能性审查，同时也克服了非专业人员沟通的困难。Pro/ENGINEER能将图样的低级错误率降到最低。图7为自动生成的管接头组合夹具二维工程图。
传统的组合夹具设计中，夹具工艺师对组合组件的信息统计费事费时，而Pro/ENGINEER平台上，在视图完成后，自动地完成零件数量的统计和明细表的填写等相关信息，为组装工人建立指导性文件，使实际组装更加条理化。在主菜单【Info】列表中，可以显示出特性信息装配体模型的所有组成组件特征主从关系模型尺寸等。例如 【Info】→【Model】→【Top level】→【Apply】，可以列出装配顺序主从关系基本尺寸等，建立基本信息明细表，工艺师可以编辑明细表，为组装工人提供组装依据，图8为提取的以上管接头夹具装配体的部分资料。
3 结束语
Pro/ENGINEER智能化的三维软件为夹具设计带来方便，也为机械行业带来更大效益。由以上方法建立的夹具站已初步用于生产加工中，显示了强大的使用价值。当然这种方法也适合于专用夹具设计，随着的发展，组合夹具的实际装配更趋于自动化，由Pro/ENGINEER设计完成装配体后，建立的装配信息控制机器人自动装配，工人工作量减到最低，可以使装配技术更加适合现代制造的需要。
作者单位：上海理工大学机械学院(end)
【关键词】Pro/ENGINEER 组合夹具 三维造型 装配体 爆炸图 工程图
1 前言
组合夹具是在夹具零部件标准化的基础上发展起来的一种工艺装备，它由一套预先制定好的由各种不同形式、不同规格尺寸的标准组件和组合体组成。这些组件相互配合，部分尺寸精度高、硬度高、耐磨性好并且有完全的互换性。利用这些组件，根据被加工工件的工艺要求，可以很快地组装出机械加工及检验、装配等各工种用的夹具。组合夹具具有很大的机动性和灵活性，它适用于多品种、中小批量的生产和大批生产的工厂，也可在某些生产环节中得到应用。
由于现代经济和技术发展迅速，机械工业也发生了很大变化，这种变化的特点是新产品开发快，产品的品种、系列和规格愈来愈多，形成了多样化的特点。新产品更新换代的速度加快，用户要求的交货期愈来愈短。在生产类型中，大批大量生产的比例下降，中小批量生产的比例增加。市场竞争激烈，产品即要质量好，又要成本低。现代机械加工业的发展，为基础的现代柔性制造单元（FMC）和柔性制造系统（FMS）需要一种性能可靠、装配时间短和灵活快速的夹具，并最终实现自动组装。
然而，多年来，对组合夹具的设计和组装，由于时间、环境条件的限制，总体设计与系统结构只能串行不能并行。夹具工艺师对工件的定位、装夹设计主要依赖经验，定性分析较多，定量分析较少，且计算复杂，同时缺乏必要的优化设计，设计的图样不够直观。在装夹过程中，工人要认真消化图样，设计过程前期的潜在问题，在总装时汇总，达不到预期的效果，甚至造成返工。设计过程中的装配干涉问题，无法在设计中提前发现，造成工人的劳动强度增大，已经很难适应当今快速、多样化的制造需求。这一特点为计算机辅助装配系统的研制与开发，提出了亟待解决的问题。同时该系统的成功应用将为中小企业带来更大的经济效益和社会效益。在计算机逐步普及的过程中，二维绘图软件在产品研制过程中，深入到设计、工艺过程的各个环节，使设计人员彻底甩掉图版，从繁琐的重复劳动中解放出来，大大缩短了研制周期。现在，大量三维实体造型软件崛起，如Pro/ENGINEER、UG、SolidWorks、Solid Edge等，推动了设计领域的新革命，由于这些三维软件，不仅可创建三维实体模型，还可利用设计出三维模型进行模拟装配和静态干涉检查、机构分析、动态干涉检查、动力学分析、强度分析等。同时由于组合夹具的组件全部是标准件，而且数量有限，易于储存和检索，使利用Pro/ENGINEER建立组合夹具站成为可能。
2 组合夹具标准组件库的建立
2.1 组合夹具库的结构
组合夹具基本组件数量繁多，为便于归类和方便检索标准件，将组合夹具进行分类，每一类型中又包括多个品种，每个品种中又有不同的规格，如图1所示。
图1 组合夹具分类
Pro/ENGINEER三维元实体造型功能非常强大。简单的组件如基础板、压板等，用拉伸、切割、打孔、加强筋、倒角等直观指令即可实现，而对一些型面复杂的零件，如弹簧、螺栓等，用高级功能的旋转扫描变截面扫描等来完成，也很方便快捷。所有这些设计都成为单一特征，在开发建立夹具站的全过程中可以修改。对组合夹具组件来说，同一类型中的组件，其形状相似，用Pro/ENGINEER中的族表功能会事倍工半。
Pro/ENGINEER中的族表（Family table）是本质上相似的零件（或组件、特征）的集合，但在一两个方面稍有不同，诸如大小或详细特征。对于重复性高、相似性大的零件（如螺丝、扳手等）或者标准件，不需要每个规格都建立一个零件，而可以使用一个原始样本零件（Generic part）及一族表（Family table），即可代表无数个零件。任何时候，只要调出族表内任一个零件的名称，即可自动产生一个照族表所示尺寸比例的零件。
族表提高了标准化组件的用途。它们允许在Pro/ENGINEER中表示实际的零件清单。同时，族使得组件中的零件和子组件容易互换，因为来自同一族的实例互相之间可以自动互换。下面，以方形基础板为例说明创建零件库的操作步骤。
（1）按照组合夹具标准，创建方形基础板的原始样本三维模型，如图2所示。
（2）进入【Part】/【Modify】→【DimCosmetics】→【Symbol】，修改相应零件尺寸的数字元记号，如图2、图3所示。
图2 简式方形基础板原始样本组件
图3相应符号对照
（4）将尺寸及特征加入标准零件库。具体为：【Part】/【Family Tab】→【Add/delete the table columns】图标 →加入特征尺寸符号→【OK】。
（5）建立标准零件数据库。具体为在规格较多的情况下，进入Excel进行编辑零件的零件表内容，有效管理零件，产生子零件，如图4所示。
图4 简式方形基础板数据库
2.3 组合夹具动态虚拟装配
加工工件在组合夹具上的定位夹紧和最终装配是设计的关键部分，要把工件合理准确地组装到位并不容易。而虚拟装配（VA）是产品数字化定义中的一个重要环节。在对部件或整体进行或动态分析之前，要将它们先装配起来。其内涵就是在计算机上完成产品零部件的实体造型，进行计算机装配、干涉分析等多次协调的设计过程，并通过统一的产品数据管理实现三维设计过程与产品零部件制造、装配过程的高度统一。基于Pro/ENGINEER平台的动态虚拟装配模块很好地解决了这一问题，建立组合夹具组件库后，允许设计人员用粘贴、插入、对齐、同向等直观命令来完成装配设计。Pro/ENGINEER完成这项工作非常方便，只须定义出工件与各组合夹具组件之间的关系，系统就会根据给出的约束关系，将工件和夹具组件自动安装到位。如果改变原有设计，与其相关的夹具组件位置就会自动改变。夹具组件的尺寸可以在装配中加入关系或进行约束。零件的高级功能则支持大型、复杂的装配，复制功能提供用户坐标系为基准，平移或旋转复制零部件。下面以图5所示的加工管接头外圆为例，说明其组合夹具的装夹过程。
图5 管接头工件
(2) 虚拟装配。具体为：【File】/【New】→【Assembly】→不选【Use default template】→【OK】→选mmns-asm-design→【OK】进入装配环境。
(3) 【Assembly】→【Component】→【Assemble】→从组合组件库中调出需要的组件，依次类推，进行工件的装配。最终此工件的组合夹具装配体建成（如图6所示）。
图6 车接头外圆夹具
2.4 装配体的分析（Analysis）
对夹具装配体的结构、大小和转动惯量等的分析是总体设计的重点之一，传统的设计过程中，装配体的大小、质量、质心、转动惯量只能靠手工计算，大多数情况只是依靠经验，准确度不宜保证，给总体设计带来困难。使用Pro/ENGINEER软件，使得装配间隙的调整和装配干涉的检查变得更加准确、直观、快捷，尤其是对于检验设备不能接近的部位，间隙也能得到控制，使干涉问题消除在方案阶段。
首先在菜单【Model】→【Part】→【Set up】→【density】的提示行，给出材料密度，并且在菜单【Model】→【Part】→【Set up】→【Units】下定义质量、长度单位。进入【Analysis】主菜单，可以对距离、模型、曲线、曲面等进行实时分析。例如，进入【Analysis】 →【Measure】对话框的（Type）中选择距离、角度、面积等基本几何参数，进行测量。进入【Analysis】 →【Model Analysis】对话框的（Type）中对质量属性分析、模型截面质量分析、单边体积计算、两特征间公差分析、两组件间公差分析、曲面与实体间的干涉分析、两组件间干涉分析、边的长度分析、边的种类分析、厚度分析。其中【Analysis】 →【Model Analysis】→【Assembly Mass properties】可以实时显示体积、表面积、平均密度、质量、质心、相对与坐标系的转动惯量、相对与质心的转动惯量、主转轴惯量等。【Analysis】 →【Model Analysis】→【Global Interference】，可以检查零件的干涉情况，选取干涉属性时，干涉的零件会自动变亮色，以确定对其修改。
对不合理的组件进行调换，不合理的位置进行修改，由Pro/ENGINEER的全相关性决定了，对组件的尺寸、大小、规格稍作变化，其装配体会相应更改，直到完全满足设计要求。
2.5 爆炸图和工程图的生成
当然，在虚拟装配完全满足性能要求后，为建立一套直观的指导组装工人的实际组装文件，首先在装配图上，可采用3D爆炸形式，动态模拟整个装配体从组件到形成装配体的安装过程和安装方式。抛弃传统的图样方式，使装配更具有空间感和方位感。装配体的工程图制作变得较为简单，在菜单上指定一个命令就能立即完成，对于较为复杂的组装图，简单的向视图不能清楚表达装配关系时，作必要的剖面，完成工程图时，选择这些剖面作出主视、向视、投影、局部放大、旋转、展开等种类视图。同时能将三维组装模型作为独立视图，缩放后放于图样右上角，大大提高了工程人员的阅读速度，作为三级审签的校对、审核、批准也省去了图面检查时间，可以投入更多的精力进行功能性审查，同时也克服了非专业人员沟通的困难。Pro/ENGINEER能将图样的低级错误率降到最低。图7为自动生成的管接头组合夹具二维工程图。
图7 管接头组合夹具二维工程示图
传统的组合夹具设计中，夹具工艺师对组合组件的信息统计费事费时，而Pro/ENGINEER平台上，在视图完成后，自动地完成零件数量的统计和明细表的填写等相关信息，为组装工人建立指导性文件，使实际组装更加条理化。在主菜单【Info】列表中，可以显示出特性信息装配体模型的所有组成组件特征主从关系模型尺寸等。例如 【Info】→【Model】→【Top level】→【Apply】，可以列出装配顺序主从关系基本尺寸等，建立基本信息明细表，工艺师可以编辑明细表，为组装工人提供组装依据，图8为提取的以上管接头夹具装配体的部分资料。
图8 管接头夹具出配明细
3 结束语
Pro/ENGINEER智能化的三维软件为夹具设计带来方便，也为机械行业带来更大效益。由以上方法建立的夹具站已初步用于生产加工中，显示了强大的使用价值。当然这种方法也适合于专用夹具设计，随着的发展，组合夹具的实际装配更趋于自动化，由Pro/ENGINEER设计完成装配体后，建立的装配信息控制机器人自动装配，工人工作量减到最低，可以使装配技术更加适合现代制造的需要。
作者单位：上海理工大学机械学院(end)
