三維設(shè)計軟件的發(fā)展，為定位夾具能夠?qū)崿F(xiàn)低成本，短周期，設(shè)計提供了條件，且可以虛擬模擬加工進行驗證。如圖1 是一個與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提高機床的性能，即把原來的2.5 軸或3 軸的數(shù)控機床提高到5 軸以上；

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

考慮到加工成本，第二種方案顯然是更理想的選擇。下面就針對此零件設(shè)計一個定位夾具，利用CATIA軟件，進行夾具各零部件的實體建模、裝配、干涉檢測、精度分析，將設(shè)計完成的夾具導(dǎo)入數(shù)控加工模塊中進行虛擬加工，以檢驗設(shè)計的可行性與正確性。

定位夾具設(shè)計及三維建模

考慮被加工零件的特點，保證加工精度，同時為了提高夾具的適用范圍， 將定位夾具設(shè)計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， 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定位來設(shè)計安裝， 與定位板配合實現(xiàn)對待加工零件6 個自由度的限制。

定位夾具的靜態(tài)干涉檢驗

為了保證所設(shè)計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，必須對夾具進行干涉檢測。

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，且夾具的設(shè)計一般為逐層設(shè)計，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)干涉檢測示意圖

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

動態(tài)干涉分析

利用CATIA 提供的“DUM Fitting”模塊對組裝的產(chǎn)品進行檢測，能夠記錄組裝時零件的轉(zhuǎn)配路徑，分析組裝零件時，移動零件所需求的動態(tài)空間，檢測各零件間的干涉情況。首先將“裝配件設(shè)計”切換到“DUM Fitting”模塊下，按照夾具的裝配給出每個裝配路徑，其中包括各零部件的轉(zhuǎn)配運動距離信息，目的是為了能夠在干涉發(fā)生時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“碰撞”分析，分析結(jié)果如圖4 所示。

圖4 動態(tài)碰撞檢測

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，通過對干涉信息的分析得出，由于在裝配過程中定位夾與導(dǎo)向模塊的裝配路徑相沖突發(fā)生碰撞。針對出現(xiàn)的干涉，對夾具做如下修改：在保持定位點和夾緊點無較大變動的前提下， 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，對工件進行數(shù)控加工， 以檢驗刀具在加工工件時與夾具是否發(fā)生碰撞干涉，從而驗證數(shù)控加工的可行性。為了能夠直觀地觀察到碰撞是否發(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” 中對加工零件的外表面進行“Contourdriven”（輪廓驅(qū)動精加工）； 然后在彈出的對話框中選擇加工區(qū)域為待加工零件， 選擇合適刀具路徑參數(shù)，其中包括驅(qū)動引導(dǎo)線的選擇，合適的刀具參數(shù)和退刀路線；最后進行數(shù)控模擬加工生成刀具軌跡線，如圖6 所示。

圖6 生成的刀具軌跡線

由圖可以清晰地看出軌跡線覆蓋了整個加工區(qū)域， 并且沒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)控加工的整個過程，可以選擇“道路仿真”功能，通過觀察， 整個加工過程中刀具沒有與夾具發(fā)生任何碰撞干涉。

定位夾具的精度校核

在對定位夾具進行設(shè)計中， 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驗證。

在夾具的使用過程中，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）對刀和導(dǎo)向誤差ΔT和ΔJ；

（3）夾具在機床上的安裝誤差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）

上述案例通過發(fā)揮CATIA 的三維虛擬設(shè)計能力，對定位夾具的設(shè)計和功能檢測，能夠有效地降低成本，縮短設(shè)計生產(chǎn)周期；在整個設(shè)計構(gòu)成中，計算機完成了從設(shè)計到裝配再到在數(shù)控機床上模擬加工， 其中包括靜態(tài)和動態(tài)的干涉分析，這是傳統(tǒng)的設(shè)計方法所無法比擬的， 也是現(xiàn)代夾具工業(yè)發(fā)展的一種必然趨勢。
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