柔性制造系統中組合夾具的設計
0、引言
隨著機械制造業的飛速發展，產品的更新換代越來越快，傳統的大批量生產模式逐步被中小批量生產模式所取代，機械制造系統欲適應這種變化須具備較高的柔性。國外已把柔性制造系統（FMS）作為開發新產品的有效手段，并將其作為機械制造業的主要發展方向。
柔性化的著眼點主要在機床和工裝兩個方面，而組合夾具又是工裝柔性化的重點。組合夾具是一種標準化、系列化、通用化程度很高的工藝裝備，它是由一套預先制造好的各種不同形狀、不同規格、不同尺寸、具有完全互換性的標準元件和組合件，按工件的加工要求組裝而成的夾具。由于組合夾具使用完畢后，可以拆卸、清洗，重新組裝新的夾具，因此，組合夾具的應用非常普遍，尤其適合于多品種、中小批量的生產。
然而，多年來，對組合夾具的設計和組裝，由于時間、環境條件的限制，總體設計與系統結構只能串行不能并行。夾具工藝師對工件的定位、裝夾設計主要依賴經驗，定性分析較多，定量分析較少，且計算復雜，同時缺乏必要的優化設計，設計的圖紙不夠直觀。在裝夾過程中工人要認真消化圖紙，設計過程前期的潛在問題，在總裝時匯總，達不到預期的效果，甚至造成返工。設計過程中的裝配干涉問題，無法在設計中提前發現，造成工人的勞動強度增大。已經很難適應當今快速、多樣化的制造需求。這一特點為計算機輔助裝配系統的研制與開發，提出了亟待解決的問題。
傳統的組合夾具設計主要依靠手工完成，CAD 設計系統主要采用以交互式為主的半創成式設計方法。現在，大量三維實體造型軟件崛起，如Pro / E 、Solidworks、UG、Solidedge 等，推動了設計領域的新革命，由于這些三維軟件，不僅僅可創建三維實體模型，還可利用設計出三維模型進行模擬裝配和靜態干涉檢查、機構分析、動態干涉檢查、動力學分析、強度分析等。同時由于組合夾具的組件全部是標準件，而且數量有限，易于儲存和檢索等特點，使建立組合夾具站成為可能。若將計算機輔助設計應用到組合夾具設計中，尤其是將Pro / E 應用到組合夾具設計中，則可使組合夾具的設計非常快捷，裝配生產率得以顯著提高。
1、建庫
1.1 建庫必要性
盡管系統本身有一個數量龐大的特征庫：其中包括少部分組合夾具標準件，但各種不同規格尺寸的組合夾具標準件數量非常多是不爭的事實，況且一般情況下組合夾具組裝站只配置其中一部分標準件，同時不同廠家生產的標準件規格略有不同，這種情況勢必影響設計效果和效率。若能根據組裝站實際配置的標準件重新創建標準件庫，既可充分利用現有標準件進行組合夾具的設計，又可免去重復煩瑣地創建標準件模型，同時標準件的回取比較快捷。這樣，設計者可以直接在標準件庫中選取零件，非常快捷地實現組合夾具的動態模擬裝配。
1.2 組合夾具庫的結構
組合夾具是在夾具零部件標準化的基礎上發展起來的一種新型的工藝裝備。它由一套預先定制好的、具有各種不同形狀的規格尺寸的標準元件和組合件組成。在加工工件前，根據工件的工藝要求、采用的設備和夾具設計原則，選擇夾具元件，確定元件間的位置關系，組裝出機械加工使用的工裝夾具。組合夾具基本組件數量繁多，為便于歸類和方便檢索標準件，將組合夾具可分為九大類，即基礎件、支承件、定位件、導向件、壓緊件、緊固件、其它件、合件，其中每一類型中又包括多個品種，每個品種中又有不同的規格。
1.3 建庫的步驟
創建夾具標準件圖形庫的主要任務是圖形生成。對于標準件等相似性強的圖形生成可采用變量法即參數法：對于原始模型的所有幾何特征，給定它的組成參數及其參數值的變化范圍，這些可變參數稱為變量，通過輸入這些變量值，便可得到所需形狀及尺寸。組合夾具的標準件上都設計有尺寸相同、間隔均勻的T 形槽、長方槽、螺紋孔等結構，因此，采用以下兩個步驟建庫便可簡化煩瑣重復的標準件創建過程。
第一步，創建用戶定義特征。UDF 把標準件上都具有的T形槽、螺紋孔等特征建立UDF，一般根據組合夾具系列的不同，需創建的主要UDF 如附表所示。在創建各標準件時只需把UDF 特征加載到基本幾何體上，便可非常快捷地創建標準件。
第二步，創建簇表Family Table。既然同一類型中的組件其形狀相似，用Pro / E 中的族表功能則會事半功倍。Pro / E 中的簇表（Family Table）是本質上相似的零件（或組件、特征）的集合，但在大小或詳細特征等一兩個方面稍有不同。對于重復性高、相似性大的零件（如螺絲、扳手等）或者標準件，不需要每個規格都建立一個零件，而可以使用一個原始樣本零件（Generic Part）及一簇表（Family Table）即可代表無數個零件。任何時候，只要調出簇表內任一個零件的名稱，即可自動產生一個照簇表所示尺寸比例的零件。
顯然，族表大大提高了標準化組件的用途。它們不但允許在Pro / E 中表示實際的零件清單，而且使得組件中的零件和子組件容易互換（因為來自同一族的實例互相之間可以自動互換）。但在創建簇表的過程中，對于原始模型的選擇要注意兩個問題：一是往往選擇同類型標準件中尺寸最大的標準件作為原始模型。二是當尺寸最大的標準件不能包含同類型標準件的所有特征時，應在尺寸最大的標準件基礎上添加上未包含的特征才能作為原始模型。
2、用Pro / E 進行組合夾具設計步驟
2.1 創建工件模型
創建工件模型是在標準件庫創建工作完成之后進行的。首先需要分析的內容包括：工序圖、工件的結構形狀特征、本道工序的加工要求。然后創建出工件三維實體模型，以便于進行動態模擬裝配。
2.2 夾具裝配
根據零部件之間的裝配關系和約束條件，進行虛擬設計組裝，并進行相應檢驗，進而對設計進行分析，對不合理的設計進行修改。首先分析工序圖，初步確定定位、夾緊及導向、對刀方案，然后可在標準件庫中直接選取合適的定位、夾緊、導向、對刀元件，并要選擇合適的基礎板來支承這些元件。接下來便可進行組合夾具的動態裝配，在模擬裝配時應注意裝配的順序，在基礎夾具體上安裝定位元件，實現工件定位后，再安裝夾緊元件及導向對刀元件。如圖1所示，應用Pro / E 設計的車削一偏心軸外圓的組合夾具。
圖1 夾具裝配圖
2.3 裝配體的分析
對夾具裝配體的結構、大小、轉動慣量等的分析是總體設計必不可少的環節之一。在傳統的設計過程中，這一過程一般靠手工計算，大多數情況只是依靠經驗而使準確度不易保證，增加總體設計的困難。應用Pro / E 軟件，會使裝配間隙的調整和裝配干涉的檢查變得更加準確、直觀、快捷。而且對于檢驗設備不能接近的部位，間隙也能得到控制，使得干涉問題消除在方案階段。
第一步，在菜單【Model】→【Part】→【Setup】→【Densit.】的提示行給出材料密度，在菜單【Model】→【Part】→【Setup】→【Units】下定義質量、長度單位。
第二步，進入【Analysis】主菜單，可以對距離、模型、曲線、曲面等進行實時分析。
調換不合理的組件，修改不合理的位置，Pro / E 的全相關性能夠對組件的尺寸、大小、規格稍作變化，裝配體隨之會相應更改，達到完全滿足設計要求為止。
2.4 信息處理
相關信息的處理包括裝配圖和爆炸圖的生成和明細表的提取。
（1）裝配圖和爆炸圖的生成
Pro / E 擁有強健的裝配圖繪制功能。在三維空間實現了組合夾具模擬裝配后，即可在菜單上指定一個命令，快捷地創建二維裝配圖。若基本視圖或向視圖不能清楚表達較復雜裝配關系時，則作必要的剖面，選擇這些剖面作局部放大、旋轉、展開等種類視圖。對于三維組裝模型，可將其作為獨立視圖，縮放后放于圖紙右上角，以提高工程人員的閱讀速度。這樣，既可節省校對、審核和批準人員的圖面檢查時間，又可以使其投入更多的精力進行功能性審查。
（2）明細表的提取
在視圖完成后，Pro / E 平臺能自動地完成零件數量的統計和明細表的填寫等相關信息，而在傳統的組合夾具設計中，對組合組件的信息統計需耗費夾具工藝師不少的時間和精力。在主菜單【Info】列表中可以顯示出特性信息、裝配體模型的所有組成組件、特征主從關系、模型尺寸等。例如【Info】→【Model】→【Top】→【Leve】→【Apply】可以列出裝配順序、主從關系、基本尺寸等，建立基本信息明細表，工藝師可以編輯明細表，為組裝工人提供組裝依據，使實際組裝更加條理化。最后是組裝工人依靠建立的三維裝配模型、爆炸圖、二維視圖、信息明細表進行實際裝配。
3、結束語
采用Pro / E 軟件創建組合夾具標準件庫，設計人員通過合理選擇標準件，可迅速進行模擬裝配，對不合理的裝配結構可及時調整更改。隨著機器人的發展，組合夾具的實際裝配更趨于自動化，由Pro / E 設計完成裝配體后，建立的裝配信息控制機器人自動裝配，可將工人工作量減到最低，可使裝配技術更加適合現代制造的需要。Pro / E 智能化的三維軟件為組合夾具設計帶來方便，也使組合夾具更加適合應用于柔性制造系統。
隨著機械制造業的飛速發展，產品的更新換代越來越快，傳統的大批量生產模式逐步被中小批量生產模式所取代，機械制造系統欲適應這種變化須具備較高的柔性。國外已把柔性制造系統（FMS）作為開發新產品的有效手段，并將其作為機械制造業的主要發展方向。
柔性化的著眼點主要在機床和工裝兩個方面，而組合夾具又是工裝柔性化的重點。組合夾具是一種標準化、系列化、通用化程度很高的工藝裝備，它是由一套預先制造好的各種不同形狀、不同規格、不同尺寸、具有完全互換性的標準元件和組合件，按工件的加工要求組裝而成的夾具。由于組合夾具使用完畢后，可以拆卸、清洗，重新組裝新的夾具，因此，組合夾具的應用非常普遍，尤其適合于多品種、中小批量的生產。
然而，多年來，對組合夾具的設計和組裝，由于時間、環境條件的限制，總體設計與系統結構只能串行不能并行。夾具工藝師對工件的定位、裝夾設計主要依賴經驗，定性分析較多，定量分析較少，且計算復雜，同時缺乏必要的優化設計，設計的圖紙不夠直觀。在裝夾過程中工人要認真消化圖紙，設計過程前期的潛在問題，在總裝時匯總，達不到預期的效果，甚至造成返工。設計過程中的裝配干涉問題，無法在設計中提前發現，造成工人的勞動強度增大。已經很難適應當今快速、多樣化的制造需求。這一特點為計算機輔助裝配系統的研制與開發，提出了亟待解決的問題。
傳統的組合夾具設計主要依靠手工完成，CAD 設計系統主要采用以交互式為主的半創成式設計方法。現在，大量三維實體造型軟件崛起，如Pro / E 、Solidworks、UG、Solidedge 等，推動了設計領域的新革命，由于這些三維軟件，不僅僅可創建三維實體模型，還可利用設計出三維模型進行模擬裝配和靜態干涉檢查、機構分析、動態干涉檢查、動力學分析、強度分析等。同時由于組合夾具的組件全部是標準件，而且數量有限，易于儲存和檢索等特點，使建立組合夾具站成為可能。若將計算機輔助設計應用到組合夾具設計中，尤其是將Pro / E 應用到組合夾具設計中，則可使組合夾具的設計非常快捷，裝配生產率得以顯著提高。
1、建庫
1.1 建庫必要性
盡管系統本身有一個數量龐大的特征庫：其中包括少部分組合夾具標準件，但各種不同規格尺寸的組合夾具標準件數量非常多是不爭的事實，況且一般情況下組合夾具組裝站只配置其中一部分標準件，同時不同廠家生產的標準件規格略有不同，這種情況勢必影響設計效果和效率。若能根據組裝站實際配置的標準件重新創建標準件庫，既可充分利用現有標準件進行組合夾具的設計，又可免去重復煩瑣地創建標準件模型，同時標準件的回取比較快捷。這樣，設計者可以直接在標準件庫中選取零件，非常快捷地實現組合夾具的動態模擬裝配。
1.2 組合夾具庫的結構
組合夾具是在夾具零部件標準化的基礎上發展起來的一種新型的工藝裝備。它由一套預先定制好的、具有各種不同形狀的規格尺寸的標準元件和組合件組成。在加工工件前，根據工件的工藝要求、采用的設備和夾具設計原則，選擇夾具元件，確定元件間的位置關系，組裝出機械加工使用的工裝夾具。組合夾具基本組件數量繁多，為便于歸類和方便檢索標準件，將組合夾具可分為九大類，即基礎件、支承件、定位件、導向件、壓緊件、緊固件、其它件、合件，其中每一類型中又包括多個品種，每個品種中又有不同的規格。
1.3 建庫的步驟
創建夾具標準件圖形庫的主要任務是圖形生成。對于標準件等相似性強的圖形生成可采用變量法即參數法：對于原始模型的所有幾何特征，給定它的組成參數及其參數值的變化范圍，這些可變參數稱為變量，通過輸入這些變量值，便可得到所需形狀及尺寸。組合夾具的標準件上都設計有尺寸相同、間隔均勻的T 形槽、長方槽、螺紋孔等結構，因此，采用以下兩個步驟建庫便可簡化煩瑣重復的標準件創建過程。
第一步，創建用戶定義特征。UDF 把標準件上都具有的T形槽、螺紋孔等特征建立UDF，一般根據組合夾具系列的不同，需創建的主要UDF 如附表所示。在創建各標準件時只需把UDF 特征加載到基本幾何體上，便可非常快捷地創建標準件。
第二步，創建簇表Family Table。既然同一類型中的組件其形狀相似，用Pro / E 中的族表功能則會事半功倍。Pro / E 中的簇表（Family Table）是本質上相似的零件（或組件、特征）的集合，但在大小或詳細特征等一兩個方面稍有不同。對于重復性高、相似性大的零件（如螺絲、扳手等）或者標準件，不需要每個規格都建立一個零件，而可以使用一個原始樣本零件（Generic Part）及一簇表（Family Table）即可代表無數個零件。任何時候，只要調出簇表內任一個零件的名稱，即可自動產生一個照簇表所示尺寸比例的零件。
顯然，族表大大提高了標準化組件的用途。它們不但允許在Pro / E 中表示實際的零件清單，而且使得組件中的零件和子組件容易互換（因為來自同一族的實例互相之間可以自動互換）。但在創建簇表的過程中，對于原始模型的選擇要注意兩個問題：一是往往選擇同類型標準件中尺寸最大的標準件作為原始模型。二是當尺寸最大的標準件不能包含同類型標準件的所有特征時，應在尺寸最大的標準件基礎上添加上未包含的特征才能作為原始模型。
2、用Pro / E 進行組合夾具設計步驟
2.1 創建工件模型
創建工件模型是在標準件庫創建工作完成之后進行的。首先需要分析的內容包括：工序圖、工件的結構形狀特征、本道工序的加工要求。然后創建出工件三維實體模型，以便于進行動態模擬裝配。
2.2 夾具裝配
根據零部件之間的裝配關系和約束條件，進行虛擬設計組裝，并進行相應檢驗，進而對設計進行分析，對不合理的設計進行修改。首先分析工序圖，初步確定定位、夾緊及導向、對刀方案，然后可在標準件庫中直接選取合適的定位、夾緊、導向、對刀元件，并要選擇合適的基礎板來支承這些元件。接下來便可進行組合夾具的動態裝配，在模擬裝配時應注意裝配的順序，在基礎夾具體上安裝定位元件，實現工件定位后，再安裝夾緊元件及導向對刀元件。如圖1所示，應用Pro / E 設計的車削一偏心軸外圓的組合夾具。
圖1 夾具裝配圖
2.3 裝配體的分析
對夾具裝配體的結構、大小、轉動慣量等的分析是總體設計必不可少的環節之一。在傳統的設計過程中，這一過程一般靠手工計算，大多數情況只是依靠經驗而使準確度不易保證，增加總體設計的困難。應用Pro / E 軟件，會使裝配間隙的調整和裝配干涉的檢查變得更加準確、直觀、快捷。而且對于檢驗設備不能接近的部位，間隙也能得到控制，使得干涉問題消除在方案階段。
第一步，在菜單【Model】→【Part】→【Setup】→【Densit.】的提示行給出材料密度，在菜單【Model】→【Part】→【Setup】→【Units】下定義質量、長度單位。
第二步，進入【Analysis】主菜單，可以對距離、模型、曲線、曲面等進行實時分析。
調換不合理的組件，修改不合理的位置，Pro / E 的全相關性能夠對組件的尺寸、大小、規格稍作變化，裝配體隨之會相應更改，達到完全滿足設計要求為止。
2.4 信息處理
相關信息的處理包括裝配圖和爆炸圖的生成和明細表的提取。
（1）裝配圖和爆炸圖的生成
Pro / E 擁有強健的裝配圖繪制功能。在三維空間實現了組合夾具模擬裝配后，即可在菜單上指定一個命令，快捷地創建二維裝配圖。若基本視圖或向視圖不能清楚表達較復雜裝配關系時，則作必要的剖面，選擇這些剖面作局部放大、旋轉、展開等種類視圖。對于三維組裝模型，可將其作為獨立視圖，縮放后放于圖紙右上角，以提高工程人員的閱讀速度。這樣，既可節省校對、審核和批準人員的圖面檢查時間，又可以使其投入更多的精力進行功能性審查。
（2）明細表的提取
在視圖完成后，Pro / E 平臺能自動地完成零件數量的統計和明細表的填寫等相關信息，而在傳統的組合夾具設計中，對組合組件的信息統計需耗費夾具工藝師不少的時間和精力。在主菜單【Info】列表中可以顯示出特性信息、裝配體模型的所有組成組件、特征主從關系、模型尺寸等。例如【Info】→【Model】→【Top】→【Leve】→【Apply】可以列出裝配順序、主從關系、基本尺寸等，建立基本信息明細表，工藝師可以編輯明細表，為組裝工人提供組裝依據，使實際組裝更加條理化。最后是組裝工人依靠建立的三維裝配模型、爆炸圖、二維視圖、信息明細表進行實際裝配。
3、結束語
采用Pro / E 軟件創建組合夾具標準件庫，設計人員通過合理選擇標準件，可迅速進行模擬裝配，對不合理的裝配結構可及時調整更改。隨著機器人的發展，組合夾具的實際裝配更趨于自動化，由Pro / E 設計完成裝配體后，建立的裝配信息控制機器人自動裝配，可將工人工作量減到最低，可使裝配技術更加適合現代制造的需要。Pro / E 智能化的三維軟件為組合夾具設計帶來方便，也使組合夾具更加適合應用于柔性制造系統。
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