基于实体建模技术的通用夹具CAD系统研究

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随着CAD/CAPP/CAM 技术的发展，传统的夹具设计方式已经不能满足现代制造系统灵活、快速的要求。计算机辅助夹具设计(夹具CAD)正是为了适应这一要求而产生的。夹具CAD一方面克服了传统夹具设计的缺点，减少了设计人员的劳动强度，提高了夹具设计的质量：另一方面以计算机辅助夹具设计为基础的夹具信息系统也构成了CIMS中信息继承的一个重要环节。 `3 d( @0 x+ v- d$ t: `

MDT(AutoCAD Mechanical Desktop)是在AutoCAD基础上开发的通用三维机械CAD平台，主要包括机械CAD参数化特征造型、曲面造型和装配造型三大部分。MDT具有良好的二次开发工具和编程接口。本文介绍作者利用实体建模技术开发的基于MDT三维软件平台上的夹具CAD系统功能模块以及夹具元件库的设计方法。
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图1 计算机辅助夹具设计系统图

图2 夹具CAD系统功能模块图

1 夹具CAD系统结构设计

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通用夹具CAD系统主要由两部分构成：一部分是为夹具设计服务的应用程序，分别以程序库、图形库的形式存在计算机内：另一部分是夹具的设计工作流程。如图1所示。①应用程序：程序库主要用于存储夹具设计所需要的各种程序，包括设计计算程序、读取数据库程序以及各种接口程序等。数据库用于存储夹具设计计算用到的各种参数、表格以及设计过程中生成的数据文件。数据库的主要功能是为设计过程提供各种数据、要查找的各种手册、标准。②工作流程：交互式三维CAD系统的工作流程：开始→输入零件信息→选择定位方式及定位件→选择导向方式及导向件→选择夹紧方式及夹紧件→确定其它元件及夹具体→进入MDT三维系统拼装装配图→返回主系统→结束。

2 夹具CAD系统的功能模块

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通用夹具CAD系统的功能模块包括零件信息输入、工艺信息输入、交互式夹具设计等模块。如图2所示。

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1. 零件信息输入模块。在该模块中，计算机内存储了一定数量的典型零件，供用户选择。若有所需要的零件，则用户可直接进入CAD环境，绘制该零件的简图，并将其存为图块，然后，在图中标注出相应的尺寸信息，最后将其归入相应的零件图组。 5 l: Y- E7 z4 \3 K) Y6 ~- E3 _
2. 工艺信息输入模块。零件图形库中的典型零件，其相应的工艺过程已存入其中。设计人员可通过读工艺菜单获得其工艺信息，输入到系统中，以获得该工序的工艺信息。包括工艺尺寸、公差、技术要求、定位面及夹紧点等。
3. 夹具结构设计模块。交互式夹具结构设计模块的基本功能是采用交互方式进行夹具结构设计，最终生成三维夹具装配图。它包括定位装置设计、夹紧装置设计、导向装置设计、夹具体设计及装配图设计五部分。各部分在形式上是相互独立的，但在内部各参数之间是相互联系的，从而构成一个相互独立又相互联系的统一体。其联系的纽带是零件尺寸参数。

3 三维夹具元件图形库的建立

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数据模型是实体模型的数据表示，间接反映客观实体之间的相互联系与依存关系。表示方法上有层次、网络、关系等三种数据模型。夹具元件图形库应用关系模型表示其数据模型。
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图3 夹具元件库总体框架

根据上述对夹具元件图形库的要求，建立夹具元件库框架结构，见图3，这一框架有用户界面、数据库、数据库接口、夹具元件生成和建库工具五个部分。当然，要它运行起来还需要三维软件平台。下面对各个部分的功能加以分述。 & R( C2 r& |- G- t

1. 用户界面 它是用户与夹具元件图形库进行交互的窗口。 ; i; D. E6 ]3 W$ p/ y- }1 \8 D
2. 数据库 数据库中存放的是夹具元件的结构参数、材料、加工方法等数据，各种类型的夹具元件的数据及相关索引表格都存放在数据库中，用户可以对该数据库进行扩充，当然也可以新建另一数据库来存放用户自己定义的夹具元件。
3. 数据库接口 数据库接口主要用来对数据库中的数据进行调用、查询、增加、删除、修改等。
4. 夹具元件的生成 它从数据库中调用模板数据来生成三维实体的零件文档，并用从数据库中调用的结构参数来驱动该零件文档。模板数据相当于一个三维实体的零件文档。在该数据中，除了要定义生成零件的形体，还要定义零件的变量，甚至变量间的关系，它决定了零件的形体是否能够被零件的变量正确地驱动。 . J; l* \2 F7 v5 R
5. 建库工具 用来创建新的数据库，包括库的创建、表的创建、数据的录入等。

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图4 管接头加工位置

4 设计实例

本节以钻床夹具为例，在MDT环境下详细论述管接头零件钻床夹具的三维设计过程。 4 T% Y( x, ]) P. f8 k

1. 管接头零件信息及加工工艺信息
   该夹具的被加工零件为管接头，该加工工序为管接头法兰盘上的4-Ø9。为便于加工需要将管接头旋转一定角度放于图4所示的加工位置，根据零件结构和加工工艺要求，标出零件的三个定位面和夹紧面。定位面1限制零件三个自由度(Z轴移动、X轴旋转和Y轴旋转)，定位面2限制零件两个自由度(X轴移动和Y轴移动)，定位面3限制零件一个自由度(Z轴旋转)，实现零件的完全定位。 - J k# N' f% b9 e! f1 m3 t3 w8 P2 p% I! T4 @& ]1 ]6 y* d. ^% B$ g3 P$ I8 B0 q3 |& L, [! }% ^: }" b* ~/ e }$ ]+ @0 m. ]6 a1 L: N# q2 Z* W {' [5 s

   图5 夹具元件图形库的调用

   图6 定位件设计

   图7 夹紧机构设计

   图8 夹具体设计

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2. 夹具结构设计
   1. 定位件设计。先调用夹具元件图形库中的定位元件，根据实际需要选择参数规格。见图5。定位件1完成定位面1的设计，定位件2完成定位面2的设计。定位件3完成定位面3的设计。定位件1的主要尺寸由法兰盘外圆尺寸与定位件2的外圆尺寸之和参考设计，定位件2与定位件3由定位面2与定位面3参考设计，见图6。 l) t7 M' u, N4 |
   2. 导向件设计。导向件的中心距来自管接头法兰盘中心孔距，导向件结构尺寸由法兰盘上被加孔的大小和夹具标准件结构确定。根据加工要求导向件轴线与定位面1垂直，将导向件安装在定位件1上。
   3. 夹紧装置设计。夹紧元件见图7，夹紧件1和夹紧件2完成夹紧面的夹紧。以销轴1、2为支撑件，夹紧件1和夹紧件2绕销轴旋转，夹紧件的调节螺母推动球头销、平头销、钢球作为递力机构实现对工件的夹紧，在弹力作用下实现回位。以上零件均以新的内零件设计其初步结构和大小，若夹具元件图形库中有的夹具元件，可从图形库中检索调入，也可调入相似的元件，通过编辑修改为所需的零件。考虑到夹紧递力机构的安装定位，在定位件1上设钢球、球头销和平头销的安装孔，在夹紧件上设计弹簧安装孔，完成夹紧机构的初步设计。 5 p+ S* [( `" Z" R. B# o
   4. 夹具体设计。在初步设计基础上，考虑到定位件和夹紧件的安装定位，设计夹具体，为了其它零件在夹具体上安装和将夹具体装在钻床上需在夹具体上作螺孔、销孔等，这些孔的位置尺寸并不需要计算，利用MDT的直接从已设计完的夹具零件上分割零件的特有功能获得。根据已生成的零件、夹具体零件设计定位销和销轴1、2的孔和轴，如图8所示。
   5. 装配设计。由夹具元件库中调入需要的螺钉、螺母等夹具元件，将已设计完成的零件和调入的零件用MDT的装配约束将它们装配起来，这时完成该夹具的三维装配设计。设计完成后，将所有的夹具元件、标准件等外部化，使之成为零件文件。

   5 结束语

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   通用夹具CAD系统是面向夹具设计人员的参数化图形信息管理系统，它融数据库操作系统和参数化图形系统于一体。本文详细地介绍在MDT三维软件环境下，基于实体建模的通用夹具CAD系统的设计过程。通过具体的实例提供了一种在该系统下进行夹具设计的设计方法。