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基于ProE的机床夹具设计论文

基于Pro/E的机床夹具设计

摘要：

由于铣床夹具的结构复杂且精度要求较高，而且铣床夹具的传统设计效率低，在传统的设计中，原有的集合模型是设计者利用固定的尺寸值得到的，零件结构形状不能灵活的改变，一旦零件尺寸发生变化，必须重新绘制其对应的几何模型，以至于工程师们不得不花费大量的时间进行几乎相同的公式计算，这样在铣床夹具设计的相似性设计上消耗了大量的人力物力。

铣床夹具的数字化设计是提高设计精度及效率的有效途径。

本论文正是针对上述问题，利用Pro/E软件的建模功能建立三维模型；然后应用Pro/E软件的运动仿真、参数化设计和数控加工功能，使得铣床夹具的设计直观、快捷、高效。

该技术在机械工程、化工设备、汽车制造等很多领域有很强的实用性和推广价值。

关键词：

Pro/E，铣床夹具，数字化设计

MachinetoolfixturedesignbasedonPro/E

ABSTRACT:

Duetothecomplicatedstructureandmillingfixturehigheraccuracy,andmillingmachinefixtureinlowefficiency,thetraditionaldesignoftraditionaldesign,theoriginalcollectionmodelisthesizeofthedesignerusingfixedpartsstructure,worththechange,flexibleshapecannotchangeoncepartssize,mustredrawitscorrespondinggeometricmodelthatengineershavetospendalotoftimeontheformulaisalmostthesame,andinthemillingmachineforfixturedesignsimilaritydesignconsumesvastquantitiesofmanpower.Millingfixturedigitaldesignistoimprovethedesignprecisionandefficiencyinaneffectiveway.

Thisthesisisinviewoftheabovequestions,Pro/Esoftwareusing3dmodel;modelingfunctions.ThenapplythePro/Emotionsimulationsoftware,parameterizeddesignandNCmachiningfunctionmakesmillingfixturedesigndirect-viewing,fastandefficient.Thistechnologyinmechanicalengineering,chemicalequipment,automobilemanufactureandsoonmanydomainshavestrongpracticabilityandpopularizevalue.

Keywords:

Pro/E,millingfixture,digitaldesign

摘要（中文）……………………………………………………………………Ⅰ

摘要（英文）……………………………………………………………………Ⅱ

引言………………………………………………………………………………1

第一章设计理念………………………………………………………………1

1.1夹具概念设计……………………………………………………………1

1.1.1专用夹具及其设计概述………………………………………………1

1.1.2夹具的发展概况及现状………………………………………………3

1.1.3夹具的分类及组成……………………………………………………3

1.1.4现代夹具的发展方向………………………………………………6

1.2数字化制造简介………………………………………………………6

1.2.1数字化是制造技术创新的手段………………………………………6

1.2.2Pro/E软件的数字化造型功能………………………………………8

第二章铣床夹具的造型及动画仿真……………………………………10

2.1铣床夹具零件的三维造型……………………………………………10

2.2铣床夹具的装配…………………………………………………………15

2.3铣床夹具的动画仿真……………………………………………………17

第三章利用Pro/E进行夹具若干零件特征的自动化设计………19

3.1铣床夹具分度盘的自动化设计…………………………………………19

第四章利用Pro/E进行夹具若干零件的数控加工…………………22

4.1Pro/ENC简介…………………………………………………………22

4.2定位键的数控加工………………………………………………………22

结论………………………………………………………………………………27

致谢………………………………………………………………………………28

参考文献…………………………………………………………………………29

引言

当前三维设计技术已经达到了一个很高的境界，它能为产品开发人员提供更先进的设计方法和设计手段，具有形象生动、直观明了、快速响应等设计特点，其开发过程很符合设计人员的设计思维[1]。

三维开发平台的出现和完善，为增强企业的开发能力、提高设计效率和产品质量，提供了强有力的技术支持。

三维开发技术的应用和推广，可谓是传统的机械设计的一次革命；三维立体设计逐步替代传统的二维平面是必然的趋势。

目前，市面上可供选择的软件有很多，主要包括高端的Pro/Engineer，I-DEAS，UG，CATIA和中端的Solidworks，SolidEdge等3D设计软件[2]。

这些软件的一个共性就是它们都具备了尺寸参数驱动技术以及虚拟装配技术；尤其是高端的3D设计软件还具备了智能化、集成化、并行化、模块化、相关性等特点，这些技术一般都能满足用户设计的各项诸如设计、计算分析、制造、虚拟装配、干涉检查、有限元分析、运动分析等高级CAD的需求。

Pro/Engineer系统是美国参数技术公司（PTC）的产品。

PTC公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念，开发出来第三代机CAD/CAECAM产品Pro/Engineer软件能将设计至生产全过程集成到一起，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。

Pro/Engineer采用技术指标化设计、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。

Pro/Engineer系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。

整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。

第1章设计理念

1.1夹具概念设计

1.1.1专用夹具及其设计概述

1.明确设计任务与收集设计资料

2．拟定夹具结构方案与绘制夹具草图

1）确定工件的定位方案，设计定位装置。

2）确定工件的夹紧方案，设计夹紧装置。

3）确定对刀或导向方案，设计对刀或导向装置。

4）确定夹具与机床的连接方式，设计连接元件及安装基面。

5）确定和设计其它装置及元件的结构型式，如分度装置、预定位装置及吊装元件等。

6）确定夹具体的结构型式及夹具在机床上的安装方式。

7）绘制夹具草图，并标注尺寸、公差及技术要求。

3．进行必要的分析计算

工件的加工精度较高时，应进行工件加工精度分析。

有动力装置的夹具，需计算夹紧力。

当有几种夹具方案时，可进行经济分析，选用经济效益较高的方案。

4．审查方案与改进设计

夹具草图画出后，应征求有关人员的意见，并送有关部门审查，然后根据他们的意见对夹具方案作进一步修改。

5．绘制夹具装配总图

夹具的总装配图应按国家制图标准绘制。

绘图比例尽量采用1：

1。

主视图按夹具面对操作者的方向绘制。

总图应把夹具的工作原理、各种装置的结构及其相互关系表达清楚。

夹具总图的绘制次序如下：

1）用双点划线将工件的外形轮廓、定位基面、夹紧表面及加工表面绘制在各个视图的合适位置上。

在总图中，工件可看作透明体，不遮挡后面夹具上的线条。

2）依次绘出定位装置、夹紧装置、对刀或导向装置、其它装置、夹具体及连接元件和安装基面。

3）标注必要的尺寸、公差和技术要求。

4）编制夹具明细表及标题栏。

6.绘制夹具零件图

夹具中的非标准零件均要画零件图，并按夹具总图的要求，确定零件的尺寸、公差及技术要求。

1.1.2夹具的发展概况及现状

夹具虽然是机床的附加装置，但是他在生产中起到的作用却很大，应用十分广泛。

因此，我国广大机械工人和技术人员，历来把机床夹具的设计和改进，作为技术革新和改造的一个重要举措。

夹具是机械加工不可缺少的部件，在机床技术向高速、高效、精密、复合、智能、环保方向发展的带动下，夹具技术正朝着高精、高效、模块、组合，通用、经济方向发展[1]。

安装在车床上的夹具多数情况下都是采用通用夹具，如三爪卡盘、四爪卡盘等。

当加工一些特殊工件，采用通用夹具无法安装时，必须设计专用夹具。

安装在机床上的夹具根据其安装的位置分为两个基本类型：

安装在车床主轴上的夹具和安装在车床床鞍上的夹具。

1.1.3夹具的分类及组成

1.夹具的分类

随着机械制造业的发展，机床夹具的种类也在不断的增加，出现了许多的新型的夹具，如果想要对所有的夹具加以分析，那是不可能的。

为了便于研究各种夹具的特性，找出规律性的东西，从而运用这些规律有必要将夹具加以分类如图1-1所示：

图1-1铣床夹具的分类

1）通用夹具

是指已经标准化的、可用于一定范围内加工不同工件的夹具。

如三爪自定心或四爪单动卡盘、机用虎钳、回转工作台、万能分度头、磁力工作台等。

这类夹具以作为机床附件，可以充分发挥机床技术性能和扩大工艺范围。

不论何种生产类型，都被广泛利用。

2）专用夹具

在使用夹具装夹工件时，有找正和不找正之分。

在使用专为工件的某道工序时，一般能够直接装夹工件而无须划线和找正，他成为机床的一种附加装备，在加工中起到机床、工件、刀具之间的桥梁作用，我们称之为专用夹具，专用夹具的设计和制造是机械加工中的一项重要的技术准备工作。

3）通用可调与成组夹具

这两类夹具结构相似。

其共同点是:

在加工完一种工件后，经过调整或更换个别元件，即可加工形状相似、尺寸相近或加工工艺相似的多种工件。

在当前多品种小批量生产条件下，这两类夹具是改革工艺装备设计的一个发展方向。

4）组合夹具

是指按某一工件的某道工序的加工要求，由一套事先准备好的通用的标准元件和部件组合成的夹具。

这种夹具用完后可以拆御存放，还可多次反复使用，具有组装迅速，周期短的特点，故特别适用于多品种小批生产或新产品试制[1]。

2.夹具的组成

由于各种专用夹具装夹的工件是各不相同的，所以夹具结构也各种各样。

尽管新的夹具层出不穷，但是他们的工作原理基本相似.，我们在认识一定的数量的夹具之后，加以概括，找出他们的内在联系和共性，以便于尚未研究过的各种夹具进行研究。

由此可以得出一般夹具共有的如下组成元件和装置:

1）定位元件和装置

它的作用是确定工件在夹具中的加工位置。

2）夹紧装置

这种装置包括夹紧元件或组合和动力源。

其作用是将工件压紧夹牢，保证工件的定位在加工中不因受外力而产生位移，同时防止或减少振动。

3）确定夹具位置的元件

其作用是确定夹具在机床上的安装位置，从而保证工件与机床之间的正确加工位置。

4）对刀导向装置

用于确定刀具位置并引导刀具进行加工的饿元件称为对刀导向元件。

5）其他装置

有些夹具还设有分度装置、上下料装置、工件顶出装置等。

6）夹具体

他是夹具的基本件和骨架，上述各类元件或装置都安装在夹具体上，使之成为一个夹具整体。

他们的基面一般都和机床工作台或花盘相联结。

上述六个组成部分，并非每套机床夹具都必须全部具备。

但是一般说来，定位装置、夹紧装置和夹具体则是夹具的基本部分。

机床夹具的组成部分与工件、机床、刀具之间的联系，可以从图1-2看出，该图为正确设计夹具提供了思考问题的线索:

例如定位、夹紧装置直接与工件有关，故在设计时必须掌握与工件形状、尺寸、技术要求等有关资料;在设计对刀导相元件时，应考虑加工所用刀具的类型、结构和尺寸等;设计确认夹具在机床上位置的元件时，则应依据机床工作台或主轴端部的结构形式和尺寸等

图1-2机床夹具组成示意图

1.1.4现代夹具的发展方向

随着机械工业的迅速发展，对产品的品种和生产率提出了愈来愈高的要求，使多品种，中小批生产作为机械生产的主流，为了适应机械生产的这种发展趋势，必然对机床夹具提出更高的要求。

它的发展方向主要表现为“四化”。

1.标准化

完善的标准化，不仅指现有夹具零部件（包括毛坯及半成品）的标准，而且应有各种类型夹具结构的标准（如果用可调夹具标准、组合夹具标准、自动线夹具标准等）。

同时应对专用夹具零部件，实行统一的标准化、系列化，以便使用一部分的零部件，能在各类夹具实现通用化。

无疑这“三化”是夹具发展的基础工作，有此基础，就有可能组织夹具零件、传动装置甚至整套的夹具的专业化定点生产，使原来单体生产的夹具，转变为专业化生产，以保证质量，降低成本，缩短生产周期。

2.可调化、组合化

当前机床发展的两个主要发展方面，一是要把专门用于某一特定工序的专用夹具，扩大其运用范围，使能用于同一类零件的加工，并实现快速调整；二是要改变专用夹具当工件或工艺一有修改就得报废的间题，使夹具能够重复利用，实现组合化的原则，用少数元件能满足多中需要。

特别是随着数控车床等的大量出现，如何使用可调化或组合化夹具来适应这种机床的需要，成为当前机床夹具的又一重要发展方向。

3.精密化

由于机械产品加工精度日益提高，高精度机床的大量涌现，势必要求机床夹具也相对精密。

4.高效自动化

为了实现机械加工过程自动化，以改善劳动条件，提高生产率，降低加工成本，不仅是生产流水线、自动线的需要，而且对多品种、小中批量生产同样可以考虑采用合适的高效自动化夹具，以获得良好的效益。

1.2数字化制造简介

1.2.1数字化是制造技术创新的手段

人类技术文明史进入了信息时代，计算机软硬件的飞速发展给信息的普及、应用提供了技术手段。

面对21世纪的制造技术创新，数字化是主要手段。

数字化的核心是离散化，如何将自然界的连续物理现象、模糊的不确定现象，以及人的经验与技能等离散化，进而实现数字化，是技术创新成败、优劣的关键问题。

继计算几何、计算力学问世之后，计算切削工学、计算制造、数字化制造、新型材料零件数字化设计与制造等陆续被提出，明显地看出数字化是技术创新的重要手段。

为了充分发挥计算机辅助技术在技术创新中的作用，需要对领域主导知识进一步实现数字化处理。

例如：

制造过程的物理量（力、热、声、振动、速度、误差等）的数字化模型，它们是伴随制造过程的几何量而产生的，如何将两者的数字化量及相互关系融合到计算机系统中，尚有大量工作要做；利用社会学、心理学、人体机构与行为科学等，更好的发挥人在企业中的作用，利用计算机仿真与人机界面技术模拟企业环境，研究人的最佳工作状态，重视人们的满足感与舒适感，这些都有大量数字化问题。

计算机网络为数字化信息的传递、为实现“光速贸易”提供了技术手段。

重要的是数字化全部信息，不仅要数字化技术信息，也要数字化评估信息，以便在信息冗余的当今能选择到有用的信息，还要数字化滤掉干扰信息和伪假信息，保证数字化信息畅通无误。

计算机网络也为实现全球化制造、给予网络的制造提供了物理保证，这不仅有利于参与市场竞争，促进设备资源的共享，更有利于快速获得制造技术信息，激发创新灵感，是实现数字化制造的重要保证。

为了改善数字化在技术创新中的作用，要求计算机工具尽可能早地进入工程过程中，以允许更广泛地探讨和多方案地信息化选择；要求人机界面向自然化接口过渡，以加快信息的流畅交换；要求计算机在实现自复位工程辅助作用时，由被动变成主动，即计算机能主动向操作人员建议有关方案并传送相关信息。

随着电子技术、信息技术和计算机技术的发展，推动了制造技术向更深层次的发展，自20世纪50年代以来，NC（NumericalControl）、CNC（ComputerNumericalControl）、DNC（DistributedNumericalControl）、FMC、CAD（ComputerAidedDesign）、CAM（ComputerAidedManufacturing）、CAPP（ComputerAidedPressPlanning）等新的制造技术相继出现。

在机械制造领域中，全球化经济的形成对产品的质量、产品更新换代的速度以及产品的生产周期都提出了越来越高的要求。

这也要求必须采用先进的设计制造技术才能符合时代的要求。

计算机技术和机械设计制造技术相结合、渗透，就产生了计算机辅助设计与辅助制造（ComputerAidedDesignandManufacturing）技术，简称CAD/CAM[5]。

数字化改变了社会，改变了制造，改变了制造技术。

从手工业使用图板到计算机二维绘图和NC加工，从三维设计到数字样机，由数字化工艺过程设计到数字化制造、虚拟制造，从CAD应用到数字化企业（DigitalEnterprise）的发展，是传统的制造发生了质的改革。

数字化程度已经成为衡量设计制造技术水平的重要标志。

实践表明，数字化技术是缩短产品研制周期、降低研制成本、提高产品质量的有效途径，是建立现代产品快速研制系统的基础[6]。

1.2.2Pro/E软件的数字化造型功能[7]

Pro/Engineer操作软件（以下简称Pro/E）是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的重要产品，从它刚一面世，就以其先进的参数化设计、基于特征设计的实体造型而深受用户的欢迎。

在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。

此外，Pro/E一开始就建立在工作站上，使系统独立于硬件，便于移植；该系统用户界面简洁，概念清晰，符合工程人员的设计思想与习惯。

Pro/E整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型，能将整个设计至生产过程集中在一起，他一共有20多个模块供用户选择，让所有的用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。

给予以上原因，Pro/E在最近几年已经成为三维机械设计领域里最富有魅力的系统。

Pro/E系统主要功能如下：

1.参数化设计和特征功能

Pro/E是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，可以随意勾画草图，轻易改变模型。

这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

2.单一数据库

Pro/E是建立在统一基层的数据库上，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。

所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户都在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。

换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反映在整个设计过程中的相关环节上。

例如，一旦工程样图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何改变，也完全同样反应在整个三维模型上。

这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得每一件产品的设计过程紧密结合起来。

这一优点使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。

Pro/E软件功能包括参数化功能定义，实体零件及组装造型，三维上色实体或线框造型、完整工程图产生及不同视图。

Pro/E是一个功能定义系统，即造型是通过各种不同设计专用功能来实现，其中包括:

筋（ribs）,槽（slots）、倒角（chamfers）、和抽空（shells）等。

采用这种手段建立形体，更自然、更直观。

其他优势如下:

1）无可匹敌的几何创建功能提供了优良的产品差异性和可制造性；

2）完全集成的应用程序可让您在一个应用程序中完成从概念设计到制造的所有工作；

3）自动将设计变更传播到所有下游交付件的能力可让您满怀信心地进行设计；

4）完整的虚拟仿真功能可让您提升产品性能和超越产品质量目标；

5）自动生成相关的刀具设计、装配指令和机器代码，最大限度地提高生产效率。

总之，Pro/E系统的参数化功能是采用符号式的赋予形体尺寸，不像其他系统是直接指定一些固定数值于形体，这样工程师可任意建立形体上的尺寸和功能之间的关系，任何一个参数改变，其他相关的特征也会自动修正。

这种功能使得修改更为方便和可令设计优化更趋完美。

造型不但可以在屏幕上显示，还可以传送到绘图机上或一些支持Postscript格式的彩色打印机。

Pro/E还可输出三维和二维图形给予其他应用软件，诸如有限元分析及后置处理等，这些都是通过标准数据交换格式来实现的，用户更可以配上Pro/E软件的其它模块或自行利用C语言编程，以增强软件的设计功能。

第二章铣床夹具的造型及动画仿真

2.1铣床夹具零件的三维造型

1.夹具体及非标准件的造型

本节研究的是铣八方专用夹具，需要利用Pro/E的三维实体建模技术将每个非标准件的绘制出来。

夹具中除定位、夹紧、对刀、导向和连接元件等大量应用各种标准件,通常还使用少量非标准专用件,其中最主要的零件是夹具体。

此铣八方专用夹具所涉及的零件有夹具体、芯轴、轴套、衬套、齿轮轴、调整螺母、防护套、螺母、分度盘、上卡块、下卡块、螺栓、定位销、空心轴、铜套、螺堵、定位螺钉等非标准专用件，其余的如螺钉、垫片、销、柱销、拉杆、手把等标准件直接从标准库中调取。

单个零件的三维实体造型所运用到的Pro/E的基础实体特征有：

拉伸特征、旋转特征、扫描特征、混合特征、孔特征、可特征、倒圆角特征、倒角特征、拔模特征、特征复制等。

下面介绍生成简单三维实体所用的拉伸、旋转、扫描和混合等基本操作方法和技巧。

拉伸特征是将一个用草图描述的轮廓或横断面沿垂直于横截面方向延伸一段距离后所生成的特征。

草图、拉伸方向和拉伸长度是拉伸特征的3要素。

旋转特征是草图轮廓或横断面，绕旋转中心线转动扫过的轨迹所形成的特征。

其中，草图轮廓、旋转中心线和旋转角度构成了旋转特征的3要素。

扫描特征是由一组草图轮廓或横断面，沿某一路径扫掠所形成的特征。

扫描路径和扫描轮廓是扫描特征的必备要素。

混合特征是一组空间轮廓按一定的顺序，在轮廓之间进行过渡生成的特征。

混合特征的生成必须具备两个或两个以上的轮廓，其中轮廓可以是草图也可以是其它特征的面，甚至可以是一个点。

简单三维实体的建模方法一般可以归纳为：

1）由基本体素产生标准几何体特征（方块、圆柱、圆管、圆锥、球等特征）；

2）由满足约束条件的截面轮廓二维草图经过拉伸/旋转生成三维特征；

3）沿路径配置的二维几何图形经扫描/蒙掠生成曲面实体特征；

4）结合以上3种方法，利