Pro/E在计算机辅助夹具设计中的新应用

陈 浩

（安徽国防科技职业学院 机械工程系， 六安 237001）

0 引言

机床夹具设计是制造系统的重要组成部分，随着先进制造技术的发展和市场竞争的加剧，传统的夹具设计方式已成为企业中产品快速上市的瓶颈，企业迫切需要提高夹具设计的效率。计算机辅助夹具设计与制造正是为了适应这一要求而产生的，在此背景下，本文结合实例就PRO/E在计算机辅助夹具设计方面的应用进行了一定的研究和探索。

1 计算机辅助夹具设计(CAFD)

近年来，国内外许多制造企业已经在新产品开发过程中通过引入先进的科技手段如 CAD、CAPP、CAM 及生产计划管理系统等，来解决产品开发周期、质量和成本问题，并取得了一定的效果。人们将 CAD 技术引入到夹具设计中，形成了计算机辅助夹具设计（Computer Aided Fixture Design CAFD）方法，并研制了相应的软件系统。在系统中建立了夹具元件库，在计算机屏幕上显示工件的三维视图，用户交互地从夹具元件库中提取相应的夹具元件，在屏幕上形成夹具装配图，提高了设计效率和质量。

计算机辅助夹具设计（Computer Aided Fixture Design）改变了传统夹具设计方式，作为计算机辅助设计和制造技术的一个应用方面，CAFD 和计算机辅助工艺设计(CAPP)共同组成了 CAD 和 CAM的桥梁。计算机辅助夹具设计系统的研制和开发是直接从零件 CAD/CAPP 集成环境中获取夹具设计信息，包括 CAD 系统输出的零件几何信息和 CAPP系统输出的零件加工信息，然后将读取的几何信息和工程信息作为夹具设计的已知条件进行夹具的计算机辅助设计与分析，以其高速、高精度、自动化的特点实现夹具的自动设计，提高夹具设计效率和质量，缩短产品开发周期和降低产品生产成本。计算机辅助夹具设计方法的发展总趋势具有更多的通用性、智能化和与 CAD、CAPP、CAM 的集成，计算机辅助设计中的新理论、新方法的发展和应用将进一步推动 CAFD 在实用化的方向取得更大的成就[1]。

2 Pro/Engineer软件的应用

在夹具设计中,采用CAD技术并尽可能使用标准件是提高夹具设计效率的措施之一，所以,夹具三维标准元件库以及标准件库与CAD系统的接口在夹具CAD系统中显得尤为重要。设计人员在原有基础上进行变形设计时就能够充分利用夹具三维标准元件库的资源,避免不必要的重复劳动。以良好地适应新夹具的设计与开发。

但是，在多数的CAD软件中过度曲线部分由于加工方式不同而形状各异，很难精确的表现出来。随着CAD技术的发展，出现了以Pro/E为代表的大型优秀的CAD软件，其主要功能在于可进行强大的参数设计，在三维特征造型等方面具有绝对的优势,使得复杂的实体造型成为可能[2,3]。

而且，Pro/E是一套设计至生产全过程自动化的机械软件，不仅是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能，能方便地得到任何实体的几何参数、转动惯量及任意截面的截面力学性能等，能够良好地适应新夹具的设计与开发。Pro/E具有以下显著的特点：

1） 参数化设计和特征性能

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，可以随意勾画草图，轻易改变模型。

2） 单一数据库

Pro/Engineer是建立在统一基层的数据库上，不象一些传统的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，使得每一个用户在为一件产品造型而工作，不管它是哪个部门的。换言之在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。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变动，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结合，使得一件产品的设计结合起来。这一优点使得设计更加优化，成品质量更高[4]。

3 Pro/E软件应用到夹具设计中的主要步骤

传统的夹具设计方法在资料检索、分析计算、绘图、编制技术文件等方面都是由人工完成的，需要较多的人力和较长的设计周期，设计精度和质量受到限制，甚至出现不必要的错误。随着计算机科学与技术的发展，20世纪 70 年代末出现了计算机辅助设计新技术，并在国内外得到了迅速的发展。提高了夹具设计效率和质量，缩短了产品开发周期和降低了产品生产成本。其设计流程一般被分为四个阶段：1）工件装夹规划，2）夹具方案设计，3）夹具结构设计，4）夹具性能评价[2]。

结合计算机辅助夹具设计流程的四个阶段，在建立产品模型时，可采用传统的自下而上和现代化的自上而下相结合的设计方法。自下而上先设计零件，然后搭积木式地进行装配设计；自上而下先进行总体的原则设计，然后将总体原则贯穿到所有的子装配或者部件中（如图1所示），其特点如下：

1）自上而下的设计可以首先确定各个子装配或零件的空间位置和体积、全局性的关键参数，这些参数将被装配中的子装配和零件所引用。这样，当总体参数在随后的设计中逐渐确定并发生改变时，各个零件和子装配将随之改变，更能发挥参数化设计的优越性。

2）自上而下的设计使各个装配部件之间的关系变得更加密切。像轴与孔的配合，装配后配钻的孔，如果各自分别设计，既费时，又容易发生错误。通过自上而下的设计，一个零件上的尺寸发生变化，对应的零件也将自动更新。

图1 自上而下的设计模式

所以，自上而下的设计方法有利于不同的设计人员共同设计。在设计方案确定以后，所有承担设计任务的小组和个人可以依据总装设计迅速开展工作，可以大大加快设计进程，做到高效、快捷和方便[2,5]。

另外，如果从产品实体模型建立的角度来讲，自上而下的设计技术是建立产品零件结构、装配结构和装配模型的约束模型，即建立零件间的联接关系，并在零件设计后自动继承装配关系，具有规定的相关性，自上而下的设计技术是继特征造型后CAD 技术发展的又一突破。Pro/E 软件能将机械设计与生产的全过程集成在一起，它通过一种独特的参数化的以及面向零件的3D实体模型的设计制造技术，改变了传统的设计理念，为我们提供了一条更直观、更有效、更快捷的设计途径。在机械设计和制造中，利用 Pro/E可以创建实体零件模型及组装造型，它具有运动模拟、工具设计、高级数控加工等功能。全面支 而下的设计模式。利用Pro/E进行自上而下夹具设计可以采用如下步骤：

1）创建工件模型

在标准件库创建工作完成之后，便可进行组合夹具的设计。首先要分析工序图，分析工件的结构形状特征及本道工序的加工要求，同时要创建出工件三维实体模型，以便于进行模拟装配。

2）夹具的模拟装配

根据零部件之间的装配关系和约束条件，在虚拟环境中进行设计组装，并进行相应检验，从而对设计进行分析，对不合理的设计进行修改。

在分析工序图，初步确定了定位、夹紧及导向、对刀方案后，即可在标准件库中直接选取合适的定位、 夹紧、导向、对刀元件，同时要选择合适的基础板来支承这些元件，接下来便可进行组合夹具的模拟装配， 在模拟装配时应注意装配的顺序，首先在基础夹具体上安装定位元件，工件实现定位后，再安装夹紧元件及导向对刀元件。 通过组合夹具模拟装配，利用Analysis命令可在元件间检查干涉现象，及时发现零部件在装配体中的静态空间位置的相交性和零部件在夹具装配过程中在空间上的几何干涉性，从而及时纠正装配设计中存在的问题。

3）创建装配图和明细表

Pro/E有大量的功能用于装配图的绘制。在三维空间实现了组合夹具模拟 装配后，即可快捷地创建二维装配图和零件明细表，从而完成用Pro/E软件进行组合夹具设计的全过程。 根据组合夹具装配图和零件明细表配置标准件，由等级技工进行组合夹具的装配，在自动化装配中，可用工业机器人进行组装。整个设计和装配过程非常快捷，适应了现代化生产的需要。

4 应用实例

按照上述设计方法和步骤，设计了高质的加工液压泵上体三个阶梯孔的花盘式车床专用夹具，其夹具总装配图如图2所示。另外，在夹具的三维虚拟装配体完全满足使用性能要求以后,为了建立一套直接指导工人装配夹具的工艺文件,在计算机中可采用三维的指定路径爆炸形式,动态模拟整个夹具从零件到组件最后形成夹具的装配过程和装配方式,使装配更具有“空间感和方位感”。夹具的装配工程图制作也很简单,在菜单上指定一个命令就可完成,对于较复杂的装配图,简单的视图不能完整地表达装配关系时,可作必要的剖面,选择这些剖面做出主视图、向视图、投影、展开、旋转及局部放大等种类视图，同时也可将三维模型立体视图放在装配图上,这样可提高工程人员的读图速度,也克服了与非专业人员沟通的困难。如图3所示[6]：

图2 夹具的总装配图

图3 夹具爆炸图

5 结论

夹具是一种随产品不同而专用化程度很高的工艺装备，其生产效率低生产周期长已经成为制约现代化生产高度自动化的“瓶颈”。夹具设计是一个复杂的并且在很大程度上依赖于经验的过程，它需要设计人员具备关于设计问题的大量全面的知识和经验。其中夹具的方案设计是其中一个最关键的环节。本文就PRO/E在计算机辅助设计中的应用进行了一定的探索和研究，具有一定的借鉴作用。

[1] 朱耀祥,融亦鸣.计算机辅助夹具设计[M].北京:机械工业出版社,2002.

[2] 肖继德,陈宁平.机床夹具设计[M].机械工业出版社出版,2004.

[3] 殷国富,杨随先.计算机辅助设计与制造技术原理及应用[M].四川大学出版社出版,2003.

[4] 王雷.Pro/Engineer应用基础与产品造型实例[M].人民邮电出版社出版,2005.

[5] 史琦,敬石开,李原.基于实例推理的夹具设计知识表示方法研究[J].机械设计,2001,36-37.

[6] 孙江宏.Pro/Engineer虚拟设计与装配[M].北京:中国铁道出版社,2006.