基于UGNX的工艺装备设计的应用研究

林喜娜 刘凯 王志随

摘要：本文综述了工艺装备的国内外研究现状。并以杠杆臂钻床夹具为例介绍了夹具设计的技术路线，根据工件图纸、生产装备、工序安排等信息要求，确定夹具的设计方案，运用设计的夹具元件库选择所需夹具元件，运用参数化驱动修改夹具元件尺寸，采用自上而下装配建模与自下而上装配相结合的方式进行设计，形成夹具的三维模型直观图，为生成加工图纸和计算机辅助编程提供了依据。

关键词：UG NX;工艺装备;夹具;设计

0 引言

在机械制造业的产品生产过程中，根据生产规模及工艺要求，需要采用种类繁多的工艺装备。制造系统生产效率、产品的质量及成本都与工艺装备有关。工艺装备的设计和制造是生产技术准备工作中工作量最大、周期最长的阶段。据统计[1]，专用工装的设计和制造工作占到工艺装备工作量的50%，大批量生产中甚至占到80%以上，而且工艺装备的费用平均占产品成本的10%-15%甚至更高，而夹具是各类工具中最复杂、专用化程度最高的工艺装备之一。设计制造周期又占工艺装备设计制造周期的70%-80%。因此，夹具的设计制造周期极大地影响了新产品的研制周期，应用机械CAD/CAM技术提高工艺装备设计、制造的质量和效率，对于保证产品质量、缩短研制周期意义重大。

传统的机床夹具设计是设计人员通过类比法和经验法进行设计。查阅大量的手册资料，通过复杂的计算，再绘制出机床夹具的零件图和装配图简图。通常使用二维CAD软件绘制其二维图纸，无法观看到其三维结构，传统的设计方法劳动强度大、设计周期长、修改不便、效率低，[2-3]而且所设计的机床夹具标准化、通用化程度低。因此，传统的机床夹具设计方法已经不能满足市场快速多变的要求，甚至成为了制约现代制造技术发展的瓶颈。

本文提出采用计算机辅助夹具设计，结合实例归纳总结、实现和利用夹具设计领域的知识和经验，并快速灵活的进行夹具设计。彻底改变传统夹具设计，主要依靠设计人员个人经验的情况，并有效减少设计人员劳动强度大、负担重、加工精度低的状况。

1 国内外研究现状分析

Rong Kevin[4]（融亦鸣）是计算机辅助夹具设计方面的专家，他先后在美国南伊利诺伊大学（SIUC）和伍斯特理工学院（WPI）历时十年并至今仍在继续进行的夹具CAD 的研究开发和工业应用。并对夹具CAD进行了大量的理论分析、实验研究和软件系统的开发工作，取得了显著的成效。

郭欢[5]建立了机床夹具标准件库，提出在数控加工过程中，数控加工逐渐取代传统机械加工，必须严格按照操作规程和步骤，在如何突显数控加工工艺的优势方面提供了一些建议。

张溥海[6]提出运用CATIA二次开发方法设计了工装夹具的设计系统。并设计了文件输出模块。并在CATIA平台上实现了相应的功能。

以上研究基本是基于基于软件二次开发的基础上进行的，但随着各种软件版本的更新，设计的系统通用性不强，不能满足各个版本的需求，另外推广的不够深入，应用不强，基于以上情况，亟需解决夹具设计系统所存在的問题，如果使设计变的快速、方便。

2 研究思路及技术路线

传统的机床夹具设计，通常使用二维 CAD 技术或UGNX10.0及SolidWorks等三位软件进行设计，一般情况下设计周期长、劳动量大、修改不便、效率低，为此，机床夹具设计过程中采用模板，运用 UGNX10.0软件作为设计工具，设计机床夹具库和典型夹具库。其中，机床夹具库是参照机床夹具设计手册的体系结构和机床夹具的国家标准而设计的。改变了传统夹具设计模式，根据工件图纸、生产装备、工序安排等信息要求，以加工件为基本件，采用自上而下装配建模和自下而上装配相结合的方式进行设计，实例库设计了各种机床的常用典型夹具，夹具库用所有符合国家标准的夹具零部件，结合典型实例，交互式式的夹具设计方法进行机床夹具的设计，以三维建模为基础构建夹具实体模型，再运用 UGNX10.0 软件工程图功能，生成夹具的二维装配图和零件图，大大缩短了夹具设计与制造周期，减少重复劳动，提高工作效率，降低生产成本。UGNX10.0专用夹具设计技术路线如图1所示。

3 夹具设计案例

本夹具是针对杠杆臂进行设计的钻床专用夹具，根据工件加工图纸要求，及加工工序安排，确定本夹具主要解决加工杠杆臂上Φ10和Φ13的孔，由于在钻床或者铣床上运用通用夹具平口钳装夹定位不准确，所以基于UG软件构建三维实体建模。

3.1 创建工件的三维实体建模

建立草图，然后通过拉伸、扫掠、打孔、修剪体、布尔运算、修剪、美化等操作创建工件的三维模型，如图2所示。

3.2 设计杠杆臂钻床夹具

运用设计的夹具元件库选择所需夹具元件，运用参数化驱动设计夹具元件尺寸，通过杠杆臂零件的加工意图，精确定义图形的几何形状，尺寸和位置，满足设计需要，同时按照六点定位原理，确定定位元件的设计方案，采用定位销和端面限制工件的5个自由度，可调支承限制工件绕Z轴旋转的自由度，而由于工件加工Φ10部位处于悬臂状态，为了保持工件定位时的稳定性及增强刚性，在此采用辅助支承解决。辅助支承具有足够的刚性，它除了能帮助主要支承承受切削力以外，又不使工件离开定位面，使加工精度更高。夹紧元件采用垫圈和螺母相结合的方式进行夹紧，然后根据工件、定位元件、夹紧元件、辅助元件来设计夹具体，从而确定夹具的三维模型直观图，基于UGNX10.0杠杆臂钻床夹具三维建模设计如图3所示 ，为加工图纸和计算机辅助编程提供了素材。

3.3 杠杆臂夹具工程图的设计

借助UG软件，通过三维模型可以直接生成二维工程图，并且当三维模型改变时，二维图中的相关视图、尺寸等会同步更新，设计步骤包括：选择图纸、比例、创建视图、标注、图纸输出，夹具装配图如图4所示。

4 结束语

工艺装备计算机辅助设计与制造随着CAD/CAM技术和工艺装备发展而不断进步，运用UGNX软件参照机床夹具设计手册的体系结构和机床夹具的国家标准建立了机床夹具元件库通用性更强。结合实例为主，交互式为辅的夹具设计方法进行机床夹具的设计。大大缩短了夹具设计与制造周期，减少重复劳动，提高工作效率，降低生产成本。

参考文献：

[1] 徐春林.工艺装备计算机辅助设计与制造[M].安徽：中国科学技术大学出版社，2016：1-2.

[2] 李艳霞，郭新兰.基于UG平台的铣床夹具设计研究[J].现代制造技术与装备，2018（06）：1-2.

[3] 温沪斌.薄壁框体零件加工工艺分析及其专用夹具的设计研究[J].模具工业，2020，46（03）： 60-64.

[4] 良辰.走进国际化视野的南科大机械制造——访南方科技大学机械与能源工程系融亦鸣教授[J].航空制造技术，2018，61（11）：24-25.

[5] 郭欢.数控加工工艺规程与夹具设计问题的思考[J].南方农机，2020，51（04）：178.

[6] 张溥海.基于CATIA二次开发的组合夹具设计研究[D].合肥工业大学，2017.

基金项目：山东商务职业学院院级科研基金项目（项目名称：基于UGNX10.0的机床夹

具实例设计及夹具库的研究;编号：2018SWZR04）

作者简介：林喜娜（1984.02-），女，汉，山东烟台，研究生（硕士），讲师，研究方向：机械设计制造。