【摘要】介紹了組合夾具的用途、結構，以圖文并茂的形式敘述了基于Pro/ENGINEER平臺上的組合夾具元件庫的建立、動態模擬裝配、裝配體的分析、指導組裝工人的工程圖和相關信息的生成，簡述了建立虛擬組合夾具站的必要性和實用性。
【關鍵詞】Pro/ENGINEER 組合夾具 三維造型 裝配體 爆炸圖 工程圖

1 前言

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工藝裝備，它由一套預先制定好的由各種不同形式、不同規格尺寸的標準組件和組合體組成。這些組件相互配合，部分尺寸精度高、硬度高、耐磨性好并且有完全的互換性。利用這些組件，根據被加工工件的工藝要求，可以很快地組裝出機械加工及檢驗、裝配等各工種用的夾具。組合夾具具有很大的機動性和靈活性，它適用于多品種、中小批量的生產和大批生產的工廠，也可在某些生產環節中得到應用。

由于現代經濟和技術發展迅速，機械工業也發生了很大變化，這種變化的特點是新產品開發快，產品的品種、系列和規格愈來愈多，形成了多樣化的特點。新產品更新換代的速度加快，用戶要求的交貨期愈來愈短。在生產類型中，大批大量生產的比例下降，中小批量生產的比例增加。市場競爭激烈，產品即要質量好，又要成本低。現代機械加工業的發展，數控機床為基礎的現代柔性制造單元（FMC）和柔性制造系統（FMS）需要一種性能可靠、裝配時間短和靈活快速的夾具，并最終實現自動組裝。

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，設計的圖樣不夠直觀。在裝夾過程中，工人要認真消化圖樣，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。同時該系統的成功應用將為中小企業帶來更大的經濟效益和社會效益。在計算機逐步普及的過程中，二維繪圖CAD軟件在產品研制過程中，深入到設計、工藝過程的各個環節，使設計人員徹底甩掉圖版，從繁瑣的重復勞動中解放出來，大大縮短了研制周期。現在，大量三維實體造型軟件崛起，如Pro/ENGINEER、UG、SolidWorks、Solid Edge等，推動了設計領域的新革命，由于這些三維軟件，不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，使利用Pro/ENGINEER建立組合夾具站成為可能。

2 組合夾具標準組件庫的建立

2.1 組合夾具庫的結構

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，將組合夾具進行分類，每一類型中又包括多個品種，每個品種中又有不同的規格，如圖1所示。

圖1 組合夾具分類

2.2 用Pro/ENGINEER建立組件庫

Pro/ENGINEER三維元實體造型功能非常強大。簡單的組件如基礎板、壓板等，用拉伸、切割、打孔、加強筋、倒角等直觀指令即可實現，而對一些型面復雜的零件，如彈簧、螺栓等，用高級功能的旋轉掃描變截面掃描等來完成，也很方便快捷。所有這些設計都成為單一特征，在開發建立夾具站的全過程中可以修改。對組合夾具組件來說，同一類型中的組件，其形狀相似，用Pro/ENGINEER中的族表功能會事倍工半。

Pro/ENGINEER中的族表（Family table）是本質上相似的零件（或組件、特征）的集合，但在一兩個方面稍有不同，諸如大小或詳細特征。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）及一族表（Family table），即可代表無數個零件。任何時候，只要調出族表內任一個零件的名稱，即可自動產生一個照族表所示尺寸比例的零件。

族表提高了標準化組件的用途。它們允許在Pro/ENGINEER中表示實際的零件清單。同時，族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。下面，以方形基礎板為例說明創建零件庫的操作步驟。

（1）按照組合夾具標準，創建方形基礎板的原始樣本三維模型，如圖2所示。

（2）進入【Part】/【Modify】→【DimCosmetics】→【Symbol】，修改相應零件尺寸的數字元記號，如圖2、圖3所示。

圖2 簡式方形基礎板原始樣本組件

圖3相應符號對照

（3）定義尺寸關系式。具體為：【Part】/【Ralations】→【Add/Edit...Rel】定義、編輯尺寸關系式，限制零件形狀，如DL1=D1/2等。

（4）將尺寸及特征加入標準零件庫。具體為：【Part】/【Family Tab】→【Add/delete the table columns】圖標 →加入特征尺寸符號→【OK】。

（5）建立標準零件數據庫。具體為在規格較多的情況下，進入Excel進行編輯零件的零件表內容，有效管理零件，產生子零件，如圖4所示。

圖4 簡式方形基礎板數據庫

（6）檢查子零件，存儲此基礎板零件庫。以類似的方法可以建立所有組合夾具的標準組件，形成組合夾具標準組件庫，以便調用。

2.3 組合夾具動態虛擬裝配

加工工件在組合夾具上的定位夾緊和最終裝配是設計的關鍵部分，要把工件合理準確地組裝到位并不容易。而虛擬裝配（VA）是產品數字化定義中的一個重要環節。在對部件或整體進行有限元分析或動態分析之前，要將它們先裝配起來。其內涵就是在計算機上完成產品零部件的實體造型，進行計算機裝配、干涉分析等多次協調的設計過程，并通過統一的產品數據管理實現三維設計過程與產品零部件制造、裝配過程的高度統一。基于Pro/ENGINEER平臺的動態虛擬裝配模塊很好地解決了這一問題，建立組合夾具組件庫后，允許設計人員用粘貼、插入、對齊、同向等直觀命令來完成裝配設計。Pro/ENGINEER完成這項工作非常方便，只須定義出工件與各組合夾具組件之間的關系，系統就會根據給出的約束關系，將工件和夾具組件自動安裝到位。如果改變原有設計，與其相關的夾具組件位置就會自動改變。夾具組件的尺寸可以在裝配中加入關系或進行約束。零件的高級功能則支持大型、復雜的裝配，復制功能提供用戶坐標系為基準，平移或旋轉復制零部件。下面以圖5所示的加工管接頭外圓為例，說明其組合夾具的裝夾過程。

圖5 管接頭工件

(1) 分析零件結構，確定定位面和夾緊位置。

(2) 虛擬裝配。具體為：【File】/【New】→【Assembly】→不選【Use default template】→【OK】→選mmns-asm-design→【OK】進入裝配環境。

(3) 【Assembly】→【Component】→【Assemble】→從組合組件庫中調出需要的組件，依次類推，進行工件的裝配。最終此工件的組合夾具裝配體建成（如圖6所示）。

圖6 車接頭外圓夾具

本夾具采用環抱式結構，是車床夾具一種比較典型的六點組裝法結構，這種結構的特點是結構剛度好，定位精度穩定，組件分布較均勻，偏重小，有利于減少簡單平衡塊的數量，從而減輕夾具的重量。

2.4 裝配體的分析（Analysis）

對夾具裝配體的結構、大小和轉動慣量等的分析是總體設計的重點之一，傳統的設計過程中，裝配體的大小、質量、質心、轉動慣量只能靠手工計算，大多數情況只是依靠經驗，準確度不宜保證，給總體設計帶來困難。使用Pro/ENGINEER軟件，使得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，尤其是對于檢驗設備不能接近的部位，間隙也能得到控制，使干涉問題消除在方案階段。

首先在菜單【Model】→【Part】→【Set up】→【density】的提示行，給出材料密度，并且在菜單【Model】→【Part】→【Set up】→【Units】下定義質量、長度單位。進入【Analysis】主菜單，可以對距離、模型、曲線、曲面等進行實時分析。例如，進入【Analysis】 →【Measure】對話框的（Type）中選擇距離、角度、面積等基本幾何參數，進行測量。進入【Analysis】 →【Model Analysis】對話框的（Type）中對質量屬性分析、模型截面質量分析、單邊體積計算、兩特征間公差分析、兩組件間公差分析、曲面與實體間的干涉分析、兩組件間干涉分析、邊的長度分析、邊的種類分析、厚度分析。其中【Analysis】 →【Model Analysis】→【Assembly Mass properties】可以實時顯示體積、表面積、平均密度、質量、質心、相對與坐標系的轉動慣量、相對與質心的轉動慣量、主轉軸慣量等。【Analysis】 →【Model Analysis】→【Global Interference】，可以檢查零件的干涉情況，選取干涉屬性時，干涉的零件會自動變亮色，以確定對其修改。

對不合理的組件進行調換，不合理的位置進行修改，由Pro/ENGINEER的全相關性決定了，對組件的尺寸、大小、規格稍作變化，其裝配體會相應更改，直到完全滿足設計要求。

2.5 爆炸圖和工程圖的生成

當然，在虛擬裝配完全滿足性能要求后，為建立一套直觀的指導組裝工人的實際組裝文件，首先在裝配圖上，可采用3D爆炸形式，動態模擬整個裝配體從組件到形成裝配體的安裝過程和安裝方式。拋棄傳統的圖樣方式，使裝配更具有空間感和方位感。裝配體的工程圖制作變得較為簡單，在菜單上指定一個命令就能立即完成，對于較為復雜的組裝圖，簡單的向視圖不能清楚表達裝配關系時，作必要的剖面，完成工程圖時，選擇這些剖面作出主視、向視、投影、局部放大、旋轉、展開等種類視圖。同時能將三維組裝模型作為獨立視圖，縮放后放于圖樣右上角，大大提高了工程人員的閱讀速度，作為三級審簽的校對、審核、批準也省去了圖面檢查時間，可以投入更多的精力進行功能性審查，同時也克服了非專業人員溝通的困難。Pro/ENGINEER能將圖樣的低級錯誤率降到最低。圖7為自動生成的管接頭組合夾具二維工程圖。

圖7 管接頭組合夾具二維工程示圖

2.6 信息的提取和實際裝配

傳統的組合夾具設計中，夾具工藝師對組合組件的信息統計費事費時，而Pro/ENGINEER平臺上，在視圖完成后，自動地完成零件數量的統計和明細表的填寫等相關信息，為組裝工人建立指導性文件，使實際組裝更加條理化。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 level】→【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，圖8為提取的以上管接頭夾具裝配體的部分資料。

圖8 管接頭夾具出配明細

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

Pro/ENGINEER智能化的三維軟件為夾具設計帶來方便，也為機械行業帶來更大效益。由以上方法建立的夾具站已初步用于生產加工中，顯示了強大的使用價值。當然這種方法也適合于專用夾具設計，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/ENGINEER設計完成裝配體后，建立的裝配信息控制機器人自動裝配，工人工作量減到最低，可以使裝配技術更加適合現代制造的需要。