基于特征尺寸驱动的夹具设计.docx
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基于特征尺寸驱动的夹具设计
基于特征尺寸驱动的夹具设计
作者姓名:
俄克虎专业班级:
机械工程及自动化
2005060404班指导教师:
龚迪琛
摘要
本毕业设计的主要任务是设计连杆小头端两个斜孔的钻床夹具,并用Pro/ENGINEER对该夹具进行参数化设计。
本文首先分析了连杆的工作原理和主要的加工工艺过程,然后对加工难度较高的两斜孔设计专用钻床夹具。
在这些分析和计算的基础上,将夹具的每个零部件在Pro/ENGINEER软件下生成实体。
在参数化部分,本文详细介绍了参数化设计的关键技术,包括基于族表的标准件插入技术、运用Pro/Program对通用件和装配体进行编程设计,最后以开口快换垫圈设计系统为例对二次开发插件Pro/Tollkit做了一定的介绍。
通过对夹具的参数化设计,体现了特征尺寸驱动夹具的柔性化,加快了Pro/ENGINEER下夹具的设计和装配速度,从而在整体上提高了夹具设计的效率。
关键词:
夹具设计;参数化;族表;Pro/Program
Abstract
Inthisdissertationadrillpressgripwithtwoinclinedholesonitssmalltelosisdesigned,andtobefurtherstudied,weusePro/Engineertooptimizetheparameters.Inthefrontofthearticle,wefirstanalysetheoperationalprincipleofconnectingrodandthemaintechnicsformanufacture.Thenthemainjobisdesigningaspecialuseddrillpressgripforthedifficultmanufacturedtwoinclinedholes.Basedontheanalyseandcalculation,eachaccessoryisswitchedintoessebyPro/Engineer.Intheoptimizingpart,itdetaileddescribethepivotaltechnologyfortheparameterizationdesignincludingthestandardpartsinserttechnologybasedonclanlist、programmingfortheinterchangeablepartswithPro/Engineerandsoon.Intheendofthearticle,quadraticequationforPro/Tollkitisintroducedbythedesignofplacketgasketforexample.Itgiveexpressiontotheflexibilityofdimensiondrivedgripbytheparameterdesignofgrip,inthemeantimeitquickenthespeedofgripdesignandassemblagebyPro/Engneer.Asaresult,theefficiencyofgripdesignisadvanced.
Keywords:
Fixturedesign;parameter;FamilyTable;Pro/Program;
第1章前言
1.1Pro/ENGINEERWildfire3.0简介
1.1.1Pro/ENGINEER的发展
美国PTC公司是参数化技术的提出者,其从1988年起推出的实体参数化软件Pro/ENGINEE,在全世界受到人们的广泛接受。
Pro/ENGINEE是用于工业设计自动化方面的大型集成软件,它引入了行为建模功能,可以通过对用户的设计要求和目标进行分析,自动得到最优结果。
它涉及的主要行业包括工业设计、机械、仿真、制造和数据管理、电路设计、汽车、航天、玩具等。
Pro/ENGINEEWildfire软件的功能比较丰富,包括三维实体建模、三维曲面建模、模型的空间转换、显示控制和观察、零件装配机干涉检查、平面出图、渲染处理、资料验证、数据交换、文件管理及数据库等功能。
该系统采用参数化特征建模技术,具有特征建模、模块化、集成化程度高、可移植性强及兼容性好等优点。
目前,Pro/ENGINEEWildfire3.0是Pro/ENGINEE系列中最强大、完善的版本,它继承了Pro/ENGINEE中颇受欢迎的各项功能,同时加强了软件的易学性以及与Web的互联性,是Pro/ENGINEE真正成为产品设计的新标准。
1.1.2Pro/Engineer的主要特性
1.参数化设计
参数化设计通过尺寸驱动来实现。
所谓尺寸驱动,就是指以模型的尺寸来决定模型的形状,一个模型由一组具有一定关联的尺寸进行定义。
利用参数化技术。
可使设计人员从大量繁重而琐碎的建模工作中解脱出来,从而大大提高设计速度,并减少信息的存储量。
在Pro/ENGINEE中定义的参数主要包括几何形状参数和定位尺寸参数两种。
2.基于特征
在Pro/ENGINEE中的所有模型都是由多个特征组成的,改变与特征相关的各种数据信息,则可以直接改变模型的外观等。
根据设计过程和建模顺序的不同,特征可分为基础特征和辅助特征两种。
基础特征:
每个零件模型都有它大体的形状,如果在工程实践中直接选择一个与零件外形相似的铸件等进行加工,则可以省去很多麻烦。
在Pro/ENGINEE中的基础特征就是这个类似铸件的意思。
辅助特征:
在建立了基础特征后,需要对其进行加工处理,这是所涉及的所有特征就是辅助特征。
辅助特征也称作修饰特征。
3.全数据相关
采用全数据相关,则在设计中的任何一处修改都将反映到整个设计的其他环节中,这将给产品的设计和生成带来很大的方便,大大地减轻了设计人员的重复性工作,提高了设计效率。
4.单一数据库
Pro/ENGINEE系统建立在单一数据库的基础之上,这一点不同于大多数建立在多个数据库之上的传统CAD系统。
所谓单一数据库,就是指工程中的所有数据都来自同一个数据库,这样可以使不同部门的设计人员能同时复制同一产品,实现协同工作。
1.2研究本课题的目的及意义
1.2.1研究本课题的目的
1、由于Pro/Engineer具有广而博的通用性,使它在具体应用时不能直接处理特定的产品;
2、国外观念、设计标准、规范、标准件库等方面和国内的设计、使用等方面存在较大的差异;
3、对企业在自身发展和使用Pro/Engineer软件的过程中积累的许多有用的宝贵数据、企业自身的标准以及特殊图形等参数资料无法进行有效的利用和管理。
上述问题与企业对Pro/Engineer系统的用户化需求形成矛盾。
因此,为了使其能够在特定的企业和特定产品设计中,最大限度地发挥其潜力和创造效益,需要对它进行参数化设计。
1.2.2课题的作用与意义
对零件的参数化是各种特征施加各种约束形式,各个特征的几何形状与尺寸大小用变量的方式表示,其中的变量可以是常数或者是代数式。
特征是组成零件实体模型的基本元素,它体现了产品的功能要素和工程含义,是描述产品信息的集合。
尺寸驱动技术(又称参数化建模技术)是利用几何约束、工程方程与关系来说明产品模型的形状特征,达到设计工程师在形状上和功能上具有相似的设计方案的目的。
参数化建模是几何建模的一个发展方向,它可以大大提高模型生成和修改速度,在产品系列设计和相似设计以及专用CAD系统开发等方面都有较大的应用价值。
将参数化设计应用到特征设计中去,把参数化的基本体素定义为特征,用特征通过体素拼和的方法,构造零件的几何形状,使得特征具有可调整性,这就是特征尺寸驱动技术。
基于特征尺寸驱动的夹具设计就是运用Pro/Engineer提供的参数化设计设计功能进行夹具设计,基于Pro/Engineer软件对夹具进行参数化设计的过程详细介绍了系统开发中关键的技术,包括基于族表的标准件插入技术,用户自定义零件参数化及组件参数化技术.本系统简化了设计人员的操作过程,加快Pro/Engineer下夹具装配的速度,同时参数化功能加快了零件设计过程.通过对以上几个方面的开发与研究,从整体上提高了夹具设计的效率。
1.3本毕业设计要完成的主要任务
1.设计连杆小头端两个斜孔的钻床夹具。
(1)、分析零件的工作要求和外形尺寸。
(2)、编排零件主要的加工工艺规程。
包括确定毛坯的制造形式、基面的选择、粗基准和精基准的选择。
然后再确定一条可行的工艺路线。
(3)、夹具设计:
先由粗基准和精基准确定定位方案与定位元件、夹紧方案与夹紧机构、导向对刀机构、支撑与夹具体,然后进行组装。
(4)、在Pro/Engineer软件下生成夹具实体,并生成相关工程图和零件图。
2、运用参数化工具对夹具进行参数化设计。
(1)、运用FamilyTable的建立标准件的零件库。
(2)、运用Pro/Program对夹具中通用件进行编程设计,然后将各个零件串联起来实现组件的参数化设计。
(3)、运用二次开发插件Pro/Tollkit对零部件参数化设计做一定的探索。
通过参数化设计,节省了设计过程中的重复工作,同时也为零件的标准化、系列化打下基础,从而提高了劳动生产率。
第2章钻床夹具设计
2.1零件分析
连杆是发动机的重要零件之一,它连接活塞与曲轴(其小头经活塞销与活塞连接,大头与曲轴连杆颈连接),把作用于活塞顶面的膨胀气体的压力传给曲轴,将活塞的往复直线运动变为曲轴的旋转运动,又受曲柄的驱动而带动活塞压缩气缸中的气体。
连杆工作时由于受到汽缸内气体压力的作用产生很大的压应力和纵向弯曲应力,加上活塞和连杆的自重所引起的惯性力,在连杆横断面上产生周期性变化且具有冲击性的拉压应力和横向弯曲应力。
可见连杆在工作中承受着剧烈的变压力、惯性力和离心力等多向交变载荷的作用,在这样的工作环境下不但要求连杆的精度高、表面质量高,而且要求其强度好、重量轻、刚性好、韧性好、使用寿命长。
2.2零件工艺规程设计
2.2.1确定毛坯的制造形式
连杆材料结构要求金属纤维方向沿着连杆杆身轴线并与连杆的外形轮廓相适应,并且没有旋状和中断现象。
不允许有分层、气泡、裂纹和夹渣等。
中批量生产钢制连杆时多用模段法制造毛坯。
连杆锻坯形式有两种,一种是杆体和杆盖分开锻造,另一种是将杆体和杆盖锻成一体。
整体锻造的毛坯需要在以后的机械加工中将其切开,为保证切开后粗镗孔余量均匀,最好将整体连杆大头孔锻成椭圆形。
相对于分开锻造而言,整体锻造存在所需锻造设备动力大和金属纤维被切断等问题,但由于整体锻造的连杆毛坯具有材料损耗少,锻造工时少,模具少等优点,故该连杆采用整体锻造。
由于连杆是中批量生产,故采用锤上模锻较好。
连杆毛坯工序如下:
下料——加热——拔长——预锻——终锻——切飞边——冲孔——校正——热处理——清理——检验。
2.2.2基准面的选择
由零件图分析可知,该连杆大小头的端面不在同一个平面上,为定位准确特采用了如下措施。
首先,在加工过程大部分工序中把大小头加工成一样的厚度,保持着同一平面,这样定位方便,夹紧也容易多,不但避免了上述存在着的不足之处,而且还加大了定位面积,增加了定位的稳定性,直到最后几道工序中再加工出落差。
大头端采取铣削加工紧接着进行下一道磨销加工便可以达到图纸要求。
由此可见,毛坯选取大小头两端面等高并对称的模锻件为佳。
粗基准的确定:
该连杆的所有表面都要求加工,这给加工带来一定的困难,为了确保连杆大小端与杆身的对称性及便于杆身后续工序的余量加工,选连杆大小头端面为粗基准。
精基准的确定:
在连杆机械加工工艺过程中,大部分工序选用连杆的一个指定的端面和小头孔作为精基准来定位,并用大头处指定的一侧面作为另一定位基面,这样端面的面积大,定位比较稳定,不仅实现了加工过程中基准统一,更重要的是使连杆的主要技术要求,如大小头孔之间的中心距要求,大小头孔的平行度要求,端面与大头孔的要求,两端面间的距离要求等,在加过程中实现基准重合,减少了定位误差。
按照“基准先行”原则,作为连杆主要定位精基准的端面加工,一般安排在工艺过程最初工序进行,所以在粗加工大小头孔前,先铣两端并粗磨两端面。
2.2.3连杆主要加工表面加工顺序:
连杆的主要加工表面为大小头孔和两端面,较重要的加工表面为连杆体和连杆盖的结合面及螺栓孔定位面,次要加工表面为轴瓦锁口槽、油孔、大头两侧面及体和盖上的螺栓座面等。
根据各表面加工要求和各种加工方法所能达到的经济精度,各主要表面的加工方法选择如下:
两侧面:
粗铣、粗磨、组合后再磨
两端面:
粗铣、粗磨、组合后再磨
小头孔:
钻孔、扩孔、粗铰、细铰、压入衬套后再精镗
大头孔:
粗镗、磨内孔、珩(或粗镗、半精镗、珩)
螺栓孔:
钻、扩、铰
连杆体与连杆盖结合面:
铣、磨
连杆外形及形槽:
铣、抛光
螺栓座面:
锪
如果按主要表面的粗、精加工来划分连杆的加工阶段,可按连杆合装前后来分,合装前为主要表面的粗加工阶段,合装之后则为主要表面的半精加工、精加工阶段。
2.2.4工艺路线方案选择
工序
方案
130
铣杆身两侧面
0
毛坯图检查
135
铣小头圆弧
5
铣两端面
140
铣杆身凹下表面
10
磨两端面
145
磨杆身凹下表面
15
钻、扩、铰小头孔
150
铣杆身圆弧槽
20
铣两侧面
155
车大小端面圆弧
25
磨两侧面
160
钳修圆弧
30
标印基准
165
装配衬套
35
铣开盖体
170
钻两斜孔
40
铣盖台阶面
175
打毛刺,倒角
45
磨盖台阶面
180
精镗小头孔
50
磨盖分合面
185
磨大头孔
55
锪盖台阶孔
190
铣大端平面
60
钻铰盖孔
195
磨大端平面
65
扩铰盖台阶孔
200
抛光
70
磨连杆体分合面
205
清洗
75
钻螺纹底孔
210
磁力擦伤
80
扩铰台阶孔
215
喷丸
85
攻螺纹孔
220
标印分解清洗
90
铣连杆盖顶部圆弧面
225
铣连杆盖锁口槽
95
铣杆盖顶部形槽
230
铣连杆体锁口槽
100
钳修R5和接刀台
235
钝化
105
中检
240
检验
110
装配
245
装配
115
磨两端面
250
珩磨大头孔
120
磨两侧面
255
终检
125
镗大头孔
260
油封入库
2.3夹具设计
为了确保产品加工质量,提高生产率及保证生产安全,必需对某些工序设计专用夹具。
专用夹具的设计一般是根据本工序的具体加工要求来进行。
夹具设计质量的高低,应以能否稳定地保证工件的加工质量,生产效率高,成本低,排屑方便,操作安全、省力和制造、维护容易等为了其衡量指标。
2.3.1问题的提出
由于钻两斜孔工序所加工的孔空间角度复杂,且孔的直径小,故钻孔时钻头容易引偏,所以必须设计专用钻床夹具才能保证孔的位置、形状及尺寸要求。
2.3.2定位基准的选择与结构设计
由于该连杆大小端端面处于同一平面,所以以大小头孔端面为定位基准与设计基准重合。
而且由前面工序可知各定位基准的精度、粗糙度都适合作定位用。
由于所加工的孔粗糙度Ra3.2,故本工序必须分为钻、扩两个工步。
定位:
所加工的孔具有空间角度,必须限制六个的自由度,故采用一面双销来达到完全定位。
这些元件工艺性好,易于制造,也便于配置相应的夹紧装置。
夹紧:
由于钻孔直径较小,钻削扭矩和轴向力较小,故采用开口快换垫圈用螺母夹紧。
总体结构、钻套及钻模板设计:
为保证夹具体的刚性,设置加强筋。
为了便于加工和检验在夹具体上设工艺孔。
由于孔径小,故采用加长快换式钻套,为了便于零件的装夹,采用翻转式钻模板。
夹具装配图总体结构如下图所示:
2.3.3精度验证
方向上:
(1)确定圆柱销尺寸及公差:
取
(2)确定定位销中心距尺寸公差:
由
得
(3)选定削边销的
及B之值:
取
(4)确定削边销的直径尺寸及公差:
公差配合取h6,其下偏差为-0.016。
故削边销直径:
(5)计算定位误差:
由于转角误差很小,对
角度的影响可不计。
取夹具制造误差
由
角的方向精度储备量较大,故夹具可以满足加工要求。
方向上:
(1)基准位移误差:
(2)基准不重合误差:
(3)夹具的安装误差:
(4)导向误差
:
取
B=7
由快换钻套和衬套的配合尺寸
得
由刀具与钻套的配合尺寸
得
故
所以
(5)夹紧误差;
(6)加工方法误差:
(7)分度误差:
所以
所以夹具可以满足工序精度要求。
第3章基于Pro/ENGINEER的夹具参数化
3.1参数化概述
很多了解CAD发展过程的用户知道,CAD技术实际上经历了4个阶段,在Pro/ENGINEER所采用的参数化设计技术是20世纪90年代的主流技术,相对于当前的前沿化技术变量化设计而言,其技术上并不是最先进的,但对于国内的实际情况看,参数化设计正如火如荼。
参数化设计造型是指由编程者预先设置一些几何图形约束,然后供设计者在造型时使用。
与一个几何相关联的所有尺寸参数可以用来产生其他几何。
其主要技术特点如下:
1)基于特征:
将某些具有代表性的实体几何形状定义为特征,并将其所有尺寸存为可变参数,以此为基础来进行更为复杂的几何形体构造。
2)全尺寸约束:
将形状和尺寸联合起来考虑,通过尺寸约束实现对几何形状的控制。
造型必须以完整的尺寸参数为出发点(全约束),不能漏标尺寸(欠约束),不能多标尺寸(过约束)。
3)尺寸驱动设计修改:
通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。
4)全数据相关:
尺寸参数的修改导致其它相关模块中的相关尺寸得以全盘更新。
采用参数化技术的好处在于它彻底改变了自由建模的无约束状态,几何形状均以尺寸的形式被有效控制。
在本毕业设计中,我采用Pro/program和族表结合来实现夹具的参数化。
基本思路是:
首先采用族表来实现标准件的参数化,其次用Pro/program对非标准件和部分标准件进行编程设计,实现其参数化,最后再用Pro/program中的EXECUTE语句实现组件即夹具的参数化。
3.2基于族表的标准件库参数化
夹具设计中,我们设计的想法是尽可能多用标准件。
因为,使用标准件进行夹具的设计装配可以大大提高生产效率。
随着CAD技术的不断完善,设计人员常使用各种CAD软件来设计夹具。
但是在CAD设计过程中,人们发现重复的创建标准件是十分枯燥乏味的事情。
为此,如果能创建一个机床夹具标准件库,当设计人员要使用各种标准件时,只要从标准件库中选择想要的元件,这样不仅可以将设计人员从繁琐的重复性劳动中解放出来,还可以大大提高生产效率。
基于这种思想,本课题中采用Pro/ENGINEER软件中的族表来开发机床夹具的标准件库。
所谓族表,是指本质上相似的零件(或组件、特征)的集合,但其在某些细节上,如尺寸可能有所不同。
以螺母为例,其直径可能有粗有细,螺距可能有大有小,但本质还是相同的。
因此建立一个标准件的普通模型后,通过族表对普通模型的尺寸加以调整后建立新的标准件,即省事又省力。
此外,族表使得组件中的零件和子组件容易互换,因此来自同一族表的实例之间可以自动互换。
本课题要用到的标准件有薄螺母、压紧螺母、菱形螺母、薄螺母垫圈、钻套螺钉等。
由于使用了大量的标准件,因此,只要从标准件库中选用就可以,从而提高了生产效率。
以下是该钻床夹具所要用到的标准件族表的创建过程。
(由于族表的创建过程都是一样的,所以在此只举一例。
)
3.2.1创建菱形螺母族表
1..用Pro/E建立菱形螺母的三维实体模型如下图:
2.在主菜单中依次选择“工具”/“族表”选项,然后再选择的“添加/删除表列”选项,系统弹出“族项目”对话框。
然后选择零件库的各个项目。
(注意:
要理清零件各个尺寸之间的关系,选择影响零件特征的尺寸。
)完成后点“确定”,之后系统弹出“族表LINGXINLUOMU”,选择“插入实例”,输入螺母的尺寸。
如下图
3、校验。
点击“校验族的实例”,系统自动进行校验。
如果之前选择的零件尺寸和输入的尺寸都正确的话,系统就会在每个零件名后显示“成功”字样。
最后保存文件。
如下图。
3.2.2本节小结
实践表明,利用Pro/Engineer软件在完成基准零件参数化模型的基础上,借助零件族表的功能,利用EXCEL电子表格,可以在没有外部数据库的基础上,快速准确地生成同系列零件中的任何一个零件。
这是一种不需要二次开发,即可完成实体零件库建立的方法,为零部件的系列化建模、装配和分析提供了有效的技术支持。
采用Pro/Engineer软件创建组合夹具标准件库,设计人员通过合理选择标准件,可迅速进行模拟装配,对不合理的装配结构可及时调整更改。
此外,通过模拟装配可迅速生成二维装配总图,装配人员按图装配组合夹具,大大节省了安装调整时间。
3.3基于Pro/Program通用件库及装配体的参数化
除了标准件之外,由于工件的外形尺寸和加工要求的差异,夹具中许多零部件虽具有相似的外形,但其具体尺寸却要根据具体工件而定,即我们所说的通用件。
运用Pro/Program为常用的通用件建立通用参数化模型,在需要使用这些零件时不必从头到尾进行建模,而是根据通用参数模型输入相应的参数值即可得到新的通用件。
对于系列工件的夹具设计也存在类似问题:
由于工件只存在尺寸不同而其所用的工艺路线和夹具相似,可以运用Pro/Program为系列工件的夹具建立通用参数化模型,输入新的工件参数便可得到与之对应的夹具。
3.3.1关于Pro/Program
Pro/ENGINEER对每个零件或组件模型都有一个主要的设计步骤和参数列表,那就是Pro/Program,它是零件与组件自动化设计的一种有效工具。
设计人员可使用类似BASIC的高级语言,根据需要来编写该模型的Program。
包括:
控制特征的出现与否、尺寸的大小、零件与组件的出现与否零件与组件的个数等。
然后,Pro/ENGINEER就可以通过运行该程序来读取此零件或组件,并通过人机交互的方法得到不同的几何形状,以满足产品设计的需要。
Pro/Program适用于以下情况:
经常需要修改特征中的参数时;当组件中需要重复使用某个零件或子组件时;当组件中需要修改某些组件以改变整个组件时。
3.3.2Program的结构组成
Program是软件对操作过程的记录,并将此记录以程序的形式保存。
因此,在Program提供的范围内,修改Program可以实现设计的变更。
新建零件的Program包括如下5部分:
第一部分:
Program标题VERSION
REVNUM90
LISTINGFORPARTPRT0001
第二部分:
参数输入INPUT
ENDINPUT
第三部分:
关系式RELATIONS
mass=mp_mass(“”)
ENDRELATIONS
第四部分:
模型创建ADDFEATURE(initialnumber)
过程部分ENDADD
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