工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)及優(yōu)化技術(shù)研究

田延暉

（中國(guó)人民解放軍93469部隊(duì)，石家莊 050000）

工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)及優(yōu)化技術(shù)研究

田延暉

（中國(guó)人民解放軍93469部隊(duì)，石家莊 050000）

機(jī)械加工過(guò)程中，工裝是對(duì)工件在整個(gè)機(jī)械中的位置進(jìn)行定位，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與加工技術(shù)對(duì)機(jī)械整體加工質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)成本具有十分重要的影響。而工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)與技術(shù)，則是對(duì)機(jī)械工裝精度與定位準(zhǔn)確性進(jìn)行檢驗(yàn)的一個(gè)重要手段?；谔岣吖ぱb設(shè)計(jì)校驗(yàn)精度與優(yōu)化技術(shù)目的，本文對(duì)工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)與優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)及數(shù)控薄壁工件裝夾變形進(jìn)行了詳細(xì)分析。

工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn) 優(yōu)化技術(shù) 系統(tǒng) 數(shù)控薄壁工件

自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)發(fā)展日漸迅速。與此同時(shí)，人們對(duì)機(jī)械零件加工、工裝定位準(zhǔn)確性、裝夾穩(wěn)定性與變形控制的要求越來(lái)越高，尤其是在信息時(shí)代下的今天。為進(jìn)一步提高機(jī)械工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)的精度與技術(shù)水平，需要借助信息技術(shù)對(duì)工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)與技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)。這是機(jī)械工件發(fā)展過(guò)程中的必然要求，也是順應(yīng)時(shí)代的必然趨勢(shì)。

1　工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)及優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

CAD作為當(dāng)代制圖領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的計(jì)算機(jī)軟件之一，在機(jī)械制圖中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此，本文利用CAD軟件作為工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)與優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。通過(guò)將系統(tǒng)嵌入到UGNX與CATIA V5兩個(gè)軟件中，實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1.1系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)對(duì)工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)與優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)性能及需求的綜合性分析，本文將該系統(tǒng)功能劃分為三大模塊，即工裝設(shè)計(jì)、工裝校驗(yàn)與工裝資源管理。其中，工裝設(shè)計(jì)主要用于實(shí)現(xiàn)加快工裝設(shè)計(jì)的速度，具體包括工裝底板設(shè)計(jì)、工裝對(duì)刀元件、工裝墊塊設(shè)計(jì)等；工裝校驗(yàn)?zāi)K主要用于對(duì)工裝設(shè)計(jì)是否合理進(jìn)行檢驗(yàn)，具體包括一面兩孔式定位幾何精度校驗(yàn)及工裝穩(wěn)定性與工件表面最大變形評(píng)價(jià)；工裝資源管理主要用于對(duì)系統(tǒng)各項(xiàng)資源進(jìn)行整合與管理，具體包括工裝標(biāo)準(zhǔn)件、工裝自定義元件及元件入庫(kù)管理、工裝仿真設(shè)備及實(shí)例等[1]。這三個(gè)功能模塊既能夠獨(dú)立運(yùn)行，又能夠相互協(xié)同工作，共同構(gòu)成了工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)與優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)。

1.2系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)

1.2.1工裝元件快速設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

工裝元件快速設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)校驗(yàn)的實(shí)現(xiàn),采用CATIA V5軟件提供的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)CAA來(lái)完成。該軟件主要以工具條和菜單的形式，將工裝元件快速設(shè)計(jì)及校驗(yàn)所需組件集成到CATIA當(dāng)中。根據(jù)前文所述，工裝元件快速設(shè)計(jì)模塊主要包括對(duì)刀元件、墊塊元件和底板設(shè)計(jì)等部分，所以該功能的實(shí)現(xiàn)就需要分別實(shí)現(xiàn)每一項(xiàng)子功能[2]。對(duì)刀元件及其他元件的設(shè)計(jì)可以通過(guò)依次選擇安裝平面與特征、裝配點(diǎn)、元件參數(shù)、類(lèi)別與細(xì)別、具體元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2.2工裝資源管理的實(shí)現(xiàn)

由于UG與NXOpen技術(shù)開(kāi)發(fā)軟件能夠進(jìn)行完美的融合，所以本文利用UGNX軟件提供的二次開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)工裝資源管理功能的實(shí)現(xiàn)。其中，采用服務(wù)端Teamcenter作為資源管理平臺(tái)，資源庫(kù)主要由組件庫(kù)（ComponentLib）、工裝實(shí)例庫(kù)（FixtureCaseLib）、用戶自建庫(kù)（UserDefin edLib）、標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)（StanddardLib）及仿真設(shè)備庫(kù)（Equipme ntLib）組成，且每個(gè)資源庫(kù)均包含一個(gè)用于存儲(chǔ)該庫(kù)中資源記錄的.LibPrt文件[3]。工裝資源庫(kù)關(guān)鍵字可以用空格符、逗號(hào)等分隔開(kāi)。實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，用戶輸入相應(yīng)的關(guān)鍵字點(diǎn)擊檢索按鈕，系統(tǒng)內(nèi)所有符合檢索要求的記錄就會(huì)顯示在搜索結(jié)果列表中。若沒(méi)有限定檢索條件，則系統(tǒng)默認(rèn)顯示記錄的專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)、類(lèi)別和代號(hào)。點(diǎn)擊其中任意一條記錄，與該條記錄相關(guān)的詳細(xì)信息就會(huì)顯示在詳細(xì)信息框中，如產(chǎn)品代號(hào)、用途、設(shè)計(jì)者、功能等。除關(guān)鍵字檢索外，還可以采用分類(lèi)導(dǎo)航的方法進(jìn)行查找，即在資源庫(kù)目錄中按照分類(lèi)、專(zhuān)業(yè)分類(lèi)、元件名稱(chēng)的順序依次進(jìn)行檢索，便可找到相應(yīng)的工件或?qū)嵗齕4]。其他資源庫(kù)檢索方式類(lèi)似。工裝資源管理模塊的增、刪、改等其他操作，可以通過(guò)系統(tǒng)管理子界面完成。選擇對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中的某條記錄后，便可對(duì)該記錄進(jìn)行修改與刪除等操作。

2　數(shù)控薄壁工件裝夾變形的分析

2.1工裝結(jié)構(gòu)對(duì)裝夾穩(wěn)定性的影響

在工件工裝設(shè)計(jì)過(guò)程中，工裝裝夾穩(wěn)定性能否滿足設(shè)計(jì)要求是較為關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題。受設(shè)計(jì)者自身能力、技術(shù)、判斷過(guò)程復(fù)雜等因素限制，目前對(duì)工裝加工穩(wěn)定性的預(yù)判斷往往較為困難，一般設(shè)計(jì)者很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)工裝設(shè)計(jì)過(guò)程中的不穩(wěn)定情況。工件裝夾穩(wěn)定性的判斷需要考慮工裝自身結(jié)構(gòu)及加工切削點(diǎn)受力情況。此外，還需要對(duì)夾緊點(diǎn)之間的距離進(jìn)行估算，對(duì)夾緊布局是否均勻、夾緊點(diǎn)與輔助支撐點(diǎn)是否足夠、支撐元件數(shù)目等進(jìn)行檢查。

采用較為模糊的方法，即從工件信息、夾緊布局、定位布局與支撐布局幾方面，分析工裝結(jié)構(gòu)對(duì)裝夾穩(wěn)定性的影響[5]。利用相關(guān)算法與公式得知，夾緊布局越密集，夾緊點(diǎn)之間最小距離平均值、單個(gè)夾緊點(diǎn)平均覆蓋面積大小、支撐點(diǎn)之間最小距離平均值和單個(gè)支撐點(diǎn)平均覆蓋面積大小數(shù)值均越小。這說(shuō)明對(duì)于同一類(lèi)或類(lèi)似工件來(lái)說(shuō)，模糊分析法所涉及的夾緊布局等因素對(duì)裝夾穩(wěn)定性影響具有一定的相似性。

2.2加工精度改進(jìn)策略

根據(jù)上文對(duì)數(shù)控薄壁件裝夾穩(wěn)定性影響的分析，本文提出了幾點(diǎn)關(guān)于提高加工精度的具體策略，包括優(yōu)化切削參數(shù)、加強(qiáng)夾緊變形與變夾緊力控制等。考慮到切削參數(shù)與加工精度、工裝等級(jí)相關(guān)聯(lián)，而切削厚度與速度直接影響著切削力，所以根據(jù)刀具路徑來(lái)改變切削厚度，進(jìn)而對(duì)薄壁變形進(jìn)行控制。同時(shí)，采用逆銑走刀進(jìn)行切削，可以顯著提高工件加工精度?？刂茒A緊變形需要依據(jù)數(shù)控薄壁件特點(diǎn)，在保證工裝穩(wěn)定性滿足要求的前提下，將其始終控制在變形臨界值以?xún)?nèi)，并使工裝布局支撐點(diǎn)與夾緊點(diǎn)相互對(duì)應(yīng)，從而達(dá)到對(duì)夾緊變形的有效控制。

圖1 某數(shù)控薄壁零件加工參數(shù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

圖1為某數(shù)控薄壁零件加工切削參數(shù)優(yōu)化后的示意圖。處于工裝設(shè)計(jì)優(yōu)化考慮，設(shè)計(jì)人員對(duì)該零件的切削厚度、刀具進(jìn)給速度、切削力、刀具路徑幾方面都進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)。由于切削力的存在可能會(huì)導(dǎo)致被加工零件在切削過(guò)程中發(fā)生移動(dòng)，從而影響切削加工精度，因而采用真空吸附夾具，利用其與零件之間的摩擦力來(lái)抵消或減弱切削力，以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件切削質(zhì)量的有效控制，保障零件在切削過(guò)程中始終處于穩(wěn)固狀態(tài)。另外，為切實(shí)看到切削參數(shù)優(yōu)化后數(shù)控零件加工精度的改進(jìn)效果，切削時(shí)采取高速、小切削力的加工方式。改進(jìn)后，該數(shù)控薄壁零件的切削加工與工裝設(shè)計(jì)均得到了明顯優(yōu)化。其中，表現(xiàn)最為突出的地方為工裝設(shè)計(jì)的定位精度、安裝精度、軸向夾緊與裝夾穩(wěn)定性較之前相比均有顯著提升。這說(shuō)明優(yōu)化切削加工參數(shù)是改善薄壁零件加工精度的一個(gè)有效策略。

3　總結(jié)

綜上，本文主要闡述了工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)與優(yōu)化技術(shù)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并以數(shù)控薄壁工件為例對(duì)其工裝相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行描述。從上文內(nèi)容得知，工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)與定位精度、裝夾穩(wěn)定性受諸多因素影響，只有定位方法適用，工裝布局合理，工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)精度才會(huì)得到切實(shí)提高，工件裝夾穩(wěn)定性才會(huì)符合設(shè)計(jì)要求?？傊?，工裝設(shè)計(jì)校驗(yàn)與優(yōu)化技術(shù)是機(jī)械制造領(lǐng)域當(dāng)前及未來(lái)所面臨的一個(gè)重要課題。

[1]呂凱.基于知識(shí)工程的規(guī)范化飛機(jī)工裝設(shè)計(jì)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

[2]張?jiān)迫A.飛機(jī)壁板裝配柔性工裝設(shè)計(jì)與優(yōu)化技術(shù)研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)航空航天大學(xué)，2014.

[3]高博.基于知識(shí)重用的夾具智能設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2014.

[4]顧雨甜.飛機(jī)裝配型架卡板快速設(shè)計(jì)及分析技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[5]韓怡.飛機(jī)工裝相關(guān)性設(shè)計(jì)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

Study Design Verification and Optimization Technology of Tooling

TIAN Yanhui
(Chinese unit 93469 of PLA, Shijiazhuang 050000)

In the machining process, the fixtur e is used to locate the position of the workpiece in the machine, the design structure and processing technology on the overall mechanical processing quality and production efficiency and production cost has very important influence. The tooling design and verification technology is an important means of loading precision and positioning accuracy tes t of mechanical engineering. Im prove tooling design verification accuracy and optim ization technology based on the design of fixture design verification and optimization technology and Realization of the system function module and NC thin-walled workpiece clamping deformation are analyzed in detail.

tooling design verification, optimization technology, CNC system, thin-walled workpiece