三維設計軟件的發(fā)展，為定位夾具能夠實現低成本，短周期，設計提供了條件，且可以虛擬模擬加工進行驗證。如圖1 是一個與YZ 和ZX 平面均成45°夾角的典型零件：

圖1

零件加工方案選擇

這種具有特殊空間結構的零部件一般有2 種加工方法：

①提高機床的性能，即把原來的2.5 軸或3 軸的數控機床提高到5 軸以上；

②設計出合適的定位夾具，利用現有的設備進行加工。

考慮到加工成本，第二種方案顯然是更理想的選擇。下面就針對此零件設計一個定位夾具，利用CATIA軟件，進行夾具各零部件的實體建模、裝配、干涉檢測、精度分析，將設計完成的夾具導入數控加工模塊中進行虛擬加工，以檢驗設計的可行性與正確性。

定位夾具設計及三維建模

考慮被加工零件的特點，保證加工精度，同時為了提高夾具的適用范圍， 將定位夾具設計為模塊化組合式夾具，如圖2 所示。夾具主要由4 部分組成：定位支架、定位板、導向模塊和定位夾，其中定位支架是整個夾具的基石，它直接決定了定位的斜度，其他零部件均也安裝在其上。

圖2 定位夾具三維實體模型

1. 定位夾2. 定位支架3. 定位板4. 導向模塊

定位板是用來將導向模塊安裝到定位支架， 并且當所加工斜度為45°工件的尺寸大小和基面形狀發(fā)生改變時， 只需要改變導向模塊結構和尺寸， 在定位板上選擇合適的位置進行固定，使得該定位夾具的應用范圍較廣。在導向模塊和定位夾的設計中應以加工零件的結構形狀為依據，使其與待加工零件外邊面相配合，高度應相同，以便于定位夾的安裝， 定位夾一般采用三點定位來設計安裝， 與定位板配合實現對待加工零件6 個自由度的限制。

定位夾具的靜態(tài)干涉檢驗

為了保證所設計夾具的各零部件能夠被加工和組裝，并且能夠實現其定位功能，必須對夾具進行干涉檢測。

靜態(tài)干涉分析包括夾具各單元之間的干涉和夾具與工件之間的干涉。每套夾具都有若干單元組成，完成包括定位和夾緊作用。由于空間有限和各單元的結構較復雜，且夾具的設計一般為逐層設計，很難控制空間余量，容易出現干涉。另外，工件的形狀復雜，由于夾具單元位置或結構上的原因，可能造成工件不能正確地安裝。

圖3 靜態(tài)干涉檢測示意圖

在CATIA中的“DMU Space Analysis”模塊下，對夾具進行靜態(tài)干涉分析，利用碰撞檢測“CheckClash”和剖面工具“Sectioning Definition”對夾具進行檢測。

動態(tài)干涉分析

利用CATIA 提供的“DUM Fitting”模塊對組裝的產品進行檢測，能夠記錄組裝時零件的轉配路徑，分析組裝零件時，移動零件所需求的動態(tài)空間，檢測各零件間的干涉情況。首先將“裝配件設計”切換到“DUM Fitting”模塊下，按照夾具的裝配給出每個裝配路徑，其中包括各零部件的轉配運動距離信息，目的是為了能夠在干涉發(fā)生時獲得具體的干涉位置和深度，然后按順序建立裝配模擬，最后打開“碰撞”分析，分析結果如圖4 所示。

圖4 動態(tài)碰撞檢測

圖4 所示A 區(qū)為區(qū)域位置為干涉發(fā)生處，其具體顯示如圖5 所示。干涉發(fā)生在定位夾與導向模塊上，通過對干涉信息的分析得出，由于在裝配過程中定位夾與導向模塊的裝配路徑相沖突發(fā)生碰撞。針對出現的干涉，對夾具做如下修改：在保持定位點和夾緊點無較大變動的前提下， 改變單元中其他零部件的空間位置或部分尺寸參數。

圖5 干涉發(fā)生區(qū)域

數控模擬加工

利用CATIA 提供的“加工”模塊，對工件進行數控加工， 以檢驗刀具在加工工件時與夾具是否發(fā)生碰撞干涉，從而驗證數控加工的可行性。為了能夠直觀地觀察到碰撞是否發(fā)生， 本文選擇加工工件中具有空間斜度的拔模圓柱體的外圓輪廓。首先將裝配好的夾具切換到“ 加工” 模塊下的“Surface Machining” 中對加工零件的外表面進行“Contourdriven”（輪廓驅動精加工）； 然后在彈出的對話框中選擇加工區(qū)域為待加工零件， 選擇合適刀具路徑參數，其中包括驅動引導線的選擇，合適的刀具參數和退刀路線；最后進行數控模擬加工生成刀具軌跡線，如圖6 所示。

圖6 生成的刀具軌跡線

由圖可以清晰地看出軌跡線覆蓋了整個加工區(qū)域， 并且沒有與夾具的任何零部件發(fā)生碰撞，能夠實現加工目的。為了能夠更加形象地顯示數控加工的整個過程，可以選擇“道路仿真”功能，通過觀察， 整個加工過程中刀具沒有與夾具發(fā)生任何碰撞干涉。

定位夾具的精度校核

在對定位夾具進行設計中， 定位精度是衡量夾具性能的重要指標。定位精度的高低直接影響到所加工工件的質量，所以還需要校核其精度。定位精度一般有誤差計算不等式，既要求所有與工序有關的誤差的總和小于工序尺寸的公差范圍來驗證。

在夾具的使用過程中，影響夾具精度的因素一般分為：

（1）定位精度ΔD，其中包括基準唯一誤差和基準不重合誤差；

（2）對刀和導向誤差ΔT和ΔJ；

（3）夾具在機床上的安裝誤差ΔA；

（4）夾緊誤差ΔF。

夾具的定位總誤差：

（式中 δK=加工工件的工序尺寸公差）

上述案例通過發(fā)揮CATIA 的三維虛擬設計能力，對定位夾具的設計和功能檢測，能夠有效地降低成本，縮短設計生產周期；在整個設計構成中，計算機完成了從設計到裝配再到在數控機床上模擬加工， 其中包括靜態(tài)和動態(tài)的干涉分析，這是傳統(tǒng)的設計方法所無法比擬的， 也是現代夾具工業(yè)發(fā)展的一種必然趨勢。
責任編輯：wv