基于CATIA的定位夹具虚拟设计
本文根据定位夹具的设计理论，以典型的定位夹具为例，对其整个设计过程进行虚拟设计，在catiav5中进行夹具的建模、装配并在bum模块中对设计的夹具进行静态干涉分析和动态干涉分析zui后在加工模块中实现模拟加工，从而验证设计出的夹具的可行性。
引言
随着计算机技术的快速发展尤其是三维设计软件的发展，为定位夹具能够实现低成本短周期，高质量和低碳的设计提供了条件如图1所示，一个与yz和zx平面均成45°夹角的典型零件，这种具有特殊空间结构的零部件一般有2种加工方法：
①提高机床的性能，即把原来的2.5轴或3轴的数控机床提高到5轴以上；
②设计出合适的定位夹具，利用现有的设备进行加工。
显然第1种方法对企业的资金要求较高，为了降低加工成本往往会选择第2种方法。针对此零件的加工问题，设计一个定位夹具。为了减低设计成本，利用cad/cae/cam一体化软件catiav5进行夹具各零部件的实体建模、装配、干涉检测、精度分析，将设计完成的夹具导人数控加工模块中进行虚拟加工，以检验设计的可行性与正确性，在计算机上完成整个设计过程，实现定位夹具的虚拟设计。
图1工件三维实体图
1定位夹具设计及三维实体的建模
考虑被加工零件的特点，保证加工精度，同时为了提高夹具的适用范围，将定位夹具设计为模块化组合式夹具，如图2所示。夹具主要由4部分组成：定位支架、定位板、导向模块和定位夹，其中定位支架是整个夹具的基石，它直接决定了定位的斜度，其他零部件均也安装在其上。定位板是用来将导向模块安装到定位支架，并且当所加工斜度为45°工件的尺寸大小和基面形状发生改变时，只需要改变导向模块结构和尺寸，在定位板上选择合适的位置进行固定，使得该定位夹具的应用范围较广。在导向模块和定位夹的设计中应以加工零件的结构形状为依据，使其与待加工零件外边面相配合，高度应相同，以便于定位夹的安装，定位夹一般采用三点定位来设计安装，与定位板配合实现对待加工零件6个自由度的限制。
利用catiav5软件，分别在“零部件设计”和“装配件设计”，模块下对定位夹具进行设计和实体建模（见图2）。在软件中对夹具进行虚拟装配的过程中，为了能够有效地提高装配效率，针对重复出现的零部件如定位支架和紧定螺钉等，利用“装配件设计”模块中的“快速多实例化”完成对零部件的复制，从而减少重复建模的时间，提高了设计效率。
1.定位夹2.定位支架3.定位板4.导向模块
图2定位夹具三维实体模型
2定位夹具的干涉检验
为了保证所设计夹具的各零部件能够被加工和组装，并且能够实现其定位功能，必须对夹具进行干涉检测。干涉一般分为静态干涉和动态干涉。静态干涉是指夹具设计完成后，在静止情况下，对工件没有外加驱动力时，夹具以及其内部各单元之间和夹具与工件之间存在的干涉情况；动态干涉是指在夹具设计完成后分析在模拟装配过程中各元件之间的干涉情况。
2.1静态干涉分析
静态干涉分析包括夹具各单元之间的干涉和夹具与工件之间的干涉。每套夹具都有若干单元组成，完成包括定位和夹紧作用。由于空间有限和各单元的结构较复杂，且夹具的设计一般为逐层设计，很难控制空间余量，容易出现干涉。另外，工件的形状复杂，由于夹具单元位置或结构上的原因，可能造成工件不能正确地安装。
在catiav5中的“dmuspaceanalysis”模块下，对夹具进行静态干涉分析，利用碰撞检测“checkclash”和剖面工具“sectioningdefinition”对夹具进行检侧，结果如图3所示，夹具内部各单元之间和夹具与工件之间没有发生静态干涉。
图3静态干涉检测示意图
2.2动态干涉分析
利用catia提供的“dumfitting”模块对组装的产品进行检测，能够记录组装时零件的转配路径，分析组装零件时，移动零件所需求的动态空间，检测各零件间的干涉情况。首先将“装配件设计”切换到“dumfitting”模块下，按照夹具的装配给出每个装配路径，其中包括各零部件的转配运动距离信息，目的是为了能够在干涉发生时获得具体的干涉位置和深度，然后按顺序建立装配模拟，zui后打开”碰撞”分析，分析结果如图4所示。
图4动态碰撞检测结果
图4所示a区区域位置为干涉发生处，其具体显示如图5所示。干涉发生在定位夹与导向模块上，通过对干涉信息的分析得出，由于在装配过程中定位夹与导向模块的装配路径相冲突发生碰撞。针对出现的干涉，对夹具做如下修改：在保持定位点和夹紧点无较大变动的前提下，改变单元中其他零部件的空间位置或部分尺寸参数。通过调整没有再出现相关的动态干涉。
图5干涉发生区域
2.3数控模拟加工
利用catia提供的“加工”模块，对工件进行数控加工，以检验刀具在加工工件时与夹具是否发生碰撞干涉，从而验证数控加工的可行性。为了能够直观地观察到碰撞是否发生，本文选择加工工件中具有空间斜度的拔模圆柱体的外圆轮廓。首先将装配好的夹具切换到“加工”模块下的“surfacemachining”中对加工零件的外表面进行“contourdriven”（轮廓驱动精加工）；然后在弹出的对话框中选择加工区域为待加工零件，选择合适刀具路径参数，其中包括驱动引导线的选择，合适的刀具参数和退刀路线；zui后进行数控模拟加工生成刀具轨迹线，如图6所示。由图可以清晰地看出轨迹线覆盖了整个加工区域，并且没有与夹具的任何零部件发生碰撞，能够实现加工目的。为了能够更加形象地显示数控加工的整个过程，可以选择“道路仿真”功能，通过观察，整个加工过程中刀具没有与夹具发生任何碰撞干涉。
图6生成的刀具轨迹线
3定位夹具的精度校核
在对定位夹具进行设计中，定位精度是衡量夹具性能的重要指标。定位精度的高低直接影响到所加工工件的质量，所以还需要校核其精度。定位精度一般有误差计算不等式，既要求所有与工序有关的误差的总和小于工序尺寸的公差范围来验证。在夹具的使用过程中，影响夹具精度的因素一般分为：
（1）定位精度△d，其中包括基准*误差和基准不重合误差；
（2）对刀和导向误差△t和△j；
（3）夹具在机床上的安装误差△a；
（4）夹紧误差△f。
夹具的定位总误差
式中δk——加工工件的工序尺寸公差，δk=0.1mm。
归纳影响精度的各因素，确定各误差值代入式（1），可得定位总误差，如表1所示。
表1误差值（mm）
经校验该定位夹具的储备精度定位
定位精度符合工件的精度要求。
4结语
在catiav5平台上，通过对定位夹具的设计和功能检测，充分发挥了catia的三维虚拟设计能力，采用虚拟设计技术能够有效地降低成本，缩短设计生产周期；在整个设计构成中，计算机完成了从设计到装配再到在数控机床上模拟加工，其中包括静态和动态的干涉分析，实现了真正无纸化设计。这是传统的设计方法所*的，也是现代夹具工业发展的一种必然趋势。
（来源：万方数据）
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①提高机床的性能，即把原来的2.5轴或3轴的数控机床提高到5轴以上；
②设计出合适的定位夹具，利用现有的设备进行加工。
显然第1种方法对企业的资金要求较高，为了降低加工成本往往会选择第2种方法。针对此零件的加工问题，设计一个定位夹具。为了减低设计成本，利用cad/cae/cam一体化软件catiav5进行夹具各零部件的实体建模、装配、干涉检测、精度分析，将设计完成的夹具导人数控加工模块中进行虚拟加工，以检验设计的可行性与正确性，在计算机上完成整个设计过程，实现定位夹具的虚拟设计。
图1工件三维实体图
1定位夹具设计及三维实体的建模
考虑被加工零件的特点，保证加工精度，同时为了提高夹具的适用范围，将定位夹具设计为模块化组合式夹具，如图2所示。夹具主要由4部分组成：定位支架、定位板、导向模块和定位夹，其中定位支架是整个夹具的基石，它直接决定了定位的斜度，其他零部件均也安装在其上。定位板是用来将导向模块安装到定位支架，并且当所加工斜度为45°工件的尺寸大小和基面形状发生改变时，只需要改变导向模块结构和尺寸，在定位板上选择合适的位置进行固定，使得该定位夹具的应用范围较广。在导向模块和定位夹的设计中应以加工零件的结构形状为依据，使其与待加工零件外边面相配合，高度应相同，以便于定位夹的安装，定位夹一般采用三点定位来设计安装，与定位板配合实现对待加工零件6个自由度的限制。
利用catiav5软件，分别在“零部件设计”和“装配件设计”，模块下对定位夹具进行设计和实体建模（见图2）。在软件中对夹具进行虚拟装配的过程中，为了能够有效地提高装配效率，针对重复出现的零部件如定位支架和紧定螺钉等，利用“装配件设计”模块中的“快速多实例化”完成对零部件的复制，从而减少重复建模的时间，提高了设计效率。
1.定位夹2.定位支架3.定位板4.导向模块
图2定位夹具三维实体模型
2定位夹具的干涉检验
为了保证所设计夹具的各零部件能够被加工和组装，并且能够实现其定位功能，必须对夹具进行干涉检测。干涉一般分为静态干涉和动态干涉。静态干涉是指夹具设计完成后，在静止情况下，对工件没有外加驱动力时，夹具以及其内部各单元之间和夹具与工件之间存在的干涉情况；动态干涉是指在夹具设计完成后分析在模拟装配过程中各元件之间的干涉情况。
2.1静态干涉分析
静态干涉分析包括夹具各单元之间的干涉和夹具与工件之间的干涉。每套夹具都有若干单元组成，完成包括定位和夹紧作用。由于空间有限和各单元的结构较复杂，且夹具的设计一般为逐层设计，很难控制空间余量，容易出现干涉。另外，工件的形状复杂，由于夹具单元位置或结构上的原因，可能造成工件不能正确地安装。
在catiav5中的“dmuspaceanalysis”模块下，对夹具进行静态干涉分析，利用碰撞检测“checkclash”和剖面工具“sectioningdefinition”对夹具进行检侧，结果如图3所示，夹具内部各单元之间和夹具与工件之间没有发生静态干涉。
图3静态干涉检测示意图
2.2动态干涉分析
利用catia提供的“dumfitting”模块对组装的产品进行检测，能够记录组装时零件的转配路径，分析组装零件时，移动零件所需求的动态空间，检测各零件间的干涉情况。首先将“装配件设计”切换到“dumfitting”模块下，按照夹具的装配给出每个装配路径，其中包括各零部件的转配运动距离信息，目的是为了能够在干涉发生时获得具体的干涉位置和深度，然后按顺序建立装配模拟，zui后打开”碰撞”分析，分析结果如图4所示。
图4动态碰撞检测结果
图4所示a区区域位置为干涉发生处，其具体显示如图5所示。干涉发生在定位夹与导向模块上，通过对干涉信息的分析得出，由于在装配过程中定位夹与导向模块的装配路径相冲突发生碰撞。针对出现的干涉，对夹具做如下修改：在保持定位点和夹紧点无较大变动的前提下，改变单元中其他零部件的空间位置或部分尺寸参数。通过调整没有再出现相关的动态干涉。
图5干涉发生区域
2.3数控模拟加工
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图6生成的刀具轨迹线
3定位夹具的精度校核
在对定位夹具进行设计中，定位精度是衡量夹具性能的重要指标。定位精度的高低直接影响到所加工工件的质量，所以还需要校核其精度。定位精度一般有误差计算不等式，既要求所有与工序有关的误差的总和小于工序尺寸的公差范围来验证。在夹具的使用过程中，影响夹具精度的因素一般分为：
（1）定位精度△d，其中包括基准*误差和基准不重合误差；
（2）对刀和导向误差△t和△j；
（3）夹具在机床上的安装误差△a；
（4）夹紧误差△f。
夹具的定位总误差
式中δk——加工工件的工序尺寸公差，δk=0.1mm。
归纳影响精度的各因素，确定各误差值代入式（1），可得定位总误差，如表1所示。
表1误差值（mm）
经校验该定位夹具的储备精度定位
定位精度符合工件的精度要求。
4结语
在catiav5平台上，通过对定位夹具的设计和功能检测，充分发挥了catia的三维虚拟设计能力，采用虚拟设计技术能够有效地降低成本，缩短设计生产周期；在整个设计构成中，计算机完成了从设计到装配再到在数控机床上模拟加工，其中包括静态和动态的干涉分析，实现了真正无纸化设计。这是传统的设计方法所*的，也是现代夹具工业发展的一种必然趋势。
（来源：万方数据）
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