CN101543949A - 基于快速成型工艺的快速夹具制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于快速成型工艺的快速夹具制造方法。本方法是根据被加工工件的三维实体模型数据，利用最小包容体算法得到夹具体的尺寸，然后根据夹具的功能要求，规划装夹单元的位置、数量，创建不同类型装夹单元和夹头，生成面向工件实体模型的快速夹具模型，由此可实现根据零件夹具的功能，及夹具各部分特点，选择快速成形加工方法进行夹具实体的快速制造。

Description

基于快速成型工艺的快速夹具制造方法

技术领域：

本专利涉及一种利用快速成型加工工艺制造快速夹具的方法。

背景技术：

根据有关资料统计，在我国，生产准备周期一般要占据整个产品研制周期的50％～70％，而工艺装备的设计制造周期又占生产准备周期的50％～70％，其中工艺装备的准备阶段中有70％～80％的时间用于夹具的设计和加工，周期长、效率低。广泛应用在展览、运输和检测过程中的夹具，要求个性化设计、小批量生产。因此，传统夹具设计和加工方法已经无法满足当今企业的要求，市场迫切需要一种成本低廉且能够迅速加工的夹具。

快速夹具出现以后，大尺寸、形状复杂的零件生产出来以后可以用快速夹具进行保护，避免损坏变形等。装夹好的零件可以非常方便地进行检查、测量、运输、焊接、装配、展示等。快速夹具结构简单、设计与制造周期短、成本低且大部分原件可以回收等特点得到了制造业的广泛关注。比利时Materialize公司开发了快速夹具设计软件(Magics Rapidfit)，为目前的快速夹具提供了唯一的解决方案。但是，该方案存在以下缺点：

1)只支持格式为.stl的文件，无参数操作，通用性不强；

2)不支持标准型材和非标准基板，不符合我国国情；

3)智能化程度不高；

4)夹头尺寸过大，加工时间长，不能很好地满足快速夹具的制造要求。

由于快速夹具制造思想出现的时间不长，还没有固定经验和模式可以借鉴，现有的快速夹具制造方法又存在上述弊端，因此探索适合我国国情的快速夹具制造方法迫在眉睫。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于快速成型工艺的快速夹具制造方法。其主要思想是利用计算机辅助建模的方法，根据工件的特性尺寸参数和夹具的功能要求，建立夹具体模型，并创建不同类型的装夹单元和夹头模型，从而可实现快速夹具实体的快速制造目的。

为达到上述目的，本发明的构思是：

根据实体工件模型，首先得到其包容体尺寸参数，然后根据该尺寸数据建立夹具体模型，最后根据装夹要求，创建合适的装夹单元和夹头模型。其中夹头是利用RP工艺快速成型得到，其夹持部分可以包括任意复杂形状而不必考虑加工工艺的复杂性。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于快速成型工艺的快速夹具制造方法，其特征在于根据被加工工件的三维实体模型数据，利用最小包容体算法得到夹具体的尺寸，然后根据夹具的功能要求，规划装夹单元的位置，数量，并创建不同类型装夹单元和夹头，生成面向工件实体模型的快速夹具，最后根据夹具各零件的功能，以及夹具各零件的加工特点，选择快速成形，数控加工方法进行制造，其步骤如下：

(1)根据实体工件模型，利用最小包容体算法得到夹具体尺寸；

(2)确定装夹单元的夹持点位置；

(3)确定基板；

(4)确定夹具的三维模型；

(5)选择快速成形，数控方法进行制造夹具。

上述步骤(1)根据实体工件模型，利用最小包容体算法得到其尺寸参数的具体步骤为：

(1)数据获取——提取由客户提供的零件三维模型；

(2)模型位置确定——根据快速夹具的作用(展览、运输和检测等)，将零件三维模型放置为最佳反映客户需要的姿态。

上述步骤(2)确定装夹单元的夹持点位置的具体步骤为：

(1)主夹持点设置——按照快速夹具定位原则，根据模型位置和快速夹具的作用，确定三个夹持点；

(2)辅夹持点的布局——根据快速夹具的作用，考虑零件的稳定、自重变形、受力变形、装卸、固定等因素，确定辅夹持点的数量和布局辅夹持点的位置；

上述步骤(3)确定基板的具体步骤为：

(1)根据零件位置的投影尺寸，给出基板长、宽、高的推荐值；

(2)根据实际需要调整零件和基板之间的相对位置，并且根据选取的装夹单元的夹持点位置，在基板表面选定孔特征，供安装装夹单元使用；

上述步骤(4)确定夹具的三维模型的具体步骤为：

(1)确定装夹单元的结构——根据零件的结构形状，将装夹单元分成A、B两类，A类装夹单元包括夹头、支架和连接件，B类装夹单元只有夹头；若零件的夹持点与零件摆放后的最低点小于80mm，选择B类装夹单元，若零件的夹持点与零件摆放后的最低点大于80mm，选择A类装夹单元；

(2)确定夹头结构——对不同的夹持部位，夹头分成卡夹头(A类夹头)、顶夹头(B类夹头)、支撑夹头(C类夹头)和孔定位夹头(D类夹头)四类；A类夹头多用作主夹头，B类夹头用于防止大跨度薄壁件因自重产生变形，C类夹头多用于展示或检测，D类夹头用于定位产品的内孔；根据输入的夹头直径和夹持深度数据，拉伸得到夹头主体部分；提取夹持点附近工件的表面，抽取所需的边界轮廓，做相应的修剪，得到所需的边界；将此边界拉伸得到下一步修剪的片体，对夹头主体部分进行修剪；夹头主体部分和工件两个实体之间的差运算，最后得到夹头的的三维模型；

附图说明：

附图1是本发明一个实施例的程序框图。

附图2为获取工件模型参数的界面图。

附图3为确定基板模型的示意图。

附图4为基板位置调整示意图。

附图5为快速夹具的主、辅夹持点的布局规划图。

附图6为快速夹具的装夹单元类型图，其中(a)图为A类装夹单元图，(b)图为B类装

夹单元图，图中标号为：1—夹头，2—支架，3—连接件。

附图7为确定装夹单元图；

附图8为夹头的四种类型图，其中图(a)为A类夹头图，图(b)为B类夹头图，图(c)

为C类夹头图，图(d)为D类夹头图。

附图9为完成的快速夹具的立体示意图。

实施例：

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

基于快速成形工艺的快速夹具制造方法是根据任意的一个工件的实体模型，通过计算机处理获得供展览用的快速夹具模型，具体操作步骤如下(见图1)：

1.输入工件的质量或者密度，计算得到工件的体积和重力；根据最小包容体算法，得到工件的最大长度(见图2)；

2.确定装夹单元的夹持点位置，具体操作步骤为：

(1)选择菜单夹具→装夹单元，打开装夹单元设计对话框；

(2)选择“夹持点位置”，通过点构造器选择装夹单元的夹持点；

3.根据需要设计合适尺寸大小的基板，并且调整基板与工件之间的相对位置，具体操作为：

(1)在UG NX软件里，选择二次开发的菜单夹具→基板→基板设计，在出现的对话框里，选择“标准基板”，由工件尺寸得到了基板尺寸长、宽、高的推荐值，可以对这些参数进行修改；选择OK，创建基板模型(见图3)；

(2)选择菜单夹具→基板→基板位置，在出现的对话框里，选择“自动对齐”调整基板位置可以获得默认的最佳位置；也可以通过“手动调整”群中的六个数值输入框进行基板位置的微调(见图4)。

4.根据提示行的信息，选择夹持点、夹头类型，输入夹头的各项尺寸参数以后，创建装夹单元三维模型(见图5-9)，具体操作为：

(1)选择“自定义型材”复选框，可以修改默认的型材长度，同时也可以修改默认的装夹单元类型；

(2)根据装夹要求，选择“装夹方案”下拉列表框中的夹头类型；

(3)在“夹头直径”和“夹持深度”两个数值输入框中输入适当的参数；

(4)选择Apply，利用面选择器选择夹持点附近的工件表面，抽取所需的边界轮廓，做相应的修剪，得到所需的边界；再根据此边界拉伸得到的片体，剪切夹头本体；最后工件和夹头本体做布尔减运算，得到夹头模型；

(5)若是A类装夹单元，根据夹持点与基板上表面之间的距离和夹头高度，计算出型材高度，利用拉伸功能得到型材；调用标准件库中的型材模型；

(6)根据A类和B类两类装夹单元，分别在基板上表面创建不同形式的定位孔。

完成上述步骤，最后获得的就是满足装夹要求、满足性能要求、满足快速加工要求的快速夹具模型(见图9)。

需要说明，本发明中夹头是利用RP工艺快速成型得到，故其夹持部分可以包括任意复杂形状而不必考虑加工工艺的复杂性。基于本发明制造得到的夹具模型，结合快速成型可制造得到实体夹具，在制造过程中包括的内容为：

(1)型材选择——型材是标准件；根据设计时选择的夹持点位置自动计算型材长度，根据夹头的截面尺寸确定型材的截面形状和尺寸，从而得到符合夹头的型材模型；

(2)确定连接件——根据选择的型材截面形状和尺寸，以及连接件模板，确定连接件的尺寸；

(3)夹头的制造工艺——利用光固化成型(SLA)、选择性激光烧结(SLS)、熔融沉积(FDM)、薄材叠层实体制造(LOM)和三维打印成型(3DP)等RP工艺加工快速夹具的关键零部件--夹头；

(4)连接件的制造工艺——连接件可以采用铝板、ABS板或RP材料等，利用数控加工工艺和SLS、FDM、SLA等RP加工工艺制造连接件；

(5)基板的制造工艺——基板可以采用木板、铝板、ABS板或复合板等材料，按照所设计的基板，采用数控加工工艺制造基板；

(6)快速夹具的装配工艺——按照所设计的快速夹具将所加工零件组装成被测零件的快速夹具。然后基于上面给出的快速成型制造步骤就可以得到实际的快速夹具。

Claims (5)

1.一种基于快速成型工艺的快速夹具制造方法，其特征在于根据被加工工件的三维实体模型数据，利用最小包容体算法得到夹具体的尺寸，然后根据夹具的功能要求，规划装夹单元的位置，数量，并创建不同类型装夹单元和夹头，生成面向工件实体模型的快速夹具，最后根据夹具各零件的功能，以及夹具各零件的加工特点，选择快速成形，数控加工方法进行制造，其步骤如下：

(1)根据实体工件模型，利用最小包容体算法得到夹具体尺寸；

(2)确定装夹单元的夹持点位置；

(3)确定基板；

(4)确定夹具的三维模型；

(5)选择快速成形，数控方法进行制造夹具。

2.根据权利要求1所述的基于快速成型工艺的快速夹具制造方法，其特征在于步骤(1)根据实体工件模型，利用最小包容体算法得到夹具体尺寸的具体步骤为：

(1)数据获取——提取由客户提供的工件三维模型；

(2)工件模型位置确定-—根据快速夹具的作用—展览、运输和检测，将工件三维模型放置为最佳反映客户需要的姿态。

3.根据权利要求1所述的基于快速成型工艺的快速夹具制造方法，其特征在于步骤(2)确定装夹单元的夹持点位置的具体步骤为：

(1)主夹持点设置——按照快速夹具定位原则，根据模型位置和快速夹具的作用，确定三个夹持点；

(2)辅夹持点的布局——根据快速夹具的作用，考虑零件的稳定、自重变形、受力变形、装卸和固定因素，确定辅夹持点的数量和布局辅夹持点的位置。

4.根据权利要求1所述的基于快速成型工艺的快速夹具制造方法，其特征在于步骤(3)确定基板的具体步骤为：

(1)根据工件位置的投影尺寸，给出基板长、宽、高的推荐值；

(2)根据实际需要调整工件和基板之间的相对位置，并且根据选取的装夹单元的夹持点位置，在基板表面选定孔特征，供安装装夹单元使用。

5.根据权利要求1所述的基于快速成型工艺的快速夹具制造方法，其特征在于步骤(4)确定夹具的三维模型的具体步骤为：

(1)确定装夹单元的结构——根据工件的结构形状，将装夹单元分成A、B两类，A类装夹单元包括夹头、支架和连接件，B类装夹单元只有夹头；若工件的夹持点与工件摆放后的最低点小于80mm，选择B类装夹单元，若工件的夹持点与工件摆放后的最低点大于80mm，选择A类装夹单元；

(2)确定夹头结构——对不同的夹持部位，夹头分成卡夹头即A类夹头、顶夹头即B类夹头、支撑夹头即C类夹头和孔定位夹头即D类夹头四类；A类夹头多用作主夹头，B类夹头用于防止大跨度薄壁件因自重产生变形，C类夹头多用于展示或检测，D类夹头用于定位产品的内孔；根据输入的夹头直径和夹持深度数据，拉伸得到夹头主体部分；提取夹持点附近工件的表面，抽取所需的边界轮廓，做相应的修剪，得到所需的边界；将此边界拉伸得到下一步修剪的片体，对夹头主体部分进行修剪；夹头主体部分和工件两个实体之间的差运算，最后得到夹头的的三维模型。

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