SolidWorks等三维建模软件在工件装夹方案的定位误差测量中的应用

赵启焱 罗明生 黄 超

（郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001）

现代制造技术在上个世纪八十年代就已经被提出来了，制造技术经历了由手工到机械的发展过程，机械代替手工使得产品的质量和生产率得以提高，同时也使得劳动力得以解放，避免了繁重的体力劳动，从而产生了机械制造技术。

在制造技术中，制造系统分为物质系统、能量系统和信息系统，其中物质系统的一个很重要的组成部分是工件的装配系统，传统的装配系统需要依靠人工进行工件的装配和定位误差的测算及调整，这就大大限制了整个制造系统的质量与效率。利用三维建模软件则可以提高这个过程的效率，并将其与信息系统实现无缝的对接，促进整个制造系统的自动化。

在零件的加工中，零件的加工质量是保证机械产品质量的基础。零件的加工质量包括零件的机械加工精度和加工表面质量两大方面。其中机械加工精度是机械制造工艺学的主要研究问题。机械加工精度是指理想几何参数与零件实际几何参数之间的符合程度；加工误差就是用来描述加工精度的一个具体的数值，即加工精度的高低就是藉由加工误差的大小来表示的。

零件的加工精度包含三个方面的内容：尺寸精度、形状精度和位置精度。一般情况下，零件的加工精度和零件的加工成本是正相关的，同时加工精度越高，生产效率则越低，因此加工精度的具体高低需要设计人员根据零件具体的使用条件和客户的要求来合理地柔性地制定工件的加工精度。与此同时，零件加工的工艺人员则需要根据设计的要求和具体的生产条件制定对应的生产工艺流程，以保证零件的加工精度要求得以实现，并在此基础上尽量降低生产成本和提高生产效率。

在机械加工中，工艺系统中的种种误差，在不同的具体条件下，分别以不同的方式和程度反映到了加工误差中，所以把工艺系统的误差称之为原始误差。在原始误差中，与工艺系统初始状态有关的称为几何误差，在几何误差中很大一部分就是工件的定位误差。

工件装配中的定位误差是由于工件在夹具上（或机床上）定位不准确而引起的加工误差。其本质是工件在夹具上定位后工件的工序基准在加工要求方向上的最大的变动量。定位误差来源自基准位置误差和基准不重合误差，它们分别定位元件的制作误差和定位基准的选择不同而引起的。定位误差的传统计算方法主要有以下三种：

（1）合成法：即分别计算基准位置误差和基准不重合误差，然后再在加工方向上进行合成。

（2）定义法：根据定位误差的本质即工序基准的最大变动量来计算定位误差。

（3）微分法：用几何方法得出某定位尺寸的表达式，然后对其进行微分，最终求得其定位误差。

上述三种定位误差的计算方法看似不同，但本质上是相似的，都是在二维平面上进行分析，得到相关表达式后代入数据得出计算结果，过程十分繁琐，并且分析的过程需要依靠人工完成，极大地限制了工件加工的效率。

随着计算机辅助设计软件的出现，在计算机模拟的虚拟环境下进行定位误差的分析与计算成为可能，这为制造技术中的工件安装过程提供了很大的便利。

例如在SolidWorks装配体环境下，可以使用软件中的“测量工具”快速而又准确地得到定位误差的具体数值，其分析过程的基本思想是建立在“定义法”的基础之上的，其具体的分析计算方法是：

（1）利用SolidWorks建立定位元件与工件的三维模型并分别保存。

（2）利用SolidWorks新建一个装配体，将第一步中的两个三维实体作为装配零件调入，并进行模拟工件装夹的情况进行装配。

（3）在装配体中建立一系列点、线、面与工件的工序基准相对应。例如利用SolidWorks中的“临时轴”命令，来快速建立内孔或者是外圆的中心线作为工序基准。

（4）接下来需要分析影响工序基准在加工方向上变动的因素，再分别以各个影响因素的最小或者最大尺寸对董建重建模型，从而得到工序基准两个上下极限位置；多个独立因素会分别影响工序基准变动，独立因素中的尺寸因素可以直接用于重建模型，而同轴度等位置因素引起的工序基准变动量则需要进行简单相加后再用于重建模型。

（5）在SolidWorks中选择使用尺寸测量工具，分别测量在上述的两种极限位置下工序基准沿加工要求方向至夹具体上的某一个固定的参考位置的距离，两次测量值之间的差的绝对值即是所要求的定位误差。

这种方法的计算精度可以在SolidWorks的文档属性的单位选项中自行设定。随着三维的计算机辅助设计软件的发展，这种方法具有很大的技术优势。

现代制造技术在向着信息化集成化的方向发展，那么将定位误差的分析计算利用三维设计软件来实现，可以与整个系统实现信息对接。在产品的设计阶段即可在虚拟环境下利用三维模型对可能出现的定位误差进行分析计算，然后根据此进行设计方案或者工件的装夹方案的改进，可以有效的避免出现过大的定位误差而造成工件加工制造的损失；同时也可以利用已经设计完善的夹具的三维模型，导入三维设计软件中进行定位误差的分析计算，以省去定位方案的建模过程，快速得到结果。根据以上的论述，可见这种利用三维建模软件进行定位误差计算的方法具有广阔的应用前景以及极大的开发空间。

[1]王先逵.机械制造工艺学[M].北京：机械工业出版社，2006：260-272