工装设计校验及优化技术研究

田延晖

（中国人民解放军93469部队，石家庄 050000）

工装设计校验及优化技术研究

田延晖

（中国人民解放军93469部队，石家庄 050000）

机械加工过程中，工装是对工件在整个机械中的位置进行定位，其设计结构与加工技术对机械整体加工质量、生产效率和生产成本具有十分重要的影响。而工装设计校验与技术，则是对机械工装精度与定位准确性进行检验的一个重要手段。基于提高工装设计校验精度与优化技术目的，本文对工装设计校验与优化技术系统功能模块的设计与实现及数控薄壁工件装夹变形进行了详细分析。

工装设计校验 优化技术 系统 数控薄壁工件

自改革开放以来，我国机械制造业发展日渐迅速。与此同时，人们对机械零件加工、工装定位准确性、装夹稳定性与变形控制的要求越来越高，尤其是在信息时代下的今天。为进一步提高机械工装设计校验的精度与技术水平，需要借助信息技术对工装设计校验与技术进行优化升级。这是机械工件发展过程中的必然要求，也是顺应时代的必然趋势。

1　工装设计校验及优化系统的设计与实现

CAD作为当代制图领域应用最为广泛的计算机软件之一，在机械制图中发挥着至关重要的作用。因此，本文利用CAD软件作为工装设计校验与优化技术系统开发平台。通过将系统嵌入到UGNX与CATIA V5两个软件中，实现对该系统功能的设计与实现。

1.1系统功能模块设计

根据对工装设计校验与优化技术系统性能及需求的综合性分析，本文将该系统功能划分为三大模块，即工装设计、工装校验与工装资源管理。其中，工装设计主要用于实现加快工装设计的速度，具体包括工装底板设计、工装对刀元件、工装垫块设计等；工装校验模块主要用于对工装设计是否合理进行检验，具体包括一面两孔式定位几何精度校验及工装稳定性与工件表面最大变形评价；工装资源管理主要用于对系统各项资源进行整合与管理，具体包括工装标准件、工装自定义元件及元件入库管理、工装仿真设备及实例等[1]。这三个功能模块既能够独立运行，又能够相互协同工作，共同构成了工装设计校验与优化技术系统。

1.2系统功能的实现

1.2.1工装元件快速设计的实现

工装元件快速设计及设计校验的实现,采用CATIA V5软件提供的二次开发技术CAA来完成。该软件主要以工具条和菜单的形式，将工装元件快速设计及校验所需组件集成到CATIA当中。根据前文所述，工装元件快速设计模块主要包括对刀元件、垫块元件和底板设计等部分，所以该功能的实现就需要分别实现每一项子功能[2]。对刀元件及其他元件的设计可以通过依次选择安装平面与特征、装配点、元件参数、类别与细别、具体元件来实现。

1.2.2工装资源管理的实现

由于UG与NXOpen技术开发软件能够进行完美的融合，所以本文利用UGNX软件提供的二次开发技术实现对工装资源管理功能的实现。其中，采用服务端Teamcenter作为资源管理平台，资源库主要由组件库（ComponentLib）、工装实例库（FixtureCaseLib）、用户自建库（UserDefin edLib）、标准件库（StanddardLib）及仿真设备库（Equipme ntLib）组成，且每个资源库均包含一个用于存储该库中资源记录的.LibPrt文件[3]。工装资源库关键字可以用空格符、逗号等分隔开。实际应用过程中，用户输入相应的关键字点击检索按钮，系统内所有符合检索要求的记录就会显示在搜索结果列表中。若没有限定检索条件，则系统默认显示记录的专业名称、类别和代号。点击其中任意一条记录，与该条记录相关的详细信息就会显示在详细信息框中，如产品代号、用途、设计者、功能等。除关键字检索外，还可以采用分类导航的方法进行查找，即在资源库目录中按照分类、专业分类、元件名称的顺序依次进行检索，便可找到相应的工件或实例[4]。其他资源库检索方式类似。工装资源管理模块的增、删、改等其他操作，可以通过系统管理子界面完成。选择对应数据库中的某条记录后，便可对该记录进行修改与删除等操作。

2　数控薄壁工件装夹变形的分析

2.1工装结构对装夹稳定性的影响

在工件工装设计过程中，工装装夹稳定性能否满足设计要求是较为关键的一个问题。受设计者自身能力、技术、判断过程复杂等因素限制，目前对工装加工稳定性的预判断往往较为困难，一般设计者很难及时发现工装设计过程中的不稳定情况。工件装夹稳定性的判断需要考虑工装自身结构及加工切削点受力情况。此外，还需要对夹紧点之间的距离进行估算，对夹紧布局是否均匀、夹紧点与辅助支撑点是否足够、支撑元件数目等进行检查。

采用较为模糊的方法，即从工件信息、夹紧布局、定位布局与支撑布局几方面，分析工装结构对装夹稳定性的影响[5]。利用相关算法与公式得知，夹紧布局越密集，夹紧点之间最小距离平均值、单个夹紧点平均覆盖面积大小、支撑点之间最小距离平均值和单个支撑点平均覆盖面积大小数值均越小。这说明对于同一类或类似工件来说，模糊分析法所涉及的夹紧布局等因素对装夹稳定性影响具有一定的相似性。

2.2加工精度改进策略

根据上文对数控薄壁件装夹稳定性影响的分析，本文提出了几点关于提高加工精度的具体策略，包括优化切削参数、加强夹紧变形与变夹紧力控制等。考虑到切削参数与加工精度、工装等级相关联，而切削厚度与速度直接影响着切削力，所以根据刀具路径来改变切削厚度，进而对薄壁变形进行控制。同时，采用逆铣走刀进行切削，可以显著提高工件加工精度。控制夹紧变形需要依据数控薄壁件特点，在保证工装稳定性满足要求的前提下，将其始终控制在变形临界值以内，并使工装布局支撑点与夹紧点相互对应，从而达到对夹紧变形的有效控制。

图1 某数控薄壁零件加工参数优化结构示意图

图1为某数控薄壁零件加工切削参数优化后的示意图。处于工装设计优化考虑，设计人员对该零件的切削厚度、刀具进给速度、切削力、刀具路径几方面都进行了相应改进。由于切削力的存在可能会导致被加工零件在切削过程中发生移动，从而影响切削加工精度，因而采用真空吸附夹具，利用其与零件之间的摩擦力来抵消或减弱切削力，以实现对零件切削质量的有效控制，保障零件在切削过程中始终处于稳固状态。另外，为切实看到切削参数优化后数控零件加工精度的改进效果，切削时采取高速、小切削力的加工方式。改进后，该数控薄壁零件的切削加工与工装设计均得到了明显优化。其中，表现最为突出的地方为工装设计的定位精度、安装精度、轴向夹紧与装夹稳定性较之前相比均有显著提升。这说明优化切削加工参数是改善薄壁零件加工精度的一个有效策略。

3　总结

综上，本文主要阐述了工装设计校验与优化技术系统的功能设计与实现，并以数控薄壁工件为例对其工装相关内容进行描述。从上文内容得知，工装设计校验与定位精度、装夹稳定性受诸多因素影响，只有定位方法适用，工装布局合理，工装设计校验精度才会得到切实提高，工件装夹稳定性才会符合设计要求。总之，工装设计校验与优化技术是机械制造领域当前及未来所面临的一个重要课题。

[1]吕凯.基于知识工程的规范化飞机工装设计研究[D].南京：南京航空航天大学，2014.

[2]张云华.飞机壁板装配柔性工装设计与优化技术研究[D].沈阳：沈阳航空航天大学，2014.

[3]高博.基于知识重用的夹具智能设计关键技术研究[D].北京：北京理工大学，2014.

[4]顾雨甜.飞机装配型架卡板快速设计及分析技术研究与实现[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[5]韩怡.飞机工装相关性设计技术研究与实现[D].南京：南京航空航天大学，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