组合夹具虚拟设计实验与教学应用研究

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【摘要】联系生产实际,利用现代技术,开设了组合夹具虚拟设计实验,并结合实例介绍了虚拟实验技术在实践教学中的应用,通过组合夹具虚拟设计实验实例提出了与具体实体实验相结合的具体方法。实践表明,实验教学方法改造提升了传统的教学实验,可以培养学生实际动手能力和创新思维能力。

【关键词】组合夹具;虚拟设计;KBE

【中图分类号】G420 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)10―0141―04

经济全球化和现代科技的迅速发展使制造业发生了根本性的变化,其趋势是产品品种多样化,新产品开发快;大批量生产比例下降,中小批量生产比例增加;市场竞争日益激烈。随着制造业的迅猛发展,工业生产中数控机床和加工中心的使用越来越得到普及,对于这些昂贵设备必须使其满负荷运行才能取得良好的经济效益,因此快速生产准备成为一个引人注目的问题,而工装夹具设计正是生产准备过程中的关键环节之一。一般认为,夹具工装的准备时间约占整个加工时间的10～20%,夹具设计效率和设计质量的好坏、设计周期的长短直接影响到产品质量和研发周期,关系到产品在市场上的竞争力。

目前,各高等工科院校在相关机械工程及自动化专业里都先后开设了《机械制造基础》、《机械制造装配设计》、《机械制造工程学》、《制造技术与CAM》等课程,这些课程的共同点是都涉及到有关机床夹具工装设计等知识,故开展工装夹具设计等方面的综合性实验具有非常重要的现实意义。由于工装夹具设计是一门理论与实践性较强的综合应用设计,它涉及到多门机械制造专业相关课程:《机械制造工艺学》、《金属切削机床》、《机床夹具设计》、《公差与技术测量》、《金属工艺学》等,它具有很强的系统性和实用性。机械工装相关课程工程实践性强的特点,决定了需要大量课时的实验和课程设计实践教学来配合课程学习,才能获得较好的教学效果。以往很多学校机械工装相关课程基本都没有安排实验。主要原因是观念陈旧,受实验室条件的限制,实验室设备的更新投入跟不上实验教学的要求发展。利用现代技术,尤其是计算机采取组合夹具KBE快速设计软件模拟仿真与组合夹具元件实物组装实现相结合的方法,将仿真虚拟实验技术引入实验教学,以计算机辅助教学来补充常规教学,可大大缓解实验室投入不足和实验空间、实验时间、实验内容受限制的不足。为此,我院机电工程分院联系生产与教学实际,在机械工程及自动化专业开设了15学时的软件虚拟设计组装与实物动手组装相结合的综合性、开放性的组合夹具实验课程,本文对该实验的教学过程及方法作一些探讨。

一 组合夹具虚拟设计组装介绍

组合夹具是一种标准化、系列化及通用化程度很高的工艺装备,它是由一套预先制造好的各种不同形状、不同规格、不同尺寸、具有完全互换性的标准元件和组合件,按工件的加工要求组装而成的夹具。由于组合夹具使用完毕后,可以拆卸、清洗,重新组装成新的夹具,因此,组合夹具的应用非常普遍,尤其适合于多品种、中小批量的生产。随着近20年来数控机床和柔性制造系统的迅猛发展,组合夹具在机械制造专业的多品种、中小批量生产及缩短生产准备时间、充分发挥现代设备能力等方面起着越来越大的作用。目前,大多数工厂的组合夹具是根据工艺人员设计的工序图由组合夹具组装站进行组装,由于大多没有详细的装配图,组装时往往需要经过多次安装、调整才能达到要求,比较费时费力。随着UG、Solidworks等CAD/CAM软件层出不穷,将这些软件应用到组合夹具设计中,则可使夹具的设计非常快捷,装配生产率得以显著提高。

组合夹具KBE快速设计软件采用UG软件的工作界面,工作界面非常直观,操作方便,夹具元件菜单和各种应用工具菜单都在同一个窗口内,它采用图形输入方式,从创建定位、导向、基础底座,施加夹紧元件到调用各种支持元件都可直接从屏幕上进行,如图1所示。因此,在计算机上可以虚拟出一个夹具元件、合件品种齐全的组合夹具组装工作台,所创建的组合夹具和组装精度分析方法都十分贴近实验,所见即所得,形象直观生动,犹如身临其境,仿佛置身于实验室使用真实元器件组装夹具。这样既解决了购买高档测量仪器、大量组合夹具元器件之难,又避免了元件损坏、试拼凑搭接夹具麻烦等不利因素,从而提高了前期的组合夹具设计效率,大大加快了机械产品开发速度。

二 组合夹具虚拟实验的特点

随着大规模数据库技术、计算机技术、CAD软件技术的飞跃发展,许多原来由硬件才能完成的功能, 如今都能依靠软件来实现, 即“以虚代实”,“以软代硬”,在计算机上用“虚拟平台”、“虚拟元件”进行组合夹具设计和组装仿真。这种新的实验教学方法灵活有趣,能充分调动学生的积极性,促使其主动参加实验教学的整个过程,同时教学资源可以得到优化配置和共享。与传统的实物实验相比,仿真虚拟实验具有以下特点:

1 软件包内的组合夹具元件种类繁多,其参数可任意设定、添加,合件齐全,可做各种机床夹具设计实验,如图2所示。

2 实验不消耗器材,实验所需器材种类和数量不限制,实验成本低;

3 实验速度快,效率高,容易开展各种设计性、综合性实验,提高了学生夹具设计能力;作品自制的成功会给学生带来一种成就感,增加其学习的兴趣,自主性更高;

4 可以方便地分析组装结果,利用打印机直接打印组合夹具三维组装图、元件数量、类别;

5 在教学中引入现代化教育手段,可以营造一种生动活泼、轻松愉快的教学氛围,其突出的特点就是直观性强,便于学生自学。

三 组合夹具虚拟实验的实施

利用现有的计算机,再加一套组合夹具KBE快速设计软件,就相当于建立了一个拥有现代化先进设备的虚拟机床夹具实验室。学生在这个实验室里学习工件的工艺分析、定位原理和夹紧技术,做机床夹具设计实验,进行组合夹具设计,是一件轻松愉快的事情。组合夹具的虚拟设计技术的应用将计算机技术与机床夹具设计结合起来,为机械工装相关课程的教学改革打开了窗口。

在实施组合夹具虚拟设计实验前,教师要利用一定的时间给学生讲解组合夹具虚拟软件菜单的使用方法。学生掌握虚拟设计软件后,可以根据实验要求自己设计实验分析方案、组装步骤、夹具精度分析方法,并在计算机上进行组合夹具虚拟设计。虚拟设计通过后,再发给其必要的组合夹具元件,让学生动手搭建组合夹具,进行实物组装实验和精度分析,记录实验过程现象,分析实验中产生的现象。这样可以大大避免因夹具元件参数选取不合适或实验效果不理想而反复更换夹具元件带来的麻烦,同时也缩短了组合夹具设计和调试的周期,减少了盲目损坏元件件及相关仪器工具的概率。

因此,学生通过简单组合夹具组装仿真实验--简单组合夹具实物组装实验--复杂夹具设计仿真实验到最后具体的综合性实物组装实验这一循序渐进的过程,不仅掌握了一定的实验技术和技巧,提高了动手能力、独立思考和独立操作能力,还培养了学生从事科学实验研究的兴趣,从而大大提高实验教学的效果。

四 组合夹具实验过程

1 了解实验要求。实验前,学生应明确实验目的和要求,温习机械工装课中的有关机床夹具设计方面的定位、夹紧等内容,了解所给工件的形状、材料、毛坯种类、加工要求及其它技术条件,熟悉加工所用的机床与刀具,并给予工件二维图纸或实物,制定加工工艺。

2 熟悉组合夹具元件。要求熟悉八种不同组合夹具元件的结构、尺寸和使用方法,如图3所示,以及组装工具与辅具的用法。如定位平键,5mm厚的薄平键多用作支承件之间的定位;厚键常用在支承件与基础件之间的定位,或支承件之间加垫片时的定位。

3 设计虚拟组装方案。指导教师根据学生所制定的加工工艺,选择难度适中的一道加工工序(如钻孔或铣槽)作为设计夹具的对象。让学生在KBE组合夹具快速设计软件上进行虚拟组装设计,学生在熟悉工件图纸和元件的过程中,已逐步形成了概念,再经过分析、判断来确定工件的定位面和夹紧部位,选择定位、夹紧及相应支承元件、基础板等,并考虑采取保证夹具尺寸精度和刚度的措施,以及工件装卸、切屑排除等问题,从而初步构思出组合夹具的结构形式。根据设计的结构方案,在软件平台上进行虚拟组装。把从元件库里选好的元件初步定位,并放进工件,但元件之间暂不固定。再分析这样的定位、夹紧结构、夹具形式能否满足加工的要求,以及调整、测量和装卸工件是否方便,从而逐步解决试装中出现的各种问题,诸如结构间配置不当,尺寸计算错误,安装定位键和螺栓的困难等。要经常更换部分元件,甚至局部改变设计方案,对某些主要元件的尺寸也要进行测量和挑选,以确保必要的尺寸精度和形位精度等技术要求。虚拟组装中,教师应放手让学生干,讲解要简明,指导可粗些,通过虚拟组装中对方案的修改和补充,使设计方案更合理化。如图4。

4 实物组装。设计出的虚拟组装方案经指导教师审阅通过后即可正式用实物进行组装。组装时,先把所选的元件擦洗干净,按从内到外、从上到下的顺序把各元件用定位键、螺栓和螺母等可靠地连接成不同形式的组装单元,再由组装单元装配成不同的结构,最后组装成完整的夹具。组装的次序一般为基础部分、定位部分、导向部分、压紧部分;在联接的同时要进行有关尺寸的测量和调整,组装与调整交替进行,即边组装、边测量、边固定。组装中要尽量避免过盈配合,以免损坏元件;对元件的薄弱环节,如基础板与T形槽相交处,要采取一些增大接触面、用十字键等措施以增加强度。调整是组装中十分重要的环节,调整精度将直接影响工件的加工精度,所占的工作量也较大;正确的调整方法可使夹具调整的既快又准。调整方法有:单个方向、两个方向和多元件调整。组装中尽可能采用两个方向调整的方法,即先调整一个方向后再调整另一个方向,如图5所示。调整后在被调整元件的周围用铜锤轻击几下,以消除应力,稳定夹具尺寸。

5检验。组装夹具调整结束后,要求学生对所设计和组装的夹具进行一次全面的检验,其内容为:①工件的定位、夹紧是否合理,能不能保证工件的加工精度。②工件的装卸是否方便。③夹具结构是否轻巧、简单,便于调整及清除切屑。④元件的使用是否合理。⑤夹具的刚性是否能保证安全使用。⑥能否保证在机床上顺利安装。另外还要进行一次有关尺寸的精度复测,并检验零星元件是否配齐。

组装结束后,指导教师可和学生一起进行现场验收,指出这次设计组装的优缺点和修改建议,最后要求学生总结实验过程,写出有特色的实验报告。

五 实验效果

综上所述,将虚拟技术应用于组合夹具的设计是十分方便,可以提高工作效率,缩短设计周期,实现虚拟组装效果逼真,并在跟踪性和快速性方面获得令人满意的效果。在实践教学中,充分发挥虚拟技术在实践教学中的地位,挖掘虚拟技术与硬件技术各自的优势,两者相互补充、相互促进,精心组织实践教学,既可以加强学生基本功的训练,又能让学生掌握现代科学技术知识,必将会收到良好的实践教学效果。综合实验后,学生普遍反映:“该综合实验内容全、形式新,实验过程中独立思考的问题较多,动手的机会大大增加,收获极大。”经过这次综合实验的锻炼,学生在课程设计中能有条不紊地进行,设计进度明显加快,教师指导时也感到轻松了。学生一般都能自己查资料、虚拟设计方案和实物动手组装,不但心中有谱,而且积极性大大提高,实验气氛也十分活跃。实践证明,利用软件虚拟设计组装与实物动手组装相结合的综合性实验的开设,可以锻炼学生综合实验的正规操作技能,培养其综合分析问题和解决问题的能力,从而提高了教学质量,深化了实验教学改革。

参考文献

[1]融亦鸣,朱耀祥,罗振壁.计算机辅助夹具设计[M].北京:机械工业出版社2002,2.

[2]宋象军.虚拟实验室在高校实验教学中的应用前景[J].实验技术与管理,2005,1.

[3]韩强,郝忠民.虚拟实验室在高校实践教学中的应用与研究[J].吉林工程技术师范学院学报,2007.

[4]李湘媛.基于实例的组合夹具设计及管理系统的研究[D].北京:北京理工大学,2003.