機用虎鉗設計.doc

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摘要 夾具對于保證加工精度，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，緩解工人勞動強度，擴大機床的工藝范圍等都具有重要意義。夾具是工藝裝備的重要組成部分，在機械制造行業(yè)中具有舉足輕重的地位。近年來，夾具在國內(nèi)外也正在逐漸形成為一個依附于機床業(yè)或獨立的小行業(yè)。 本文主要使用計算機輔助設計軟件（creo2.0）完成機用虎鉗的整體機構(gòu)建模與裝配，并加載伺服電機進行運動仿真分析，得出結(jié)論。研究發(fā)現(xiàn)，虎鉗具有結(jié)構(gòu)緊湊，夾緊力度強，易于操作使用等特點，很適合中小型銑床、鉆床以及平面磨床等機械設備使用。通過該課題研究，加強對夾具原理設計以及計算機輔助設計等方面的系統(tǒng)化認識，加深對先進設計、智能制造的理解。 關鍵詞 機用虎鉗 計算機輔助設計 運動仿真 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 國內(nèi)外夾具設計的發(fā)展背景 1 1.2 課題背景及意義 2 第二章 機用虎鉗概述 3 2.1 機床夾具概述 3 2.1.1 夾具的分類 4 2.2.2 夾具的原理 4 2.2 機用虎鉗的作用與結(jié)構(gòu) 5 2.3 機用虎鉗的工作原理 6 2.4 機用虎鉗使用的注意事項 7 第三章 機用虎鉗三維設計 8 3.1 Creo 2.0概述 8 3.2 Creo 2.0的選用理由 9 3.3機用虎鉗主要零件設計 9 第四章 機用虎鉗運動仿真 25 致 謝 27 參考文獻 28 第一章 緒論 1.1 國內(nèi)外夾具設計的發(fā)展背景 作為機電產(chǎn)品制造中不可或缺的四大工具（刀具、夾具、量具、模具）之一，夾具對于保證加工精度，提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，減輕工人勞動強度，擴大機床的工藝范圍，縮短產(chǎn)品試制周期等都具有重要意義。夾具是工藝裝備的重要組成部分，在機械制造行業(yè)中具有舉足輕重的地位。 近10余年來，單件、小批量生產(chǎn)正逐漸成為現(xiàn)代機械制造業(yè)新的生產(chǎn)模式。在這種模式下，發(fā)達國家普遍采用計算機輔助產(chǎn)品設計(CAD)、計算機輔助工程分析(CAE)和計算機仿真技術進行產(chǎn)品設計，這同時也對加工機床及機床夾具提出了更高的柔性要求，以求縮短生產(chǎn)準備時間、降低生產(chǎn)成本。按照單一品種設計出來的專用夾具已經(jīng)遠遠不能滿足生產(chǎn)發(fā)展的需求，在這種情況下，組合夾具的出現(xiàn)是必然的。組合夾具正好能夠適應單件、小批量生產(chǎn)的模式，它對縮短工藝裝備的設計、制造周期，以及產(chǎn)品換型后對原有工裝夾具延續(xù)使用起到至關重要的作用。 圖1-1 計算機輔助設計制造 雖然我國趕超世界發(fā)達國家的步伐越來越快，借鑒“德國工業(yè)4.0”，也提出了“中國制造2025”的概念，但由于起步晚，底子薄，與德國、美國、日本等先進水平相比，仍然還有較大差距。為了提高我國數(shù)字化產(chǎn)品在國際市場中的競爭力，我們必須加強先進設計方面的研究。 1.2 課題背景及意義 本課題來源于德州職業(yè)技術學院畢業(yè)設計，設計要求是：設計一機用虎鉗，使用計算機輔助設計軟件（creo2.0）完成整體機構(gòu)建模與裝配，并加載伺服電機進行運動仿真分析，得出結(jié)論。 機用虎鉗具有結(jié)構(gòu)緊湊，夾緊力度強，易于操作使用等特點，很適合中型銑床、鉆床以及平面磨床等機械設備使用。通過該項研究，系統(tǒng)加強對夾具原理設計以及計算機輔助設計等方面的認識，加深對先進設計、智能制造的理解。 第二章 機用虎鉗概述 2.1 機床夾具概述 機床夾具是機床上用以裝夾工件（和引導刀具）的一種裝置。其作用是將工件定位，以使工件獲得相對于機床和刀具的正確位置，并把工件可靠地夾緊。 圖2-1 a) 機床夾具 b) 機床夾具 c) 機床夾具 2.1.1 夾具的分類 （1）通用夾具 特點是適應性廣，生產(chǎn)效率低，主要適用于單件、小批量的生產(chǎn)中。 （2）專用夾具 特點是結(jié)構(gòu)緊湊，操作迅速、方便，可以保證較高的加工精度和生產(chǎn)效率。 （3）通用可調(diào)夾具和成組夾具 該類夾具特點是夾具的部分元件可以更換，部分裝置可以調(diào)整，以適應不同零件的加工。 （4）組合夾具 組合夾具特點是靈活多變，萬能性強，制造周期短、元件能反復使用，特別適用于新產(chǎn)品的試制和單件小批生產(chǎn)。 （5）隨行夾具 隨行夾具是一種在自動線上使用的夾具。該夾具既要起到裝夾工件的作用，又要與工件成為一體沿著自動線從一個工位移到下一個工位，進行不同工序的加工。 2.2.2 夾具的原理 （1）定位元件 它與工件的定位基準相接觸，用于確定工件在夾具中的正確位置，從而保證加工時工件相對于刀具和機床加工運動間的相對正確位置。 （2）對刀、引導元件或裝置 這些元件的作用是保證工件與刀具之間的正確位置。 （3）夾緊裝置 用于夾緊工件，在切削時使工件在夾具中保持既定位置。 （4）連接元件 使夾具與機床相連接的元件，保證機床與夾具之間的相互位置關系。 （5）夾具體 用于連接或固定夾具上各元件及裝置，使其成為一個整體的基礎件。它與機床有關部件進行連接、對定，使夾具相對機床具有確定的位置。 （6）其它元件及裝置 有些夾具根據(jù)工件的加工要求，要有分度機構(gòu)，銑床夾具還要有定位鍵等。 以上這些組成部分，并不都是缺一不可的，但是任何夾具都必須有定位元件和夾緊裝置，它們是保證工件加工精度的關鍵，目的是使工件定準、夾牢。 圖2-2 夾具的原理 2.2 機用虎鉗的作用與結(jié)構(gòu) 機用虎鉗是安裝在機床工作臺上，用于夾緊工件，以便進行切削加工的一種通用工具。固定鉗身可安裝在機床的工作臺上，起固定機座作用。轉(zhuǎn)動手柄可以旋轉(zhuǎn)絲杠，絲杠通過螺旋孔帶動滑塊左右運動，移動滑塊上面帶著活動鉗口，這樣，活動鉗口和固定鉗口一起就可以實現(xiàn)工件的夾緊和松開。 圖2-3 機用虎鉗結(jié)構(gòu)圖 機用虎鉗主要由以下幾個部件組成： ①底座：用來支撐底盤及鉗體； ②底盤：用來支掌鉗體，并可帶動鉗體旋轉(zhuǎn)； ③鉗體：安裝在底座上面，用來和支掌活動掌及工件； ④活動掌：用來收緊或放松鉗身，從而夾緊工件； ⑤鉗口：夾緊工件時鉗口接觸工件的部份，可置換； ⑥壓板：用來活動掌固定在鉗體上； ⑦絲杠：用來連接鉗體與活動掌，并帶動活動掌作軸向運動； ⑧手柄：安裝在絲杠右端，使絲杠作旋轉(zhuǎn)運動； ⑨螺栓、螺母：用來固定虎鉗的各部件。 2.3 機用虎鉗的工作原理 它的結(jié)構(gòu)是由鉗體、底座、導螺母、絲杠、鉗口體等組成?；顒鱼Q身通過導軌與固定鉗身的導軌作滑動配合。絲杠裝在活動鉗身上，可以旋轉(zhuǎn)，但不能軸向移動，并與安裝在固定鉗身內(nèi)的絲杠螺母配合。當轉(zhuǎn)動手柄使絲杠旋轉(zhuǎn)，就可以帶動活動鉗身相對于固定鉗身作軸向移動，起夾緊或放松的作用。彈簧借助擋圈和開口銷固定在絲杠上，其作用是當放松絲杠時，可使活動鉗身及時地退出。在固定鉗身和活動鉗身上，各裝有鋼制鉗口，并用螺釘固定。鉗口的工作面上制有交叉的網(wǎng)紋，使工件夾緊后不易產(chǎn)生滑動。鉗口經(jīng)過熱處理淬硬，具有較好的耐磨性。固定鉗身裝在轉(zhuǎn)座上，并能繞轉(zhuǎn)座軸心線轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)到要求的方向時，扳動夾緊手柄使夾緊螺釘旋緊，便可在夾緊盤的作用下把固定鉗身固緊。轉(zhuǎn)座上有三個螺栓孔，用以與鉗臺固定。 圖2-4 機用虎鉗原理圖 圖2-5 機用虎鉗裝配圖 2.4 機用虎鉗使用的注意事項 （1）安裝時，必須使固定鉗口的一部分突出于鉗臺外緣，這樣在夾持長條形工件的時候，鉗臺外緣不會干涉工件。 （2）固定在鉗臺上的時候，三個壓緊螺釘必須扳緊，不能使虎鉗鉗身在零件加工過程中出現(xiàn)松動，否則會損壞虎鉗和影響加工精度。 （3）在夾緊工件時，只許用手的力量扳動手柄，絕不允許用錘子或其他套筒扳動手柄，以免絲杠、螺母或鉗身受到損壞。 （4）裝卸工件需要敲擊時，應該在固定鉗身的平臺上進行，不能在鉗口上敲擊工件，以免損壞鉗口。 （5）絲杠、螺母和其他滑動表面要求經(jīng)常保持清潔，并加油潤滑。 第三章 機用虎鉗三維設計 近年來計算機輔助設計之所以能迅速發(fā)展，主要是因為它可以提高設計效率、提高設計質(zhì)量、實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、實現(xiàn)智能設計。計算機輔助設計方便快捷、效率高，大型設計可以數(shù)人同時操作；易修改，后期處理方便，數(shù)套設計方案可以同時推出；它的表現(xiàn)手段豐富，視覺沖擊強烈。但是計算機輔助設計帶來方便的同時也對設計人員提出了更高的要求，設計人員需要具備扎實的功底和熟練的操作技能。 3.1 Creo 2.0概述 圖3-1 Creo 2.0界面 2012年3月，PTC公司推出正式版Creo 2.0。Creo 是一組可伸縮的、可互操作的產(chǎn)品設計軟件，可快速實現(xiàn)價值，功能覆蓋整個產(chǎn)品開發(fā)領域，空前的互操作性，可確保在內(nèi)部和外部團隊之間輕松共享數(shù)據(jù)。Creo 的產(chǎn)品設計應用程序使企業(yè)中的每個人都能使用最適合自己的工具，因此，他們可以全面參與產(chǎn)品開發(fā)過程。 Creo 2.0是目前工作中最優(yōu)秀的2D和3D CAD軟件，具備互操作性、開放、易用三大特點，軟件整合了PTC公司的三個軟件Pro/Engineer的參數(shù)化技術、CoCreate的直接建模技術和ProductView的三維可視化技術，能夠為用戶設計出富有創(chuàng)意的三維產(chǎn)品。 3.2 Creo 2.0的選用理由 Creo 2.0在計算機輔助設計制造方面屬于中檔以上的設計軟件，非常具有先進性。同時，該軟件操作簡單、容易上手，操作界面比較人性化，特別是參數(shù)化設計，對于操作者來說是更自然，更直觀，無需采用復雜的幾何設計方式。所以在本次畢業(yè)課題設計中選用該軟件。 圖3-2 a) 零件模式下的工具欄 b) 組件模式下的工具欄 c) 工程圖模式下的工具欄 3.3機用虎鉗主要零件設計 （1）鉗體設計 本次設計的定位為一般的小型機用虎鉗，所以設計鉗體的三維尺寸為長184mm、寬126mm、高84mm。內(nèi)槽兩側(cè)開有退位槽，這樣可以增大虎鉗的行程。考慮到安裝要求，對稱添加四個耳板，半徑R28。 圖3-3 鉗體零件圖 ① 新建文件 依次點擊“新建”→“零件” →“實體”，將文件名記為零件“qianti”，最后點擊“確定”進入設計界面。 ② 創(chuàng)建特征 點擊“拉伸”按鈕，進入草繪模式。創(chuàng)建草繪，拉伸深度為25，單擊“確定”，完成創(chuàng)建。 ③ 創(chuàng)建導軌 選擇側(cè)面螺桿支撐座的側(cè)面為草繪平面，創(chuàng)建矩形，然后拉伸127mm，得到導軌實體。 ④ 創(chuàng)建固定鉗口的固定體 將鉗體的上端面作為草繪平面，創(chuàng)建矩形，拉伸100mm。 ⑤ 添加左右耳板 點擊“拉伸”按鈕，進入草繪模式。創(chuàng)建圓形，拉伸深度為8，單擊“確定”，完成創(chuàng)建。 ⑥ 創(chuàng)建“孔”特征 單擊特征工具欄中“拉伸”按鈕，單擊“放置”→“定義”，點擊相應位置作為草繪平面，單擊“草繪”按鈕，進入草繪模式。最后選擇去除材料，拉伸得到孔眼。 ⑦ 最后還需要創(chuàng)建“螺紋孔”特征 圖3-4 a) 鉗體三維視圖 b) 鉗體仰視圖 c) 鉗體俯視圖 （2）活動鉗身設計 活動鉗身主要承載活動鉗口，還要連接螺桿。所以鉗身上端設計螺紋孔，用于螺桿的連接，側(cè)邊采用弧形設計，以方便必要的時候生產(chǎn)加工人員手工操作。 圖3-5 活動鉗身零件圖 采用相同的建?！安堇L”、“拉伸”方法，首先創(chuàng)建底板，然后創(chuàng)建上部實體，最后打通孔。得到上滑塊的三維視圖和俯視圖如下： ①創(chuàng)建底板特征 ②創(chuàng)建鍵槽特征 選擇板的側(cè)表面為草繪平面，選擇“拉伸”進入草繪模式。最后選擇去除材料，得到鍵槽。 ③創(chuàng)建“孔”特征 ④最后創(chuàng)建固定鉗口的支撐座 圖3-6 a) 活動鉗身主視圖 b) 活動鉗身左視圖 （3）螺桿的設計 圖3-7 螺桿零件圖 螺桿的具體尺寸如上圖所示，在參數(shù)設計時，絲杠螺紋進行45倒角，螺距為3。具體創(chuàng)建過程如下： ① 創(chuàng)建“絲杠主體”特征 單擊特征工具欄中“旋轉(zhuǎn)”按鈕，然后依次點擊“放置”→“定義”，選擇右面為草繪平面，進入草繪模式后單擊“直線”選項。 ② 創(chuàng)建“絲杠螺紋”特征 單擊工具欄中的“插入”按鈕，依次選擇“螺紋掃描” →“切口” →“常數(shù)——穿過軸—右手定則—完成” →“TOP—正向—缺省”，輸入螺距。最后點擊對話框中“確定”按鈕，完成“螺紋”創(chuàng)建。 ③ 在螺桿的端部開Φ9的孔，以便安裝手柄。 圖3-8 a) 絲杠三維建模圖 （4）鉗口的設計 鉗口包括活動鉗口和固定鉗口。 ①鉗口主體設計 在草繪模式中創(chuàng)建草圖如下： “拉伸”深度為10。 ②創(chuàng)建“錐孔”特征 選擇“Front”平面作為草繪平面。 ③創(chuàng)建“紋路”特征 單擊按鈕，選擇直線進入草繪模式。選擇“陣列”，以方向分布，選取右側(cè)面，數(shù)量為20，距離為6。 圖3-9 a) 鉗口板三維建模 b) 鉗口板零件圖 （5）其它附件的設計 附件主要是指螺釘、手柄、手柄球、定位銷等等。 ① 螺釘 圖3-10 a) 螺釘尺寸 b) 螺釘三維建模 ② 手柄 圖3-11 a)手柄尺寸 b) 手柄三維建模 c) 手柄兩端開Φ3.2孔 ③ 手柄球 圖3-12 a) 手柄球尺寸 b) 手柄球與手柄裝配 ④ 卡套 圖3-13 a) 卡套尺寸 b) 卡套三維側(cè)視圖 c) 卡套三維俯視圖 ⑤ 緊定銷 圖3-14 緊定銷尺寸 ⑥ 滑鍵 圖3-15 a) 滑鍵尺寸 b) 滑鍵三維視圖 （6）裝配圖 圖3-16 機用虎鉗剖視圖 圖3-17 三維裝配圖 圖3-18 三維側(cè)視圖 最后的總裝配圖如下所示： 第四章 機用虎鉗的運動仿真 機械運動仿真技術是一種建立在機械系統(tǒng)運動學、動力學理論和計算機實用技術基礎上的新技術，涉及建模、運動控制、機構(gòu)學、運動學和動力學等方面的內(nèi)容，主要是利用計算機來模擬機械系統(tǒng)在真實環(huán)境下的運動和動力特性，并根據(jù)機械設計要求和仿真結(jié)果，修改設計參數(shù)直至滿足機械性能指標要求或?qū)φ麄€機械系統(tǒng)進行優(yōu)化。 運動仿真是設計過程中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，通過運動仿真可以查看設計方案是否合理、運動和力學性能參數(shù)是否滿足設計要求、零部件在運動過程中是否存在干涉問題等等。所以在最后一章，我們進行運動仿真來檢測設計結(jié)果。 首先將鉗體與固定鉗口用剛性連接在一起組成一個部分記為f0，再將上滑塊、下滑塊、活動鉗口、螺釘用剛性連接在一起記為f1，最后將f0和f1通過絲杠連接在一起，裝配完成。在裝配好的基礎上進行機構(gòu)的運動仿真，在絲杠和下滑塊以及鉗體上裝配伺服電動機，之后進行分析就可以讓機用虎鉗進行運動了。機用虎鉗的運動過程具體如下： （1）當手柄順時針旋轉(zhuǎn)時，絲杠帶動虎鉗上下滑塊相對固定鉗體從左向右移動，將絲杠的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑝K的直線運動，利用固定鉗口夾緊工件。 圖4-1 a) 活動鉗口向右運動 b) 夾緊工件 （2）當手柄逆時針旋轉(zhuǎn)時，絲杠帶動虎鉗上下滑塊相對固定鉗體從右向左移動，從而松開工件。 圖4-2 a) 活動鉗口向左運動 b) 松開工件 致 謝 不知不覺大學生活轉(zhuǎn)瞬即逝，我自己也從一個懵懂無知的少年變成了裝滿知識的青年，即將走出校園，邁入社會。在技術學院學習、生活的這段時間里，我收獲了很多，譬如知識、朋友等等，這段時間離不開老師、朋友的指導和督促，正是由于他們才有了我的今天，在這里向他們表示深深的感謝。 首先要感謝的是我的導師梁東明老師，在畢業(yè)設計的這段時間里，他總是不辭辛苦地指導、修改我的設計，每當遇到困難，他都指導我查閱資料、一起研究，如果沒有他的悉心指導，我的畢業(yè)設計是很難完成的。導師高尚的品德、淵博的學識、嚴謹?shù)膶W風和高度的責任心深深地影響著我，他的治學嚴謹和科學研究的精神也是永遠值得我學習的。在此，謹向尊敬的導師表示真誠的感謝和崇高的敬意！ 然后還要感謝和我一起作畢業(yè)設計的各位同學，感謝所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵，此次畢業(yè)設計才會順利完成。 最后，作者還要深深地感謝默默支持本人完成學業(yè)的父母及親友，感謝他們?yōu)槲宜龀龅臒o私奉獻和巨大支持！ 李兆旺 2015年11月17日 參考文獻 [1]陳立德.機械設計基礎.北京：高等教育出版社,2004. 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