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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(shè)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(shè)備使用。通過該課題研究，加強對夾具原理設(shè)計以及計算機輔助設(shè)計等方面的系統(tǒng)化認識，加深對先進設(shè)計、智能制造的理解。 關(guān)鍵詞 機用虎鉗 計算機輔助設(shè)計 運動仿真 目 錄 第一章 緒論 1 1.1 國內(nèi)外夾具設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計(CAD)、計算機輔助工程分析(CAE)和計算機仿真技術(shù)進行產(chǎn)品設(shè)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(shè)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(yīng)單件、小批量生產(chǎn)的模式，它對縮短工藝裝備的設(shè)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(guān)重要的作用。 圖1-1 計算機輔助設(shè)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(shè)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(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計，設(shè)計要求是：設(shè)計一機用虎鉗，使用計算機輔助設(shè)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(shè)備使用。通過該項研究，系統(tǒng)加強對夾具原理設(shè)計以及計算機輔助設(shè)計等方面的認識，加深對先進設(shè)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(dǎo)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(guān)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(chǔ)件。它與機床有關(guān)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(guān)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(dǎo)螺母、絲杠、鉗口體等組成?；顒鱼Q身通過導(dǎo)軌與固定鉗身的導(dǎo)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(yīng)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(shè)計 近年來計算機輔助設(shè)計之所以能迅速發(fā)展，主要是因為它可以提高設(shè)計效率、提高設(shè)計質(zhì)量、實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、實現(xiàn)智能設(shè)計。計算機輔助設(shè)計方便快捷、效率高，大型設(shè)計可以數(shù)人同時操作；易修改，后期處理方便，數(shù)套設(shè)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(shè)計帶來方便的同時也對設(shè)計人員提出了更高的要求，設(shè)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(shè)計軟件，可快速實現(xiàn)價值，功能覆蓋整個產(chǎn)品開發(fā)領(lǐng)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(shè)計應(yīng)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(shù)、CoCreate的直接建模技術(shù)和ProductView的三維可視化技術(shù)，能夠為用戶設(shè)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(shè)計制造方面屬于中檔以上的設(shè)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(shè)計，對于操作者來說是更自然，更直觀，無需采用復(fù)雜的幾何設(shè)計方式。所以在本次畢業(yè)課題設(shè)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(shè)計 （1）鉗體設(shè)計 本次設(shè)計的定位為一般的小型機用虎鉗，所以設(shè)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?？紤]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(shè)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)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(shè)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(shè)計螺紋孔，用于螺桿的連接，側(cè)邊采用弧形設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計 鉗口包括活動鉗口和固定鉗口。 ①鉗口主體設(shè)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(shè)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(shù)是一種建立在機械系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)理論和計算機實用技術(shù)基礎(chǔ)上的新技術(shù)，涉及建模、運動控制、機構(gòu)學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)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(shè)計要求和仿真結(jié)果，修改設(shè)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(shè)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(shè)計方案是否合理、運動和力學(xué)性能參數(shù)是否滿足設(shè)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(shè)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(chǔ)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(xué)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(shù)學(xué)院學(xué)習(xí)、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(dǎo)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(dǎo)師梁東明老師，在畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，他總是不辭辛苦地指導(dǎo)、修改我的設(shè)計，每當遇到困難，他都指導(dǎo)我查閱資料、一起研究，如果沒有他的悉心指導(dǎo)，我的畢業(yè)設(shè)計是很難完成的。導(dǎo)師高尚的品德、淵博的學(xué)識、嚴謹?shù)膶W(xué)風(fēng)和高度的責任心深深地影響著我，他的治學(xué)嚴謹和科學(xué)研究的精神也是永遠值得我學(xué)習(xí)的。在此，謹向尊敬的導(dǎo)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(shè)計的各位同學(xué)，感謝所有的同學(xué)們，正是因為有了你們的支持和鼓勵，此次畢業(yè)設(shè)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(xué)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(shè)計基礎(chǔ).北京：高等教育出版社,2004. 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