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[摘 要]将UG软件三维建模技术引入到机床夹具设计中，较好地解决了夹具设计中空间复杂、投影繁琐的问题。UG
三维建模不仅能够直观显示夹具零件的实体形状，还能显示各零件的相互位置关系，从而降低夹具设计相关理论的难度，提高夹具设计效率。
[关键词]三维建模 机床夹具设计 UG 软件
中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）31-0228-01
引言
机床夹具是机械加工中一种重要的工艺设备。夹具设计的得当与否，在很大程度上影响着工件的加工质量、生产率、经济效益与劳动条件。所以，在机械加工中，机床夹具起着非常重要的作用。而专用机床夹具更以其独特的作用，在现代化生产和航空发动机制造中占有重要的地位。
1 UG三维建模
Unigraphics（简称UG）是集CAD/CAE/CAM一体的三维参数化软件，是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件之一，广泛应用于通用机械、汽车等工业领域。UG软件有强大的三维建模功能，在UG/CAD模块中，对于单个零件建模，可采用实体建模、特征建模、自由建模等建模的命令实现，建立的实体模型形象、逼真，不仅可以自由地翻转，进行动态观察，而且可以进行方便的动态修改、调整和再生等，使工艺人员能够更直观地进入真实的三维空间，从感性上理解三维实体的结构。同时三维和二维图形互相转换，引导工艺人员培养空间想象思维和构形能力，增强设计者对所设计夹具的理解，缩短设计周期，达到见效快的效果。
2 设计实例
本文以夹具自动定心夹紧装置的设计为切入点，简要介绍如何在UG三维建模环境下进行工装设计。
自动定心夹紧装置是机械设计中较常见的夹紧装置形式之一，在夹具设计中有着广泛应用。其它常用的螺旋夹紧、偏心轮夹紧等与该结构夹紧原理也都大同小异。目前许多夹具设计手册都把它作为经典的夹紧装置加以介绍，然而所有手册都只给出该装置的平面图。从理论上讲，该夹具的底板有足够大空间，底板上应设置定位装置，工件应该放在定位装置上，以减少对底板磨损和提高定位精度。对于它的工作原理和过程的介绍，较简单。对于首次接触夹具设计的工艺人员来说，如果照本宣科，很多人可能在复制一遍以后，会产生很多疑问，诸如：夹具中各零件的具体的形状是什么样？各零件相对位置如何，又是如何连接起来的呢？夹具是如何实现夹紧工件的？如果这些疑问得不到解决，工艺人员对该装置的设计原理的理解效果就会大打折扣。
为此我们在实际夹具设计过程中，利用UG三维建模，将平面、静止的概念变为三维、动态的实体模型，并采用运动仿真虚拟夹具的装配过程，从而降低了设计的难度，提高设计效率。
2.1 夾具总体结构及夹紧过程
夹具的三维总体结构及夹紧过程如图2所示。夹具工作过程如下：滑块在螺旋力的作用下在导向块内左右同心移动，装在滑块上的左右夹头首先接触零件，在滑块向前移动同时，压板右端逐渐抬起，左端向下将工件夹紧。松开工件时，夹头在螺旋力的作用下向左右后退，并带动压板向两边运动。在模拟滑块工作的过程中，设计者通过观察滑块和零件的相对位置、夹头伸出长短、压板相对位置以，直观地理解压紧和松开的过程，十分轻松地理解夹具的工作原理。
三维模型不仅清楚显示了夹具的外部形貌，还可以通过旋转，很容易实现从不同的角度去观察夹具总体结构。对于内部不易观察到的结构，可以用UG软件的隐藏及显示任意结构的功能，隐藏遮挡部件来实现观察。如观察定心结构中丝杆状态，即可通过软件隐藏外部结构即可，这在实物模型中不可能做到。同时还可以检查设计中的错误。例如没有支座及其相关机构，滑块在导向块内左右移动过程中，无法锁住中心也就失去该结构的功能，也就没有可能压住工件。如此简单、快速的模拟给设计员设计夹具带来极大的方便，其效果远比看二维图效果要好得多。
2.2 主要零部件结构
2.2.1底板（见图2）。在进行夹具底板结构设计时，首先要考虑底板中间槽的结构，然后再安排各定位孔及锁紧螺钉的位置，其结构应该是：中部有一对定位支座的螺钉孔，用来锁紧定位支座，实现丝杠的相对水平移动。整个长形槽也是滑块运行的轨迹，起到一槽两用，完成两个零件的安装，简化了底板加工难度。在压紧过程中，4个销钉与8个螺钉一起使用，保证了滑块在导板运行的过程中不偏转。
2.2.2导向块（见图2）。平直面及上下两端面是其工作面，考虑到滑块运动时的自由性，导板与滑块之间的滑槽应采用间隙配合。为了使滑动过程中不出现偏摆，采用定位销钉和螺钉联合使用的方法。中间部分上有一个配合支座的定位槽，用来连接定位支座。两销孔应处在对角线位置上或者在较远直线距离。
2.3 装配
利用UG的装配菜单，可以模拟夹具的装配。其主要装配工具菜单为：编辑构造、新建、添加零件、移除零件、重新定位。复杂夹具系统的装配过程可包括数个子装配过程。UG中夹具的虚拟装配和实际装配是相同的。首先找到装配基准的点线面，这点与夹具设计所讲的点线面基准完全吻合，然后是配对方式，UG中提供了好多种配对方式，对齐、角度、垂直、平行、距离等，如本夹具中的滑块与导向板是通过中心对齐实现配对的，因此可以选择将要接触的表面和导向槽的侧面之间的距离都为零即可；与销是通过孔来定位的，即孔的内表面和销的外表面之间的距离为零（夹具的装配关系如图2所示）。通过模拟装配，进一步了解夹具中零件的装配顺序，各零件之间的相对位置关系，便于设计者对夹具结构的理解。
UG是基于特征的参数化设计软件，同一特征的零件只要进行简单的数字修改，就可以得到新的零件。
在利用UG进行装配的过程中，相互配对的零件，如果有位置偏差直接就可以看出。当选择了配对条件之后，发现零件有位置问题，可以直接在原图上修改，装配图上会自动修改原零件的尺寸，这样也可以提高工艺员的设计兴趣。
3 结束语
借助UG软件建立起来的夹具零件三维模型形象逼真，便于设计者直观地了解零件的实际结构。借助UG软件建立夹具的装配图，方便理解各零件的相对位置关系和装配的先后顺序，加深对夹具结构和功能的理解。UG三维建模能培养夹具设计的空间思维能力，为以后的设计打下良好基础。总之，利用UG软件三维建模进行夹具设计，虽然在开始阶段可能要进行较长时间的建模准备，但随着UG软件使用熟练程度的提高，夹具设计也会变得越来越轻松。
三维建模不仅能够直观显示夹具零件的实体形状，还能显示各零件的相互位置关系，从而降低夹具设计相关理论的难度，提高夹具设计效率。
[关键词]三维建模 机床夹具设计 UG 软件
中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）31-0228-01
引言
机床夹具是机械加工中一种重要的工艺设备。夹具设计的得当与否，在很大程度上影响着工件的加工质量、生产率、经济效益与劳动条件。所以，在机械加工中，机床夹具起着非常重要的作用。而专用机床夹具更以其独特的作用，在现代化生产和航空发动机制造中占有重要的地位。
1 UG三维建模
Unigraphics（简称UG）是集CAD/CAE/CAM一体的三维参数化软件，是当今世界最先进的计算机辅助设计、分析和制造软件之一，广泛应用于通用机械、汽车等工业领域。UG软件有强大的三维建模功能，在UG/CAD模块中，对于单个零件建模，可采用实体建模、特征建模、自由建模等建模的命令实现，建立的实体模型形象、逼真，不仅可以自由地翻转，进行动态观察，而且可以进行方便的动态修改、调整和再生等，使工艺人员能够更直观地进入真实的三维空间，从感性上理解三维实体的结构。同时三维和二维图形互相转换，引导工艺人员培养空间想象思维和构形能力，增强设计者对所设计夹具的理解，缩短设计周期，达到见效快的效果。
2 设计实例
本文以夹具自动定心夹紧装置的设计为切入点，简要介绍如何在UG三维建模环境下进行工装设计。
自动定心夹紧装置是机械设计中较常见的夹紧装置形式之一，在夹具设计中有着广泛应用。其它常用的螺旋夹紧、偏心轮夹紧等与该结构夹紧原理也都大同小异。目前许多夹具设计手册都把它作为经典的夹紧装置加以介绍，然而所有手册都只给出该装置的平面图。从理论上讲，该夹具的底板有足够大空间，底板上应设置定位装置，工件应该放在定位装置上，以减少对底板磨损和提高定位精度。对于它的工作原理和过程的介绍，较简单。对于首次接触夹具设计的工艺人员来说，如果照本宣科，很多人可能在复制一遍以后，会产生很多疑问，诸如：夹具中各零件的具体的形状是什么样？各零件相对位置如何，又是如何连接起来的呢？夹具是如何实现夹紧工件的？如果这些疑问得不到解决，工艺人员对该装置的设计原理的理解效果就会大打折扣。
为此我们在实际夹具设计过程中，利用UG三维建模，将平面、静止的概念变为三维、动态的实体模型，并采用运动仿真虚拟夹具的装配过程，从而降低了设计的难度，提高设计效率。
2.1 夾具总体结构及夹紧过程
夹具的三维总体结构及夹紧过程如图2所示。夹具工作过程如下：滑块在螺旋力的作用下在导向块内左右同心移动，装在滑块上的左右夹头首先接触零件，在滑块向前移动同时，压板右端逐渐抬起，左端向下将工件夹紧。松开工件时，夹头在螺旋力的作用下向左右后退，并带动压板向两边运动。在模拟滑块工作的过程中，设计者通过观察滑块和零件的相对位置、夹头伸出长短、压板相对位置以，直观地理解压紧和松开的过程，十分轻松地理解夹具的工作原理。
三维模型不仅清楚显示了夹具的外部形貌，还可以通过旋转，很容易实现从不同的角度去观察夹具总体结构。对于内部不易观察到的结构，可以用UG软件的隐藏及显示任意结构的功能，隐藏遮挡部件来实现观察。如观察定心结构中丝杆状态，即可通过软件隐藏外部结构即可，这在实物模型中不可能做到。同时还可以检查设计中的错误。例如没有支座及其相关机构，滑块在导向块内左右移动过程中，无法锁住中心也就失去该结构的功能，也就没有可能压住工件。如此简单、快速的模拟给设计员设计夹具带来极大的方便，其效果远比看二维图效果要好得多。
2.2 主要零部件结构
2.2.1底板（见图2）。在进行夹具底板结构设计时，首先要考虑底板中间槽的结构，然后再安排各定位孔及锁紧螺钉的位置，其结构应该是：中部有一对定位支座的螺钉孔，用来锁紧定位支座，实现丝杠的相对水平移动。整个长形槽也是滑块运行的轨迹，起到一槽两用，完成两个零件的安装，简化了底板加工难度。在压紧过程中，4个销钉与8个螺钉一起使用，保证了滑块在导板运行的过程中不偏转。
2.2.2导向块（见图2）。平直面及上下两端面是其工作面，考虑到滑块运动时的自由性，导板与滑块之间的滑槽应采用间隙配合。为了使滑动过程中不出现偏摆，采用定位销钉和螺钉联合使用的方法。中间部分上有一个配合支座的定位槽，用来连接定位支座。两销孔应处在对角线位置上或者在较远直线距离。
2.3 装配
利用UG的装配菜单，可以模拟夹具的装配。其主要装配工具菜单为：编辑构造、新建、添加零件、移除零件、重新定位。复杂夹具系统的装配过程可包括数个子装配过程。UG中夹具的虚拟装配和实际装配是相同的。首先找到装配基准的点线面，这点与夹具设计所讲的点线面基准完全吻合，然后是配对方式，UG中提供了好多种配对方式，对齐、角度、垂直、平行、距离等，如本夹具中的滑块与导向板是通过中心对齐实现配对的，因此可以选择将要接触的表面和导向槽的侧面之间的距离都为零即可；与销是通过孔来定位的，即孔的内表面和销的外表面之间的距离为零（夹具的装配关系如图2所示）。通过模拟装配，进一步了解夹具中零件的装配顺序，各零件之间的相对位置关系，便于设计者对夹具结构的理解。
UG是基于特征的参数化设计软件，同一特征的零件只要进行简单的数字修改，就可以得到新的零件。
在利用UG进行装配的过程中，相互配对的零件，如果有位置偏差直接就可以看出。当选择了配对条件之后，发现零件有位置问题，可以直接在原图上修改，装配图上会自动修改原零件的尺寸，这样也可以提高工艺员的设计兴趣。
3 结束语
借助UG软件建立起来的夹具零件三维模型形象逼真，便于设计者直观地了解零件的实际结构。借助UG软件建立夹具的装配图，方便理解各零件的相对位置关系和装配的先后顺序，加深对夹具结构和功能的理解。UG三维建模能培养夹具设计的空间思维能力，为以后的设计打下良好基础。总之，利用UG软件三维建模进行夹具设计，虽然在开始阶段可能要进行较长时间的建模准备，但随着UG软件使用熟练程度的提高，夹具设计也会变得越来越轻松。