基于solidworks机床夹具库的与管理.docx

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基于solidworks机床夹具库的与管理

毕业设计论文

基于SolidWorks机床夹具库的设计与管理

摘要

计算机辅助夹具设计作为CIMS集成中的一个重要环节，克服了传统夹具设计存在的设计周期长，设计效率低等问题，降低了设计人员的劳动强度，提高了夹具设计的质量，从而能够大幅度缩短产品开发周期，提高企业的市场竞争力。

本文在回顾了CAD的概念、发展、组成后，在对国内外CAD系统进行广泛研究的基础上，结合中国制造业存在的问题，以实用性、高效性为指导思想，提出了以建立机床夹具库作为切入点设计CAD系统的新思路，并付诸实现。

通过对目前各类CAD软件在国内应用现状的调查、比较、分析，从开发的难易程度、可移植性、易维护性等各方面考虑，选定广为用户使用的三维CAD设计软件SolidWorks作为开发平台，综合运用VisualBasic编程技术和Access数据库管理技术，借助SolidWorksAPI强大的二次开发功能，构建了一个无缝集成于SolidWorks的CAD系统，开发完成了基于特征造型、可参数化驱动生成零部件的机床夹具零部件库。

该系统对于技术人员相对匾乏的中小企业来说，在机床夹具的设计制造中将有极好的应用前景。

关键词:

参数化驱动，SolidWorks二次开发，机床夹具库

SolidWorks-basedFixtureDesignAndManagement

ABSTRACT

ActingasaimportantsegmentofCIMS,ComputerAidedFixtureDesignsolvesmanyproblemsofthetraditionaldesignsuchasthelongdesignperiod,thelowefficiencyandsoon.Itreducesthelaborintensityandimprovesthedesignlevelforfixture.Asaresult,itcanshortendevelopmentcycleandincreasesthecompetitivepoweroftheenterprises.

Inthisthesis,theconception,developmentandcompositionofCADarereviewedfirst.Undertheguideideaofpracticabilityandhighefficient,basedonthestudyoftheCADatnationalandforeigncountriesandassociatingwiththeproblemsofChinesemanufacturing,anewmethodaboutCADsystem,whichwasatthebeginningofbuildinglibraryformachinetoolfixture,wasputforwardandrealized.

Throughinvestigating,comparing,analyzingthevariableCADsoftwareandthinkingaboutthedegreeofdifficulty,transportabilityandmaintainability,the3DCADsoftwareSolidWorkswasselectedasthedevelopingplatformandVisualBasicprogramtechniqueanddatabasemanagementtechniqueofAccesswasutilized.BythesecondarydevelopmentfunctionofSolidWorksAPI,aseamlessintegrationCADsystemwasbuilt,afeature-basedandparameter-drivenpartslibraryformachinetoolfixturedeveloped.Itwillhaveagoodapplicationfutureindesigningandmanufacturingoftoolfixturefortheenterpriseswhichlaketechnicalpersonnel.

KEYWORDS:

Parameterdriving,SolidWorksAPI,Libraryofmachinetoolfixture

摘要I

ABSTRACTII

1绪论1

1.1课题的来源及意义2

1.1.1课题背景及主要内容2

1.1.2国内外对机床夹具CAD的研究2

1.1.3课题的意义4

1.2机床夹具5

1.2.1夹具的一般概念5

1.2.2夹具的组成5

1.2.3夹具的作用5

1.2.4机床夹具的分类6

1.2.5夹具设计的基本要求6

1.2.6柔性夹具7

1.2.7组合夹具8

2机床夹具库的建立10

2.1引言10

2.2夹具几何建模介绍10

2.2.1参数化建模10

2.2.2变量化造型理论11

2.2.3实体建模11

2.3基于SolidWorks的夹具建模11

2.3.1基于特征11

2.3.2SolidWorks中的参数化12

2.3.3SolidWorks实体建模12

2.4SolidWorks夹具库的建立12

2.4.1夹具元件库的建立12

2.4.2添加库元件13

2.4.3对夹具进行分类管理14

2.5SolidWorks配置技术16

2.5.1主要特征和尺寸命名16

2.5.2建立系列零件设计表17

2.5.3生成配置17

2.5.4显示配置18

2.6SolidWorks在夹具设计中的应用18

3VB开发SolidWorks技术20

3.1SolidWorks二次开发API技术简介20

3.2SolidWorks二次开发原理20

3.3SolidWorks二次开发步骤20

3.4VB开发SolidWorks机床夹具元件21

3.4.1基于SolidWorks的夹具元件建模21

3.4.2Access建立夹具数据库22

3.4.3VB程序的设计22

3.5机床夹具数据库的创建23

3.5.1建立数据库23

3.5.2VB连接Access数据库26

3.6VB与SolidWorks的连接28

3.7VB程序编程30

3.7.1引言30

3.7.2VsualBasic控件介绍30

3.8VB程序运行SolidWorks34

3.8.1应用程序界面设计34

3.8.2添加多个窗体37

3.8.3运行VB程序38

4机床夹具管理系统40

4.1引言40

4.2夹具管理系统的基本结构40

4.2.1机床夹具图形预览40

4.2.2夹具的使用管理42

4.2.3加工人员信息管理45

4.2.4夹具的借还管理46

5结论47

致谢48

参考文献49

1绪论

机床夹具在机械制造业中应用广泛，由机床夹具和机床、刀具、工件组成的加工工艺系统，能够根据工艺要求，迅速实现工件的定位和夹紧，并在加工过程中保持它们之间的正确相对位置。

随着制造业的发展，对产品的要求越来越个性化，使得产品更新换代周期越来越短，多品种小批量已成为当今制造业的主流。

当前，一个以微电子技术为标志的新的工业革命浪潮正在席卷全球，产品加速更新换代，国内外机电产品竞争空前激烈；为了迅速“上品种，上质量，上水平，和提高经济效益”，机床夹具在制造业中发挥着重要的作用。

从国际生产技术发展趋势来看，数控技术（NC），柔性制造系统（FMS），计算机集成生产（CIM）将日益成为常用的生产方式，而夹具恰恰正是适合这类生产的柔性工艺装备。

此外，夹具技术还逾越出机床夹具这一范畴，而渗透到各种工艺过程中，形成了组合工艺装备这一新概念。

与之相适应的NC机床也得到了迅速发展。

机床夹具的快速设计，已经成为机械行业的主流，因此建立参数化的夹具库，对夹具设计人员的意义重大。

在机械行业中，许多机械零件的形状结构具有共同特征，只是相对大小或特征上存在一定的差异，如果能够通过一个模板模型衍生出不同的模型，就会大大提高设计效率。

参数化设计是将系列化、通用化和标准化的定型产品中，随产品规格不同而变化的参数用相应的变量代替，通过对变量的修改，从而实现同类结构机械零件设计的参数化。

参数化造型的基本思想是用数值约束、几何约束和方程约束来说明产品模型的形状特征，从而得到一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。

参数化实体造型的关键是几何模型的构建。

随着CAD技术的发展，工程师们已经习惯的二维设计正在被三维设计所取代。

目前最典型的三维设计工具有UG、Pro/E、SolidWorks、SolidEdge等，它们已经成为工业界标准。

但是这些软件虽然提供了一些常用的标准件库，但是都没有提供夹具设计的参数化、用户可方便自扩充的元件库。

这样，对于夹具设计人员，就常常因为没有夹具元件库，而要进行很多不必要的重复绘图工作，大大降低了设计人员的工作效率。

因此在CAD系统上建立一套用户自己维护的参数化的机床夹具元件库，可以满足设计人员快速设计的需求。

SolidWorks提供了非全约束的参数化设计主要通过两种方法实现：

一是利用内嵌的Excel工作表制定参数，创建多个不同配置的零件或装配体;二是利用编程语言作为开发工具，对SolidWorks进行二次开发，用程序实现参数化设计。

本文主要介绍以SolidWorks软件为平台建立夹具元件库。

SolidWorks软件支持多种格式的CAD文件转换。

用SolidWorks建立夹具元件库，就可以通过相应的文件格式转换实现其他CAD系统的文件，从而可以达到满足其它CAD系统调用的目的。

1.1课题的来源及意义

1.1.1课题背景及主要内容

随着制造业中越来越多计算机数控系统机床和加工中心的使用，产品的开发更趋向于广泛的多品种和小批量。

由于产品的生产周期越来越短，制造厂商更加意识到以数控机床为基础的现代柔性制造系统（FMS）和柔性制造单元（FMC）,需要一种性能可靠、装配时间短和灵活快速的夹具，并最终实现自动组装。

因此，机床夹具的快速设计在机械制造的各个行业中逐步获得推广和广泛应用。

为此本文提出基于SolidWorks软件为平台，开发出一套机床夹具CAD系统。

主要的工作是建立机床夹具元件库，利用VB开发夹具元件，用Access存储夹具数据。

利用VB和Access建立夹具的管理系统。

课题的主要内容：

（a）机床夹具库的建立，通过分析机床夹具元件结构，按夹具定位，夹紧方式对机床夹具进行分类。

（b）确定夹具参数，利用excel建立参数表，自动生成不同的配置。

利用VB语言对SolidWorks进行二次开发，实现VB与access数据库的连接，在VB中可添加或者删除数据。

（c）在VB运行界面里，选择不同的夹具参数，在SolidWorks软件中自动绘制对应的夹具图形。

（d）利用数据库软件对机床夹具进行一个简单的管理。

1.1.2国内外对机床夹具CAD的研究

传统的夹具设计存在着劳动强度大、设计周期长等种种弊端。

随着工业生产中数控机床和加工中心的广泛应用，以及CAD、CAM等集成系统的发展，此问题就变得日益严峻，因此夹具计算机辅助设计的研究就成了时代的需要。

国内外的研究大致可以分为两个阶段：

（1）完全人机交互式组装系统的研究与开发阶段。

（2）将人工智能引入组装系统的阶段。

因这两个阶段在时间上有很大的交叉性，故分别从国内外的研究历程来分析一下。

近十几年国内对夹具CAD系统的开发：

20世纪80年代中期，中国航空技术进出口公司应欧洲客户要求，设计了一套二维计算机组装软件，揭开了我国开发夹具CAD系统的帷幕。

从20世纪80年代中期开始，我国先后有十余所高校对夹具CAD系统做了探索，以下是北京机械工业学院研究开发的几个系统：

①BMFCAD1.0槽系组合夹具CAD。

用于加工中心上M12槽系组合夹具设计，运行于十六位微机和DOS操作系统下。

此系统有一个带有夹具和工艺信息的编码系统，编码作为输入信息用作检索和选择相似夹具。

系统向设计人员提供组装结构思路，并自动生成清单。

②BMFCAD2.0智能槽系组合夹具CAD系统，此系统是在BMFCAD1.0版本基础上嵌入了一个组装专家系统，是基于成组技术的相似夹具的变异式系统，用AutoCAD和DBASE作为支持软件。

组装专家系统的主要功能为组装定位、夹紧方案设计和基础件的选择。

国外研究开发计算机辅助夹具设计系统的情况：

前苏联早在20世纪70年代一些专家就开始夹具CAD的研究工作。

由于所用计算机软件落后，使发展受到很大限制。

20世纪80年代美国、欧洲不少学者和公司投入这一工作，其中美国密执安大学于1987年研制成功的CAD—FMS系统就很具有代表性。

国际上的这些研究主要是在夹具结构的自动布局理论与方法，夹具设计专家系统，CAPP中增加夹具规划功能和实用化夹具CAD系统的开发等。

在夹具结构自动布局的理论和方法方面，AmyJ.C.Trappey用空间投影技术法简化了工件总体形状的表示，然后用几何推理的方法，通过PSOE一套立体网络搜索的策略得到夹具的布局。

Y.C.Chou对夹具中非回转体零件所受切削力、定位力矩和夹紧力矩等用一线性规划模型表示，然后按照螺旋理论来校验其平衡，从而得出合理的夹具布局。

在夹具设计专家系统方面，A.Markus等设计出了一个用Prolog语言为箱体类零件装配组合夹具的MODBUILD系统。

这个系统运行时需要技术人员决定工件的定位、夹紧方案作为系统的输入，MODBUILD系统就能做出夹具装配图的设计。

A.R.Darvishi和K.F.Gill建造了夹具设计的专家系统知识库。

先用现有知识构造知识库的框架，然后逐步扩大。

以此知识库为基础的专家系统能产生夹具元件图，用于显示加工零件简单的装配图。

这些夹具设计方法大都沿用了CAPP的方法，即变异式和创成式。

变异式即应用成组技术的原理，由新零件检索现有类型相似夹具，按新零件的技术要求对已检索出的夹具进行修改，最后由绘图机输出夹具装配图，创成式是根据输入信息，系统能或多或少地部分生成夹具装配图，在较少的交互方式下完成设计。

但创成式仍停留在原始阶段，离实用尚有不少的距离，因此两者结合的智能化系统是目前研究者颇感兴趣的问题。

专家系统是目前夹具智能化常用的方法。

在组合夹具计算机辅助构型方面，很多学者已经应用传统专家系统技术，如基于规划的系统进行了研究，然而由于这种技术的缺陷，已经阻碍了该领域的发展，主要表现为以下几个方面：

①应用设计方面的复杂知识很难简化为一定的规则，这些规则是从以往相似的例子中归纳总结出来的，然而，利用这些基于规则的系统很难解决设计中的复杂问题；

②专家系统不能很清楚的表达领域的知识；

③对于以规则性知识为基础的专家系统来说，知识的获取还是一个难题。

当前机床夹具CAD研究开发中存在的问题有:

自动化夹具设计系统的功能是有限的，许多复杂夹具设计仍需人的干涉;现有CAD系统作为商品化CAD软件包，在屏幕上操作几何形很费时，所以进一步开发交互式机床夹具CAD系统，对工业应用是很有价值的。

1.1.3课题的意义

夹具的设计制造在机械制造生产准备工作中占有重要的地位，它的设计与制造质量对保证产品质量有决定性影响，其设计与制造的周期在整个生产准备中最长，实际决定着整个生产准备周期。

通过调研我们注意到夹具设计有以下的特点：

⑴夹具设计中尽量采用标准件和常用件

设计人员在进行夹具设计时，尽量选用标准件和通用件进行设计，若每次设计人员都需要重新对这些零件进行造型，设计人员必须要做许多重复性的劳动。

⑵夹具设计是一个高度依赖经验的设计问题

设计师在构思夹具设计方案时，往往根据个人的设计制造经验将新工件的结构特征、制造特征与已有工件的结构特征和制造特征相比较，根据这些特征的相似性找出与新工件最为相似的工件及它的装夹规划方案和夹具元件，经过调整来获得新夹具的设计，很少是从头做起的。

针对这两个特点，本课题着重研究并充分利用已有的夹具设计经验，将参数化设计应用到设计中，以进一步缩短工装设计周期，提高夹具的设计质量，并应用数据库管理、计算机图形学、成组技术，参数化技术为用户提供一个良好的设计环境，将标准件、通用件以及以往的设计经验存储在计算机中辅助设计人员进行夹具设计，将大大提高设计人员的效率，减轻他们的劳动强度，因此，本课题是具有先进性和实用价值的。

SolidWorks是美国SolidWorks公司基于Windows平台开发的著名的全参数化三维实体造型软件，它具有强大的零件设计、钣金设计、管理设计、绘制二维图、支持异地协同工作等功能。

它可以实现由三维实体造型向二维工程图的转化，能够使零件设计、装配设计和工程图保持全时间的相关和同步。

同时SolidWorks具有良好的开放性和兼容性。

它不仅可以向下兼容二维AutoCAD，使得以前采用AutoCAD软件进行的设计得以继续使用和转化，同时还可以与许多其他专业软件（如有限元分析软件Ansys、数据加工软件Camworks、数据管理系统SmarTeams三维实体设计软件UG、Pro/E等）无缝集成为功能十分强大的CAD系统，完全能胜任大型工程与产品的设计、分析、制造和数据管理。

目前，各类用户不仅在应用SolidWorks的强大功能进行各类专业设计，同时也在不断探索SolidWorks的二次开发技术，从而力求扩展SolidWorks的功能并使其用户化、专业化。

在机械行业中，许多机械零件的形状结构具有共同特征，只是相对大小或特征上存在一定的差异，如果能够通过一个模板模型衍生出不同的模型，就会大大提高设计效率。

参数化设计是将系列化、通用化和标准化的定型产品中，随产品规格不同而变化的参数用相应的变量代替，通过对变量的修改，从而实现同类结构机械零件设计的参数化。

参数化造型的基本思想是用数值约束、几何约束和方程约束来说明产品模型的形状特征，从而得到一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。

参数化实体造型的关键是几何模型的构建。

SolidWorks提供了非全约束的参数化设计主要通过两种方法实现：

一是利用内嵌的Excel工作表制定参数，创建多个不同配置的零件或装配体;二是利用编程语言作为开发工具，对SolidWorks进行二次开发，用程序实现参数化设计。

以SolidWorks软件为平台建立夹具元件库。

SolidWorks软件支持多种格式的CAD文件转换。

用SolidWorks建立夹具元件库，就可以通过相应的文件格式转换实现其他CAD系统的文件，从而可以达到满足其它CAD系统调用的目的。

1.2机床夹具

1.2.1夹具的一般概念

夹具广泛用于各种制造工序中，用以将工件定位并牢固地夹持在一定的位置，以便按照产品设计规定，完成要求的制造过程。

为了将工件可靠定位，经常用定位件和支承件与工件表面相接触，以限制工件包括移动和旋转在内的六个自由度，用夹紧来抵消切削力，以保证工件牢固定位。

传统夹具以专用夹具为代表主要有四种功能：

定位、夹紧、导向和对刀。

1.2.2夹具的组成

（a）定位元件由于夹具的首要任务是对工件进行定位和夹紧，因此无论何种夹具都必须有用以确定工件正确加工位置的定位元件。

（b）夹紧装置夹紧装置的作用是将工件在夹具中压紧夹牢，保证工件在加工过程中当受到外力作用时，其正确的定位位置保持不变。

（c）夹具体夹具上的所有组成部分都需要通过一个基础件使其联结成为一个整体，这个基础件称为夹具体。

（d）其他装置或元件除了定位元件、夹紧装置和夹具体外，各种夹具还根据需要设置一些其他装置或元件，如分度装置、引导装置、对刀元件等。

1.2.3夹具的作用

（a）保证工件的加工精度：

采用夹具后，工件各有关表面的相互位置精度是由夹具来保证的，比划线找正所达到的精度高很多，并且质量稳定。

（b）提高劳动生产率：

采用夹具后，能使工件迅速地定位和夹紧，不仅省去了划线找正所花费的大量时间，而且简化了工件的安装工作，显著地提高了劳动生产率。

（c）改善工人劳动条件，保障生产安全：

用夹具装夹工件方便、省力、安全。

用气动、液动等夹紧装置，可大大减轻工人的劳动强度。

夹具在设计时采取了安全保证措施，用以保证操作者的人身安全。

（d）降低生产成本：

在批量生产中使用夹具时，劳动生产率提高，并且允许使用技术等级较低的工人操作，可显著地降低生产成本。

（e）扩大机床工艺范围：

采用夹具可使本来不能在某些机床上加工的工件变为可能，以减轻生产条件受限的压力。

1.2.4机床夹具的分类

（a）按夹具的通用特性分类

1）通用夹具:

通用夹具是指结构、尺寸已规格化，具有一定通用性的夹具，如三爪卡盘、四爪卡盘、平口虎钳、万能分度头、顶尖、中心架、电磁吸盘等，这类夹具由专门生产厂家生产和供应，其特点是使用方便，通用性强，但加工精度不高，生产率较低，且难以装夹形状复杂的工件，仅适用于单件小批量生产。

2）专用夹具:

专用夹具是针对某一工件某一工序的加工要求专门设计和制造的夹具，其特点是针对性很强，没有通用性。

在批量较大生产和形状复杂、精度要求高的工件加工中，常用各种专用夹具，可获得较高的生产率和加工精度。

3）可调夹具:

可调夹具是针对通用夹具和专用夹具的不足而发展起来的一类夹具。

对不同类型和尺寸的工件，只需调整或更换原来夹具上的个别定位元件和夹紧元件便可使用。

它一般又分为通用可调和成组夹具两种。

4）组合夹具:

组合夹具是一种模块化的夹具。

标准的模块化元件具有较高的精度和耐磨性，可组装成各种夹具，夹具使用完后即可拆卸，留待组装新的夹具。

（b）按夹具的使用机床分类

　　这是专用夹具设计所用的分类方法。

如在车床、铣床、钻床、镗床等机床上使用的夹具，就称为车床夹具、铣床夹具、钻床夹具、镗床夹具等。

（c）按夹具的动力源分类

　　按夹具所使用的动力源可分为：

手动夹具、气动夹具、液动夹具、气液夹具、电动夹具、电磁夹具等。

1.2.5夹具设计的基本要求

对夹具的基本要求就是将工件定位并牢固地夹持在一定的位置，并在工作机床上有一定的方位。

其次还有满足其它的要求，如保证夹具的生产率（如容易装卸工件，采用半自动或自动夹紧装置，容易排除切屑等），操作简单并安全（如对贵重工件采用防误功能的元件），减少薄壁件变形的专门设计，有所降低成本（优先选用标准元件，及夹具材料选用和制造工艺拟定）等。

因此夹具设计是一个复杂的过程。

在手工夹具设计中，取决了夹具设计者对这些基本原理的应用和工作经验，从夹具设计人员的经验中收集和表达这些知识是夹具CAD系统中的关键之一。

生产批量大小通常是取决于装夹方法和夹具结构，大量生产中特别强调高效装夹，以提高生产率和经济效益，所以广泛使用专用夹具，多采用能快速装卸工件和自动夹紧的装置，对推动制造系统的自动化作出很大贡献。

存在的主要问题是缺乏柔性和需要很长的设计制造周期，一旦修改产品设计，有关的专用夹具就不能再使用而报废。

面对今天的大批量