專利名稱：基于快速成型工藝的快速夾具制造方法
技術領域：
本專利涉及一種利用快速成型加工工藝制造快速夾具的方法。
背景技術：
根據有關資料統計，在我國，生產準備周期一般要占據整個產品研制周期的50% 70%， 而工藝裝備的設計制造周期又占生產準備周期的50% 70%，其中工藝裝備的準備階段中有 70% 80%的時間用于夾具的設計和加工，周期長、效率低。廣泛應用在展覽、運輸和檢測 過程中的夾具，要求個性化設計、小批量生產。因此，傳統夾具設計和加工方法已經無法滿 足當今企業的要求，市場迫切需要一種成本低廉且能夠迅速加工的夾具。
快速夾具出現以后，大尺寸、形狀復雜的零件生產出來以后可以用快速夾具進行保護， 避免損壞變形等。裝夾好的零件可以非常方便地進行檢査、測量、運輸、焊接、裝配、展示 等。快速夾具結構簡單、設計與制造周期短、成本低且大部分原件可以回收等特點得到了制 造業的廣泛關注。比利時Materialize公司開發了快速夾具設計軟件(Magics Rapidfit)， 為目前的快速夾具提供了唯一的解決方案。但是，該方案存在以下缺點
1) 只支持格式為.stl的文件，無參數操作，通用性不強；
2) 不支持標準型材和非標準基板，不符合我國國情；
3) 智能化程度不高；
4) 夾頭尺寸過大，加工時間長，不能很好地滿足快速夾具的制造要求。 由于快速夾具制造思想出現的時間不長，還沒有固定經驗和模式可以借鑒，現有的快速
夾具制造方法又存在上述弊端，因此探索適合我國國情的快速夾具制造方法迫在眉睫。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種基于快速成型工藝的快速夾具制造 方法。其主要思想是利用計算機輔助建模的方法，根據工件的特性尺寸參數和夾具的功能要 求，建立夾具體模型，并創建不同類型的裝夾單元和夾頭模型，從而可實現快速夾具實體的
快速制造目的。
為達到上述目的，本發明的構思是
根據實體工件模型，首先得到其包容體尺寸參數，然后根據該尺寸數據建立夾具體模 型，最后根據裝夾要求，創建合適的裝夾單元和夾頭模型。其中夾頭是利用RP工藝快速 成型得到，其夾持部分可以包括任意復雜形狀而不必考慮加工工藝的復雜性。根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案
一種基于快速成型工藝的快速夾具制造方法，其特征在于根據被加工工件的三維實體模 型數據，利用最小包容體算法得到夾具體的尺寸，然后根據夾具的功能要求，規劃裝夾單元 的位置，數量，并創建不同類型裝夾單元和夾頭，生成面向工件實體模型的快速夾具，最后 根據夾具各零件的功能，以及夾具各零件的加工特點，選擇快速成形，數控加工方法進行制 造，其步驟如下
(1) 根據實體工件模型，利用最小包容體算法得到夾具體尺寸；
(2) 確定裝夾單元的夾持點位置；
(3) 確定基板；
(4) 確定夾具的三維模型；
(5)選擇快速成形，數控方法進行制造夾具。
上述步驟(1)根據實體工件模型，利用最小包容體算法得到其尺寸參數的具體步驟為
(1) 數據獲取一一提取由客戶提供的零件三維模型；
(2) 模型位置確定一一根據快速夾具的作用(展覽、運輸和檢測等)，將零件三維模型放置 為最佳反映客戶需要的姿態。
上述步驟(2)確定裝夾單元的夾持點位置的具體步驟為-
(1) 主夾持點設置一一按照快速夾具定位原則，根據模型位置和快速夾具的作用，確定三個 夾持點；
(2) 輔夾持點的布局一_根據快速夾具的作用，考慮零件的穩定、自重變形、受力變形、裝 卸、固定等因素，確定輔夾持點的數量和布局輔夾持點的位置；
上述步驟(3)確定基板的具體步驟為
(1) 根據零件位置的投影尺寸，給出基板長、寬、高的推薦值；
(2) 根據實際需要調整零件和基板之間的相對位置，并且根據選取的裝夾單元的夾持點位置， 在基板表面選定孔特征，供安裝裝夾單元使用；
上述步驟(4)確定夾具的三維模型的具體步驟為 (1)確定裝夾單元的結構一一根據零件的結構形狀，將裝夾單元分成A、 B兩類，A類裝夾 單元包括夾頭、支架和連接件，B類裝夾單元只有夾頭；若零件的夾持點與零件擺放后的最 低點小于80mm，選擇B類裝夾單元，若零件的夾持點與零件擺放后的最低點大于80mm，選擇 A類裝夾單元；(2)確定夾頭結構一_對不同的夾持部位，夾頭分成卡夾頭(A類夾頭)、頂夾頭(B類夾頭)、 支撐夾頭(C類夾頭)和孔定位夾頭(D類夾頭)四類；A類夾頭多用作主夾頭，B類夾頭用于防 止大跨度薄壁件因自重產生變形，C類夾頭多用于展示或檢測，D類夾頭用于定位產品的內孔； 根據輸入的夾頭直徑和夾持深度數據，拉伸得到夾頭主體部分；提取夾持點附近工件的表面， 抽取所需的邊界輪廓，做相應的修剪，得到所需的邊界；將此邊界拉伸得到下一步修剪的片 體，對夾頭主體部分進行修剪；夾頭主體部分和工件兩個實體之間的差運算，最后得到夾頭 的的三維模型；
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附圖1是本發明一個實施例的程序框圖。 附圖2為獲取工件模型參數的界面圖。 附圖3為確定基板模型的示意圖。 附圖4為基板位置調整示意圖。 附圖5為快速夾具的主、輔夾持點的布局規劃圖。
附圖6為快速夾具的裝夾單元類型圖，其中(a)圖為A類裝夾單元圖，(b)圖為B類裝 夾單元圖，圖中標號為l一夾頭，2—支架，3—連接件。
附圖7為確定裝夾單元附圖8為夾頭的四種類型圖，其中圖(a)為A類夾頭圖，圖(b)為B類夾頭圖，圖(c) 為C類夾頭圖，圖(d)為D類夾頭圖。
附圖9為完成的快速夾具的立體示意圖。
實施例
本發明的一個優選實施例結合附圖詳述如下
基于快速成形工藝的快速夾具制造方法是根據任意的一個工件的實體模型，通過計算機 處理獲得供展覽用的快速夾具模型，具體操作步驟如下(見圖l):
1. 輸入工件的質量或者密度，計算得到工件的體積和重力；根據最小包容體算法，得到 工件的最大長度(見圖2);
2. 確定裝夾單元的夾持點位置，具體操作步驟為
(1)選擇菜單夾具一裝夾單元，打開裝夾單元設計對話框；(2)選擇"夾持點位置"，通過點構造器選擇裝夾單元的夾持點；
3. 根據需要設計合適尺寸大小的基板，并且調整基板與工件之間的相對位置，具體操作 為
(1) 在LJGNX軟件里，選擇二次開發的菜單夾具一基板一基板設計，在出現的對話框里， 選擇"標準基板"，由工件尺寸得到了基板尺寸長、寬、高的推薦值，可以對這些參 數進行修改；選擇0K，創建基板模型(見圖3);
(2) 選擇菜單夾具一基板一基板位置，在出現的對話框里，選擇"自動對齊"調整基板位 置可以獲得默認的最佳位置；也可以通過"手動調整"群中的六個數值輸入框進行 基板位置的微調(見圖4)。
4. 根據提示行的信息，選擇夾持點、夾頭類型，輸入夾頭的各項尺寸參數以后，創建裝 夾單元三維模型(見圖5-9),具體操作為
(1) 選擇"自定義型材"復選框，可以修改默認的型材長度，同時也可以修改默認的裝夾 單元類型；
(2) 根據裝夾要求，選擇"裝夾方案"下拉列表框中的夾頭類型；
(3) 在"夾頭直徑"和"夾持深度"兩個數值輸入框中輸入適當的參數；
(4) 選擇Apply,利用面選擇器選擇夾持點附近的工件表面，抽取所需的邊界輪廓，做相 應的修剪，得到所需的邊界；再根據此邊界拉伸得到的片體，剪切夾頭本體；最后工 件和夾頭本體做布爾減運算，得到夾頭模型；
(5) 若是A類裝夾單元，根據夾持點與基板上表面之間的距離和夾頭高度，計算出型材高 度，利用拉伸功能得到型材；調用標準件庫中的型材模型；
(6) 根據A類和B類兩類裝夾單元，分別在基板上表面創建不同形式的定位孔。 完成上述步驟，最后獲得的就是滿足裝夾要求、滿足性能要求、滿足快速加工要求的快
速夾具模型(見圖9)。
需要說明，本發明中夾頭是利用RP工藝快速成型得到，故其夾持部分可以包括任意復雜 形狀而不必考慮加工工藝的復雜性。基于本發明制造得到的夾具模型，結合快速成型可制造 得到實體夾具，在制造過程中包括的內容為
(1) 型材選擇一一型材是標準件；根據設計時選擇的夾持點位置自動計算型材長度，根據 夾頭的截面尺寸確定型材的截面形狀和尺寸，從而得到符合夾頭的型材模型；
(2) 確定連接件一一根據選擇的型材截面形狀和尺寸，以及連接件模板，確定連接件的尺 寸；(3) 夾頭的制造工藝一一利用光固化成型(SLA)、選擇性激光燒結(SLS)、熔融沉積(FDM)、 薄材疊層實體制造(L0M)和三維打印成型(3DP)等RP工藝加工快速夾具的關鍵零部 件一夾頭；
(4) 連接件的制造工藝一一連接件可以采用鋁板、ABS板或RP材料等，利用數控加工工藝 和SLS、 FDM、 SLA等RP加工工藝制造連接件；
(5) 基板的制造工藝— 一基板可以采用木板、鋁板、ABS板或復合板等材料，按照所設計 的基板，采用數控加工工藝制造基板；
(6) 快速夾具的裝配工藝一一按照所設計的快速夾具將所加工零件組裝成被測零件的快速 夾具。然后基于上面給出的快速成型制造步驟就可以得到實際的快速夾具。
權利要求
1. 一種基于快速成型工藝的快速夾具制造方法，其特征在于根據被加工工件的三維實體模型數據，利用最小包容體算法得到夾具體的尺寸，然后根據夾具的功能要求，規劃裝夾單元的位置，數量，并創建不同類型裝夾單元和夾頭，生成面向工件實體模型的快速夾具，最后根據夾具各零件的功能，以及夾具各零件的加工特點，選擇快速成形，數控加工方法進行制造，其步驟如下(1)根據實體工件模型，利用最小包容體算法得到夾具體尺寸；(2)確定裝夾單元的夾持點位置；(3)確定基板；(4)確定夾具的三維模型；(5)選擇快速成形，數控方法進行制造夾具。
2. 根據權利要求1所述的基于快速成型工藝的快速夾具制造方法，其特征在于步驟(1)根 據實體工件模型，利用最小包容體算法得到夾具體尺寸的具體步驟為(1) 數據獲取一一提取由客戶提供的工件三維模型；(2) 工件模型位置確定一_根據快速夾具的作用一展覽、運輸和檢測，將工件三維模型放 置為最佳反映客戶需要的姿態。
3. 根據權利要求1所述的基于快速成型工藝的快速夾具制造方法，其特征在于歩驟(2)確 定裝夾單元的夾持點位置的具體步驟為(1) 主夾持點設置一—按照快速夾具定位原則，根據模型位置和快速夾具的作用，確定三 個夾持點；(2) 輔夾持點的布局_一根據快速夾具的作用，考慮零件的穩定、自重變形、受力變形、 裝卸和固定因素，確定輔夾持點的數量和布局輔夾持點的位置。
4. 根據權利要求1所述的基于快速成型工藝的快速夾具制造方法，其特征在于步驟(3)確 定基板的具體步驟為-(1) 根據工件位置的投影尺寸，給出基板長、寬、高的推薦值；(2) 根據實際需要調整工件和基板之間的相對位置，并且根據選取的裝夾單元的夾持點位 置，在基板表面選定孔特征，供安裝裝夾單元使用。
5. 根據權利要求1所述的基于快速成型工藝的快速夾具制造方法，其特征在于步驟(4)確 定夾具的三維模型的具體步驟為(1)確定裝夾單元的結構一一根據工件的結構形狀，將裝夾單元分成A、 B兩類，A類 裝夾單元包括夾頭、支架和連接件，B類裝夾單元只有夾頭；若工件的夾持點與工件擺放后的最低點小于80mm，選擇B類裝夾單元，若工件的夾持點與工件擺放后的最低點大于80隱， 選擇A類裝夾單元；(2)確定夾頭結構一一對不同的夾持部位，夾頭分成卡夾頭即A類夾頭、頂夾頭即B類 夾頭、支撐夾頭即C類夾頭和孔定位夾頭即D類夾頭四類；A類夾頭多用作主夾頭，B類夾 頭用于防止大跨度薄壁件因自重產生變形，C類夾頭多用于展示或檢測，D類夾頭用于定位 產品的內孔；根據輸入的夾頭直徑和夾持深度數據，拉伸得到夾頭主體部分；提取夾持點附 近工件的表面，抽取所需的邊界輪廓，做相應的修剪，得到所需的邊界；將此邊界拉伸得到 下一步修剪的片體，對夾頭主體部分進行修剪；夾頭主體部分和工件兩個實體之間的差運算， 最后得到夾頭的的三維模型。
全文摘要
本發明涉及一種基于快速成型工藝的快速夾具制造方法。本方法是根據被加工工件的三維實體模型數據，利用最小包容體算法得到夾具體的尺寸，然后根據夾具的功能要求，規劃裝夾單元的位置、數量，創建不同類型裝夾單元和夾頭，生成面向工件實體模型的快速夾具模型，由此可實現根據零件夾具的功能，及夾具各部分特點，選擇快速成形加工方法進行夾具實體的快速制造。
文檔編號B23P17/00GK101543949SQ200910050359
公開日2009年9月30日 申請日期2009年4月30日 優先權日2009年4月30日
發明者靜 余, 劉媛媛, 宋晨霞, 徐言直, 徐高春, 胡慶夕, 蔣榮龍, 譚月梅 申請人:上海大學