基于快速成型的快速夹具设计研究与应用
基予快速成型的快速夹具设计研究与应用
基于快速成型的快速夹具设计研 究与应 用
Research and Application on Rapid Fixture Design Based on
Ra pid Prototyping
王 家伟 胡 庆 夕
(上海大学 工程技术训练中心 ，上海 200444)
摘 要 ：分析了基于快速成型的快速夹具设计的研究背景 ，提出了基于快速成型的快速夹具设计方法，给出
了快速夹具的组成 ，并对关键部分进行详细阐述。在此基础上，在 UG／OPEN API的平台上开发了基于参数化的
快速夹具设计系统，并进行了验证。
关键词 ：快速夹具 设计系统
DOI：10．3969／j．issn．1007—080X．2010．05．014
Abstract：This paper firstly analyzes the research background of rapid fixture design which based on rapid
prototyping technology，then presents a design method for this rapid fixture，the detailed composition of rapid fixture
has been given， and for each part are expounded． On this basis， the rapid fixture design method based on
parameterization is analyzed，at last a rapid fixture design system is developed and verified upon the platform of UG ／
OPEN API．
Key words：rapid fixture design system
0 引 言
随着世界经济 的飞速 发展 和全 球工业 市 场竞争 的
不断加剧，人们已经认识到传统的检／夹具设计与制造
方法 已经不 能完 全 满足 现 代企 业 的要 求 ，迫 切需 要 改
进传统的检／夹具设计方法与制造工艺 ，以获得更显著
的经济 效益 ，借 助 快速 成 型 (rapid prototyping，RP)技
术进行这方面的研究备受学术界和企业界的关注。
为了进一步缩短夹具的开发周期，将 RP技术应用
到夹具中，研究基于 RP的快速夹具(rapid fixture，RF)
设计方法 ，开 发 出满 足市 场需 求 的快 速 夹 具设 计 系 统
(rapid fixture design system，RFDS)，可 以大 大 缩 短 开
发周期、加工时间和设计与制造成本，实现个性化设计
和小批量 生产。
1 快速夹具 的定位体 系
夹具最重要的作用之一是定位。夹具用分布在 3
个互相垂直平面上的 6个支撑点来限制工件的 6个 自
由度，使工件在夹具 中的位置完全确定。但在快速夹
具中，工件有可能是完全定位，也有可能是不完 全定
位。究竟应该限制产品几个 自由度和哪几个 自由度 ，
这是由它的功能决定的。实际上，快速夹具有时 只需
要 3个装夹单元就可 以定位工件 (不是限制六个 自由
度)，达到定位 目的。例如对某产品进行接触式测最 ，
需要制作一套测量用的快速夹具，要求产品的上表面
必须完全暴露，且在测量过程中不能在 —Y平面上有
作者简介 ：王家伟 1953年 生，工程师 ，高级实验技术总监 。主要研 究方向为现代制造技 术。
胡庆 夕 1953年 生，教授 。博士研 究生导师。研 究方向为现代制造技术。
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任何位移和转动，沿 z向位移的自F}{度就不必限制，出
现不 完全定位 。
在 装夹单元 设 计 中 ，究 竟 是 采 用完 全 定 位 还 是 不
完全定 位 ，这 要 根 据 不 同 的 装 夹 要 求 和 用 途 来 决 定 。
准确使 用不完全 定位 ，能 简化快 速 夹具 的 结构 ，提 高 生
产率。此外 ，除了上述三个主装夹单元以外 ，还需辅装
夹单元 ，以增加快速夹具的装夹稳定性和避免大跨度
薄壁件 因 自重 产生 变 形 。增 加 辅 装夹 单元 ，就 会 出现
工件 的一个 或 几个 自 南度 被 几 个 装 夹单 元 重 复 限 制 ，
造成 工件的过定 位 。一般 情 况下 ，过定 位是 不 允许 的 ，
但对快 速夹具 的特殊 性 ，需 要 用过 定位 来减 少 变形 、增
加强度 、提 高稳定 性等 。
因此 ，在快 速 夹 具 的 设 计 过程 中 ，完 全 定 位 、不 完
全定位 和过定位 都会 出现 。
2 快速 夹具的功 能描述 与结构
2．1 功 能描 述
根据快速夹具的作用 ，它的总功能可 以分解为定
位、夹紧、联接、支撑等分功能，其中定位和夹紧功能是
RF夹具 的主要 功能 。
快速夹具 是实现 其功 能 的载体 ；因此 ，根 据不 同 的
客户要 求 (例 如 ，运 输 、质检 、测 量 、展 览等 )，其 结 构 也
不相 同。
2．2 快 速 夹具 的 组 成
根据快速夹具的功 能 ，它主 要 由基 板 、支架 梁 、装夹
单元等组成；装夹单元由夹头 、连接件和支撑件组成。根
据结构特点 ，装夹单 元分为 两种 ：A 类装 夹单元 和 B类
装夹单元(如 图 1所示 )；根据夹 头在 装夹单元 中的作 用，
夹头分为两种 ：主 夹头 和辅 夹 头 ，主夹 头对应主 装夹单
元 ，辅夹头对应辅装夹单元 ；根据夹 头的结构分 为四类 ：A
类夹头、B类夹头、C类夹头和 D类夹头(如图 2所示)。
A类装夹单元 B类装夹单元
图 1 装 夹 单 元 的类 型
Application．Communication i圜陬—豳
A类夹 头 B类夹 头
C 类 夹 头 D 类 夹 头
圈 2 夹 头 的 四种 类 型
2．3 夹 头
夹头是夹具的关键零部件 ，由于夹头是采用 RP工
艺直 接制造 的 ，故快 速 夹 具 不是 作 为机 械 加 工 设备 的
夹 具 ；因此 ，在 使 用 过 程 中 ，不会 持 续 受 到 除 工件 重 力
以外 的外 力作用 。
(1)A类夹头：起到约束工件 自由度的功能 ，多用
于主夹头；(2)B类夹头：用于工件 自重造成的变形，
只能 约束工 件 的一 个 自由度 ，因此 极 少 用 作夹 具 的定
位 基准 ，广泛 用于检 测 或展 览的快 速夹 具 ，多 用于 辅夹
头 ；(3)C类夹头：常与 A类夹头组合 ，可以使工件的
装夹更方 便 ，常用 于检 测或展 览 的快速 夹 具 ，多用 于主
夹 头 ；(4)D类 夹头 ：可 用于 有 内孔 的 工件 ，起 辅助 支
撑 作用 ，多 用于辅夹 头。
3 快 速夹具 的装夹 布局
在 快速夹 具 的设 计 中 ，装夹 单 元 的数 量 和 位 置 的
确定 取决于 工 件 的形 状 和尺 寸 ，以及 夹 具 的作 用 。在
布 置装夹单 元 时 ，一 般 是 根 据工 件 的规 约 化形 状 确 定
夹持点的位置。但是 ，由于工件的几何外形干变万化 ，
使 系 统识别 工件 的规 约化 形状 变得 十分 困难 ，为此 ，本
文采 用人工 方法确 定夹持点 的位置 。
为了提高设计效率 ，人工确定夹持点的位置应遵
循 以下规则 ：
(1)首先确定三个主装夹单元 的装夹位置，再根
据实际需要布置辅装夹单元 ；
(2)三个主装夹单元的夹持点投影到基板上 ，所
构成投影三角形的重心尽可能与工件重心重合 ，其形
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基于快 速成型 的快 速夹具设计研 究与应用
状应尽 量趋于正三 角形 ；
(3)辅装夹 单元的夹持 点位 置应根 据 功能或 用途
确定 ，应 尽可能设置在工 件的最大变形 处 。
4 快速 夹具设计 系统 (RFDS)
RFDS采用模块 化 结构 ，系 统 由夹 具设 计 、设 计推
理 、图形 管理 、知 识 管理 和 系 统接 口等五 个 模 块 组成 ，
如图 3所示为快速夹具设计系统的总体架构。
图 3 RFDS的 总体 架 构
在 NX环境下 ，本文开 发了 NX／RFD系统 。该系
统采用参数化的思想进行快速夹具的设计，使用 UG／
Open API为开发工具 ，UG／Open API是 目前 最常用的
UG应用开发工具 之一 。
该系统遵 循简 练、稳 固 、方 便 装 夹 的原 则 ，为节 省
成本 ，尽可能降 低夹具 的整 体高度 ，尽量不 用 或少 用型
材 ，夹头设计 的关键 是正 确地 判断 夹头 的类 型 ，还必 须
考虑产品的装夹和拆卸过程。快速夹具的设计用户可
以在 NX的装配模块 中模 拟装夹过程 ，以确保夹具 结构
最优化 。如 图 4所 示为使用 NX／RFD系统开 发的一 套
快速夹具 。
如图 5所示为采 用 RP的汽车 仪表 板的快速 夹具 。
夹头采用 FDM制造 ，连接件采用 CNC加工，基板为非标
准基板，两个 A类夹头，两个 c类夹头 ，一个 B类夹头。
5 结 语
快速夹具虽然不能像机床夹具 固定加工零件，但
在实际工程 中也 有 很 广泛 的 应 用 ，如 产 品运 输 、展 示 、
检 测 、装配 、焊接等 。同时 ，快 速 夹具 的开 发时 间短 ，生
产周期短 ，制造成本 低 ，增加 了产 品的竞争力 。
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图 4 NX／RFDS设计 的快速夹具
图 5 基 于 RP的汽 车 仪 表板 快 速 夹具
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