機(jī)械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

2013-05-14  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

趙利平 秦慧斌 王宗彥 來源:萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字:三維參數(shù)化 變型設(shè)計(jì) 閉環(huán)設(shè)計(jì) 工程圖調(diào)整
分析了目前機(jī)械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀,指出了其存在的不足。提出了模塊劃分、設(shè)計(jì)計(jì)算、參數(shù)化變型設(shè)計(jì)、有限元分析、工程圖自動(dòng)調(diào)整的機(jī)械產(chǎn)品閉環(huán)設(shè)計(jì)步驟。論述了機(jī)械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)的內(nèi)涵和關(guān)鍵技術(shù)?；谥髁魅SCAD軟件平臺(tái),開發(fā)企業(yè)級(jí)基礎(chǔ)組件,提供專用產(chǎn)品及零部件模塊的三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)軟件。
目前變型設(shè)計(jì)的三維CAD模型基本上都采用了參數(shù)化技術(shù),與此同時(shí)三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)的理論和方法已經(jīng)成為當(dāng)今CAD研究的一個(gè)熱點(diǎn)。但當(dāng)前三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)中仍存在以下局限:
   
(1)當(dāng)前的參數(shù)驅(qū)動(dòng)技術(shù),實(shí)質(zhì)是對(duì)三維模型的尺寸變量進(jìn)行等式約束。重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)模型的尺寸驅(qū)動(dòng)變型設(shè)計(jì),但未研究變型設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)的來源(設(shè)計(jì)計(jì)算或設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn))、模型變型設(shè)計(jì)后的工程有效性。
   
(2)當(dāng)前參數(shù)化設(shè)計(jì)思想停留在零部件設(shè)計(jì)層次,沒有充分發(fā)揮三維CAD設(shè)計(jì)軟件的參數(shù)化優(yōu)勢(shì),也沒有從根本上解決工程師出圖重復(fù)、設(shè)計(jì)效率低、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)的問題,因而不能適應(yīng)目前重大機(jī)械裝備產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)的需求。
   
(3)2D工程圖仍是國(guó)內(nèi)機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)加工的重要參考,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)UG、proe、SolidWorks、Solid Edge等進(jìn)行三維參數(shù)化開發(fā)研究的工作較多,但對(duì)三維參數(shù)化模型驅(qū)動(dòng)后的工程圖自動(dòng)調(diào)整研究卻很少。因此,導(dǎo)致三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用范圍受到限制。
   
機(jī)械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)應(yīng)用水平的高低將直接決定企業(yè)設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量的高低和企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力的強(qiáng)弱。本文論述了機(jī)械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)的內(nèi)涵、步驟及其關(guān)鍵技術(shù)。以某型號(hào)雙立柱式巷道堆垛機(jī)為研究對(duì)象,開發(fā)了基于三維設(shè)計(jì)平臺(tái)solidWorks2006的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。
   
1.機(jī)械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)內(nèi)涵與設(shè)計(jì)步驟
   
變型設(shè)計(jì)是關(guān)于設(shè)計(jì)方法和過程的一種分類定義,在保持產(chǎn)品基本功能、原理和總體結(jié)構(gòu)不變的情況下,根據(jù)需求的變化,對(duì)產(chǎn)品局部結(jié)構(gòu)、尺寸和約束關(guān)系進(jìn)行調(diào)整或變更,形成新的產(chǎn)品。其關(guān)鍵是對(duì)已有設(shè)計(jì)資源的重用。變型設(shè)計(jì)是在繼承基型產(chǎn)品的核心信息基礎(chǔ)上,利用這些關(guān)聯(lián)將變型信息傳遞到子代中,直到零部件詳細(xì)設(shè)計(jì)為止,最終完成變型設(shè)計(jì)任務(wù)。
   
機(jī)械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)是以拓?fù)浼s束、尺寸約束、工程約束驅(qū)動(dòng)為技術(shù)基礎(chǔ),不僅包括傳統(tǒng)參數(shù)化所包含的對(duì)部分特征驅(qū)動(dòng)尺寸的修改使其他關(guān)聯(lián)尺寸得到相應(yīng)修改而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相同但尺寸不同的零件系列三維模型,而且包括基于三維參數(shù)化模型驅(qū)動(dòng)后與之相關(guān)聯(lián)工程圖的視圖位置、比例、尺寸、注釋、BOM表等相關(guān)信息的自動(dòng)更新,生產(chǎn)制造的下游工裝夾具、工藝規(guī)程規(guī)劃、NC代碼等參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)等,乃至整個(gè)產(chǎn)品生命周期的參數(shù)化設(shè)計(jì)。本文研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)技術(shù),設(shè)計(jì)步驟如圖l所示。
   

2.關(guān)鍵技術(shù)
   
2.1機(jī)械產(chǎn)品主模型
   
產(chǎn)品設(shè)計(jì)建模階段的主要任務(wù)是在基于定型產(chǎn)品,分析零件幾何形狀、零件參數(shù);建立零部件主模型、產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)、2D工程圖主模板,為產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)做好技術(shù)準(zhǔn)備。機(jī)械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)是在零部件主模型和與之相關(guān)聯(lián)工程圖主模板的基礎(chǔ)上進(jìn)行的產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)。
   
2.1.1參數(shù)分析
   
參數(shù)分析是在產(chǎn)品模塊化的基礎(chǔ)上,清理產(chǎn)品各組成模塊之間、模塊內(nèi)子裝配體之間、模塊內(nèi)零件之間的尺寸約束關(guān)系。參數(shù)分析包括產(chǎn)品總體參數(shù)分析、零部件參數(shù)分析和參數(shù)間關(guān)聯(lián)分析。
   
(1)產(chǎn)品總體參數(shù)分析?？傮w參數(shù)分析的目的是分析影響整個(gè)產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)的主要性能參數(shù)。如影響雙立柱式巷道堆垛機(jī)整體結(jié)構(gòu)尺寸的主要參數(shù)是貨物的長(zhǎng)、寬、高、起重量、起升高度、跨度、工作級(jí)別等。
    
(2)零部件參數(shù)分析。零部件參數(shù)分析的目的在于對(duì)零部件參數(shù)進(jìn)行分類,并在零部件參數(shù)中提
取能直接驅(qū)動(dòng)的參數(shù)。參數(shù)分類遵循的原則是:與多個(gè)零部件相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為全局參數(shù);決定本零部件結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為局部參數(shù);由全局和局部參數(shù)計(jì)算出的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)為輔助參數(shù);獨(dú)立但不影響其它零部件尺寸變化的參數(shù)為無關(guān)參數(shù)。合理確定全局參數(shù)是裝配布局草圖能否得以準(zhǔn)確表達(dá)的關(guān)鍵。在雙立柱式巷道堆垛機(jī)橫梁的設(shè)計(jì)中,把控制零部件位置關(guān)系的尺寸如跨度,隔板數(shù)目,隔板、底座的定位尺寸定義為全局參數(shù),其他參數(shù)則直接或間接依賴于全局參數(shù)的變化而變化。門、艙口蓋、底座等自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)定義為局部參數(shù)。頭部一些支撐板的尺寸要靠全局參數(shù)和局部參數(shù)計(jì)算才能確定的尺寸定義為輔助參數(shù)。而頭部電氣孔、隔板電氣孔、空調(diào)孔等不影響其它零部件尺寸變化的參數(shù)定義為無關(guān)參數(shù)。
   
(3)關(guān)聯(lián)分析。關(guān)聯(lián)分析的目的是建立參數(shù)問的聯(lián)系,分為零部件之間的參數(shù)關(guān)聯(lián)和零件內(nèi)的參數(shù)關(guān)聯(lián)兩部分。零部件間的參數(shù)關(guān)聯(lián)通過模型本身的裝配來保證,而零件內(nèi)的參數(shù)關(guān)聯(lián)可以通過CAD系統(tǒng)的相關(guān)功能來保證。
   
設(shè)計(jì)計(jì)算與零部件主模型之間需要建立數(shù)據(jù)交換機(jī)制。參數(shù)化主模型的參數(shù)一部分由產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)算得到,一部分由設(shè)計(jì)人員憑經(jīng)驗(yàn)根據(jù)零件的具體特點(diǎn)確定。在確定出驅(qū)動(dòng)尺寸和從動(dòng)尺寸后需要進(jìn)一步分析各個(gè)尺寸的變化范圍,這個(gè)范圍會(huì)影響到公差數(shù)值、標(biāo)準(zhǔn)件和某些非標(biāo)準(zhǔn)件的配置。在參數(shù)化時(shí)設(shè)計(jì)人員只需輸人驅(qū)動(dòng)尺寸的值就可以自動(dòng)更新從動(dòng)尺寸、公差、標(biāo)準(zhǔn)件配置等相關(guān)因素。貨叉模型的設(shè)計(jì)計(jì)算與數(shù)據(jù)接口界面如圖2所示。
   

2.1.2建立主模型
   
(1)裝配布局草圖。裝配布局草圖代表產(chǎn)品模型的主要空間位置和空間形狀,反映構(gòu)成產(chǎn)品的各個(gè)子模塊之間的拓?fù)潢P(guān)系、以及其主要運(yùn)動(dòng)功能;是整個(gè)產(chǎn)品自頂向下設(shè)計(jì)展開過程中的核心,是各個(gè)子裝配之間相互聯(lián)系的中間橋梁和紐帶。裝配布局草圖通過不同截面的基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面;空間的點(diǎn)、線、面來表征產(chǎn)品的三維裝配布置圖。堆垛機(jī)載貨臺(tái)吊架三維參數(shù)化裝配主模型的裝配草圖如圖3所示。
   

(2)裝配主模型。機(jī)械產(chǎn)品三維模型的設(shè)計(jì)過程,先是自頂向下完成產(chǎn)品的初步設(shè)計(jì),自底向上完成零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)、再以自頂向下的設(shè)計(jì)方式建立產(chǎn)品模型?？紤]到自頂向下與自底向上設(shè)計(jì)方式的優(yōu)缺點(diǎn),并結(jié)合雙立柱式巷道堆垛機(jī)板件多、焊接多、附屬結(jié)構(gòu)零散分布的特點(diǎn),堆垛機(jī)的裝配設(shè)計(jì)中采用了自頂向下與自底向上相結(jié)合的設(shè)計(jì)方式。堆垛機(jī)的主要部件模塊(貨叉結(jié)構(gòu)、橫梁、立柱)采用自頂向下的設(shè)計(jì)方式。采用三個(gè)基準(zhǔn)面和裝配布局草圖的幾何要素(點(diǎn)、線、基準(zhǔn)面)來實(shí)現(xiàn)他們所有零件定位,控制整個(gè)模塊的設(shè)計(jì)變更。堆垛機(jī)載貨臺(tái)吊架三維參數(shù)化裝配主模型如圖4所示。
   

2.2基于三維模型驅(qū)動(dòng)的工程圖調(diào)整技術(shù)
   
基于三維參數(shù)化技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品模型,參數(shù)化驅(qū)動(dòng)后重新生成的工程圖,通常會(huì)產(chǎn)生以下5方面的問題:
   
    (1)圖紙比例不合適。
    (2)視圖位置發(fā)生交叉、偏離、布局不合理。
    (3)剖視圖的剖切位置或局部視圖的放大位置不合理。
    (4)尺寸飄移,位置分布不合理。
    (5)注解如焊接符號(hào)、粗糙度符號(hào)、零件序號(hào)等布局不合理。
   
這不符合國(guó)家、企業(yè)繪圖標(biāo)準(zhǔn),不適于直接作為加工參考,因此需對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。針對(duì)所使用的三維設(shè)計(jì)軟件提供的工程圖模塊應(yīng)用接口函數(shù),建立通用的工程圖自動(dòng)調(diào)整程序,通過視圖遍歷的方法,對(duì)視圖逐一調(diào)整。調(diào)整的內(nèi)容包括:視圖比例、視圖位置、尺寸與注釋、材料明細(xì)表等。其中視圖比例和尺寸位置的調(diào)整是基于三維模型驅(qū)動(dòng)的工程圖調(diào)整技術(shù)的難點(diǎn)。
   
2.2.1視圖比例調(diào)整
   
零部件變型設(shè)計(jì),尺寸驅(qū)動(dòng)在一定范圍內(nèi)變化,所以不改變圖幅大小來適應(yīng)視圖的變化。利用三維設(shè)計(jì)軟件所提供的API接口函數(shù)進(jìn)行工程圖視圖的比例設(shè)置,需要根據(jù)視圖大小來判定采用相應(yīng)的視圖比例。方法是通過判斷視圖最大外形尺寸與圖框的相應(yīng)邊在某一方向上需要留下的空白區(qū)域大小來最終確定比例的大小。計(jì)算公式為
   

式中:SWidth、SHeight分別為圖框的寬、高;maxWD-im、maxHDim分別為每個(gè)試圖在寬度、高度方向的最大尺寸;VScale為試圖比例;WSpace、HSpace分別為視圖之間或視圖與圖框在寬度、高度方向的空白區(qū)域?qū)挾?SWidth、SHeight為圖框的寬、高度仿真的空白區(qū)域?qū)挾?SWidth、SHeight為圖框的寬、高;k,l分別為工程圖寬度和高度。
   
2.2.2視圖位置調(diào)整
   
如果部件工程圖中剖視圖、局部剖視圖較多,模型驅(qū)動(dòng)后生成的工程圖容易出現(xiàn)錯(cuò)位、剖面視圖不在位或懸空、局部視圖缺失等問題。原因在于剖切位置定位不準(zhǔn)確,局部放大范圍不固定。要解決此類問題,首先在工程圖中,建立剖切線與模型之間的約束關(guān)系,使剖切線與局部放大框完全定位。然后用程序定義的變量來讀取、記錄每個(gè)視圖的中心位置,并做坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。模型驅(qū)動(dòng)完成后對(duì)工程圖進(jìn)行位置調(diào)整時(shí)。使視圖的新中心位置坐標(biāo)與原中心位置坐標(biāo)相重合,這樣就避免了視圖與視圖之間的錯(cuò)位,并符合了企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
    
3.雙立柱式巷道堆垛機(jī)三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)
   
本文基于三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件SolidWorks2006,采用機(jī)械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)技術(shù),利用Visual Basic開發(fā)了"雙立柱式巷道堆垛機(jī)三維CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)"。主要功能模塊如下:
   
(1)整體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置模塊。包括堆垛機(jī)代號(hào)、貨物尺寸、貨物重量、橫量跨度、主要外形結(jié)構(gòu)尺寸、工作級(jí)別的設(shè)置、參數(shù)管理、存儲(chǔ)路徑的設(shè)定。
    
(2)橫梁設(shè)計(jì)模塊。包括典型零部件主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、軸的設(shè)計(jì)計(jì)算,橫梁頭部標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)件的選擇,模型驅(qū)動(dòng)更新。
   
(3)立柱設(shè)計(jì)模塊。包括槽鋼設(shè)計(jì)計(jì)算,截面視圖控制參數(shù)的計(jì)算與設(shè)置,連接板的相關(guān)參數(shù)的設(shè)置,模型驅(qū)動(dòng)更新。
   
(4)貨叉設(shè)計(jì)模塊。包括鏈設(shè)計(jì)計(jì)算與選擇,貨叉正截面和側(cè)截面視圖控制參數(shù)的計(jì)算與設(shè)置。連接板相關(guān)參數(shù)的設(shè)置,模型驅(qū)動(dòng)更新。
   
(5)提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊。包括典型零部件滑輪、卷筒、緩沖器的設(shè)計(jì)計(jì)算與電機(jī)選擇,起升安全校核,模型驅(qū)動(dòng)更新等。
   
(6)有限元分析模塊。封裝Cosmosworks分析功能,對(duì)橫梁、立柱、貨叉、提升結(jié)構(gòu)模型驅(qū)動(dòng)更新后進(jìn)行分析校核。
   
(7)工程圖調(diào)整模塊。橫梁、立柱、貨叉、提升結(jié)構(gòu),模型更新,有限元校核分析后,解決與主模型對(duì)應(yīng)的工程圖主模板視圖、視圖位置、比例、尺寸位置、焊接符號(hào)等注釋標(biāo)注數(shù)值、BOM表(材料明細(xì)表)自動(dòng)調(diào)整與更新。
   
利用雙立柱式巷道堆垛機(jī)三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行新產(chǎn)品的設(shè)計(jì),可分為整體結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置、計(jì)算、典型零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算、橫梁設(shè)計(jì)、立柱設(shè)計(jì)、貨叉設(shè)計(jì)、提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及堆垛機(jī)總裝設(shè)計(jì)5個(gè)部分,前5部分既相互獨(dú)立又相互聯(lián)系,可以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)也可以同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)生成同一代號(hào)產(chǎn)品的橫梁、立柱、貨叉、提升結(jié)構(gòu)及其它零部件,通過堆垛機(jī)總裝可生成堆垛機(jī)的總裝模型和工程圖。
   
4.結(jié)論
   
本文提出了基于三維CAD的機(jī)械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)技術(shù)的概念、范疇、設(shè)計(jì)步驟。研究了產(chǎn)品主模型、基于三維模型驅(qū)動(dòng)的工程圖自動(dòng)調(diào)整技術(shù)。結(jié)合企業(yè)需求,開發(fā)了"雙立柱式巷道堆垛機(jī)三維CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)"。經(jīng)企業(yè)應(yīng)用證明,該技術(shù)可以避免大部分工程圖的重復(fù)設(shè)計(jì)工作,提高設(shè)計(jì)效率60%以上。此技術(shù)加速了三維設(shè)計(jì)進(jìn)程,對(duì)縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期,提高企業(yè)面對(duì)市場(chǎng)的快速響應(yīng)能力具有重要應(yīng)用價(jià)值。

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