基于裝配約束識別與提取技術的裝配件變型設計方法

2013-08-01 by:廣州SolidworksUGCatia培訓中心來源:仿真在線

1 引言

變型設計是指通過對現有設計方案的修改,得到與原設計相似的新設計方案。在系列產品的設計,尤其是面向大批量定制的機床產品設計過程中,變型設計占有很大的比例。變型設計可以大大提高設計的速度和質量,又可重用企業的已有資源,對市場變化做出快速響應,高效、高質量、低成本地開發新產品,滿足客戶的需求。因此,變型設計在產品設計中具有重要的地位,對多品種、少批量生產和定制生產企業具有更加重要的意義,引起了學術界和企業界的廣泛關注。

對零件變型設計方法已經進行了一些研究。在實際生產工作中,企業不僅需要對零件進行變型設計,而且經常需要對裝配件進行變型設計。目前采用的方法往往是先對裝配件的各個零件進行變型設計,然后將變型后的零件重新組裝成裝配件,實現裝配件變型設計。這種裝配件變型設計方法不僅工作量大、自動化程度低,且由于沒有從整體上考慮裝配件中各個組成零件之間的裝配約束關系,導致在進行單個零件變型設計時,彼此之間需要人工協調,往往容易導致錯誤的發生。近年來,對裝配件變型設計進行的研究,取得了一些研究進展。盡管學者們在裝配件變型設計方法方面進行了較深入研究并取得了一些研究進展,但到目前為止,尚未見成熟、高效、實用的裝配件變型設計方法。

本文研究利用參數化技術建立裝配件參數化模型,利用裝配約束識別與提取方法提取裝配件的裝配約束,建立裝配件尺寸約束關系網絡,開發了與SolidWorks集成的基于裝配約束識別與提取以及尺寸參數傳遞與修改方法的裝配件變型設計模塊,實現了裝配件變型設計。

2 裝配約束識別與提取

要實現高效、自動的裝配件變型設計,要解決的關鍵問題就是當裝配件中某個組件(零件或子裝配件)的某個或某些尺寸發生變化時,如何迅速、準確地確定裝配件中其他組件的哪些尺寸需要改變以及如何改變。要解決上述問題,首先需要解決的問題就是需要知道裝配件中各個組件之間的裝配約束關系。因此,如何識別裝配件中的裝配約束并自動提取裝配件中的裝配約束關系是實現裝配件變型設計的關鍵。

在三維參數化設計軟件中,在構建三維裝配件時,系統會根據裝配約束情況自動建立裝配約束信息,并將這些裝配約束信息保存在裝配件參數化模型的指定位置。

目前,在一些三維參數化設計軟件中,提供了功能豐富的二次開發接口和二次開發函數,利用這些二次接口和二次開發函數,編制程序對三維參數化設計軟件進行二次開發,可以實現裝配件裝配約束自動識別與自動提取。在這里,提出一種基于三維參數化軟件二次開發的裝配約束識別與自動提取方法。具體實現方法與步驟如下:

(1)獲取當前活動文檔對象

在三維參數化軟件中,提供了獲取當前活動文檔對象的函數,利用這個函數,可以獲取當前活動文檔對象。在三維參數化軟件中,當前活動文檔對象是指當前被激活的文檔對象。如果當前活動文檔對象為裝配件,則獲取當前活動的裝配件文檔對象。例如,在SolidWorks中,利用SolidWorks二次開發函數ISldWorks→get_IActiveDoc2()可以獲取當前活動文檔對象。

(2)提取裝配約束信息

在三維參數化軟件中,利用軟件提供的特征獲取以及特征類型識別等二次開發函數,編制程序對三維參數化軟件進行二次開發,可以對當前活動對象包含的特征進行遍歷,并獲取每個被遍歷的特征的類型。如果當前被遍歷的特征為裝配特征,則可以按照裝配特征所屬的類型(如同心配合、貼面配合等),提取裝配約束信息。例如,在SolidWorks中,利用二次開發函數IModelDoc2→IFirstFeature(),IModeIDoc2→IGetNextFeature()編制程序可以對裝配件中的特征進行遍歷,獲取當前被遍歷的特征的類型;利用函數IFeature→CetTypeName()可以獲得特征所屬的類型。

(3)識別與提取裝配約束信息

編制程序,實現上述方法,自動識別并提取裝配件的裝配約束信息,并將提取的裝配約束信息保存在指定的數據庫中。

3 裝配件尺寸約束關系網絡

建立裝配件中各個零件的參數化模型,零件參數化模型如圖1所示。對零件參數化模型進行尺寸參數分析。通常,可以將尺寸參數分為不變參數、可變參數和導出參數三種類型。不變參數是指在零件的各種變型中始終保持不變的參數;可變參數是指在零件的各種變型中可以改變的參數;導出參數是指由其他參數計算出來的參數。在如圖1所示的聯軸器零件中,經過分析,可將尺寸參數A、B、C歸為可變參數。將尺寸參數DAA、DAB、DAC、DAD、DAE、DAF、DAG歸為導出參數;例如,可設DAA=C/3.0,DAB=A/3.0,DAC=C+10.0,DAD=B30.0,DAE=C+5.0,DAF=C+22.0,DAC=B/24且在國家標準規定的尺寸系列中選用。將尺寸參數L3、R1歸為不變參數。

根據裝配件中各個零件的參數化模型及其尺寸參數分析結果以及提取的裝配約束信息,可以構建裝配件尺寸約束關系網絡。所示的聯軸器裝配件的尺寸約束關系網絡。

在圖3中,各網絡結點代號中小數點前的數字對應圖2中的零件序號,小數點后的部分代表相應零件的尺寸參教。圖中的邊如果連接的是同一零件中的不同尺寸,則該邊的物理意義是表示同一零件中不同尺寸之間的尺寸約束關系,如圖中連接1.DAA與1.C兩個尺寸參數的邊表示的是在零件1中,1.DAA與1.C之間的關系,如前所述,1.DAA=1.C/3.0。如果圖中的邊連接的是分屬兩個不同零件的尺寸參數,則該邊的物理意義表示的是與該邊相連的兩個不同零件間的尺寸裝配關系。如圖中連接1.DAC和2.DAG的邊,表示的是零件1中的尺寸1.DAG尺寸與零件2中的尺寸2.DAC間的裝配約束關系。該裝配約束關系不僅包括1.DAG和2.DAG尺寸大小之間的關系,還包括二者之間的裝配約束關系,如兩者必須位于同心的兩個圓周上,且兩者在各自的圓周上的陣列方式相同。

4 裝配件變型設計方法

4.1 尺寸參數傳遞與修改

作者在對尺寸參數傳遞算法進行了較深入研究,提出了一種基于尺寸約束關系網絡的尺寸參數傳遞方法。作者在對裝配件尺寸參數修改方法進行了研究,提出了一種基于尺寸參數傳遞算法的裝配件尺寸參數修改方法。在這里,不再對尺寸參數傳遞與修改方法加以詳細敘述。

4.2 裝配件變型設計方法

在結合裝配約束自動識別與提取技術,提出一種高效、自動的裝配件變型設計方法。具體內容與步驟如下。

(1)建立裝配件以及裝配件中各個零件的參數化模型。對各個零件的尺寸參數進行分析并確定每個零件中各個尺寸參數之間的約束關系,建立其約束關系表達式。

(2)利用提出的裝配件裝配約束識別與提取方法,編制程序,提取裝配件中的裝配約束信息。

(3)根據零件尺寸參數分析結果以及提取的裝配件裝配約束信息,利用尺寸約束關系網絡構建方法,構建裝配件尺寸約束關系網絡。

(4)根據用戶要求與設計準則,確定要修改的零部件以及要修改的尺寸參數。

(5)利用尺寸參數傳遞方法與尺寸參數修改方法,求得裝配件中需要修改的模塊以及需要修改的尺寸參數并確定需要修改的尺寸參數的變化量,對所有需要修改的尺寸參數進行修改。

(6)以修改后的尺寸參數值驅動裝配件參數化模型,對裝配件參數化模型進行再生,得到經過尺寸參數修改和變型后的裝配件模型,實現裝配件變型設計。

5 系統實現與應用舉例

5.1 系統實現

利用SolidWorks API和VC++對SolidWorks進行二次開發,開發出了與SolidWorks集成的基于裝配約束識別與提取技術的裝配件變型設計插件,添加了裝配件變型設計插件的SolidWorks界面如圖4所示。

5.2 應用實例

這里仍以聯軸器裝配件為例,對提出的裝配件變型設計方法以及開發的裝配件變型設計插件進行應用驗證。

為聯軸器裝配件的初始參數化模型。圖6為聯軸器裝配件變型設計輸入參數界面,在本例中,假設聯軸器裝配件的設計參數為2個,分別是與聯軸器相連的輸入軸、輸出軸的直徑。輸入兩個設計參數后,點擊“變型設計”按鈕,就可以進行聯軸器裝配件快速、自動的裝配件變型設計。為變型后的聯軸器參數化模型。這里提出的方法以及開發的裝配件變型設計插件既可以完成裝配件變型設計,同時可以完成裝配件包含的各個子裝配件和零件的變型設計,提高了產品設計的速度和質量。

需要說明的是,這里所舉的聯軸器裝配件結構比較簡單,但提出的裝配件變型設計方法與步驟是通用的。針對不同的裝配件,只要在裝配件變型設計菜單下添加子菜單,針對指定的裝配件,按本文所述方法與步驟開發程序,主要修改圖6中所示的設計參數輸入對話框以及程序中的尺寸約束關系表達式,就可以得到滿足指定裝配件變型設計功能的裝配件變型設計子菜單,實現指定裝配件的變型設計。

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