機械產品三維參數化變型設計研究與應用

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

趙利平秦慧斌王宗彥來源:萬方數據
關鍵字:三維參數化變型設計閉環設計工程圖調整
分析了目前機械產品三維參數化變型設計的現狀,指出了其存在的不足。提出了模塊劃分、設計計算、參數化變型設計、有限元分析、工程圖自動調整的機械產品閉環設計步驟。論述了機械產品三維參數化變型設計的內涵和關鍵技術。基于主流三維CAD軟件平臺,開發企業級基礎組件,提供專用產品及零部件模塊的三維參數化變型設計軟件。
目前變型設計的三維CAD模型基本上都采用了參數化技術,與此同時三維參數化變型設計的理論和方法已經成為當今CAD研究的一個熱點。但當前三維參數化變型設計中仍存在以下局限:

(1)當前的參數驅動技術,實質是對三維模型的尺寸變量進行等式約束。重點強調模型的尺寸驅動變型設計,但未研究變型設計尺寸參數的來源(設計計算或設計經驗)、模型變型設計后的工程有效性。

(2)當前參數化設計思想停留在零部件設計層次,沒有充分發揮三維CAD設計軟件的參數化優勢,也沒有從根本上解決工程師出圖重復、設計效率低、設計周期長的問題,因而不能適應目前重大機械裝備產品設計生產的需求。

(3)2D工程圖仍是國內機械產品生產加工的重要參考,目前國內外對三維參數化設計平臺UG、proe、SolidWorks、Solid Edge等進行三維參數化開發研究的工作較多,但對三維參數化模型驅動后的工程圖自動調整研究卻很少。因此,導致三維參數化變型設計技術應用范圍受到限制。

機械產品三維參數化變型設計應用水平的高低將直接決定企業設計效率、設計質量的高低和企業核心競爭力的強弱。本文論述了機械產品三維參數化變型設計的內涵、步驟及其關鍵技術。以某型號雙立柱式巷道堆垛機為研究對象,開發了基于三維設計平臺solidWorks2006的參數化變型設計系統。

1.機械產品三維參數化變型設計內涵與設計步驟

變型設計是關于設計方法和過程的一種分類定義,在保持產品基本功能、原理和總體結構不變的情況下,根據需求的變化,對產品局部結構、尺寸和約束關系進行調整或變更,形成新的產品。其關鍵是對已有設計資源的重用。變型設計是在繼承基型產品的核心信息基礎上,利用這些關聯將變型信息傳遞到子代中,直到零部件詳細設計為止,最終完成變型設計任務。

機械產品三維參數化變型設計是以拓撲約束、尺寸約束、工程約束驅動為技術基礎,不僅包括傳統參數化所包含的對部分特征驅動尺寸的修改使其他關聯尺寸得到相應修改而產生結構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化模型驅動后與之相關聯工程圖的視圖位置、比例、尺寸、注釋、BOM表等相關信息的自動更新,生產制造的下游工裝夾具、工藝規程規劃、NC代碼等參數化關聯設計等,乃至整個產品生命周期的參數化設計。本文研究產品設計階段的三維參數化變型設計技術,設計步驟如圖l所示。

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2.關鍵技術

2.1機械產品主模型

產品設計建模階段的主要任務是在基于定型產品,分析零件幾何形狀、零件參數;建立零部件主模型、產品主結構、2D工程圖主模板,為產品變型設計做好技術準備。機械產品三維參數化變型設計是在零部件主模型和與之相關聯工程圖主模板的基礎上進行的產品變型設計。

2.1.1參數分析

參數分析是在產品模塊化的基礎上,清理產品各組成模塊之間、模塊內子裝配體之間、模塊內零件之間的尺寸約束關系。參數分析包括產品總體參數分析、零部件參數分析和參數間關聯分析。

(1)產品總體參數分析。總體參數分析的目的是分析影響整個產品功能、結構的主要性能參數。如影響雙立柱式巷道堆垛機整體結構尺寸的主要參數是貨物的長、寬、高、起重量、起升高度、跨度、工作級別等。

(2)零部件參數分析。零部件參數分析的目的在于對零部件參數進行分類,并在零部件參數中提
取能直接驅動的參數。參數分類遵循的原則是:與多個零部件相關聯的結構尺寸參數為全局參數;決定本零部件結構尺寸參數為局部參數;由全局和局部參數計算出的結構尺寸參數為輔助參數;獨立但不影響其它零部件尺寸變化的參數為無關參數。合理確定全局參數是裝配布局草圖能否得以準確表達的關鍵。在雙立柱式巷道堆垛機橫梁的設計中,把控制零部件位置關系的尺寸如跨度,隔板數目,隔板、底座的定位尺寸定義為全局參數,其他參數則直接或間接依賴于全局參數的變化而變化。門、艙口蓋、底座等自身的結構參數定義為局部參數。頭部一些支撐板的尺寸要靠全局參數和局部參數計算才能確定的尺寸定義為輔助參數。而頭部電氣孔、隔板電氣孔、空調孔等不影響其它零部件尺寸變化的參數定義為無關參數。

(3)關聯分析。關聯分析的目的是建立參數問的聯系,分為零部件之間的參數關聯和零件內的參數關聯兩部分。零部件間的參數關聯通過模型本身的裝配來保證,而零件內的參數關聯可以通過CAD系統的相關功能來保證。

設計計算與零部件主模型之間需要建立數據交換機制。參數化主模型的參數一部分由產品設計計算得到,一部分由設計人員憑經驗根據零件的具體特點確定。在確定出驅動尺寸和從動尺寸后需要進一步分析各個尺寸的變化范圍,這個范圍會影響到公差數值、標準件和某些非標準件的配置。在參數化時設計人員只需輸人驅動尺寸的值就可以自動更新從動尺寸、公差、標準件配置等相關因素。貨叉模型的設計計算與數據接口界面如圖2所示。

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2.1.2建立主模型

(1)裝配布局草圖。裝配布局草圖代表產品模型的主要空間位置和空間形狀,反映構成產品的各個子模塊之間的拓撲關系、以及其主要運動功能;是整個產品自頂向下設計展開過程中的核心,是各個子裝配之間相互聯系的中間橋梁和紐帶。裝配布局草圖通過不同截面的基準點、線、面;空間的點、線、面來表征產品的三維裝配布置圖。堆垛機載貨臺吊架三維參數化裝配主模型的裝配草圖如圖3所示。

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(2)裝配主模型。機械產品三維模型的設計過程,先是自頂向下完成產品的初步設計,自底向上完成零部件的詳細設計、再以自頂向下的設計方式建立產品模型。考慮到自頂向下與自底向上設計方式的優缺點,并結合雙立柱式巷道堆垛機板件多、焊接多、附屬結構零散分布的特點,堆垛機的裝配設計中采用了自頂向下與自底向上相結合的設計方式。堆垛機的主要部件模塊(貨叉結構、橫梁、立柱)采用自頂向下的設計方式。采用三個基準面和裝配布局草圖的幾何要素(點、線、基準面)來實現他們所有零件定位,控制整個模塊的設計變更。堆垛機載貨臺吊架三維參數化裝配主模型如圖4所示。

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2.2基于三維模型驅動的工程圖調整技術

基于三維參數化技術的機械產品模型,參數化驅動后重新生成的工程圖,通常會產生以下5方面的問題:

    (1)圖紙比例不合適。
    (2)視圖位置發生交叉、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、粗糙度符號、零件序號等布局不合理。

這不符合國家、企業繪圖標準,不適于直接作為加工參考,因此需對其進行調整。針對所使用的三維設計軟件提供的工程圖模塊應用接口函數,建立通用的工程圖自動調整程序,通過視圖遍歷的方法,對視圖逐一調整。調整的內容包括:視圖比例、視圖位置、尺寸與注釋、材料明細表等。其中視圖比例和尺寸位置的調整是基于三維模型驅動的工程圖調整技術的難點。

2.2.1視圖比例調整

零部件變型設計,尺寸驅動在一定范圍內變化,所以不改變圖幅大小來適應視圖的變化。利用三維設計軟件所提供的API接口函數進行工程圖視圖的比例設置,需要根據視圖大小來判定采用相應的視圖比例。方法是通過判斷視圖最大外形尺寸與圖框的相應邊在某一方向上需要留下的空白區域大小來最終確定比例的大小。計算公式為

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式中:SWidth、SHeight分別為圖框的寬、高;maxWD-im、maxHDim分別為每個試圖在寬度、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、高度方向的空白區域寬度;SWidth、SHeight為圖框的寬、高度仿真的空白區域寬度;SWidth、SHeight為圖框的寬、高;k,l分別為工程圖寬度和高度。

2.2.2視圖位置調整

如果部件工程圖中剖視圖、局部剖視圖較多,模型驅動后生成的工程圖容易出現錯位、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、記錄每個視圖的中心位置,并做坐標轉換。模型驅動完成后對工程圖進行位置調整時。使視圖的新中心位置坐標與原中心位置坐標相重合,這樣就避免了視圖與視圖之間的錯位,并符合了企業標準。

3.雙立柱式巷道堆垛機三維參數化變型設計系統

本文基于三維機械設計軟件SolidWorks2006,采用機械產品三維參數化變型設計技術,利用Visual Basic開發了"雙立柱式巷道堆垛機三維CAD設計系統"。主要功能模塊如下:

(1)整體結構參數設置模塊。包括堆垛機代號、貨物尺寸、貨物重量、橫量跨度、主要外形結構尺寸、工作級別的設置、參數管理、存儲路徑的設定。

(2)橫梁設計模塊。包括典型零部件主動輪、從動輪、軸的設計計算,橫梁頭部標準、標準件的選擇,模型驅動更新。

(3)立柱設計模塊。包括槽鋼設計計算,截面視圖控制參數的計算與設置,連接板的相關參數的設置,模型驅動更新。

(4)貨叉設計模塊。包括鏈設計計算與選擇,貨叉正截面和側截面視圖控制參數的計算與設置。連接板相關參數的設置,模型驅動更新。

(5)提升機構設計模塊。包括典型零部件滑輪、卷筒、緩沖器的設計計算與電機選擇,起升安全校核,模型驅動更新等。

(6)有限元分析模塊。封裝Cosmosworks分析功能,對橫梁、立柱、貨叉、提升結構模型驅動更新后進行分析校核。

(7)工程圖調整模塊。橫梁、立柱、貨叉、提升結構,模型更新,有限元校核分析后,解決與主模型對應的工程圖主模板視圖、視圖位置、比例、尺寸位置、焊接符號等注釋標注數值、BOM表(材料明細表)自動調整與更新。

利用雙立柱式巷道堆垛機三維參數化變型設計系統進行新產品的設計,可分為整體結構參數設置、計算、典型零部件的設計計算、橫梁設計、立柱設計、貨叉設計、提升結構設計及堆垛機總裝設計5個部分,前5部分既相互獨立又相互聯系,可以分別進行設計也可以同時進行設計,同時進行設計生成同一代號產品的橫梁、立柱、貨叉、提升結構及其它零部件,通過堆垛機總裝可生成堆垛機的總裝模型和工程圖。

4.結論

本文提出了基于三維CAD的機械產品三維參數化變型設計技術的概念、范疇、設計步驟。研究了產品主模型、基于三維模型驅動的工程圖自動調整技術。結合企業需求,開發了"雙立柱式巷道堆垛機三維CAD設計系統"。經企業應用證明,該技術可以避免大部分工程圖的重復設計工作,提高設計效率60%以上。此技術加速了三維設計進程,對縮短產品設計周期,提高企業面對市場的快速響應能力具有重要應用價值。