SolidWorks的三維夾具CAD系統(tǒng)研究

2013-05-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者:殷國富陳佳徐雷

夾具作為制造企業(yè)中重要的基礎(chǔ)工藝裝備,廣泛應(yīng)用于加工、檢測(cè)和裝配等制造過程中。夾具設(shè)計(jì)的效率直接影響到產(chǎn)品的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間和產(chǎn)品成本。由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇和企業(yè)信息化的需要,企業(yè)對(duì)計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)訊CAFD淇有強(qiáng)烈的需求。計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)(CAFD)是通過計(jì)算機(jī)軟件程序來完成夾具設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、總裝圖和零件圖的繪制,及制定出夾具零件的數(shù)控加工程序等工作。計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)是CAD/CAM系統(tǒng)中一個(gè)獨(dú)立的部分,它和計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)(CAPP)共同構(gòu)成CAD和CAM之間的接口,而它和CAPP又是彼此相互提供信息和作出決策的兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。

目前的蘭維軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)、裝配模擬,干涉檢驗(yàn)以及有限元分析等功能為計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持,從而使如何在三維平臺(tái)下進(jìn)行夾具設(shè)計(jì)成為研究的熱點(diǎn)。

    1、三維CAFD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

機(jī)床夾具是山定位元件(或組件)、對(duì)刀元件、導(dǎo)向元件(或組件)、夾緊元件(或組件)及夾具體等幾個(gè)基本單元組成。機(jī)床夾具的設(shè)計(jì)的特點(diǎn)主要體現(xiàn)在:夾具的各個(gè)組成部分可以分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。與一般的產(chǎn)品設(shè)計(jì)相比,夾具設(shè)計(jì)的重構(gòu)性還是比較強(qiáng)的。因此,CAFD系統(tǒng)主要完成以下幾個(gè)方面的設(shè)計(jì):定位、對(duì)刀、導(dǎo)向、夾緊、夾具體等。每一個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容都應(yīng)包括方案確定和元件選擇。在三維設(shè)計(jì)平臺(tái)下,計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)的過程一般要經(jīng)歷概念設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)和洋細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)階段。

夾具設(shè)計(jì)過程不僅需要大量的有關(guān)零件設(shè)計(jì)、工藝和加工的數(shù)據(jù),同時(shí)還需要設(shè)計(jì)人員具有很豐富的領(lǐng)域知識(shí)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)夾具設(shè)計(jì)要求和系統(tǒng)功能分析.將三維CAFD系統(tǒng)分為以下幾個(gè)功能部分:信息輸入功能部分、輔助方案設(shè)計(jì)功能部分、設(shè)計(jì)校驗(yàn)功能部分和結(jié)果輸出功能部分。輸入信息包括:工件信息、工序信息、設(shè)備信息三個(gè)部分;夾具方案設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)定位方案、對(duì)刀導(dǎo)向方案、夾緊方案、夾具體方案;夾具設(shè)計(jì)校驗(yàn)主要是指定位精度評(píng)估和夾緊力的校核;最后一個(gè)過程是輸出設(shè)計(jì)結(jié)果,包括元件圖、裝配圖BOM表,并更新數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)的基層是由數(shù)據(jù)庫、實(shí)例庫、方案庫和圖形庫作為支持。數(shù)據(jù)庫中主要包括夾具結(jié)構(gòu)元素?cái)?shù)據(jù)庫:標(biāo)準(zhǔn)、手冊(cè)資料信息數(shù)據(jù)庫(公差、配合、粗糙度等);設(shè)備資料數(shù)據(jù)庫。這個(gè)數(shù)據(jù)庫要求是開放性的,必要時(shí)可由設(shè)計(jì)者向數(shù)據(jù)庫內(nèi)增加必要的其他信息。

系統(tǒng)的信息輸入部分的數(shù)據(jù)主要是指需輸入到計(jì)算機(jī)中的夾具圖的各種有效信息:尺寸、形狀及位置公差、表面粗糙度等。此部分?jǐn)?shù)據(jù)既可以從數(shù)據(jù)庫中讀取,也可以由用戶輸入。

系統(tǒng)提供基于實(shí)例和人機(jī)交互兩種方式輔助用戶生成夾具設(shè)計(jì)方案。夾具零件及裝配圖的重新生成方法中最常用的是利用尺寸驅(qū)動(dòng)技術(shù),通過讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)或者是用戶通過人機(jī)交互界面輸入的數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)零件或裝配圖,從而生產(chǎn)符合用戶要求的零件或裝配圖。

三維CAFD系統(tǒng)可以集CAD/CAE/CAM于一體.能夠在立體造型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品的模擬裝配、有限元分析計(jì)算、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、計(jì)算機(jī)輔助制造等,把設(shè)計(jì)、分析、制造集于一體。

2夾具三維圖形庫與夾具裝配體的建模方法

2.1基于SolidWorks的夾具三維圖形庫的建立

SolidWorks是目前廣泛應(yīng)用的完全基于Windows的三維CAD/CAE/CAM軟件。它采用與UG相同的底層圖形核心Parasolid,具有強(qiáng)大的基于特征的參數(shù)化實(shí)體建模能力,可以完成復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品裝配過程。SolidWorks通過OLE(對(duì)象鏈接與嵌入)技術(shù)為用戶提供了強(qiáng)大的二次開發(fā)接口,凡支持OLE編程的開發(fā)工具,均可用于SolidWorks的二次開發(fā),創(chuàng)建出用戶定制的專用模塊。

    夾具圖形庫是指以一定形式表示用于夾具設(shè)計(jì)的子圖形的集合。本系統(tǒng)的圖形庫主要有通用件(螺釘、螺母等)圖形庫、夾具標(biāo)準(zhǔn)件(定位元件、夾緊元件、導(dǎo)向元件、對(duì)刀原件)圖形庫和企業(yè)常用件(夾具體等〕圖形庫。它的作用是使夾具系統(tǒng)能裝配出一張符合要求的夾具裝配圖。夾具圖形庫是建立三維CAFD系統(tǒng)的關(guān)鍵。夾具圖形庫結(jié)構(gòu)如圖2所示。

夾具三維圖形庫的開發(fā)方法是在SolidWork\s下建立大量的通用件、夾具標(biāo)準(zhǔn)件和企業(yè)常用件的零件圖形庫,并按照機(jī)械零件手冊(cè)和夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)等工具書上的數(shù)據(jù)建立工程數(shù)據(jù)庫,在此基礎(chǔ)上,編寫程序(如VB, VC, Delphi等)調(diào)用SolidWorks的API函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)圖庫零件的尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)。

2.2基于SolidWorks的夾具裝配體建模方法

    本系統(tǒng)可運(yùn)用交互式方法在SolidWorks裝配環(huán)境下,以要設(shè)計(jì)夾具的零件工序圖(3D模型)為裝配的基礎(chǔ),按照手動(dòng)繪制夾具總裝圖的步驟,交互式調(diào)用夾具圖形庫中的定位元件、夾緊元件及機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向元件裝置等零件圖。在裝配體建模過程中,實(shí)際上是用二次開發(fā)所得,加載在SolidWorks裝配體生成環(huán)境下的菜單項(xiàng),對(duì)上述元件實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng),進(jìn)行裝配,最后根據(jù)夾具總的布局設(shè)計(jì)夾具體生成整個(gè)機(jī)床夾具裝配體。

在SolidWorks環(huán)境下,可迅速的對(duì)夾具裝配體進(jìn)行裝配干涉檢查和誤差分析,大大提高了沒計(jì)效率。同時(shí)在夾具三維圖形庫中調(diào)用的零件模型,可利用 SolidWorks的COSMOSX-press進(jìn)行受力應(yīng)力狀況分析,再轉(zhuǎn)換到內(nèi)嵌于SolidWork:的軟件的COSMOS/Works進(jìn)行更高級(jí)的有限元分析。這樣就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床夾具的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)校驗(yàn)。裝配體還可用Solidworks自帶的一個(gè)插件Animator(動(dòng)畫軟件)對(duì)夾具進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真,即給定夾具中可以運(yùn)動(dòng)的零件的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)路徑,使裝配體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng),從運(yùn)動(dòng)過程可以看出各零件是否會(huì)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的干涉,以便及時(shí)修改。 Solidworks可以把運(yùn)動(dòng)過程生成AVI動(dòng)畫文件,保存后可以脫離軟件環(huán)境獨(dú)立運(yùn)行。

在三維設(shè)計(jì)環(huán)境SolidWorks下完成元件的具體設(shè)計(jì)和裝配圖設(shè)計(jì),并進(jìn)行裝配干涉檢驗(yàn)和誤差分析等內(nèi)容,從而可以檢驗(yàn)概念設(shè)計(jì)的正確與否,并可糾正概念設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤和不合理之處。

詳細(xì)設(shè)計(jì)是夾具設(shè)計(jì)的最后階段,主要工作是完成夾具二維圖形的設(shè)計(jì)。目前的三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks具有從三維生成二維工作圖,而且具備雙向關(guān)聯(lián)的能力,并且具有三維實(shí)體全面尺寸約束和特征修改能力,因此能在設(shè)計(jì)中修改尺寸形狀。

3應(yīng)用實(shí)例及結(jié)論

本文提出了一種在SolidWorks平臺(tái)基礎(chǔ)上的三維CAFD系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系。通過建立SolidWorks二次開發(fā)的夾具三維圖形庫,以及 SolidWorks在夾具設(shè)計(jì)時(shí)在裝配體建模和分析中的運(yùn)用方法,提出開發(fā)基于SolidWorks三維平臺(tái)的CAFD系統(tǒng),用以有效提高夾具設(shè)計(jì)的效率和標(biāo)準(zhǔn)性。圖3和圖4分別為調(diào)用三維夾具圖形庫的標(biāo)準(zhǔn)件實(shí)例和在SolidWorks裝配環(huán)境下面生成的夾具裝配體的模型實(shí)例。

不斷完善SolidWorks二次開發(fā)建立的夾具三維圖形庫可以更好地滿足企業(yè)的要求,提高三維CAFD系統(tǒng)的實(shí)用性和通用性。

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