机械产品三维参数化变型设计研究与应用

2013-05-14 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

赵利平秦慧斌王宗彦来源:万方数据
关键字:三维参数化变型设计闭环设计工程图调整
分析了目前机械产品三维参数化变型设计的现状,指出了其存在的不足。提出了模块划分、设计计算、参数化变型设计、有限元分析、工程图自动调整的机械产品闭环设计步骤。论述了机械产品三维参数化变型设计的内涵和关键技术。基于主流三维CAD软件平台,开发企业级基础组件,提供专用产品及零部件模块的三维参数化变型设计软件。
目前变型设计的三维CAD模型基本上都采用了参数化技术,与此同时三维参数化变型设计的理论和方法已经成为当今CAD研究的一个热点。但当前三维参数化变型设计中仍存在以下局限:

(1)当前的参数驱动技术,实质是对三维模型的尺寸变量进行等式约束。重点强调模型的尺寸驱动变型设计,但未研究变型设计尺寸参数的来源(设计计算或设计经验)、模型变型设计后的工程有效性。

(2)当前参数化设计思想停留在零部件设计层次,没有充分发挥三维CAD设计软件的参数化优势,也没有从根本上解决工程师出图重复、设计效率低、设计周期长的问题,因而不能适应目前重大机械装备产品设计生产的需求。

(3)2D工程图仍是国内机械产品生产加工的重要参考,目前国内外对三维参数化设计平台UG、proe、SolidWorks、Solid Edge等进行三维参数化开发研究的工作较多,但对三维参数化模型驱动后的工程图自动调整研究却很少。因此,导致三维参数化变型设计技术应用范围受到限制。

机械产品三维参数化变型设计应用水平的高低将直接决定企业设计效率、设计质量的高低和企业核心竞争力的强弱。本文论述了机械产品三维参数化变型设计的内涵、步骤及其关键技术。以某型号双立柱式巷道堆垛机为研究对象,开发了基于三维设计平台solidWorks2006的参数化变型设计系统。

1.机械产品三维参数化变型设计内涵与设计步骤

变型设计是关于设计方法和过程的一种分类定义,在保持产品基本功能、原理和总体结构不变的情况下,根据需求的变化,对产品局部结构、尺寸和约束关系进行调整或变更,形成新的产品。其关键是对已有设计资源的重用。变型设计是在继承基型产品的核心信息基础上,利用这些关联将变型信息传递到子代中,直到零部件详细设计为止,最终完成变型设计任务。

机械产品三维参数化变型设计是以拓扑约束、尺寸约束、工程约束驱动为技术基础,不仅包括传统参数化所包含的对部分特征驱动尺寸的修改使其他关联尺寸得到相应修改而产生结构相同但尺寸不同的零件系列三维模型,而且包括基于三维参数化模型驱动后与之相关联工程图的视图位置、比例、尺寸、注释、BOM表等相关信息的自动更新,生产制造的下游工装夹具、工艺规程规划、NC代码等参数化关联设计等,乃至整个产品生命周期的参数化设计。本文研究产品设计阶段的三维参数化变型设计技术,设计步骤如图l所示。

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2.关键技术

2.1机械产品主模型

产品设计建模阶段的主要任务是在基于定型产品,分析零件几何形状、零件参数;建立零部件主模型、产品主结构、2D工程图主模板,为产品变型设计做好技术准备。机械产品三维参数化变型设计是在零部件主模型和与之相关联工程图主模板的基础上进行的产品变型设计。

2.1.1参数分析

参数分析是在产品模块化的基础上,清理产品各组成模块之间、模块内子装配体之间、模块内零件之间的尺寸约束关系。参数分析包括产品总体参数分析、零部件参数分析和参数间关联分析。

(1)产品总体参数分析。总体参数分析的目的是分析影响整个产品功能、结构的主要性能参数。如影响双立柱式巷道堆垛机整体结构尺寸的主要参数是货物的长、宽、高、起重量、起升高度、跨度、工作级别等。

(2)零部件参数分析。零部件参数分析的目的在于对零部件参数进行分类,并在零部件参数中提
取能直接驱动的参数。参数分类遵循的原则是:与多个零部件相关联的结构尺寸参数为全局参数;决定本零部件结构尺寸参数为局部参数;由全局和局部参数计算出的结构尺寸参数为辅助参数;独立但不影响其它零部件尺寸变化的参数为无关参数。合理确定全局参数是装配布局草图能否得以准确表达的关键。在双立柱式巷道堆垛机横梁的设计中,把控制零部件位置关系的尺寸如跨度,隔板数目,隔板、底座的定位尺寸定义为全局参数,其他参数则直接或间接依赖于全局参数的变化而变化。门、舱口盖、底座等自身的结构参数定义为局部参数。头部一些支撑板的尺寸要靠全局参数和局部参数计算才能确定的尺寸定义为辅助参数。而头部电气孔、隔板电气孔、空调孔等不影响其它零部件尺寸变化的参数定义为无关参数。

(3)关联分析。关联分析的目的是建立参数问的联系,分为零部件之间的参数关联和零件内的参数关联两部分。零部件间的参数关联通过模型本身的装配来保证,而零件内的参数关联可以通过CAD系统的相关功能来保证。

设计计算与零部件主模型之间需要建立数据交换机制。参数化主模型的参数一部分由产品设计计算得到,一部分由设计人员凭经验根据零件的具体特点确定。在确定出驱动尺寸和从动尺寸后需要进一步分析各个尺寸的变化范围,这个范围会影响到公差数值、标准件和某些非标准件的配置。在参数化时设计人员只需输人驱动尺寸的值就可以自动更新从动尺寸、公差、标准件配置等相关因素。货叉模型的设计计算与数据接口界面如图2所示。

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2.1.2建立主模型

(1)装配布局草图。装配布局草图代表产品模型的主要空间位置和空间形状,反映构成产品的各个子模块之间的拓扑关系、以及其主要运动功能;是整个产品自顶向下设计展开过程中的核心,是各个子装配之间相互联系的中间桥梁和纽带。装配布局草图通过不同截面的基准点、线、面;空间的点、线、面来表征产品的三维装配布置图。堆垛机载货台吊架三维参数化装配主模型的装配草图如图3所示。

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(2)装配主模型。机械产品三维模型的设计过程,先是自顶向下完成产品的初步设计,自底向上完成零部件的详细设计、再以自顶向下的设计方式建立产品模型。考虑到自顶向下与自底向上设计方式的优缺点,并结合双立柱式巷道堆垛机板件多、焊接多、附属结构零散分布的特点,堆垛机的装配设计中采用了自顶向下与自底向上相结合的设计方式。堆垛机的主要部件模块(货叉结构、横梁、立柱)采用自顶向下的设计方式。采用三个基准面和装配布局草图的几何要素(点、线、基准面)来实现他们所有零件定位,控制整个模块的设计变更。堆垛机载货台吊架三维参数化装配主模型如图4所示。

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2.2基于三维模型驱动的工程图调整技术

基于三维参数化技术的机械产品模型,参数化驱动后重新生成的工程图,通常会产生以下5方面的问题:

    (1)图纸比例不合适。
    (2)视图位置发生交叉、偏离、布局不合理。
    (3)剖视图的剖切位置或局部视图的放大位置不合理。
    (4)尺寸飘移,位置分布不合理。
    (5)注解如焊接符号、粗糙度符号、零件序号等布局不合理。

这不符合国家、企业绘图标准,不适于直接作为加工参考,因此需对其进行调整。针对所使用的三维设计软件提供的工程图模块应用接口函数,建立通用的工程图自动调整程序,通过视图遍历的方法,对视图逐一调整。调整的内容包括:视图比例、视图位置、尺寸与注释、材料明细表等。其中视图比例和尺寸位置的调整是基于三维模型驱动的工程图调整技术的难点。

2.2.1视图比例调整

零部件变型设计,尺寸驱动在一定范围内变化,所以不改变图幅大小来适应视图的变化。利用三维设计软件所提供的API接口函数进行工程图视图的比例设置,需要根据视图大小来判定采用相应的视图比例。方法是通过判断视图最大外形尺寸与图框的相应边在某一方向上需要留下的空白区域大小来最终确定比例的大小。计算公式为

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式中:SWidth、SHeight分别为图框的宽、高;maxWD-im、maxHDim分别为每个试图在宽度、高度方向的最大尺寸;VScale为试图比例;WSpace、HSpace分别为视图之间或视图与图框在宽度、高度方向的空白区域宽度;SWidth、SHeight为图框的宽、高度仿真的空白区域宽度;SWidth、SHeight为图框的宽、高;k,l分别为工程图宽度和高度。

2.2.2视图位置调整

如果部件工程图中剖视图、局部剖视图较多,模型驱动后生成的工程图容易出现错位、剖面视图不在位或悬空、局部视图缺失等问题。原因在于剖切位置定位不准确,局部放大范围不固定。要解决此类问题,首先在工程图中,建立剖切线与模型之间的约束关系,使剖切线与局部放大框完全定位。然后用程序定义的变量来读取、记录每个视图的中心位置,并做坐标转换。模型驱动完成后对工程图进行位置调整时。使视图的新中心位置坐标与原中心位置坐标相重合,这样就避免了视图与视图之间的错位,并符合了企业标准。

3.双立柱式巷道堆垛机三维参数化变型设计系统

本文基于三维机械设计软件SolidWorks2006,采用机械产品三维参数化变型设计技术,利用Visual Basic开发了"双立柱式巷道堆垛机三维CAD设计系统"。主要功能模块如下:

(1)整体结构参数设置模块。包括堆垛机代号、货物尺寸、货物重量、横量跨度、主要外形结构尺寸、工作级别的设置、参数管理、存储路径的设定。

(2)横梁设计模块。包括典型零部件主动轮、从动轮、轴的设计计算,横梁头部标准、标准件的选择,模型驱动更新。

(3)立柱设计模块。包括槽钢设计计算,截面视图控制参数的计算与设置,连接板的相关参数的设置,模型驱动更新。

(4)货叉设计模块。包括链设计计算与选择,货叉正截面和侧截面视图控制参数的计算与设置。连接板相关参数的设置,模型驱动更新。

(5)提升机构设计模块。包括典型零部件滑轮、卷筒、缓冲器的设计计算与电机选择,起升安全校核,模型驱动更新等。

(6)有限元分析模块。封装Cosmosworks分析功能,对横梁、立柱、货叉、提升结构模型驱动更新后进行分析校核。

(7)工程图调整模块。横梁、立柱、货叉、提升结构,模型更新,有限元校核分析后,解决与主模型对应的工程图主模板视图、视图位置、比例、尺寸位置、焊接符号等注释标注数值、BOM表(材料明细表)自动调整与更新。

利用双立柱式巷道堆垛机三维参数化变型设计系统进行新产品的设计,可分为整体结构参数设置、计算、典型零部件的设计计算、横梁设计、立柱设计、货叉设计、提升结构设计及堆垛机总装设计5个部分,前5部分既相互独立又相互联系,可以分别进行设计也可以同时进行设计,同时进行设计生成同一代号产品的横梁、立柱、货叉、提升结构及其它零部件,通过堆垛机总装可生成堆垛机的总装模型和工程图。

4.结论

本文提出了基于三维CAD的机械产品三维参数化变型设计技术的概念、范畴、设计步骤。研究了产品主模型、基于三维模型驱动的工程图自动调整技术。结合企业需求,开发了"双立柱式巷道堆垛机三维CAD设计系统"。经企业应用证明,该技术可以避免大部分工程图的重复设计工作,提高设计效率60%以上。此技术加速了三维设计进程,对缩短产品设计周期,提高企业面对市场的快速响应能力具有重要应用价值。