沖模CAD系統(tǒng)中典型結(jié)構(gòu)動態(tài)設計方法的研究

2013-05-28 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

研究了沖模CAD系統(tǒng)中模具典型結(jié)構(gòu)的動態(tài)設計方法,在約束關系樹裝配模型的基礎上,利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM行裝配建模,并論述了動態(tài)設計中正向設計與反向設計相應的約束求解方法。
蒙凡勝;溫建勇;李建軍;肖祥芷來源:模具工業(yè)
關鍵字:沖模CAD 面向?qū)ο蠓椒?動態(tài)設計約束求解

1 引言

沖模典型結(jié)構(gòu),是指由標準模架、模具的固定和定位裝置及導向裝置、卸料裝置等組成的一個有機裝配體,它是進行模具結(jié)構(gòu)設計的基礎。在以往的模具CAD系統(tǒng)中,進行模具結(jié)構(gòu)設計時,往往預先定義好幾種典型的模具結(jié)構(gòu)供用戶設計時選擇,然后再在此基礎上進行模具結(jié)構(gòu)設計。這雖然大大地減少了設計者的工作量,提高了設計效率,但由于沖模結(jié)構(gòu)的復雜與多變性,又限制了系統(tǒng)的實用范圍,也不能讓用戶進行設計修改,從而降低了設計的靈活性。

為了滿足不同用戶的需求,使他們能夠方便地自定義所需要的模具結(jié)構(gòu),并能在設計過程中進行動態(tài)的設計修改。本文研究了在參數(shù)化技術的基礎上,利用變量裝配設計方法,建立一個支持層次功能劃分,并能方便用戶進行動態(tài)設計修改的模具裝配模型,并以Auto CAD R14為平臺,利用面向?qū)ο蟮腛bjectARX為二次開發(fā)工具,結(jié)合MFC庫(Microsoft Fundamental Library)予以實現(xiàn)。

2 動態(tài)設計的關鍵技術

動態(tài)設計是在設計變量、設計變量約束、裝配約束驅(qū)動下的一種可變的裝配設計,其中設計變量是定義產(chǎn)品功能要求和設計者意圖的產(chǎn)品整體或其零部件的最基本的功能參數(shù)和形狀參數(shù),設計變量約束即設計約束或變量約束,設計變量和設計變量約束控制裝配體中的零部件的形狀。裝配約束是裝配體內(nèi)各個零部件的配合關系,它確定了零部件的位置。

動態(tài)設計的過程是正向設計與反向設計相互結(jié)合的過程,所謂正向設計是指從概念設計到詳細設計,從而得到裝配設計方案的自上而下的設計過程。而反向設計是指對產(chǎn)品設計方案中的一些不滿意的地方提出要求或限制條件,結(jié)合原有的裝配功能要求,通過約束求解對原有的設計方案進行設計修改的過程。

實現(xiàn)動態(tài)設計的關鍵技術主要有如下兩點:

(1)參數(shù)化技術。參數(shù)化設計為設計者提供了一個動態(tài)設計的環(huán)境。近幾年來,零件圖的參數(shù)化設計已經(jīng)比較成熟,這使將參數(shù)化方法引入裝配設計成為可能。利用參數(shù)化技術,不僅可以實現(xiàn)裝配圖中零部件的動態(tài)設計修改,還可以通過裝配模型定義裝配關系,以一組變量的某種特定的形式或裝配特征來表達裝配關系,通過尺寸的驅(qū)動,在裝配圖模型的基礎上參數(shù)化生成裝配圖。

(2)變量裝配設計理論。變量裝配設計理論是一種支持產(chǎn)品功能的裝配設計理論,其主要特點有:①支持從上到下的產(chǎn)品形狀和功能構(gòu)想;②支持面向功能的產(chǎn)品設計;③支持動態(tài)裝配設計。在裝配設計中,概念設計、裝配設計、零件設計是三個相互交叉的過程。變量裝配設計對概念設計產(chǎn)生的設計變量和設計變量約束進行記錄、表達、轉(zhuǎn)播,使各個階段設計主要是在產(chǎn)品功能和設計者意圖的基礎上進行,它始終是在產(chǎn)品的功能約束下進行和完成的。其設計過程如圖1。

沖模CAD系統(tǒng)中典型結(jié)構(gòu)動態(tài)設計方法的研究+項目圖片圖片1

圖1 變量裝配設計過程

3 模具典型結(jié)構(gòu)動態(tài)交互設計的實現(xiàn)

3.1 設計變量及設計變量約束的表達

設計變量是實現(xiàn)動態(tài)設計的基礎,零件的參數(shù)化設計及變量裝配設計是通過各種設計變量來實現(xiàn)的。設計變量的類表示如下:

class Design Variable:{
char *m_name; //變量名稱
value_type m_type;//變量類型
double m_real; //變量值
int m_int; //變量值
Point3d m_point; //變量值
char*m_string; //變量含義
Design Variable *next;}

在級進模設計中,設計變量約束有如下3種:①等式約束,如上、下模板的Z方向坐標Z2=Z1+H。②限制約束,常為不等式約束。③規(guī)則約束,模具設計中的一些經(jīng)驗知識。
采用設計變量約束網(wǎng)絡(Variable Constraint Network,VCN)來管理設計變量及其表達式。VCN是在模具典型結(jié)構(gòu)的設計過程中逐步建立和完善的,用戶可交互的對設計變量和變量約束進行增加、修改、刪除等。

3.2 零件信息的表達

裝配體中相同的零件會出現(xiàn)多次,它們的幾何信息、物理特性都相同,不同之處在于空間位置,利用面向?qū)ο蟮姆椒?可以將零件表達為各個類的一個個對象,這些類存儲零件的圖形(由塊組成)、位置(中心點的坐標(x,y,z)用數(shù)學表達式表達)、屬性(約束變量值及尺寸大小)。而設計一個零件的過程就是一個實例化的過程。零件的基類表示如下:

class Copart:public AcDbEntity{
Char *_instant; //零件的名稱
Point3d mCenter; //零件的定位點
AcGe Vector3d mRot; //零件的方向矢量
AcDbHardPointerID mdef; //零件的信息,如尺寸變量、零件個數(shù)等,以CoParDef(見下文)類存儲,以對象ID標識
AcDbObjectIDArray mEntIds;//組成零件的實體信息,從圖塊中獲得
AcDbObjectIDArray mHoles;//零件上的孔的信息,由于級進模的裝配關系多為板孔關系,故此信息須記錄
AcDbObjectIDArray mCons;//零件的約束鏈,以CoCons類(見下文)存儲,以對象ID標識 }
存儲零件信息(約束變量,尺寸變量等)的CoPartDef類封裝了該零件的零件編號、數(shù)量、標識及變量表達式等。

3.3 裝配約束關系的表達

在級進模中各零件的裝配約束關系主要有以下幾點:①接觸關系;②依附關系;③裝配尺寸關系。
在級進模結(jié)構(gòu)中,接觸關系和裝配尺寸關系相對比較簡單,它們用不同的類進行封裝,它們共同的基類CoCons表示如下:

class CoCons:public AcDbObject{
pointerID mBody1,mBody2;//裝配關系所約
束的兩個零件或子裝配體
pointerID mGeomRefl,mGeomRef2;//約束
關系的兩個圖形參考實體
}

而依附關系較復雜,在模具結(jié)構(gòu)中,依附關系主要為板件上孔、槽等的描述。因此可用特征的隱式表達的方法,通過約束類型以及用變量表達式表示的約束參數(shù)來描述依附約束關系。當建立兩個零件之間的約束關系時,包括約束關系鏈的一方稱為擁有者(Owner),另一方稱作連接者(Connector)。當任一方被刪除后,它們的約束關系也被刪除。在模具結(jié)構(gòu)中,孔的類型主要有通孔、帶螺紋階梯孔、螺紋孔、盲孔、階梯孔、凸、凹模的型孔等。通過總結(jié),可將這些建立成裝配約束關系庫,系統(tǒng)可根據(jù)裝配關系庫自動建立零件間的約束關系。下面為約束關系的一個實例,通孔(如圖2)的描述:

Relation(彈簧、凹模墊板)
{
Owner:彈簧(ID6)
Connector:凹模墊板(ID3)
Type:通孔
Paremeters:{
Center=[rxof(ID6),xyof(ID6),rzof(ID3)];
Ndir=[0,0,1];D=max(D1∷ID5,D∷ID6);H=T∷ID3;}}

沖模CAD系統(tǒng)中典型結(jié)構(gòu)動態(tài)設計方法的研究+項目圖片圖片2

圖2 通孔

3.4 動態(tài)設計及其約束求解

正向設計的過程為:先進行概念設計,確定模具的總體結(jié)構(gòu),從模具裝配圖庫中調(diào)出相應的典型模架裝配圖,在此基礎上,對裝配圖上的零件進行功能與形狀設計,同時進行裝配關系的定義(即貼合、同心、依附等)及修改,對所選零件的各個視圖進行參數(shù)化驅(qū)動或其它操作,并求解約束,約束求解采用動態(tài)變量約束求解。如設計方案中的一些不滿意,則須進行反向設計,如涉及到增加或刪除約束,則對VCN進行動態(tài)變量約束求解;如只需要進行修改零件的尺寸或設計變量,則選擇需要進行修改的零件,然后根據(jù)所選擇零件的約束,進行約束求解,并對相關零件進行設計修改。

所謂動態(tài)變量約束求解,即在建立VCN過程中,每輸入一個設計變量約束,如已知條件可以充分滿足該設計變量約束,就求解該約束。在此采用了分類分步分解的求解策略,將等式約束和其他約束分類進行分步處理,依次求解部分可解約束、循環(huán)處理,并應用序列分解方法選擇可解約束和決定約束求解的順序。等式約束的序列分解算法如下:

(1)把所有等式約束表達成一個鄰接矩陣M1,行表示等式約束,列表示設計變量,‘1’表示某設計變量出現(xiàn)在所有行的等式約束中,‘0’表示沒有出現(xiàn)。初始化一個堆棧S1。

(2)找出M1只含一個設計變量(對應只有一個‘1’)的行,如果沒有,則不可順序求解,轉(zhuǎn)入(4)。

(3)對只含一個設計變量的行,讀取該行的等式約束指針,并壓入堆棧S1,從矩陣中去掉該行,去掉含此設計變量的列,繼續(xù)(2)。

(4)求解S1中的等式約束所組成的方程組,返回。

當?shù)仁郊s束不可能再進行序列分解處理時,則需要進行方程組的聯(lián)立求解,其它類型的約束也可用以上類似的方法進行處理。

而反向設計中,如涉及到約束的增加或減少,也可對VCN進行動態(tài)變量約束求解。如約束不變,只是變量值發(fā)生了變化,則采用的約束關系的求解算法如下(如圖3):

(1)找到零件P1的約束鏈;

(2)依次取約束鏈中的約束關系,得到約束關系記錄的連接者Pc,如已到鏈尾則轉(zhuǎn)(5);

(3)如Pc的約束鏈中存在P1,則約束有效,轉(zhuǎn)(4),否則繼續(xù)(2);

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圖3 零件約束圖

(4)根據(jù)約束中記錄的約束參數(shù),求解變量表達式,得到相應的圖形;

(5)依次取Pc中連接者ID鏈中每一個ID,取得零件PID,從PID的約束鏈中得到相應的約束關系,同樣進行(4)。

4 結(jié)束語

采用以上的裝配信息的表達方法,正、反向設計相應的求解策略及面向?qū)ο蟮某绦蛟O計方法,在模具典型結(jié)構(gòu)設計中,零件及子裝配體的定義、存儲、管理、操作,裝配關系及約束變量的表達及求解將更加方便,這就給典型結(jié)構(gòu)的動態(tài)交互設計奠定了基礎。同時,也就能更好地利用MFC的可視化技術,使用戶能方便地進行交互的定義模具典型結(jié)構(gòu),并能進行動態(tài)設計及修改。

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