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、檢測和裝配等制造過程中。夾具設(shè)計的效率直接影響到產(chǎn)品的生產(chǎn)準備時間和產(chǎn)品成本。由于市場競爭的加劇和企業(yè)信息化的需要,企業(yè)對計算機輔助夾具設(shè)訊CAFD淇有強烈的需求。計算機輔助夾具設(shè)計(CAFD)是通過計算機軟件程序來完成夾具設(shè)計計算、結(jié)構(gòu)設(shè)計、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。計算機輔助夾具設(shè)計是CAD/CAM系統(tǒng)中一個獨立的部分,它和計算機輔助工藝規(guī)程設(shè)計(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獨立的系統(tǒng)。

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

    1、三維CAFD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系

機床夾具是山定位元件(或組件)、對刀元件、導(dǎo)向元件(或組件)、夾緊元件(或組件)及夾具體等幾個基本單元組成。機床夾具的設(shè)計的特點主要體現(xiàn)在:夾具的各個組成部分可以分別進行設(shè)計。與一般的產(chǎn)品設(shè)計相比,夾具設(shè)計的重構(gòu)性還是比較強的。因此,CAFD系統(tǒng)主要完成以下幾個方面的設(shè)計:定位、對刀、導(dǎo)向、夾緊、夾具體等。每一個設(shè)計內(nèi)容都應(yīng)包括方案確定和元件選擇。在三維設(shè)計平臺下,計算機輔助夾具設(shè)計的過程一般要經(jīng)歷概念設(shè)計、技術(shù)設(shè)計和洋細設(shè)計三個階段。

夾具設(shè)計過程不僅需要大量的有關(guān)零件設(shè)計、工藝和加工的數(shù)據(jù),同時還需要設(shè)計人員具有很豐富的領(lǐng)域知識和設(shè)計經(jīng)驗。根據(jù)夾具設(shè)計要求和系統(tǒng)功能分析.將三維CAFD系統(tǒng)分為以下幾個功能部分:信息輸入功能部分、輔助方案設(shè)計功能部分、設(shè)計校驗功能部分和結(jié)果輸出功能部分。輸入信息包括:工件信息、工序信息、設(shè)備信息三個部分;夾具方案設(shè)計需要設(shè)計定位方案、對刀導(dǎo)向方案、夾緊方案、夾具體方案;夾具設(shè)計校驗主要是指定位精度評估和夾緊力的校核;最后一個過程是輸出設(shè)計結(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)元素數(shù)據(jù)庫:標準、手冊資料信息數(shù)據(jù)庫(公差、配合、粗糙度等);設(shè)備資料數(shù)據(jù)庫。這個數(shù)據(jù)庫要求是開放性的,必要時可由設(shè)計者向數(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算機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。此部分數(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)提供基于實例和人機交互兩種方式輔助用戶生成夾具設(shè)計方案。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交互界面輸入的數(shù)據(jù)來驅(qū)動零件或裝配圖,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)計的基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品的模擬裝配、有限元分析計算、機構(gòu)運動仿真、計算機輔助制造等,把設(shè)計、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,具有強大的基于特征的參數(shù)化實體建模能力,可以完成復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計和產(chǎn)品裝配過程。SolidWorks通過OLE(對象鏈接與嵌入)技術(shù)為用戶提供了強大的二次開發(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、夾具標準件(定位元件、夾緊元件、導(dǎo)向元件、對刀原件)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、夾具標準件和企業(yè)常用件的零件圖形庫,并按照機械零件手冊和夾具設(shè)計手冊等工具書上的數(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)實現(xiàn)對圖庫零件的尺寸參數(shù)驅(qū)動。

2.2基于SolidWorks的夾具裝配體建模方法

    本系統(tǒng)可運用交互式方法在SolidWorks裝配環(huán)境下,以要設(shè)計夾具的零件工序圖(3D模型)為裝配的基礎(chǔ),按照手動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、夾緊元件及機構(gòu)、導(dǎo)向元件裝置等零件圖。在裝配體建模過程中,實際上是用二次開發(fā)所得,加載在SolidWorks裝配體生成環(huán)境下的菜單項,對上述元件實現(xiàn)尺寸驅(qū)動,進行裝配,最后根據(jù)夾具總的布局設(shè)計夾具體生成整個機床夾具裝配體。

在SolidWorks環(huán)境下,可迅速的對夾具裝配體進行裝配干涉檢查和誤差分析,大大提高了沒計效率。同時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進行更高級的有限元分析。這樣就可以實現(xiàn)機床夾具的計算機輔助設(shè)計校驗。裝配體還可用Solidworks自帶的一個插件Animator(動畫軟件)對夾具進行運動仿真,即給定夾具中可以運動的零件的運動方式和運動路徑,使裝配體產(chǎn)生運動,從運動過程可以看出各零件是否會產(chǎn)生運動的干涉,以便及時修改。 Solidworks可以把運動過程生成AVI動畫文件,保存后可以脫離軟件環(huán)境獨立運行。

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

詳細設(shè)計是夾具設(shè)計的最后階段,主要工作是完成夾具二維圖形的設(shè)計。目前的三維設(shè)計軟件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,并且具有三維實體全面尺寸約束和特征修改能力,因此能在設(shè)計中修改尺寸形狀。

3應(yīng)用實例及結(jié)論

本文提出了一種在SolidWorks平臺基礎(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)計時在裝配體建模和分析中的運用方法,提出開發(fā)基于SolidWorks三維平臺的CAFD系統(tǒng),用以有效提高夾具設(shè)計的效率和標準性。圖3和圖4分別為調(diào)用三維夾具圖形庫的標準件實例和在SolidWorks裝配環(huán)境下面生成的夾具裝配體的模型實例。

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)的實用性和通用性。

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