1 引言
智能CAD 系統(tǒng)的效率在很大程度上依賴于零部件生成與修改的效率。用戶在輸入特征單元時,不必考慮特征單元中幾何元素的確定位置, 而只需保證其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正確, 同時交互輸入相應(yīng)的尺寸參數(shù), 通過尺寸參數(shù)值的變化來生成結(jié)構(gòu)相同而參數(shù)不同的特征單元族。對于作為特征單元的標(biāo)準(zhǔn)件,因為數(shù)據(jù)有據(jù)可查, 需將邏輯上相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)件按類建成數(shù)據(jù)庫, 并且進(jìn)行互聯(lián)編程, 實現(xiàn)各模塊間數(shù)據(jù)的有效變換。用特征單元模型可以自動模型化零件。根據(jù)模塊化程序的形式可以保存和存儲圖形形狀的描述。形狀和尺寸在工程語義允許的范圍內(nèi)可以自動變化。這些特征單元具有功能、加工和形狀特性。
經(jīng)過對兩個型號的沖剪機(jī)床的246 個零件的研究, 其中箱體類零件7 個, 利用特征單元能夠建模的箱體類零件4 個, 經(jīng)過對一種型號富陽起重機(jī)工具的88 個零件的研究, 其中箱體類零件5 個、利用特征單元能夠建模的箱體類零件3 個, 利用特征單元可以方便對產(chǎn)品零件建模。本文開發(fā)這個系統(tǒng), 對于將來的推廣應(yīng)用和進(jìn)一步研究具有普遍意義。從溫州沖剪機(jī)床廠和富陽起重工具廠應(yīng)用實踐表明,這個系統(tǒng)對于產(chǎn)品的開發(fā)和設(shè)計, 是簡單適用的。
2 特征單元
基于特征單元的零件設(shè)計是產(chǎn)品設(shè)計的基礎(chǔ)。特征單元是設(shè)計的最基本單元, 也是加工的單元。鑄造箱體類等很多零件都是從毛坯經(jīng)過冷、熱加工得到的。因此, 根據(jù)合理化工程的哲理提取出同類零件相似的功能結(jié)構(gòu), 作為基本的單元。可以減少由于設(shè)計者不同造成設(shè)計結(jié)果不同的零件數(shù)量爆炸的缺點, 通過特征單元的產(chǎn)品建模, 可以讓設(shè)計者自由設(shè)計而設(shè)計的工程意義可以通過特征單元來保證, 降低了系統(tǒng)對設(shè)計者的要求, 提高了設(shè)計效率。部分箱體特征單元有外輪廓和內(nèi)部孔等單元如圖1a 和圖1b 所示, 詳細(xì)見文獻(xiàn)[ 6] 。
3 基于特征單元的箱體類零件自組織設(shè)計
泵體、閥體和機(jī)體等機(jī)器或部件的外殼、機(jī)座、主體等均為箱體類零件。這類零件需要支承和固定其它零件, 其作用是保證各個零件的相對位置以及傳動的嚙合精度, 是一臺機(jī)器中的重要部件, 約占一臺機(jī)器重量的一半左右。一臺機(jī)器中箱體類零件設(shè)計的好壞與否, 直接影響到一臺機(jī)器的尺寸、重量、成本以及精度, 所以設(shè)計時應(yīng)綜合考慮溫度、強(qiáng)度、剛度使用要求及鑄造、機(jī)械加工和裝卸工藝多方面因素, 但是箱體的結(jié)構(gòu)和受力比較復(fù)雜, 一次設(shè)計分析能達(dá)到產(chǎn)品要求還有一定差距, 箱體零件具有以下顯著特點:
( 1) 內(nèi)外形狀較為復(fù)雜, 毛坯多為鑄件。由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 一般需要三視圖來表達(dá)一個完整的箱體零件。
( 2) 主要用于承托軸瓦、套和軸承等, 容納軸、齒輪、彈簧、葉輪和潤滑油等, 保護(hù)內(nèi)部零件。因此常帶有空腔、軸孔、內(nèi)外承壁、肋、凸臺等結(jié)構(gòu)。
( 3) 常用的底板、底座和機(jī)架等與地面連接固定, 因此常帶有定位銷孔、螺孔、光孔和凸臺結(jié)構(gòu)。
( 4) 為使軸承和運(yùn)行零件得到潤滑, 在箱底和壁部有油標(biāo)和凸臺等。
箱體類零件特征單元的空間的位置難以確定,描述困難, 但通過對箱體類零件的分析可知, 箱體的總體輪廓形狀大致為六面體形狀, 其余的特征單元分布在六個方位上。本文用方位層次樹表達(dá)特征單元的分布。特征單元是構(gòu)成零件形狀的基本要素,箱體類零件的特征單元之間的關(guān)系分為兩種, 一種是主要的特征單元之間的鄰接關(guān)系, 一種是主要特征單元和輔助特征單元之間的從屬關(guān)系; 一個主要特征單元可能與多個其它主特征單元拼接, 多個輔助的特征單元可能從屬于一個主要特征單元。這種復(fù)雜的結(jié)構(gòu)對于計算機(jī)內(nèi)部處理極為不方便。利用方位層次樹可以形成一個二叉樹的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。由于二叉樹結(jié)構(gòu)的各種算法十分成熟, 因此, 零件結(jié)構(gòu)可以清晰表達(dá)。六個方位為上、下、左、右、前、后;其標(biāo)識為1, 23, 4, 5, 6。簡單箱體和方位二叉樹如圖2 所示。
箱體的特征單元的總體形狀是比較復(fù)雜, 因此,總結(jié)歸納一些主要的輪廓形狀作為基本的特征單元。輔助特征單元是具有許多相似的結(jié)構(gòu), 因此, 可以在不同箱體之間通用, 保證設(shè)計的合理性和減少工夾具數(shù)量, 提高設(shè)計效率。箱體零件特征單元的自組織算法如下:
STEP 1: 選擇總體零件的外輪廓特征單元的ICON, 輸入?yún)?shù)。自動激發(fā)圖形單元規(guī)
則。
STEP 2: 如果要進(jìn)行拼接, 則點選任意輪廓單元的內(nèi)部區(qū)域。系統(tǒng)自動識別視圖和區(qū)域; 否則轉(zhuǎn)移到” STEP 4”。
STEP 2.1: 如果視圖是方位1, 則繼續(xù); 否則轉(zhuǎn)到
“ STEP 212”。
STEP 2.1.1: 自動識別區(qū)域拼接輔助特征單元特性。
STEP 2.1.2: 選擇特征單元, 輸入?yún)?shù), 激活規(guī)則。
STEP 2.1.3: 系統(tǒng)進(jìn)行拼接。
STEP 2.1.4: 如果需要繼續(xù)拼接, 則返回到
“ ST EP 2.1.2” 。否則返回到
“ STEP 2”。
STEP 2.2: 如果視圖是方位2, 則繼續(xù); 否則轉(zhuǎn)到
“ STEP 213”。
STEP 2.2.1: 自動識別區(qū)域拼接輔助特征單元特性。
STEP 2.2.2: 選擇特征單元, 輸入?yún)?shù), 激活規(guī)則。
STEP 2.2.3: 系統(tǒng)進(jìn)行拼接。
STEP 2.2.4: 如果需要繼續(xù)拼接, 則返回到
“ ST EP 2.2.2 “。否則返回到
“STEP 2”。
STEP 2.3: 如果視圖是方位3, 則繼續(xù); 否則轉(zhuǎn)到
“ STEP 2.4”。
STEP 2.3.1: 自動識別區(qū)域拼接輔助特征單元特性。
STEP 2.3.2: 選擇特征單元, 輸入?yún)?shù), 激活規(guī)則。
STEP 2.3.3: 系統(tǒng)進(jìn)行拼接。
STEP 2.3.4: 如果需要繼續(xù)拼接, 則返回到
“ST EP 2.3.2 “。否則返回到
“STEP 2”。
STEP 2.4: 如果視圖是方位4, 則繼續(xù); 否則轉(zhuǎn)到
“STEP 2.5”。
STEP 2.4.1: 自動識別區(qū)域拼接輔助特征單元特性。
STEP 2.4.2: 選擇特征單元, 輸入?yún)?shù), 激活規(guī)則。
STEP 2.4.3: 系統(tǒng)進(jìn)行拼接。
STEP 2.4.4: 如果需要繼續(xù)拼接, 則返回到
“ST EP 2.4.2 “。否則返回到
“ STEP 2”。
STEP 2.5: 如果視圖是方位5, 則繼續(xù); 否則轉(zhuǎn)到
“”STEP 2.6”。
STEP 2.5.1: 自動識別區(qū)域拼接輔助特征單元特性。STEP 2.5.2: 選擇特征單元, 輸入?yún)?shù), 激活規(guī)則。STEP 2.5.3: 系統(tǒng)進(jìn)行拼接。STEP 2.5.4: 如果需要繼續(xù)拼接, 則返回到“ STEP 2.5.2 ”。否則返回到“ ST EP 2”。STEP 2.6: 如果視圖是方位6, 則繼續(xù); 否則轉(zhuǎn)到 “ STEP 2”。STEP 2.6.1: 自動識別區(qū)域拼接輔助特征單元特性。STEP 2.6.2: 選擇特征單元, 輸入?yún)?shù), 激活規(guī)則。STEP 2.6.3: 系統(tǒng)進(jìn)行拼接。STEP 2.6.4: 如果需要繼續(xù)拼接, 則返回到“ STEP 2.6.2 ”。否則返回到“ ST EP 2”。STEP 3: 如果需要繼續(xù)拼接, 則返回” STEP 2”, 否則繼續(xù)。STEP 4: 關(guān)閉自動拼接輔助特征單元的工具條, 打開交互拼接的工具條, 進(jìn)行交互拼接。STEP 5: 如果產(chǎn)品滿足設(shè)計需求, 存儲產(chǎn)品; 否則返回到” STEP 4”。利用特征單元進(jìn)行建模的部分箱體示例如圖3所示。箱體類零件由于其形狀復(fù)雜, 因此, 采用輪廓和內(nèi)部特征單元分類進(jìn)行歸納, 輪廓特征單元初步具有該類產(chǎn)品零件的形狀, 內(nèi)部特征單元, 可以隨著該類零件的特點進(jìn)行組合與互換, 形成同類箱體的變型產(chǎn)品, 增加了設(shè)計的柔性, 同時由于內(nèi)部特征單元的規(guī)范化和合理化, 控制了設(shè)計零件和工夾具數(shù)量, 縮短了產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期, 減少了產(chǎn)品成本。
4 小結(jié)
針對機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀提取出特征單元, 使特征單元的變換與產(chǎn)品的設(shè)計過程相結(jié)合, 真正把特征單元變成設(shè)計師思考和創(chuàng)造的語言。利用特征單元的ICON 信息可以方便地進(jìn)行產(chǎn)品零件的建模。
本文實現(xiàn)了基于特征單元的箱體類產(chǎn)品設(shè)計,提出了一系列操作算法。作為支持設(shè)計全過程的產(chǎn)品信息設(shè)計的特征單元技術(shù), 使設(shè)計工作在更高層次上進(jìn)行, 使設(shè)計師擺脫了傳統(tǒng)的基于幾何拓?fù)涞牡蛯哟谓换ピO(shè)計方法, 集中精力處理高層次的設(shè)計問題, 使得設(shè)計更加快速和方便, 促進(jìn)了智能CAD的發(fā)展。
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