基于特征工藝的機(jī)床夾具CAD系統(tǒng)研究.pdf

收稿日期:2002年12月基于特征工藝的機(jī)床夾具CAD系統(tǒng)研究蘭成均陳金明中國(guó)工程物理研究院摘要:論述了機(jī)床夾具CAD系統(tǒng)MF2CAD(MachineToolFixtureCADSystem)的方案設(shè)計(jì),提出了基于特征技術(shù)的零件工藝模型表示方法。應(yīng)用特征技術(shù)建立面向特征工藝的夾具設(shè)計(jì)模型,實(shí)現(xiàn)了一種基于特征工藝設(shè)計(jì)與夾具設(shè)計(jì)為一體的集成模式。關(guān)鍵詞:夾具CAD,特征工藝,系統(tǒng)模型ResearchofMachineToolFixtureCADSystemBasedonFeatureProcessLanChengjunChenJinmingAbstract:ThedesignmethodoftheMF2CADsystemisdiscussed,andtheprocessmodelingofpartsisexpoundedbasedonfeaturetechnology.ThecharactertechnologyisappliedtoestablishthesystemmodelofMF2CADandrealizetheintegratedmoduleofCAPP/CAFDsystembasedoncharactertechnology.Keywords:MF2CAD,featureprocess,systemmodeling1引言如何應(yīng)用CAD這一先進(jìn)工具和手段服務(wù)于工裝設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高質(zhì)量、低成本、短生產(chǎn)周期,近年來(lái)受到普遍的關(guān)注。采用基于特征技術(shù)實(shí)現(xiàn)支持整個(gè)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程的計(jì)算機(jī)輔助夾具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究,已成為該技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一,是實(shí)現(xiàn)工藝裝備設(shè)計(jì)自動(dòng)化的重要方法和手段。近年來(lái)在夾具CAD技術(shù)的研究中取得了很大的進(jìn)展。由于夾具方案設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng),其中需要考慮的問(wèn)題很多,目前在國(guó)內(nèi)外有很多的夾具方案設(shè)計(jì)方法,其中有的已成功地應(yīng)用到了生產(chǎn)實(shí)踐中,有的尚處于研究階段。但這些系統(tǒng)大都側(cè)重于特定設(shè)計(jì)功能的實(shí)現(xiàn),缺乏對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程及數(shù)據(jù)模型的研究。本文將討論如何利用特征技術(shù),實(shí)現(xiàn)支持整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的夾具CAD系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)及相關(guān)的設(shè)計(jì)方法。2機(jī)床夾具CAD系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)機(jī)床夾具CAD系統(tǒng)是面向夾具設(shè)計(jì)人員的參數(shù)化圖形信息管理系統(tǒng),它融程序庫(kù)和參數(shù)化圖形系統(tǒng)于一體。本文所設(shè)計(jì)的夾具CAD系統(tǒng)是建立在基于三維特征模型CAD基礎(chǔ)之上,整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程由被加工零件設(shè)計(jì)、工藝方案輔助設(shè)計(jì)、定位夾緊方案分析(包括定位誤差分析計(jì)算、夾緊力大小計(jì)算等)、夾具元件設(shè)計(jì)和夾具裝配設(shè)計(jì)等五個(gè)部分組成(見圖1)。圖1夾具CAD系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)(1)被加工零件設(shè)計(jì)即設(shè)計(jì)被加工零件,并輸入零件各部分與加工和設(shè)計(jì)夾具有關(guān)的信息,例如零件的尺寸大小、加工精度、材料種類、技術(shù)要求以及用戶對(duì)夾具設(shè)計(jì)的具體要求等。(2)工藝方案輔助設(shè)計(jì)即用被加工零件的設(shè)計(jì)信息與工藝知識(shí)庫(kù)中的信息進(jìn)行比較,經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)者的修改,得出合理的零件加工工藝后,再交互選取設(shè)計(jì)夾具的工序。(3)定位夾緊方案分析即確定定位夾緊方案,選擇定位元件和夾緊元件,利用程序庫(kù)中的相應(yīng)程序,進(jìn)行定位元件結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算和定位誤差分析以及夾緊力的計(jì)算,完成定位夾緊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。(4)夾具元件設(shè)計(jì)即根據(jù)前面的定位夾緊方案,對(duì)所需的夾具元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并從圖形庫(kù)中調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化夾具元件,如定位元件、支承元件等。(5)夾具的總體裝配利用交互式設(shè)計(jì)和圖形庫(kù)對(duì)夾具的裝配進(jìn)行設(shè)計(jì)。3基于特征技術(shù)的零件工藝模型工藝模型的描述是根據(jù)工藝設(shè)計(jì)方案生成的工藝設(shè)計(jì)過(guò)程信息,應(yīng)用特征技術(shù),從夾具設(shè)計(jì)角度,512003年第39卷8描述零件從毛坯到成品之間變換過(guò)程的特征信息,支持整個(gè)夾具設(shè)計(jì)過(guò)程。工藝模型通常從三個(gè)層次上表達(dá)加工的序列如圖2所示。用工序表示在一臺(tái)機(jī)床上的加工,用安裝和工位表示一次裝夾的加工位置,以工步表示一個(gè)特征的加工。因此,整個(gè)加工工藝過(guò)程由若干排列的工序組成,每一個(gè)工序又是由安裝工位和工步組成。由于我們的目標(biāo)是應(yīng)用于夾具設(shè)計(jì),所以,工藝模型的建立以工序?yàn)閱挝?按裝夾要求來(lái)描述零件特征和工序內(nèi)容。圖2零件加工工藝層次結(jié)構(gòu)圖3所示為基于特征的零件工藝模型結(jié)構(gòu)。工序1中工件的裝夾特征表示零件毛坯的初始狀態(tài),用毛坯特征表達(dá),以后各工序中零件的裝夾特征表示在原毛坯特征的基礎(chǔ)上若干特征的增加。工序1對(duì)毛坯進(jìn)行了兩個(gè)特征的加工,因此,工序2中工件的裝夾特征表示在原毛坯特征的基礎(chǔ)上的增加,即除了繼承原有的毛坯特征外,還增加了兩個(gè)特征。在工序2中,僅加工特征1的狀態(tài)發(fā)生變化(如擴(kuò)孔加工產(chǎn)生的孔徑變化)。因此,工序3中工件的裝夾特征僅表示加工特征1狀態(tài)的變化,即除了繼承工序2中的裝夾特征外,還增加了特征1狀態(tài)的變化?？梢哉f(shuō),工件在任一工序中的裝夾特征都表示毛坯特征、加工特征和狀態(tài),每一次工件的裝夾特征都是上一次工件裝夾特征狀態(tài)的變化或新特征的加入。圖3基于特征的工藝模型表示毛坯特征零件的設(shè)計(jì)特征,其內(nèi)容和結(jié)構(gòu)與毛坯設(shè)計(jì)相關(guān)。加工特征是在編制加工工藝過(guò)程中所產(chǎn)生的描述加工工藝及工件形狀的單元,其內(nèi)容包括工件加工表面的幾何形狀、加工表面的方位、加工精度、粗糙度和加工設(shè)備等信息。4基于特征工藝的夾具CAD系統(tǒng)模型與功能針對(duì)工藝設(shè)計(jì)與夾具設(shè)計(jì)的關(guān)系,本文提出一種基于加工特征的工藝設(shè)計(jì)與夾具設(shè)計(jì)為一體的集成模式,利用特征技術(shù)建立面向CAPP的工藝模型和面向夾具方案設(shè)計(jì)的裝夾特征模型,實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)與夾具設(shè)計(jì)的集成。(1)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)在功能上包括兩個(gè)子系統(tǒng):CAD/CAPP集成子系統(tǒng)和機(jī)床夾具CAD(MF2CAD)子系統(tǒng),如圖4所示。圖4基于特征工藝的夾具CAD模型結(jié)構(gòu)從三維CAD系統(tǒng)(本文中采用的是MDT)傳來(lái)的信息,經(jīng)特征提取后得到有關(guān)加工工藝信息和工裝夾具的設(shè)計(jì)信息,生成工藝模型,再將夾具設(shè)計(jì)信息傳給MF2CAD子系統(tǒng)。MF2CAD子系統(tǒng)根據(jù)工藝模型提取裝夾特征信息生成裝夾特征模型,按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的推理方法最后得到工藝設(shè)計(jì)文件和夾具設(shè)計(jì)模型。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中,系統(tǒng)不僅要接受和處理大量的設(shè)計(jì)信息,而且還要實(shí)現(xiàn)從加工特征的提取、工藝過(guò)程設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)到裝配等大量信息和功能的集成。建立工藝設(shè)計(jì)和夾具設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)模型,將工藝設(shè)計(jì)和夾具設(shè)計(jì)中的信息通過(guò)零件信息模型、工藝模型和夾具設(shè)計(jì)模型集成起來(lái),由網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)提供有力的支持。(2)系統(tǒng)功能CAD/CAPP的功能:首先實(shí)現(xiàn)零件的三維特征造型,并通過(guò)零件特征信息的輸入,識(shí)別零件結(jié)構(gòu)要素并檢索其加工特征,由專家系統(tǒng)推理完成零件結(jié)構(gòu)要素的工藝設(shè)計(jì)、機(jī)床刀具選擇、夾具類型選擇,61工具技術(shù)確定加工工藝路線和工序內(nèi)容,生成工藝設(shè)計(jì)文件,同時(shí)建立可向夾具設(shè)計(jì)提供信息的工藝模型。MF2CAD的功能:程序庫(kù):主要存放方案設(shè)計(jì)中各種設(shè)計(jì)計(jì)算程序,如方案設(shè)計(jì)中定位誤差分析計(jì)算程序、夾緊力計(jì)算與校核程序等。數(shù)據(jù)庫(kù):用于存儲(chǔ)夾具設(shè)計(jì)所需的各種數(shù)據(jù),包括夾具元件的結(jié)構(gòu)尺寸、方案設(shè)計(jì)使用的各種表格數(shù)據(jù)、公式及圖形數(shù)據(jù)以及保留夾具設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)等。參數(shù)化圖庫(kù):存放夾具設(shè)計(jì)所需的各種參數(shù)化夾具元件、組件、標(biāo)準(zhǔn)件、非標(biāo)件和夾具設(shè)計(jì)時(shí)用到的各種符號(hào)、格式等。裝夾特征信息庫(kù):用于存儲(chǔ)夾具方案設(shè)計(jì)的特征信息。應(yīng)用特征建模技術(shù)建立裝夾特征模型、表達(dá)方案設(shè)計(jì)信息,作為夾具元件選擇與裝配的依據(jù)。根據(jù)工藝特征模型提供的夾具設(shè)計(jì)信息,提取夾具方案設(shè)計(jì)的裝夾特征信息,最后完成夾具方案設(shè)計(jì)(包括夾具定位結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、定位夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、導(dǎo)向裝置設(shè)計(jì)、誤差分析等),用裝配模型模擬夾具的裝配。夾具方案設(shè)計(jì)可以按常規(guī)夾具設(shè)計(jì)順序,分為夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),定位方案設(shè)計(jì)、定位誤差計(jì)算、定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、夾緊方案設(shè)計(jì)、夾緊力分析計(jì)算、夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、導(dǎo)向?qū)Φ斗桨冈O(shè)計(jì)、導(dǎo)向?qū)Φ墩`差計(jì)算、導(dǎo)向?qū)Φ稒C(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、夾緊元件、定位元件等的選擇設(shè)計(jì)和其它夾具元件設(shè)計(jì)等。參考文獻(xiàn)1孫小斌,楊海成,李原.基于特征的夾具設(shè)計(jì)方法.機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2000(5):4944952柏合民,劉文劍,金天國(guó).基于特征與參數(shù)化的夾具半自動(dòng)化設(shè)計(jì)方法.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造,1998(9):2932.3仲高艷.在AutoCAD平臺(tái)上建立夾具CAD.機(jī)械設(shè)計(jì),1999(6):284李夢(mèng)群,劉春美.開放式夾具CAD系統(tǒng).制造技術(shù)與機(jī)床,2000(2):23245Kakish,Jamil,Zhang,Per2Liang,Zerd,Ibrahim.Towardsthede2signanddevelopmentofaknowledge2baseduniversalmodularjigsandfixturessystem.JournalofIntelligentManufacturing,114Aug2000KluwerAcademicPublishers,381401第一作者:蘭成均,中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所,621900四川省綿陽(yáng)市3國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):50075026)廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):950168)收稿日期:2002年12月鈍圓刀刃切削的有限元模擬3鄧文君夏偉周照耀王靈軍陳普慶華南理工大學(xué)摘要:利用商業(yè)有限元分析軟件Marc對(duì)考慮切削刃鈍圓半徑的切削加工過(guò)程進(jìn)行了有限元模擬。分析了切削刃鈍圓半徑在切削加工過(guò)程中對(duì)切削力和切削溫度的影響。關(guān)鍵詞:金屬切削,有限元,溫度場(chǎng)FiniteElementSimulationofCuttingwiththeToolEdgeRadiusConsideredDengWenjunXiaWeiZhouZhaoyaoetalAbstract:AfiniteelementsimulationofcuttingwiththetooledgeradiusconsideredispresentedusingthecommercialfiniteelementsoftwareMarc.Theeffectofthetooledgeradiusoncuttingforceandcuttingtemperatureisanalyzed.Keywords:metalcutting,finiteelementmethod,temperaturefield1引言一般高速鋼刀具的切削刃鈍圓半徑為310,硬質(zhì)合金刀具的鈍圓半徑為1832。圖1是考慮切削刃鈍圓的切削