基于SolidWorks的三维夹具CAD系统研究

锤子2011

针对机床夹具的设计特征，探讨了SolidWorks在三维计算机辅助设计中的应用方法，建立三维CAFD系吮的结构体系。通过应用本文在SolidWorks的二次开发建立起来的三维图形库和夹具装配体建模方法，可有效地帮助夹具设计人员提高夹具设计的效率和质量。
夹具作为制造企业中重要的基础工艺装备，广泛应用于加工、检测和装配等制造过程中。夹具设计的效率直接影响到产品的生产准备时间和产品成本。由于市场竞争的加剧和企业信息化的需要，企业对计算机辅助夹具设讯CAFD淇有强烈的需求。计算机辅助夹具设计(CAFD)是通过计算机软件程序来完成夹具设计计算、结构设计、总装图和零件图的绘制，及制定出夹具零件的数控加工程序等工作。计算机辅助夹具设计是CAD/CAM系统中一个独立的部分，它和计算机辅助工艺规程设计(CAPP)共同构成CAD和CAM之间的接口，而它和CAPP又是彼此相互提供信息和作出决策的两个独立的系统。
& v/ j; ]3 S/ \( A/ I- f目前的兰维软件的参数化设计、装配模拟，干涉检验以及有限元分析等功能为计算机辅助夹具设计提供了强有力的技术支持，从而使如何在三维平台下进行夹具设计成为研究的热点。
) f- o; M! l0 U$ L6 B, k1、三维CAFD系统结构体系
4 ^* X$ R2 ^6 @. l- n$ q机床夹具是山定位元件(或组件)、对刀元件、导向元件(或组件)、夹紧元件(或组件)及夹具体等几个基本单元组成。机床夹具的设计的特点主要体现在:夹具的各个组成部分可以分别进行设计。与一般的产品设计相比，夹具设计的重构性还是比较强的。因此，CAFD系统主要完成以下几个方面的设计:定位、对刀、导向、夹紧、夹具体等。每一个设计内容都应包括方案确定和元件选择。在三维设计平台下，计算机辅助夹具设计的过程一般要经历概念设计、技术设计和洋细设计三个阶段。
; I/ `- X# V: h( K+ {夹具设计过程不仅需要大量的有关零件设计、工艺和加工的数据，同时还需要设计人员具有很丰富的领域知识和设计经验。根据夹具设计要求和系统功能分析.将三维CAFD系统分为以下几个功能部分:信息输入功能部分、辅助方案设计功能部分、设计校验功能部分和结果输出功能部分。输入信息包括:工件信息、工序信息、设备信息三个部分;夹具方案设计需要设计定位方案、对刀导向方案、夹紧方案、夹具体方案;夹具设计校验主要是指定位精度评估和夹紧力的校核;最后一个过程是输出设计结果，包括元件图、装配图BOM表，并更新数据库。系统结构如图1所示。

系统的基层是由数据库、实例库、方案库和图形库作为支持。数据库中主要包括夹具结构元素数据库:标准、手册资料信息数据库(公差、配合、粗糙度等);设备资料数据库。这个数据库要求是开放性的，必要时可由设计者向数据库内增加必要的其他信息。
系统的信息输入部分的数据主要是指需输入到计算机中的夹具图的各种有效信息:尺寸、形状及位置公差、表面粗糙度等。此部分数据既可以从数据库中读取，也可以由用户输入。
系统提供基于实例和人机交互两种方式辅助用户生成夹具设计方案。夹具零件及装配图的重新生成方法中最常用的是利用尺寸驱动技术，通过读取数据库中的数据或者是用户通过人机交互界面输入的数据来驱动零件或装配图，从而生产符合用户要求的零件或装配图。
三维CAFD系统可以集CAD/CAE/CAM于一体.能够在立体造型设计的基础上进行产品的模拟装配、有限元分析计算、机构运动仿真、计算机辅助制造等，把设计、分析、制造集于一体。
3 N' @' A2 ]! K+ z* ?8 u2夹具三维图形库与夹具装配体的建模方法
) N; G5 G6 g. m" ^2.1基于SolidWorks的夹具三维图形库的建立
SolidWorks是目前广泛应用的完全基于Windows的三维CAD/CAE/CAM软件。它采用与UG相同的底层图形核心Parasolid，具有强大的基于特征的参数化实体建模能力，可以完成复杂的产品设计和产品装配过程。SolidWorks通过OLE(对象链接与嵌入)技术为用户提供了强大的二次开发接口，凡支持OLE编程的开发工具，均可用于SolidWorks的二次开发，创建出用户定制的专用模块。
夹具图形库是指以一定形式表示用于夹具设计的子图形的集合。本系统的图形库主要有通用件(螺钉、螺母等)图形库、夹具标准件(定位元件、夹紧元件、导向元件、对刀原件)图形库和企业常用件(夹具体等〕图形库。它的作用是使夹具系统能装配出一张符合要求的夹具装配图。夹具图形库是建立三维CAFD系统的关键。夹具图形库结构如图2所示。
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夹具三维图形库的开发方法是在SolidWork\s下建立大量的通用件、夹具标准件和企业常用件的零件图形库，并按照机械零件手册和夹具设计手册等工具书上的数据建立工程数据库，在此基础上，编写程序(如VB, VC, Delphi等)调用SolidWorks的API函数实现对图库零件的尺寸参数驱动。
. S  e: M, y1 Q+ @$ i. T2.2基于SolidWorks的夹具装配体建模方法
2 U3 q+ P3 J" V+ j; N$ Y本系统可运用交互式方法在SolidWorks装配环境下，以要设计夹具的零件工序图(3D模型)为装配的基础，按照手动绘制夹具总装图的步骤，交互式调用夹具图形库中的定位元件、夹紧元件及机构、导向元件装置等零件图。在装配体建模过程中，实际上是用二次开发所得，加载在SolidWorks装配体生成环境下的菜单项，对上述元件实现尺寸驱动，进行装配，最后根据夹具总的布局设计夹具体生成整个机床夹具装配体。
在SolidWorks环境下，可迅速的对夹具装配体进行装配干涉检查和误差分析，大大提高了没计效率。同时在夹具三维图形库中调用的零件模型，可利用SolidWorks的COSMOSX-press进行受力应力状况分析，再转换到内嵌于SolidWork:的软件的COSMOS/Works进行更高级的有限元分析。这样就可以实现机床夹具的计算机辅助设计校验。装配体还可用Solidworks自带的一个插件Animator(动画软件)对夹具进行运动仿真，即给定夹具中可以运动的零件的运动方式和运动路径，使装配体产生运动，从运动过程可以看出各零件是否会产生运动的干涉，以便及时修改。Solidworks可以把运动过程生成AVI动画文件，保存后可以脱离软件环境独立运行。
在三维设计环境SolidWorks下完成元件的具体设计和装配图设计，并进行装配干涉检验和误差分析等内容，从而可以检验概念设计的正确与否，并可纠正概念设计中的错误和不合理之处。
# t/ E$ A$ Z/ n1 \详细设计是夹具设计的最后阶段，主要工作是完成夹具二维图形的设计。目前的三维设计软件SolidWorks具有从三维生成二维工作图，而且具备双向关联的能力，并且具有三维实体全面尺寸约束和特征修改能力，因此能在设计中修改尺寸形状。
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9 v$ O$ b) x6 O  @3应用实例及结论
2 F# V. Q, z+ E' c! C本文提出了一种在SolidWorks平台基础上的三维CAFD系统的结构体系。通过建立SolidWorks二次开发的夹具三维图形库，以及SolidWorks在夹具设计时在装配体建模和分析中的运用方法，提出开发基于SolidWorks三维平台的CAFD系统，用以有效提高夹具设计的效率和标准性。图3和图4分别为调用三维夹具图形库的标准件实例和在SolidWorks装配环境下面生成的夹具装配体的模型实例。
) I; t7 y) f# o  d) X: M6 [. ^不断完善SolidWorks二次开发建立的夹具三维图形库可以更好地满足企业的要求，提高三维CAFD系统的实用性和通用性。
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