（机械制造及其自动化专业论文）汽轮机直型榫齿形叶片夹具设计自动化.pdf

摘要 摘要 本课题是利用参数化技术来设计开发夹具c a d 系统，以解决传统的央具设计存在着 设计周期长，设计效率低等问题，从而大大提高设计速度，减少重复劳动，满足现代制 造系统灵活，快速的要求，提高企业的市场竞争力。 u n i g r a p h i e s ( 简称u g ) 软件是当前世界上最先进和紧密集成的、面向制造行业的 c a d c a m c a e 高端软件。它采用开放式的体系结构，提供了丰富的c a d 本地化( 客 户化) 的开发手段，允许用户或者二次开发商设计各种应用程序扩充其功能。本文以 u g o p e ng r i p 通用开发语言为开发工具，在总结无锡某叶片厂经验的基础之上，对汽 轮机叶片央具c a d 二次丌发与应用做了系统的研究，使经验固化，模块化和程序化。 通过对u g 二次开发工具及其工作原理分析，介绍了参数化设计原理，并在此基础上 设计一个基于u g 软件的汽轮机叶片夹具c a d 系统。作者在系统建立过程中做了大量 的工作：研究了u g 软件二次开发技术，编制了夹具c a d 系统的相关程序：探索了零件 参数化设计的方法，建立了可扩充的央具零件库：在深入地研究了零件参数化设计方法 的基础上，形成了基于装配约束的装配体参数化设计方法，结合c a d 的二次开发，以 典型的夹具实体为对象，在系统的开发过程中将理论研究与实际应用紧密结合，验证这 种方法的可行性：自动生成零件的工程图；制作了二次开发程序菜单，对运行程序进行 规范化、可视化和简单化，提高程序运行效率与质量；最后，为适应目前企业夹具制造 的需要，建立了u g 软件二维工程图模板，为汽轮机叶片工装设计c a d 的研究和应用 奠定了基础。 关键词：c a d z 次开发；叶片央具；参数化设计；工程图 a 。b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp r o j e c tm a k e su s eo fp a r a m e t r i ct e c h n o l o g yt od e v e l o pc a ds y s t e mo ff i x t u r e i t c a ns o l v e s o m ep r o b l e m so ft r a d i a t i o nf i x t u r es u c ha sl o n gd e s i g np e r i o d 1 0 wd e s i g ne f f i c i e n c y a n ds o o n t h e r e f o r e ，i tc a ni n c r e a s ed e s i g ns p e e d ，r e d u c er e p e t i t i o nl a b o r i n ga n ds a t i s f yr a p i d a n df l e x i b l er e q u e s to fm o d e mm a n u f a c t u r es y s t e m a sar e s u l t ，i n c r e a s i n gc o m p e t i n gp o w e r o ft h ee n t e r p r i s e u n i g r a p h i c si st h em o s ta d v a n c e da n dc l o s ei n t e g r a lc a d c a m c a es o f t w a r ei nt h e f i e l do fm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y i t so p e na r c h i t e c t u r ep r o v i d e sa b u n d a n to fd e v e l o p m e n tw a y s m e e t i n gc u s t o m e r sr e q u i r e m e n t sa n dp e r m i t st h eu s e rt od e s i g na p p l i c a t i o np r o g r a mt o e x p a n dn e wf u n c t i o n o nt h eb a s i so ft h ec o n c l u s i o nt ow t bf a c t o r ye x p e r i e n c e ，s p e c i a l s y s t e mo fd e s i g n i n ga n da p p l i c a t i o nt ob l a d e d i eh a sb e e nr e s e a r c h e do nw i t ht h eh e l po f u g o p e ng r l p t h i st h e s ism a i n l yi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to ft h eu gs o f t w a r ef o r t h ea p p l i c a t i o no f t h et u r b i n eb l a d ef i x t u r ed e s i g n i n g ，a n do nt h ef o u n d a t i o no ft h ei n v e s t i g a t i o n ，t h ea u t h o rb u i l t af i x t u r e d e s i g n i n g c a ds y s t e mb a s e do nu gs o f t w a r e i nt h i sp r o c e s st h ea u t h o rh a sd o n e m a n yw o r k s ：i n v e s t i g a t e dt h ed e v e l o p e dt e c h n i q u eo ft h eu gs o f t w a r e ，a n dh a sw r i t t e ns o m e p r o g r a m sf o rt h es y s t e m ；i n v e s t i g a t e dt h em e t h o do fp a r a m e t r i cd e s i g nf o rp a r t s ，b u i l tt h e e x p a n d a b l e p a r t sl i b r a r y p u te m p h a s i su p o nt h em e t h o do fp a r a m e t r i cd e s i g no fp a r t s ，u n d e r t h i sc i r c u m s t a n c e ，a n dp r e s e n tt h em e t h o do fa s s e m b l yp a r a m e t r i cd e s i g nb a s e do na s s e m b l y c o n s t r a i n t s t h r o u g ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fc a d ，t h i sm e t h o di sp u ti n t op r a c t i c ea n dt h u s s e tu pap a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mb a s e do nu n i v e r s a lc a ds y s t e mf o rak i n do ft y p i c a l f i x t u r e w h e nd e v e l o p i n gt h i ss y s t e m ，t h ea u t h o rc o m b i n e dt h e o r yw i t hp r a c t i c et i g h t l y , a n d p r o v e dw h i c hi sf e a s i b l e ；g e n e r a t et h ed r a w i n g so fp a r t sa u t o m a t i c a l l y ；g e n e r a t et h em e n uf o r t h ef u r t h e rd e v e l o p m e n t , a n dm a k ei ts t a n d a r d i z a t i o n ，v i s u a l i z a t i o n ，s i m p l i f i c a t i o n ；a t1 a s t ，t h e a u t h o rb u i l tt h eu gd r a f t i n gt e m p l a t e s ，w h i c hl a i dt h ef o u n d a t i o n sf o rt h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fc a d f o rt u r b i n eb l a d et o o ld e s i g n i n g k e yw o r d s ：c a df u r t h e rd e v e l o p m e n t ；b l a d ef i x t u r e ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；d r a f t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签名：荡礼伽日期：翮。幼 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签名：高氖凯- 导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁化 1 1 引言 叶片是汽轮机、航空发动机和燃汽轮机的重要零件。在叶片的制造过程中，夹具设 计是产品制造工装设备的主要环节，夹具设计速度的快慢与质量的好坏将直接影响到整 个产品的交货周期和质量。通常情况下，生产准备时间要占整个研制周期的5 0 _ 7 0 ， 而工艺装备的设计制造又占生产准备时间的5 0 9 6 _ 7 0 ，这其中夹具的设计与制造占整个 工装准备时间的7 0 t 1 1 左右。纵观当前的情况，特别是基于当前主流的三维建模的专用 工装设计开发力度不够，致使夹具设计的针对性不强，导致央具设计过程中普遍存在着 设计效率低、设计周期长等问题。因此有专家认为，夹具已经成为制约现代制造技术发 展的“瓶颈”因素。无锡某叶片厂的工装设计大体存在以下弊端： 1 工艺人员采用a u t o c a d 二维绘图进行产品设计，导致工装的夹具零件无法进行 预装配等设计工作，使工装设计的合理性在早期无法验证，并且二维设计的效率低，工 程设计人员的主要精力消耗在图纸绘制和修改上，难以创造性发挥。 2 在工装夹具设计过程中，由于没有用专用的三维设计软件，不能进行三维实例 化装配、不能方便的对央具零件进行选件设计、不能进行定位、夹紧等相关的误差分析， 导致夹具设计的合格率下降，夹具设计效率不高。 3 对一个型号产品的结构件从加工到装配所用工装至少几十套，多则几百套，工 装准备周期长。研制阶段工装设计随型号状态的变动而频繁改变，造成工装设计的不断 修改及补充，甚至有时会造成工装报废。因此可以显现出该厂的产品工装的通用性，难 以适应产品的设计更改。 综上，该厂的工装设计水平一定程度上制约了现阶段型号产品研制进度，为了提高 汽轮机叶片的研制和制造能力，消除制造上的瓶颈，缩短工艺装备设计制造时间，开发 一种虬陕速工装设计系统 十分必要。 1 2 计算机辅助夹具设计研究现状综述 夹具是加工零件时所使用的一种工艺设备，它能够使工件按一定的技术要求准确定 位和牢固夹紧，以便按照产品设计规定完成规定的制造过程。夹具广泛应用于工件的加 工检测和装配等整个工艺过程中。其主要作用包括：保证工件的加工质量，减少废品：提 高生产率，降低加工成本：扩大机床的工艺范围：降低操作者的劳动强度【2 j 。由于夹具不 同的使用要求和各种各样的零件结构形状和性能要求，夹具的结构千变万化，同时央具 设计除了需要满足基本要求以外还要考虑诸多因素。随着市场的完善和发展，市场竞争 导致现代市场对产品的交货期要求越来越短，而花费在夹具设计和制造的时间不论在改 进现有产品还是开发新产品的生产周期都占很大比重。使得央具的设计与制造时间问题 进一步突显出来。 近几年，随着计算机软硬件技术的迅猛发展，计算机在机械行业得到了大量的应用。 由此延伸出利用计算机对机械产品进行辅助设计的概念，即计算机辅助机械设计。计算 江南大学硕+ 学位论文 机辅助夹具设计( 简称c a f d ) 是这个分支的产物，而且概念一经提出就受到了广泛的重 视。目前各国学者对c a f d 作了大量的研究工作，使得c a f d 无论是在设计理论还是应 用上都得到了迅速发展。随着数字化技术的不断发展，工装数字化和工装快速设计己成 为c a f d 研究和发展的主流，特别是产品从研制向批量生产转型的过程中，研究和开发 夹具快速设计系统对于缩短产品的研发与生产周期十分重要【3 。5 j 。 1 2 1 国外夹具c a d 研究现状 美国p u r d u 大学的p m f e r e i r a 等人在1 9 8 5 年研制了基于专家系统的央具设计系统 a i f i x 6 1 。a i f l x 系统可采用三平面( 3 2 1 ) 定位原理针对不同的工件方位生成并评估 不同的夹具设计方案。a i f i x 是第一个全面看待装夹问题的夹具设计系统。但该系统只 使用于设计采用三平面定位方式的夹具，并且在确定工件定位和夹紧方案时候没有考虑 工件的尺寸和公差。 新加坡的a y c n e e 等人1 9 9 3 年研制具有人机接口的计算机辅助央具设计系引7 。该 系统采用数据库管理、直觉设计规则和计算机图形显示等技术从方案生成、修改、夹具 元件选择、定位和组装等方面为夹具设计提供帮助。虽然这一系统可以用计算机技术大 大地改善手工夹具设计，但它仍不是一个完全的自动夹具设计系统。 u t p a l r o y 和j i a n m i n l i a o 于1 9 9 9 年讨论了在自动夹具设计系统中的几何推理机制【8 】。 介绍了一种基于定性和定量推理的方法，通过变形分析，对支撑和夹紧位置进行的重新 布置，在给定的工件上确定最适当的支撑、定位和夹紧位置，并在自动夹具设计原型系 统中贯彻了这样的推理机制。 新加坡f m e r v y n 幂l j k u m a r 等人于2 0 0 3 年开发了一个基于i n t e m e t 的交互式夹具设计 系统【9 】，该系统采用j a v a 进行开发，是一个与平台无关的夹具设计系统，该系统通过x m l 在不同的辅助制造系统之间进行知识和信息传递，该系统是基于w e b 的c a f d 又一个有 益尝试。 1 2 2 国内夹具c a d 的研究现状 我国对以c a f d 的研究工作起步较晚，在上个世纪八十年代后期才有比较系统的研 究。河北工学院的贾忠皓等人1 9 8 9 年开发了一个组合央具计算机辅助设计软件系统【1 0 】。 该系统对组合夹具元件结构进行了简化，采用交互方式进行组合夹具的组装设计。 西北工业大学的戴陆武等人进行了组合夹具组装专家系统知识库的探讨，1 9 9 2 年研 制出了组合央具组装专家系统雏形m f a e s 。该系统采用谓词逻辑单元、产生式规则和 过程模拟相结合的方式来描述组合夹具组装所需的各种知识和信息【l l 】。 哈尔滨工业大学的刘文剑等人1 9 9 3 1 9 9 6 年对组合夹具设计专家系统进行了研究， 开发了一套组合夹具设计半智能化原型系统m f d e s _ h i t 0 1 。该系统从c a p p 且o 获取信 息，利用专家系统推理自动选择夹具元件，在a u t o c a d 环境下交互组装，属于半智能化 系统【1 2 1 。 南京航空航天大学的陈蔚芳等人1 9 9 9 年将专家系统应用于f m s 中央具设计【1 3 】。分析 了f m s 中基于夹具硬件的央具设计专家系统的结构、知识库建立方法、自动布局实现、 2 第一章绪论 预装配协调以及知识库和数据库的维护等内容。根据工件c a d 几何信息及工件的工艺信 息，自动选择夹具元件，依照夹具布局数据库及央具设计数据库完成夹具结构布局与自 动化拼装。 山东工业大学的徐志刚于2 0 0 0 年提出了基于广义映射原理的央具结构设计自动化 理论和方法【1 4 1 。在对零件夹持特性分析基础上，提取夹具设计需求，并对组合夹具功一 构映射关系进行全面分析，对组合夹具概念结构实施多方案重构，是夹具结构设计自动 化软件系统的开发方法的有益尝试。 近年来参数化的设计在计算机辅助央具设计研究中越来越受到重视，等到了飞速发 展。 1 3 参数化设计的基本原理 1 3 1 参数化设计的概念 参数化设计( p a r a m e t r i c d e s i g n ) ，也称为尺寸驱动( d i m e n s i o n d r i v e n ) ，是通过改动 图形的某一部分或某几部分的尺寸，或者修改已经定义好的参数，自动完成对图形中相 关部分的改动，从而实现对图形的驱动参数化设计是c a d 技术在实际应用中提出的课题。 机械设计是一个创造性的活动，是一个反复修改、不断完善的过程。同时，对很多 企业，设计工作往往是变型或系列化设计，新的设计经常用到己有的设计结果。据不完 全统计，零件的结构要素9 0 以上是通用或标准化的，零件有7 0 一8 0 是相似的【1 5 l 。 在参数化设计技术出现以前，传统的c a d 使用的方法是先绘制精确图形，再从中抽 象几何关系，设计只存储最后的结果，而不关心设计的过程。这种设计系统不支持初步 设计过程，缺乏变参数设计功能，不能很好地自动处理对已有图形的修改，不能有效地 支持变型化、系列化设计，从而使得设计周期长、设计费用高、设计中存在大量重复劳 动，严重影响了设计的效率，无法满足市场需求。 在这种情况下，参数化设计方法应运而生。参数化设计以约束造型为核心、以尺寸 驱动为特征。在参数化设计中采用参数化模型，设计者可以通过调整参数来修改和控制 几何形状，实现产品的精确造型，而不必在设计时专注于产品的具体尺寸；参数化设计 方法存储了设计的全过程，能设计出一系列而不是单一的产品模型；对己有设计的修改， 只需变动相应的参数，而无需运行产品设计的全过程。与传统的自由约束的设计方法相 比，参数化设计更符合工程设计的习惯，因此极大地提高了设计效率，缩短了设计周期， 减少了设计过程中信息的存储量，降低了设计费用，从而增强了产品的市场竞争力。参 数化技术经过十多年来的发展，已经成为c a d 技术的重要分支，也成为c a d 技术研究和 产品开发的热点，参数化技术正处于不断发展之中。简单介绍一下参数化设计的发展历 程。 1 3 2 参数化设计的发展 参数化设计思想自产生以来，得到了迅速地发展，其发展历程大致分为以下几个阶 段【1 5 - i s ： 3 江南大学硕士学位论文 技术萌芽期( 2 0 世纪6 0 7 0 年代) ：1 9 6 3 年，s u t h e r l a n d 在s k e t e h p a d 系统中提出了两个 重要的概念：交互式图形系统和基于约束的设计。这两个概念对后来以几何造型为核心 的传统c a d 理论及应用产生了重要影响，可认为是参数化发展的起源。但是交互式图形 系统和基于约束的设计仅仅是利用约束生成零件模型，而对生成后的模型无法进行修 改，是一种单向的过程。 技术确立期( 2 0 世纪7 0 - 8 0 年代) ：1 9 7 8 年，以r c h i l l y a r d 茭j 代表把尺寸和公差视为特 征点间的约束，通过尺寸和视图指定零部件的形状，利用给定的尺寸方案来判定零件图 是欠约束、过约束或是完全约束。在此基础上提出了变量几何和几何约束思想，并经由 美国麻省理工学院计算机辅助实验室d c g o s s a r d 及其研究小组的进一步完善而确立了 参数化设计的基本思想和理论： 技术发展期( 2 0 世纪8 0 一9 0 年代) ：这一时期是以b a l d e f e l d ，出的基于专家系统的方法 为主要代表。在这一时期中，人们分别将几何推理、神经网络等人工智能方法应用到设 计中去，同时将参数化技术应用到实体造型中，形成了基于特征的造型技术。这一时期 是参数化技术发展的高速时期，提出了很多的参数化设计思想和参数化设计方法，比较 著名的有b a l d e f e l d 于1 9 8 8 年提出的基于符号操作和推理机处理一般几何模型的方法。 技术实用期( 2 0 世纪9 0 年代至今) ：基于知识的参数化理论逐渐完善，参数化方法在 实践中得到广泛的应用。这一阶段以j a e y e o ll e e 提出的利用图表示的基于知识的几何推 理法和x i a o s h a ng a o 提出的约束传播法为主要代表。出现了更多的参数化理论及方法， 尤其可喜的是我国在这方面的研究也取得了很大的进展，如：浙江大学的董金祥教授和 葛建新博士提出的变参绘图系统中一种快速约束求解方法；浙江大学谭建荣教授提出的 模型建立和求解相分离的参数化方法等。 参数化设计技术发展到今天从理论上讲已经比较成熟，从应用而言应用最多的还是 一些通用的机械c a d 软件。而人们研究参数化设计技术的最终目的还是希望能够通过参 数化技术最大限度地减轻人们在设计系列产品的设计压力，能以最小限度的工作量取得 最优最快的设计结果。本章就是在面向用户需求的基础上进行了广泛的参数化设计方法 的研究，结合参数化发展的历史及现状简要地概述了曾经出现的参数化设计的一些主要 方法。最后得出的结论是：参数化设计技术在目前一些主流的机械c a d 软件中已经得到了 较好地应用，但这仅仅是一种初步的底层的应用，而要实现面向具体产品的参数化，还 需要在这些软件的基础上进一步的努力，达到对参数化设计技术的顶层的也是最终的应 用。因此，面向具体产品的参数化设计技术的研究还是具有重要的实践意义的。 1 3 3 基于u g 环境的夹具参数化设计的研究现状 目前，基于u g 环境的开发却较少，产生这种情况的原因是：u g 的函数开放程度不高： 接口开发困难：与外部开发程序的数据不能直接相互传递以及不能充分利用丌发语言的 成熟控件等。因此，国内外对于基于u g 环境的开发多数都是停留在理论研究上。 g r i p p o p m ，t h o m p s o n b s 在1 9 8 7 年研制成一个夹具设计系统c a e 卜_ - m f s ，并将其用 于生产实践【l9 1 。该系统采用下拉式菜单进行夹具元件的选择和组装。但此系统的不足是 不支持网络化管理、不能在夹具的设计阶段对央具进行误差检查并且没有实现夹具零件 4 第一章绪论 的参数化。 b a i y ，y r o n g 在1 9 9 5 年对夹具自动装配方面探讨了自动装配的相关算法，此系统集 中讨论的是组合央具的自动装配问题【2 0 】。 国内对于基于u g 的专用夹具c a d 的丌发少之又少，大多数都是针对模具的开发。华 中科技大学的王凤林2 0 0 3 年研究了基于u g 的压铸浇注系统，此系统是基于u g 开发的。北 京航空航天大学的万良辉针对飞机的外形设计和分析进行了二次开发，盐城工学院的吴 卫东、刘德仿开发参数化标准件库【2 。 所以本文针对于参数化发展的现状，结合厂方实际的需要，不仅要开发零件的参数 化设计，还要建立零件的参数化标准库，以及组件和央具装配体的参数化设计。 1 4 叶片的结构和分类 1 由于客户的设计理念和引进技术不同，叶片品种较多，数量较大。目前叶片常 见的分类方法包括： ( 1 ) 按用途分：电站汽轮机叶片、工业汽轮机叶片、燃气轮机叶片、烟气轮机叶片、 鼓风机叶片、大电机风扇叶片、水轮机叶片和其它( 如各类增压器叶片、压缩机叶片、 给水泵叶片等) ( 2 ) 按叶根形式分：纵树型( 含圆弧、直线) 叶片、叉型叶片( 含直叉、台肩叉等) 、 t 型( 外包t 型、双t 型) 叶片、菌型叶片和其它叶片。 ( 3 ) 按叶顶形式分：自由叶片、减薄叶片和带冠( 含围带、铆钉头等) 叶片。 ( 4 ) 按工作状态分：动叶片和静叶片( 含喷嘴和导叶) 。动叶片又称为工作叶片，主 要起传递动力的作用；静叶片又称为导向叶片，主要起导向流体的作用。汽轮机的动叶 片是承受蒸汽推动力带动转子转动的部件，这不仅承受蒸汽推动力，还要承受转子高速 转动时产生的离心力。叶片在工作时受到的作用力主要有两种：一种是叶片本身质量和 围带、拉金质量所产生的离心力；另一种是汽流通过叶栅槽道时使叶片弯曲的作用力以 及汽轮机起动、停机过程中，叶片中的温度差引起的热应力【2 2 1 。 2 叶片的结构 叶片的结构分为两部分，即型面部分( 又称叶型部分或叶身) 和基体部分( 包括桦头、 缘板、叶冠等) ，榫头是基体的主要部分。不同的叶片，其结构、材料、毛坯类型不同， 生产单位技术装备的差异，加之其他原因，工艺人员编排的加工工艺过程也不相同。为 了规范公司各项技术工作，继承和保留各种技术经验，公司正在组织编制三大规范，其 中工艺规范就是统一每种结构零件的加工工艺过程。这就为工艺装备的结构系列化提供 了可能。 对于结构相同，而尺寸不同的叶片，工艺过程基本一致，各工序所要求的定位，夹 紧方式基本相同，即夹具结构相同，所以选用叶根为直型榫齿形的叶片，来进行本课题 的研究，开发出夹具的参数化设计系统。 1 5 课题研究的目的和意义 为了解决通用c a d 系统在专业应用中存在的问题，需要针对工装结构特点和设计方 江南大学硕+ 学位论文 法，进行专门的技术研究和专业性开发。利用通用系统的功能及其二次开发工具开发针 对工装结构和设计特点的专业性功能，并将这些功能作为系统的组成部分。开展本课题 研究的目的和意义在于： 1 将先进的技术应用于实际工作中，解决工装设计中的实际问题。 2 学习先进的技术，提高工装设计效率及质量。 3 改变传统工装设计模式，技术革新，创建工装三维设计的新环境。 1 6 课题来源与主要研究内容 该课题来源于无锡某叶片厂。为了缩短该厂叶片的研发和制造周期，提高企业效益， 增强市场竞争力，针对实际情况，开发出了叶片央具参数化系统。整个二次开发系统的 构成可以简要概括为如下内容。 本课题从u g 二次开发语言出发，在u g 环境下，利用u g 软件的二次开发功能来 完成所研究内容，并进一步开发相应的软件。具体内容如下： 1 研究在u g 中建立央具元件参数化的方法。目前利用u g 软件建立标零件库有很多 方法，结合公司的实际工作模式，探索出最适合本公司工作需要的零件库的建立方法： 2 通过编程来设计出符合要求的夹具，在u g 环境下，结合夹具装配体的的特点， 设计的需要，会自动生成夹具的零件，组件和装配实体。 3 在u g 环境下，生成各个夹具零件的工程图。即点击某个实体零件，程序自动 生成符合要求规范的工程图。生成工程图的主要框架结构，如图幅、尺寸标注、主要视 图。进一步实现自动化标注关键尺寸。 4 结合该厂的需要，设计出适合该厂的工程图模板，以便调用。 5 在u g 软件平台下，根据不同的方案，应用g r i p 丌发语言，丌发编制参数化 的控制程序，建立交互的操作界面。 6 在u g 软件环境下，应用u g o p e nm e n us c r i p t 脚本语言或v c + + 丌发用户菜 单，简化用户的操作过程，使设计更加方便快捷。 6 第一二章计算机辅助夹具设计的理论研究 第二章计算机辅助夹具设计的理论研究 2 1 夹具的基本组成与设计 夹具是在机床上加工零件时所完成的一种工艺装备，用它来准确地确定工艺与刀具 之间的相对位置，即实现工件的定位与夹紧，以完成加工所需要的准确相对运动。 2 1 1 夹具的基本组成 夹具是由各种不同作用的元件组成的。根据这些元件在夹具中所起的作用大体上分 以下几类： 1 定位元件一起定位作用的元件，夹具中定位元件的组合称之为定位装置。 2 夹紧元件一起夹紧作用的元件，夹具中夹紧作用的组合称之为央紧装置。 3 自动定心元件或装置一可同时起定位与夹紧作用的元件或元件组合。 4 引导元件一引导刀具并确定刀具对夹具的相对位置的元件。 5 央具体一用以连接夹具上所有的元件和装置，使其成为一个夹具整体的零件。 6 分度元件或装置一用于改变工件与刀具的相对位置以获得多个工位的元件或元 件组合。 7 靠模元件或装置一用来加工型面的元件或元件的组合。 8 动力元件或装置一在非手动央具中用来产生动力部分的装置。 9 其它元件一包括与机床连接用的零件、各种连接件、特殊元件以及其它辅助元 件等。 并非所有夹具都包括上述各类元件，但定位件、夹紧件和夹具体却是各类夹具中不 可缺少的组成部分。 2 1 2 夹具的设计的一般步骤 央具按设计步骤可分为定位设计、夹紧设计、导向对刀设计、夹具体设计。 工件的定位是指保证同一批工件在央具中占有一致的正确加工位置，这一位置的获 得可以通过定位支承限制工件的相应自由度来实现。当前普遍应用与工件的定位原理是 六点定位原理。定位件的定位方法如图2 一l 所示 定位方法 平面定位il 圆柱孔定位l i 倒柱面定位ll 特殊表面定位l | 组台表面定位 图2 - 1 夹具的定位方式 典型的央紧装置是由力源装置、中间传力机构、夹紧元件与夹紧机构组成。在设计 夹紧机构时力求结构简单、制造容易，操作方便、安全，精度高。目前央具应用的央紧 装置如图2 - 2 所示。 7 江南大学硕士学位论文 夹紧机构 j l jjjjj i 斜楔夹紧螺旋夹紧偏心夹紧 凸轮夹紧 联动夹紧铰链夹紧 i机构机构 机构 机构 机构机构 图2 - 2 夹具夹紧机构 导向装置主要用于钻床和锉床夹具中，其作用是为了刀具导向。引导元件主要有钻 套和锉套。对刀装置主要用于铣床夹具，它由对刀块和塞尺组成。采用对刀装置的优点 是可以迅速而准确地确定夹具与刀具间的相对位置。 2 1 3 计算机辅助夹具设计 随着机、电、仪产品向着多品种、小批量和高柔性的方向发展，客观上要求央具的 设计与制造也应具有较大的柔性。c a d 技术和人工智能技术的发展为央具设计的柔性化、 快速化和自动化提供了有效途径。 随着计算机辅助设计技术的不断发展，作为重要工艺装备之一的夹具，其设计过程， 制造和装配过程与传统的夹具设计、制造与装配方法相比也发生了本质的变化。计算机 辅助夹具设计与传统夹具设计本质上的区别在于夹具设计正从传统的二维设计转变成 三维设计。 随着数控加工技术和数控加工机床、力h - r - 中心的普及应用，夹具的结构设计正朝着 标准化、简单化方向发展。组合夹具、成组可调整夹具合件应用越来越广泛。 基于特征与参数化设计在央具设计中越来越受到重视，从而减少了设计过程不必要 的重复性劳动，提高了夹具元件的设计效率【2 3 】。 2 2 夹具参数化设计的方法 央具参数化设计的方法很多，主要有两种分类方法，一是按照参数化设计实现方式 的不同，二是依据参数化建模方式的不同。 1 按照参数化设计实现方式的不同，可以分为用人机交互的方式实现参数化设计和 运用编程技术实现参数化【2 4 2 5 1 。 ( 1 ) 用人机交互的方式实现参数化设计。这种方法利用通用c a d 软件自身的参数化特 征造型功能，建立零件三维模型，系统会根据建模过程自动生成设计变量。以设计变量 作为三维模型的参数，用户通过交互的方式在c a d 系统中对其进行修改，通过给其赋予 不同参数值来驱动零件模型，从而实现用户交互操作层次上的参数化设计。很多c a d 软 件还提供了各具特色的参数化设计工具以帮助用户更好地进行参数化设计。 ( 2 ) 运用编程技术实现参数化。这种方法又可以分为两种，一种是程序驱动法，一 种是尺寸驱动法。所谓程序驱动法，并不依靠c a d 软件本身进行建模，而是将设计过程 的所有关系式融入应用程序中，然后在程序的控制下，顺序执行这些设计表达式，按用 户所指定的参数值，生成相应的零件模型，这一方法的主要特点是：无须人工建立零件 模型，完全由程序实现，但每一次生成零件，都必须重新运行一遍应用程序。尺寸驱动 第二章计算机辅助夹具设计的理论研究 法是通过建立零件模型，以此模型作为零件参数化设计的模板，通过编制应用程序，利 用通用c a d 软件所提供的编程接口来操作该模板，给设计变量赋值以实现参数化设计， 这种方法快捷高效，程序代码简洁，但有些零件参数无法用尺寸标注或特征生成的方式 来描述，系统无法生成对应的设计变量，也就无法用尺寸来驱动。所以编程参数化，一 般结合了程序驱动和尺寸驱动两种方法，以尺寸驱动为主，无法尺寸驱动的用程序驱动 来处理。 人机交互的方法实现起来容易，参数化完全在c a d 系统内实现，而无需进行编程等 额外工作，而且在建模环境中动态、即时地修改设计变量，可以立即查看到设计结果的 变化但这种方法枯燥而单调，主要通过用户交互修改设计变量的值来完成效率较低， 而且设计变量的值并不是任意的，通常来自国家标准、企业内部技术数据，必须人工地 查找相关数据，才能进行修改以实现参数化，费时费力，容易出错；企业中，设计通常 是由很多设计人员共同完成的，人工交互的方式容易造成设计过程中大量的重复劳动。 这种方法的功能还受c a d 系统功能的限制，在一些c a d 系统中，有些参数无法形成设计 变量，人工交互的方法对于此类参数的处理就无能为力了。所以人机交互的方法，参数 化特征造型软件的效益并未发挥出来。 相比较而言，编程的方法，虽然应用程序的编制有一定的难度，但无疑大大提高了 效率，程序一旦编制完成，以后的设计将会非常轻松简便，使得参数化所带来的巨大效 益真正得到发挥。编程参数化方法可以针对企业的特定的设计需求，通过编制应用程序， 在应用程序中包括参数化功能、设计计算功能、数据管理功能及其他功能，并通过生动 的用户界面与设计人员交互，给用户提供一个集成于通用c a d 系统中的特定零部件的专 用设计环境，能够极大地提高设计效率，减少重复劳动，因此特别适合于系列化产品的 设计，也在一定程度上支持变型设计。用户一般只需建立零部件的三维模型作为模板， 并辅以一定的绘图程序，在此基础之上建立参数化零部件库，以后同类的设计只需从库 中调用模板或绘图程序，通过应用程序给参数赋值便可以实现。本文对零件，组件和装 配体的参数化设计方法的研究，是以编程实现参数化为出发点，同时利用人机交互的方 法实现。 2 依据参数化建模方式的不同，可以分为基于特征建模的参数化设计，基于草图 的参数化设计和基于装配约束的参数化设计【z 睨引。 ( 1 ) 基于特征建模的参数化设计。特征是指有特定意义的几何形状。特征建模可分 为体素特征、成形特征、加工特征或结构特征等方式进行。体素特征包括块、锥、柱、 球、管等；成形特征包括槽、孔、凸台、凸坑、壳、腔、沟等；加工特征包括倒圆、倒 角、螺纹、阵列、缝合等；结构特征是部件抽象出结构相似性，如叶片包括叶冠、叶身、 凸台、叶根、榫齿等结构体。特征建模是参数化建模最常用的方法，适合于形状规则、 截面简单的零件。 ( 2 ) 基于草图的参数化设计。这种方法是创建带有约束的二维草图，然后通过拉伸、 旋转、扫掠等方式生成几何形体。此方法对于截面复杂的零件较为实用，但工作量较大。 在实际应用中，一般将不易或不能运用特征描述的部分使用草图功能，其余部分仍使用 9 江南人学硕士学位论文 特征建模。基于特征或是草图功能的参数化都存在定位困难的缺陷，如果组成零件的各 个体素特征间定位关系复杂，这两种方法将难于发挥作用。 ( 3 ) 基于装配约束的参数化设计。这种建模方式将装配关系引入参数化设计中来，可 以解决复杂模型某个部分无法定位的难题，同时可以进行部件的整体参数化设计，装配 模型的结构为树状分级装配结构，总装配模型由若干个子装配模型及零件组成，各子装 配模型由下一级子装配模型及零件组成，依此类推直到最后一级装配。 本文由于创建的零件复杂多样，种类繁多且数量庞大，有加上复杂装配体的生成， 所以作者在设计中根据个人需要，综合采用以上设计方法，来完成课题的研究。 2 3u g 二次开发技术 u g o p e n 二次开发模块为u g 软件的二次开发工具集如图2 - 3 所示，便于用户进行二 次开发工作，利用该模块可对u g 系统进行用户化剪裁和开发，满足用户的开发需求。 u g o p e n 包括以下几个部分：u g o p e nm e n u s c r i p t 开发工具，对u g 软件操作界面进行 用户化开发，无须编程即可对u g 标准菜单进行添加、重组、剪裁或在u g 软件中集成用 户自己开发的软件功能；u g o p e nu i s t y l e 开发工具是一个可视化编辑器，用于创建类 似u g 的交互界面，利用该工具，用户可为u g o p e n 应用程序开发独立于硬件平台的交 互界面；u g o p e na p i 开发工具，提供u g 软件直接编程接口，支持c 、c + + 、f o r t r a n 和j a v a 等主要高级语言；u g o p e l lg r i p 开发工具是一个类似a p i 的u g 内部开发语言， 利用该工具用户可生成n c 自动化或自动建模等用户的特殊应用。 u g o p e ng r i p hu g 专用图形交互编成语言 应用编成接口 u g o p e nm e n u i s c r i p t r l 用户栗单定制 u g o p e nu i s t y l e r p t用户对话框制作工具 图2 - 3 二次开发工具集 2 3 1u g o p e ng r i p g r i p ( g r a p h i c si n t e r a c t i v ep r o g r a m m i n g ) 是一种专用的图形交互编程语言，开发者可 以用g r i p 编程的方法自动实现在u g 下进行的绝大部分操作。g r i p 命令很像英语单词， 语法与b a s i c 和f o r t r a n 相似，有某些情况下对于一些高级操作，用g r i p 编程的方 法比用u g 交互的方法更有效，在u g 交互环境下可以实现的功能用g r i p 几乎全都可以 实现。u g 提供了一个名叫u g o p e ng r i p 的g r i p 语言编辑器，用这个工具可以编辑、 修改、编译、连接程序g r i p 语言与一般的通用语言一样，有其自身的语法结构，程序结 构，内部函数，以及与其他通用语言程序相互调用的接口【2 9 】。 1 一个g r i p 语句是由一个或几个g r i p 命令组成，g r i p 命令是g r i p 语言的基本组 成部分。g r i p 命令有三种表示格式： ( 1 ) 陈述格式。主要用于生成和编辑实体。 l o 第二章计算机辅助夹具设计的理论研究 ( 2 ) g p a 符号格式。g p a 是全局参数存取( g l o b a lp a r a m e t e ra c c e s s ) 的缩写，用于访 问u g 系统中各种对象的状态和参数。 ( 3 ) e d a 符号格式。e d a 是实体数据存取( e n t i t yd a t aa c c e s s ) 的缩写，用于访问u g 数据库，能够访问各种对象的功能性数据。例如在属性、绘图和尺寸标注以及几何体等 领域与u g 进行交互操作时，其参数可用e d a 格式的命令取得。 g r i p 编程语言是面向工程师的语言，具有简单、易学、易用的特点。g r i p 语言是 面向工程是师的语句。工程师们只要有初步的编程知识，就恩能够学会g r i p 语言，比 较容易进行二次开发。企业的工程师通过g r i p 编程，把公司的专业知识与u g 系统融 合，何以更好的发挥u g 软件的功能； 2 u g o p e ng r i p 程序的组成 一个g 赳p 源程序是由一系列的g r i p 语句组成，一般来说，包括5 个部分，每个 部分都是用一组g r i p 命令。g r i p 源程序的5 个部分如下： ( 1 ) 申明语句部分：主要是定义一些变量的属性； ( 2 ) 初始化语句部分：主要是给一些变量赋初始值； ( 3 ) 交互语句部分；主要是一些g r i p 程序与程序使用者交互命令语句，即询问或 者让程序使用者来进行某些操作或者给定一些数值； ( 4 ) 过程处理语句部分，主要包括一些绘图命令以及输入、输出命令等； ( 5 ) 结束语句部分；以h a l t 标示符。 执行g r i p 程序必须在u g 环境下方能运行。 2 3 2u g o p e na p i u g o p e na p i 又称u s e rf u n c t i o n ，是一个允许程序访问并改变u g 对象模型的程序 集。u g o p e n a p i 封装了近2 0 0 0 个u g 操作的函数，通过它可以在c 程序和c + + 程序 中以库函数的形式调用u g 内部的近2 0 0 0 个操作，它可以对u g 的图形终端、文件管 理系统和数据库进行操作，几乎所有能在u g 界面上的操作都可以用u g o p e na p i 函数 实现。 u g o