基于知识的螺纹连接类零件智能设计_宋艳玲.pdf

2 0 2 3年第9期基于知识的螺纹连接类零件智能设计宋艳玲1,潘崇来2,周秋忠1(1.沈阳理工大学汽车与交通学院,辽宁 沈阳 1 1 0 1 5 9;2.杭州朴石网络技术有限公司,浙江 杭州 3 1 0 0 5 3)摘 要:传统的三维设计以点、线、面为基础元素进行建模,可能会使零部件间的联系割裂,对于复杂的产品,设计人员需要投入大量的时间进行设计,并没有产生很大的价值。本文总结了螺纹连接类零件设计流程与相关形状特征,利用自主研发的基于知识的流程定制系统进行设计流程的可视化表达与推理,并在C AT I A软件中利用二次开发功能对螺纹连接类零件进行设计,将螺纹连接件的结构信息、被连接件的开孔信息和装配信息以特征代码的形式封装到动态链接中,利用基于知识的流程定制系统将特征和设计流程结合,实现特征的快速重用及连接零部件的快速重用,大大减少了设计人员的设计时间,提高了设计效率。关键词:螺纹零件;形状特征;二次开发;智能装配 中图分类号:TH 1 3 1.3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 0 8 8-0 3I n t e l l i g e n tD e s i g no fT h r e a d e dP a r t sB a s e do nK n o w l e d g eS o n gY a n-l i n g1,P a nC h o n g-l a i2,Z h o uQ i u-z h o n g1(1.S c h o o l o fA u t o m o b i l ea n dT r a n s p o r t a t i o n,S h e n y a n gL i g o n gU n i v e r s i t y,S h e n y a n gL i a o n i n g1 1 0 1 5 9,C h i n a;2.H a n g z h o uP u r e s t o n eN e t w o r kT e c h n o l o g yC o.,L t d,H a n g z h o uZ h e j i a n g3 1 0 0 5 3,C h i n a)A b s t r a c t:T r a d i t i o n a l3 Dd e s i g nt a k e sp o i n t,l i n ea n ds u r f a c ea sb a s i ce l e m e n t sf o rm o d e l i n g,w h i c h m a yb r e a kt h ec o n n e c t i o nb e t w e e np a r t s.F o rc o m p l e xp r o d u c t s,d e s i g n e r sn e e dt os p e n dal o to ft i m eo nd e s i g n,w h i c hd o e sn o tp r o d u c eg r e a tv a l u e.T h i sp a p e rs u mm a r i z e st h ed e s i g np r o c e s sa n dr e l e v a n ts h a p ef e a t u r e so ft h r e a d e dc o n n e c t i o np a r t s,u s e s t h es e l f-d e v e l o p e dk n o w l e d g e-b a s e dp r o c e s sc u s t o m i z a t i o ns y s t e mt ov i s u a l l ye x-p r e s sa n dr e a s o nt h ed e s i g np r o c e s s,a n du s e s t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t f u n c t i o n i nC AT I As o f t w a r e t od e s i g nt h r e a d e dc o n n e c t i o np a r t s,e n c a p s u l a t i n g t h e s t r u c t u r a l i n f o r m a t i o no f t h r e a d e dc o n n e c t i o np a r t s,t h eo p e n i n g i n-f o r m a t i o no fc o n n e c t e dp a r t sa n da s s e m b l yi n f o r m a t i o ni n t od y n a m i cl i n k si nt h ef o r mo ff e a t u r ec o d e s,T h ep r o c e s sc u s t o m i z a t i o ns y s t e mb a s e do nk n o w l e d g e i su s e dt oc o m b i n e f e a t u r e sa n dd e s i g np r o c e s s e s t or e a l i z e t h er a p i dr e u s eo f f e a t u r e s a n dc o n n e c t i n gp a r t s,w h i c hg r e a t l yr e d u c e s t h ed e s i g nt i m eo f d e s i g n e r s a n d i m p r o v e s t h ed e s i g ne f f i c i e n c y.K e yw o r d s:T h r e a d e dp a r t s;S h a p ec h a r a c t e r i s t i c s;S e c o n d a r yd e v e l o p m e n t;I n t e l l i g e n ta s s e m b l y基金项目:辽宁省教育厅重点攻关项目(L G 2 0 1 9 0 1);沈阳市中青年科技创新人才计划(R C 1 9 0 0 9 8);沈阳理工大学科研创新团队建设计划资助项目(S Y L U 2 0 2 1 0 1)作者简介:宋艳玲(1 9 9 7),女,硕士研究生,研究方向:车辆结构分析与设计制造。通讯作者简介:周秋忠(1 9 7 5),男,副教授,博士,研究方向:数字化、智能化设计与制造技术。螺纹连接类零件因具有成本低、结构简单和装拆方便等优点而被广泛应用,但其建模设计需要反复查阅手册来确定尺寸,设计人员通常没有对设计过程中的知识进行有效的管理和存储,所以往往需要花费大量的时间进行重复的操作,降低了工作效率。针对以上问题,本文提出一种新的设计思想,即设计知识与特征结合的思想。利用自主研发的基于知识的流程定制系统对产品设计知识进行推理与表达,并利用二次开发技术对零件特征进行代码编写,实现二者技术上的融合,最后利用三维建模系统进行特征及零件的快速建模及重用。1 螺纹连接类零件设计总流程本文针对螺纹连接过程中涉及到的计算公式、设计参数及用来确定设计参数的图表等进行整理归纳,利用图框进行排布并以可视化流程图的形式进行表达,形成一个完整的设计推理过程。在螺纹连接类零件总设计流程图中包含顺序结构、循环结构、嵌套结构及链接结构,每一个图框代表一个设计步骤,整体设计按箭头所指方向依次进行并利用循环结构进行设计的重复过程,针对复杂的产品设计过程,其中部分图框代表一个子流程框。流程图从选择连接形式开始,下面几个分支为不同受力类型下的螺纹连接件设计过程。在每种螺纹连接件的设计过程中,首先根据受力分析结果进行危险截面直径的计算,并对选取的直径进行校核,利用满足校核条件的标准参数对其它设计参数及螺母垫片设计参数进行查询,然后利用系统的累加计算功能对连接件长度进行推理,以供后续驱动参数化模板。最后通过孔特征的构建、加载标准件及装配设计子流程进行开孔设计及装配设计。对于螺栓连接,被连接件的孔类型需要设计成直通孔或沉头孔,孔的深度由被连接件厚度决定,孔的直径由螺栓的标准直径决定;对于双头螺柱连接和螺钉连接,被连接件的孔类型需要设计成直通孔和螺纹孔,通孔的深度由被连接件1的厚度 1决定,螺纹88DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.029内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n孔深度由拧入深度H及螺距P决定,直通孔与螺纹孔的直径由螺栓的标准直径决定。2 特征知识模板的构建1 9 7 8年,特 征 的 概 念 在 零 件 的 特 征 表 示 中 被 提出1。自此开始,提出了将基于特征的技术作为解决产品设计信息集成问题的解决方案。一般认为,特征是一种与产品相关的信息汇总,是一种包含几何信息和非几何信息的信息表示方法,特征可分为形状特征、精度特征、材料特征等2。在基于特征重用的三维建模过程中,产品可以看作由多个特征通过布尔运算组合而成3。像螺栓、双头螺柱、螺钉、螺母等螺纹零件,可以将其看做由主特征圆形凸台或非圆形凸台及辅特征孔或螺纹等组合而成,其形状特征分类如图1所示。图1 螺纹连接类零件形状特征分类在螺纹连接类零部件的装配过程中,必定会涉及到开孔问题,并且当连接零部件越多,装配越复杂时,开孔情况就会越复杂。如何根据连接零部件的类型建立对应的孔类型,并使得孔与连接零部件间的尺寸准确关联,一直是设计人员关注的热点问题,因此本文基于这一问题进行孔特征的建立与重用。在对不同的特征进行设计时选取的定位基准及尺寸参数并不相同,因此在建模前需要进行准确分析。以直通孔特征为例,创建直通孔时需要选取的定位基准为孔轴线及孔的两侧端面,定位基准可以通过骨架模型获得;尺寸参数孔径d01.1d,孔深度由两侧端面间距离决定。图2 孔类特征知识模板构建过程C A D系统是将计算机辅助技术与知识工程技术进行融合的系统4,只有将计算机技术与机械制造技术紧密地结合在一起,才能更好地实现产品的智能化的设计与制造5。特征模型的建立就是在C A T I A软件的宏模块中,利用V B A宏语言编写特征代码6,具体过程如图2所示。通孔特 征 模 型 的 构 建 过 程 首 先 需 要 获 取D o c u m e n t和P a r t对象,然后利用函数方法h y b r i d B o d y.A d d()为孔特征创建过程添加几何图形集,利用函数方法I n p u t O b j e c t-T y p e(0)=定义基准类型,利用函数方法C r e a t e R e f e r-e n c e F r o mO b j e c t()获取参考元素,然后根据螺纹连接类型利用函数方法A d d N e wH o l e()构建不同的孔特征,最后为孔特征创建尺寸参数,利用函数方法C r e a t e F o r m u l a()实现孔特征的参数化设计。3 标准件参数化模板的构建由于螺纹连接类标准件具有严格的设计标准和选取规则7,因此如果将这些标准和规则以知识的形式嵌入到三维模型中,即可实现此类零件的智能化设计。螺纹连接类标准件参数化模板的建立需要从以下几个方面入手:(1)进行标准件建模,并利用几何约束及拓扑约束来实现几何形状的控制8;(2)利用E x c e l软件生成设计表,实现同一类别的、不同参数值的标准件的管理;(3)利用C A T-I A知识工程手段添加规则,实现标准件模型随产品模型的自动变型。以M 1 0*4 5的A级六角头螺栓设计为例,在基于知识的流程定制系统输入起始参数后,利用系统进行参数推理,将基于知识的流程定制系统中推理出的参数d、d w、e、s、K、c、l、l 1、P写入参数化模板,利用系统驱动螺栓参数化模型,实现结果如图3所示。图3 标准件参数化模型4 智能装配设计图4 智能装配设计流程图螺纹连接类零件通常批量使用,在进行装配设计时对其进行逐个插入并添加约束既耗费了大量的时间又降低了工作效率,因此如何利用智能化技术对连接件进行调用982 0 2 3年第9期及装配成为了研究的热点9。通过分析发现,螺栓、螺母及垫片等螺纹连接类零件的装配过程都需要对一个轴线特征和一个装配面特征进行约束,因此本文利用编程方法为孔与连接件添加约束来实现装配过程1 0,本文所要实现的智能装配过程如图4所示。该设计过程首先选择被连接件进行开孔设计,并判断是否进行下一个被连接件的开孔设计,直至对需要的所有孔特征进行设计后实例化连接件模型,拾取第一个被连接件的轴线特征及连接件的轴线特征创建约束,拾取第一个被连接件的装配面特征及连接件的装配面特征创建约束,利用的函数方法为A d d B i E l t C s t()。在完成第一个连接件与被连接件的装配约束后判断是否结束装配约束过程,如果不结束则拾取下一个被连接件及连接件基准进行自动约束,直至所有连接件装配完成,结束装配约束过程。5 应用实例图5 螺纹连接类零件设计总流程图图6 螺纹连接类零件设计过程利用本文的方法,通过C A T I A二次开发技术及基于知识的流程定制技术建立了螺纹连接类零件的智能设计系统。以板上装配螺栓为例,首先利用系统进行数据推理计算螺栓的小径d 1并进行校核,然后根据标准选取公称直径d及其他相关参数d w、c、k、l、b、s等,拾取定位基准(接触平面和轴线)对螺栓零件进行设计,构建与螺栓相对应的孔特征,孔的参数由基于知识的流程定制系统推理获得,然后根据孔的数量对连接件进行实例化,利用约束关系代码实现单螺栓的自动约束,最后对其余螺栓添加约束关系。利用系统构建的总流程图如图5所示,具体实现过程如图6所示。6 结论基于特征的智能设计技术是利用产品特征的形状信息和计算机高级语言实现设计由低层次向高层次的转换,其改变了传统的设计思想,使建模技术进一步发展,变得更智能化、高效化。本文利用基于知识的流程定制系统实现螺纹零件设计过程的可视化表达与推理,实现了特征知识与设计流程的完美融合,用这种方法建立的特征,设计人员可以很好的利用人机交互功能对特征进行调用。本文所提到的建模思想不仅适用于螺纹零件,更适用于其他零件的建立,为其他零件的建模提供了很好的参考。参考文献:1 吕永青.基于特征的零件智能化设计的研究D.山东大学,2 0 1 3.2 孙斌,刘素梅,孔晓玲,汪莲莲.基于C A T I A的轴类零件特征造 型 库 的 设 计J.机 械 设 计,2 0 1 6,3 3(1 0):6 2-6 5.3 陈静,许和飞,程小辉.基于工艺知识重用的零件特征信息 模 型 研 究 J.制 造 技 术 与 机 床,2 0 0 9(1 0):1 2 5-1 2 9.4 芮雪.智能设计技术在机械研发制造中的应用J.南方农机,2 0 2 2,5 3(1 6):1 7 5-1 7 7.5 薛鹏程.机械设计制造及其自动化的特点与优势J.南方农机,2 0 1 9,5 0(2 1):1 1 9.6 李斌.基于C A T I A二次开发的注塑模具智能设计系统的研究D.吉林大学,2 0 1 6.7 辜斌,刘勇,王永峰.基于C A T I A知识工程的标准件智能化设计J.机械工程与自动化,2 0 0 8(0 3):7 2-7 4.8 陈钢,陈小安,张高群等.基于参数化特征建模技术建立三维标准件库的方法研究J.计算机辅助设计与制造,2 0 0 1(0 6):4 7-4 9.9 朱立峰,胥光申,张守京.基于C A T I A二次开发的零组件智能装配技术J.轻工机械,2 0 1 5,3 3(0 6):6 5-6 7+7 4.1 0 胡挺,吴立军.C A T I A二次开发技术基础M.电子工业出版社,2 0 0 6,3 3(1 0):9 6-1 0 0.09