沖模CAD系統(tǒng)中典型結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法的研究

2013-05-28 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

研究了沖模CAD系統(tǒng)中模具典型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法,在約束關(guān)系樹裝配模型的基礎(chǔ)上,利用面向?qū)ο蟮姆椒ㄟM(jìn)行裝配建模,并論述了動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中正向設(shè)計(jì)與反向設(shè)計(jì)相應(yīng)的約束求解方法。
蒙凡勝;溫建勇;李建軍;肖祥芷來源:模具工業(yè)
關(guān)鍵字:沖模CAD 面向?qū)ο蠓椒?動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì) 約束求解

1 引言

沖模典型結(jié)構(gòu),是指由標(biāo)準(zhǔn)模架、模具的固定和定位裝置及導(dǎo)向裝置、卸料裝置等組成的一個(gè)有機(jī)裝配體,它是進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。在以往的模具CAD系統(tǒng)中,進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),往往預(yù)先定義好幾種典型的模具結(jié)構(gòu)供用戶設(shè)計(jì)時(shí)選擇,然后再在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這雖然大大地減少了設(shè)計(jì)者的工作量,提高了設(shè)計(jì)效率,但由于沖模結(jié)構(gòu)的復(fù)雜與多變性,又限制了系統(tǒng)的實(shí)用范圍,也不能讓用戶進(jìn)行設(shè)計(jì)修改,從而降低了設(shè)計(jì)的靈活性。

為了滿足不同用戶的需求,使他們能夠方便地自定義所需要的模具結(jié)構(gòu),并能在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)的設(shè)計(jì)修改。本文研究了在參數(shù)化技術(shù)的基礎(chǔ)上,利用變量裝配設(shè)計(jì)方法,建立一個(gè)支持層次功能劃分,并能方便用戶進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)修改的模具裝配模型,并以Auto CAD R14為平臺(tái),利用面向?qū)ο蟮腛bjectARX為二次開發(fā)工具,結(jié)合MFC庫(Microsoft Fundamental Library)予以實(shí)現(xiàn)。

2 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)變量約束、裝配約束驅(qū)動(dòng)下的一種可變的裝配設(shè)計(jì),其中設(shè)計(jì)變量是定義產(chǎn)品功能要求和設(shè)計(jì)者意圖的產(chǎn)品整體或其零部件的最基本的功能參數(shù)和形狀參數(shù),設(shè)計(jì)變量約束即設(shè)計(jì)約束或變量約束,設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)變量約束控制裝配體中的零部件的形狀。裝配約束是裝配體內(nèi)各個(gè)零部件的配合關(guān)系,它確定了零部件的位置。

動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的過程是正向設(shè)計(jì)與反向設(shè)計(jì)相互結(jié)合的過程,所謂正向設(shè)計(jì)是指從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì),從而得到裝配設(shè)計(jì)方案的自上而下的設(shè)計(jì)過程。而反向設(shè)計(jì)是指對產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案中的一些不滿意的地方提出要求或限制條件,結(jié)合原有的裝配功能要求,通過約束求解對原有的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)修改的過程。

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)主要有如下兩點(diǎn):

(1)參數(shù)化技術(shù)。參數(shù)化設(shè)計(jì)為設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的環(huán)境。近幾年來,零件圖的參數(shù)化設(shè)計(jì)已經(jīng)比較成熟,這使將參數(shù)化方法引入裝配設(shè)計(jì)成為可能。利用參數(shù)化技術(shù),不僅可以實(shí)現(xiàn)裝配圖中零部件的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)修改,還可以通過裝配模型定義裝配關(guān)系,以一組變量的某種特定的形式或裝配特征來表達(dá)裝配關(guān)系,通過尺寸的驅(qū)動(dòng),在裝配圖模型的基礎(chǔ)上參數(shù)化生成裝配圖。

(2)變量裝配設(shè)計(jì)理論。變量裝配設(shè)計(jì)理論是一種支持產(chǎn)品功能的裝配設(shè)計(jì)理論,其主要特點(diǎn)有:①支持從上到下的產(chǎn)品形狀和功能構(gòu)想;②支持面向功能的產(chǎn)品設(shè)計(jì);③支持動(dòng)態(tài)裝配設(shè)計(jì)。在裝配設(shè)計(jì)中,概念設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)、零件設(shè)計(jì)是三個(gè)相互交叉的過程。變量裝配設(shè)計(jì)對概念設(shè)計(jì)產(chǎn)生的設(shè)計(jì)變量和設(shè)計(jì)變量約束進(jìn)行記錄、表達(dá)、轉(zhuǎn)播,使各個(gè)階段設(shè)計(jì)主要是在產(chǎn)品功能和設(shè)計(jì)者意圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行,它始終是在產(chǎn)品的功能約束下進(jìn)行和完成的。其設(shè)計(jì)過程如圖1。

沖模CAD系統(tǒng)中典型結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法的研究+項(xiàng)目圖片圖片1

圖1 變量裝配設(shè)計(jì)過程

3 模具典型結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)交互設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

3.1 設(shè)計(jì)變量及設(shè)計(jì)變量約束的表達(dá)

設(shè)計(jì)變量是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)及變量裝配設(shè)計(jì)是通過各種設(shè)計(jì)變量來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)變量的類表示如下:

class Design Variable:{
char *m_name; //變量名稱
value_type m_type;//變量類型
double m_real; //變量值
int m_int; //變量值
Point3d m_point; //變量值
char*m_string; //變量含義
Design Variable *next;}

在級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)變量約束有如下3種:①等式約束,如上、下模板的Z方向坐標(biāo)Z2=Z1+H。②限制約束,常為不等式約束。③規(guī)則約束,模具設(shè)計(jì)中的一些經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。
采用設(shè)計(jì)變量約束網(wǎng)絡(luò)(Variable Constraint Network,VCN)來管理設(shè)計(jì)變量及其表達(dá)式。VCN是在模具典型結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)過程中逐步建立和完善的,用戶可交互的對設(shè)計(jì)變量和變量約束進(jìn)行增加、修改、刪除等。

3.2 零件信息的表達(dá)

裝配體中相同的零件會(huì)出現(xiàn)多次,它們的幾何信息、物理特性都相同,不同之處在于空間位置,利用面向?qū)ο蟮姆椒?可以將零件表達(dá)為各個(gè)類的一個(gè)個(gè)對象,這些類存儲(chǔ)零件的圖形(由塊組成)、位置(中心點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y,z)用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá))、屬性(約束變量值及尺寸大小)。而設(shè)計(jì)一個(gè)零件的過程就是一個(gè)實(shí)例化的過程。零件的基類表示如下:

class Copart:public AcDbEntity{
Char *_instant; //零件的名稱
Point3d mCenter; //零件的定位點(diǎn)
AcGe Vector3d mRot; //零件的方向矢量
AcDbHardPointerID mdef; //零件的信息,如尺寸變量、零件個(gè)數(shù)等,以CoParDef(見下文)類存儲(chǔ),以對象ID標(biāo)識(shí)
AcDbObjectIDArray mEntIds;//組成零件的實(shí)體信息,從圖塊中獲得
AcDbObjectIDArray mHoles;//零件上的孔的信息,由于級(jí)進(jìn)模的裝配關(guān)系多為板孔關(guān)系,故此信息須記錄
AcDbObjectIDArray mCons;//零件的約束鏈,以CoCons類(見下文)存儲(chǔ),以對象ID標(biāo)識(shí) }
存儲(chǔ)零件信息(約束變量,尺寸變量等)的CoPartDef類封裝了該零件的零件編號(hào)、數(shù)量、標(biāo)識(shí)及變量表達(dá)式等。

3.3 裝配約束關(guān)系的表達(dá)

在級(jí)進(jìn)模中各零件的裝配約束關(guān)系主要有以下幾點(diǎn):①接觸關(guān)系;②依附關(guān)系;③裝配尺寸關(guān)系。
在級(jí)進(jìn)模結(jié)構(gòu)中,接觸關(guān)系和裝配尺寸關(guān)系相對比較簡單,它們用不同的類進(jìn)行封裝,它們共同的基類CoCons表示如下:

class CoCons:public AcDbObject{
pointerID mBody1,mBody2;//裝配關(guān)系所約
束的兩個(gè)零件或子裝配體
pointerID mGeomRefl,mGeomRef2;//約束
關(guān)系的兩個(gè)圖形參考實(shí)體
}

而依附關(guān)系較復(fù)雜,在模具結(jié)構(gòu)中,依附關(guān)系主要為板件上孔、槽等的描述。因此可用特征的隱式表達(dá)的方法,通過約束類型以及用變量表達(dá)式表示的約束參數(shù)來描述依附約束關(guān)系。當(dāng)建立兩個(gè)零件之間的約束關(guān)系時(shí),包括約束關(guān)系鏈的一方稱為擁有者(Owner),另一方稱作連接者(Connector)。當(dāng)任一方被刪除后,它們的約束關(guān)系也被刪除。在模具結(jié)構(gòu)中,孔的類型主要有通孔、帶螺紋階梯孔、螺紋孔、盲孔、階梯孔、凸、凹模的型孔等。通過總結(jié),可將這些建立成裝配約束關(guān)系庫,系統(tǒng)可根據(jù)裝配關(guān)系庫自動(dòng)建立零件間的約束關(guān)系。下面為約束關(guān)系的一個(gè)實(shí)例,通孔(如圖2)的描述:

Relation(彈簧、凹模墊板)
{
Owner:彈簧(ID6)
Connector:凹模墊板(ID3)
Type:通孔
Paremeters:{
Center=[rxof(ID6),xyof(ID6),rzof(ID3)];
Ndir=[0,0,1];D=max(D1∷ID5,D∷ID6);H=T∷ID3;}}

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圖2 通孔

3.4 動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及其約束求解

正向設(shè)計(jì)的過程為:先進(jìn)行概念設(shè)計(jì),確定模具的總體結(jié)構(gòu),從模具裝配圖庫中調(diào)出相應(yīng)的典型模架裝配圖,在此基礎(chǔ)上,對裝配圖上的零件進(jìn)行功能與形狀設(shè)計(jì),同時(shí)進(jìn)行裝配關(guān)系的定義(即貼合、同心、依附等)及修改,對所選零件的各個(gè)視圖進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)或其它操作,并求解約束,約束求解采用動(dòng)態(tài)變量約束求解。如設(shè)計(jì)方案中的一些不滿意,則須進(jìn)行反向設(shè)計(jì),如涉及到增加或刪除約束,則對VCN進(jìn)行動(dòng)態(tài)變量約束求解;如只需要進(jìn)行修改零件的尺寸或設(shè)計(jì)變量,則選擇需要進(jìn)行修改的零件,然后根據(jù)所選擇零件的約束,進(jìn)行約束求解,并對相關(guān)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。

所謂動(dòng)態(tài)變量約束求解,即在建立VCN過程中,每輸入一個(gè)設(shè)計(jì)變量約束,如已知條件可以充分滿足該設(shè)計(jì)變量約束,就求解該約束。在此采用了分類分步分解的求解策略,將等式約束和其他約束分類進(jìn)行分步處理,依次求解部分可解約束、循環(huán)處理,并應(yīng)用序列分解方法選擇可解約束和決定約束求解的順序。等式約束的序列分解算法如下:

(1)把所有等式約束表達(dá)成一個(gè)鄰接矩陣M1,行表示等式約束,列表示設(shè)計(jì)變量,‘1’表示某設(shè)計(jì)變量出現(xiàn)在所有行的等式約束中,‘0’表示沒有出現(xiàn)。初始化一個(gè)堆棧S1。

(2)找出M1只含一個(gè)設(shè)計(jì)變量(對應(yīng)只有一個(gè)‘1’)的行,如果沒有,則不可順序求解,轉(zhuǎn)入(4)。

(3)對只含一個(gè)設(shè)計(jì)變量的行,讀取該行的等式約束指針,并壓入堆棧S1,從矩陣中去掉該行,去掉含此設(shè)計(jì)變量的列,繼續(xù)(2)。

(4)求解S1中的等式約束所組成的方程組,返回。

當(dāng)?shù)仁郊s束不可能再進(jìn)行序列分解處理時(shí),則需要進(jìn)行方程組的聯(lián)立求解,其它類型的約束也可用以上類似的方法進(jìn)行處理。

而反向設(shè)計(jì)中,如涉及到約束的增加或減少,也可對VCN進(jìn)行動(dòng)態(tài)變量約束求解。如約束不變,只是變量值發(fā)生了變化,則采用的約束關(guān)系的求解算法如下(如圖3):

(1)找到零件P1的約束鏈;

(2)依次取約束鏈中的約束關(guān)系,得到約束關(guān)系記錄的連接者Pc,如已到鏈尾則轉(zhuǎn)(5);

(3)如Pc的約束鏈中存在P1,則約束有效,轉(zhuǎn)(4),否則繼續(xù)(2);

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圖3 零件約束圖

(4)根據(jù)約束中記錄的約束參數(shù),求解變量表達(dá)式,得到相應(yīng)的圖形;

(5)依次取Pc中連接者ID鏈中每一個(gè)ID,取得零件PID,從PID的約束鏈中得到相應(yīng)的約束關(guān)系,同樣進(jìn)行(4)。

4 結(jié)束語

采用以上的裝配信息的表達(dá)方法,正、反向設(shè)計(jì)相應(yīng)的求解策略及面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)方法,在模具典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,零件及子裝配體的定義、存儲(chǔ)、管理、操作,裝配關(guān)系及約束變量的表達(dá)及求解將更加方便,這就給典型結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)交互設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。同時(shí),也就能更好地利用MFC的可視化技術(shù),使用戶能方便地進(jìn)行交互的定義模具典型結(jié)構(gòu),并能進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及修改。

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