SolidWorks的粉末冶金成形模CAD系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)

2013-06-02  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來(lái)源:仿真在線

本文詳細(xì)研究了以SolidWorks為開(kāi)發(fā)平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)方法,并依據(jù)一般的CAD開(kāi)發(fā)技術(shù),具體針對(duì)粉末冶金拉下式成形模的特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了一套智能化CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)能較好地鋪助粉末冶金模具設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品建模,工藝設(shè)計(jì),模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及零件設(shè)計(jì)。詳細(xì)研究并總結(jié)了拉下式成形模的傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)方法;詳細(xì)分析了拉下式成模CAD系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能,并以IDEF0方法建立整個(gè)CAD系統(tǒng)的功能模型。 總結(jié)歸納了粉末冶金模具設(shè)計(jì)知識(shí)的類型,并詳述了其不同的計(jì)算機(jī)處理方法;敘述了系統(tǒng)中用VB對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的方法;詳細(xì)總結(jié)了SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。

彭波;吳慶定;楊岳;胡澤豪 來(lái)源:CAD/CAM與制造業(yè)信息化

關(guān)鍵字:粉末冶金 標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù) 拉下式成形模

目前,三維CAD軟件在機(jī)械設(shè)計(jì)、制造等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用已越來(lái)越普及,而且在各種CAD軟件基礎(chǔ)上進(jìn)行的二次開(kāi)發(fā)更是不勝枚舉,雖然計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的專業(yè)軟件已遍布沖壓、鍛造、注塑、建筑、裝飾等諸多行業(yè),但是粉末冶金模具卻較少有專業(yè)CAD系統(tǒng)涉足。由于粉末冶金零件制造工藝的特殊性,其工裝(模具、夾具、量具等)更具有特殊性,根據(jù)粉末冶金專業(yè)特點(diǎn)開(kāi)發(fā)一套符合自身要求的智能化模具CAD系統(tǒng),不僅可把廣大粉末冶金設(shè)計(jì)技術(shù)人員從繁雜的重復(fù)勞動(dòng)中解脫出來(lái),更可縮短粉末冶金制品的開(kāi)發(fā)周期,提高其設(shè)計(jì)制造水平,從而使粉末冶金行業(yè)的整體勞動(dòng)生產(chǎn)率得到提高。

    二、SolidWorks及其參數(shù)化設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)介

SolidWorks是一套應(yīng)用在Windows系統(tǒng)下的3D實(shí)體模型構(gòu)建軟件,與眾多三維CAD軟件比較,它的三維設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大,界面友好,能讓使用者以簡(jiǎn)單的操作方式進(jìn)行高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì),其提供的基于特征選型的參數(shù)化造型功能更是為開(kāi)發(fā)者提供了良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)是通過(guò)改動(dòng)圖形的某一部分或某幾部分的尺寸,或修改已定義好的零件參數(shù),自動(dòng)完成對(duì)圖形中相關(guān)部分的改動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形的驅(qū)動(dòng)。它以約束造型為核心,以尺寸驅(qū)動(dòng)為特征。在SolidWorks中實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法歸納起來(lái)有兩大類:

(1)利用SolidWorks軟件本身提供的參數(shù)化造型方法。包括方程式驅(qū)動(dòng)、系列零件設(shè)計(jì)表、配置、庫(kù)特征這些功能。

(2)利用SolidWorks提供的API函數(shù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。SolidWorks提供了豐富的API函數(shù)用以二次開(kāi)發(fā),任何支持OLE(對(duì)象的鏈接與嵌入)和COM(組件對(duì)象模型)的編程語(yǔ)言都可以作為SolidWorks的開(kāi)發(fā)工具。SolidWorks二次開(kāi)發(fā)分兩種,一種是基于自動(dòng)化技術(shù)的,此種技術(shù)只能開(kāi)發(fā)EXE形式的程序;另一種開(kāi)發(fā)是基于COM的,這種技術(shù)可以使用最多的SolidWorks API(運(yùn)用程序界面)。SolidWorks的二次開(kāi)發(fā)工具較多,比如VC、VB、Delphi、VBA等,開(kāi)發(fā)者可以根據(jù)自身的條件、工具的特點(diǎn),選擇一種合適的開(kāi)發(fā)工具。開(kāi)發(fā)者通過(guò)編程建立用戶界面,接受用戶的參數(shù)輸入與指令輸入,通過(guò)API函數(shù)實(shí)現(xiàn)零件造型、尺寸驅(qū)動(dòng)等一系列自動(dòng)化工作,使用一種交互的、程序的方式實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

比較而言,第一類方式簡(jiǎn)單易行,無(wú)需編寫(xiě)代碼,但自動(dòng)化程度不高,對(duì)于大量零件設(shè)計(jì)的管理不便。第二類方式建立了交互式用戶界面,用專用數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件管理數(shù)據(jù),通過(guò)出錯(cuò)處理和輸入數(shù)據(jù)合法性校驗(yàn)?zāi)苡行ПＷC參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的穩(wěn)定可靠,并能建立符合專業(yè)人員設(shè)計(jì)習(xí)慣的界面,以方便專業(yè)人員使用。
因此,本CAD系統(tǒng)綜合以上兩類方法,采用Visual Basic 6.0作為開(kāi)發(fā)工具,用Access2003作為設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)管理工具,以SolidWorks2004為平臺(tái)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

    三、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)的功能在于能協(xié)助工程技術(shù)人員完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)各階段的工作。本系統(tǒng)主要是針對(duì)粉末冶金拉下式成形模的輔助設(shè)計(jì),仔細(xì)分析拉下式成形模的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程,可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于同種類型壓坯的模具,在設(shè)計(jì)過(guò)程中有許多雷同之處,即使不同類型壓坯的模具設(shè)計(jì)也有共用的部分,比如壓坯件工藝分析準(zhǔn)則、成形零件尺寸計(jì)算公式、通用零件(如模架)的選用、各種強(qiáng)度校核與壓力計(jì)算公式等,如能將這些設(shè)計(jì)過(guò)程中的通用部分程序化、規(guī)程化,讓設(shè)計(jì)人員只是簡(jiǎn)單地輸入?yún)?shù)和選擇參數(shù),交由計(jì)算機(jī)完成一些重復(fù)的工作,便能大大減輕設(shè)計(jì)人員的重復(fù)勞動(dòng),提高設(shè)計(jì)效率,達(dá)到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的目的。值得特別注意的是,對(duì)于那些受現(xiàn)場(chǎng)工藝條件影響較大的參數(shù)(如成形陰模的型腔尺寸),必須作人工干預(yù)處理。其方法是采用交互式對(duì)話方式直接在設(shè)計(jì)平臺(tái)中修正,這就使得設(shè)計(jì)系統(tǒng)的靈活性大大增強(qiáng)。

總之,通過(guò)分析粉末冶金拉下式成形模傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)流程,可將其中具有固定設(shè)計(jì)流程的部分提取出來(lái),轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能自動(dòng)完成其設(shè)計(jì)過(guò)程的模塊,而不能通用的設(shè)計(jì)流程的部分采用交互方式在三維環(huán)境下進(jìn)行人工交互設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)主要針對(duì)五類其本類型的壓坯進(jìn)行模具設(shè)計(jì),系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本系統(tǒng)共分工藝分析模塊,計(jì)算模塊,零件設(shè)計(jì)模塊,模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊,繪圖模塊幾部分。模塊獨(dú)立編程,模塊之間通過(guò)參數(shù)數(shù)據(jù)連接,并編制相應(yīng)的數(shù)據(jù)校驗(yàn)接口,保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性。圖中單箭頭表示數(shù)據(jù)流向以及數(shù)據(jù)調(diào)用,雙向箭頭表示關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

四、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)

    1.標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)建立及參數(shù)化設(shè)計(jì)

建立模具零件和結(jié)構(gòu)的通用化和系列化的圖形庫(kù),對(duì)提高模具結(jié)構(gòu)的零件設(shè)計(jì)效率起著至關(guān)重要的作用。盡管目前粉末冶金模具設(shè)計(jì)還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),但通用化、標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)疑是粉末冶金模具發(fā)展的方向。本系統(tǒng)將拉下式成形模中的常用零件(如上模板、陰模板、導(dǎo)柱、導(dǎo)套等)列為標(biāo)準(zhǔn)件。標(biāo)準(zhǔn)件事先建立模型庫(kù),所謂模型庫(kù),顧名思義就是某種樣式的模型,只有形狀而未賦予具體尺寸參數(shù)。分別在SolidWorks中將標(biāo)準(zhǔn)件做成三維零件模型,將其存儲(chǔ)于模型庫(kù)中,并把相關(guān)尺寸參數(shù)系列用Access存儲(chǔ)于尺寸參數(shù)庫(kù)中。通過(guò)SolidWorks API 的調(diào)用和提取函數(shù)直接將尺寸參數(shù)賦給模型,如此一來(lái),不但代碼量小,而且程序也穩(wěn)定可靠。這樣,三維造型工作就由編制繁雜的API函數(shù)程序轉(zhuǎn)變?yōu)槟Ｐ蛶?kù)的建立,雖然建立過(guò)程需要花一定的時(shí)間,但模型庫(kù)一旦建立完備,后續(xù)編程工作就變得簡(jiǎn)單輕松。

采用Visual Basic編制參數(shù)化設(shè)計(jì)界面,并調(diào)用SolidWorks提供的API函數(shù),將通用零件的尺寸參數(shù)傳遞到模型庫(kù)中的相關(guān)尺寸,即可完成通用零件的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)。模具通用零件參數(shù)化設(shè)計(jì)示例如圖2所示,輸入壓件外徑尺寸,則能在SolidWorks中生成已定義好的模臺(tái)板標(biāo)準(zhǔn)件。

圖2 模臺(tái)板標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化

    2.模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模具的裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,涉及很多零件以及裝配關(guān)系。筆者認(rèn)為有兩條思路來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì):第一,將整個(gè)裝配體做成一個(gè)模型,裝配體中的零件均在SolidWorks中采用自頂向下的方式進(jìn)行裝配建模,零件之間關(guān)聯(lián)特征,這意味著當(dāng)修改一個(gè)零件的尺寸時(shí),其他零件與其相關(guān)聯(lián)的特征尺寸也會(huì)做相應(yīng)變動(dòng),達(dá)到一種聯(lián)動(dòng)修改的效果。這樣的話,一旦建立好針對(duì)某一形狀壓坯的裝配體模型,那對(duì)于此類形狀的壓坯,只需輸入尺寸參數(shù),其相應(yīng)的裝配體模型便能自動(dòng)生成。這種方法雖然效率很高,但其明顯的缺點(diǎn)就是不夠靈活。一種形狀的壓坯對(duì)應(yīng)一種裝配模型,對(duì)應(yīng)的模型庫(kù)容量自然會(huì)相當(dāng)大,而且成形零件的連接方式、緊固件類型均已固定,不能選擇。

基于以上不足,提出第二種思路,將裝配體細(xì)分為幾個(gè)子裝配體。子裝配體仍采用特征關(guān)聯(lián)的建模方式。從拉下式成形模裝配體特征不難看出,它實(shí)際上是一種板桿柱組合體(組成部分包括上模板、承壓板、陰模板、芯棒板、拉桿、導(dǎo)柱等)。因此可將各模板和與其相配合的零件做成子裝配體模型存儲(chǔ)于模型庫(kù)中,這種子裝配模型存儲(chǔ)的就是連接方式,可事先存儲(chǔ)很多種連接方式,當(dāng)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)彈出選擇對(duì)話框,供用戶選擇連接方式,并且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的每一步過(guò)程中都會(huì)與計(jì)算模塊交換數(shù)據(jù),保證成形零件的配合關(guān)系,當(dāng)用戶選擇定制完所有子裝配體,則可以在主裝配體環(huán)境中人工拼裝,在拼裝的過(guò)程中能發(fā)現(xiàn)干涉或是設(shè)計(jì)不滿意的地方,則可以重新選擇或直接修改,由于子裝配體采用特征聯(lián)動(dòng)建模,因此修改成形零件尺寸均不會(huì)改變連接方式。采用第二種思路進(jìn)行模具裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大大地增加了靈活性,減少了模型存儲(chǔ)量,并且易于交互修改,因此,本CAD系統(tǒng)采用了這種方式。

    3.設(shè)計(jì)計(jì)算公式的程序化

在模具設(shè)計(jì)過(guò)程中,有大量的計(jì)算公式,將這些公式分類整理并進(jìn)行程序設(shè)計(jì),每個(gè)計(jì)算過(guò)程以函數(shù)的形式存儲(chǔ)于VB源代碼模塊中,從而構(gòu)建公式庫(kù),在設(shè)計(jì)過(guò)程中只需設(shè)計(jì)人員輸入相關(guān)參數(shù),計(jì)算過(guò)程交由計(jì)算機(jī)處理,有效地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)過(guò)程,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)計(jì)算的自動(dòng)化。

    4.知識(shí)庫(kù)的構(gòu)建

工藝分析等設(shè)計(jì)步驟具有一定的靈活性,沒(méi)有固定的公式和原則,并且很大程度上依賴于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)和一些根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出的近似公式。筆者查閱相關(guān)資料整理成電子文檔,存入知識(shí)庫(kù),供設(shè)計(jì)人員使用系統(tǒng)時(shí)隨時(shí)調(diào)用,以備參考。在設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些經(jīng)驗(yàn)積累可以隨時(shí)更新入庫(kù),不斷擴(kuò)充知識(shí)庫(kù)的參考價(jià)值。

    五、運(yùn)行實(shí)例

    下面以Ⅰ類壓坯模具設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)為例演示本系統(tǒng)的運(yùn)行情況。

    第一步:開(kāi)啟主界面,選擇壓坯類型,如圖3所示(在此選Ⅰ類);

    第二步:輸入初始參數(shù)(包括壓坯尺寸參數(shù)、村料性能參數(shù)、相關(guān)系數(shù)等),如圖4所示;

圖3 “壓坯類型選擇”對(duì)話框

    圖4 “參數(shù)輸入”對(duì)話框

第三步:進(jìn)行工藝分析,調(diào)用相應(yīng)設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù),如果工藝參數(shù)不合理,則返回第二步;

第四步:進(jìn)行相關(guān)計(jì)算,包括模具尺寸計(jì)算、壓力計(jì)算、壓力校核以及壓機(jī)選擇等。此結(jié)果數(shù)據(jù)作為模具參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本依據(jù),在后續(xù)步驟可交互修改直至滿意,如圖5所示;

圖5 “計(jì)算模塊”對(duì)話框

第五步:模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。選擇成形零件結(jié)構(gòu),選擇各子裝配體連接方式等,如圖6所示。系統(tǒng)將根據(jù)前述步驟計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)傳遞給相關(guān)驅(qū)動(dòng)尺寸,進(jìn)行尺寸選定,然后進(jìn)入SolidWorks主裝配環(huán)境,同時(shí)調(diào)用自定義標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)、模型庫(kù)以及SolidWorks自帶標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù),以備在總裝配體環(huán)境中進(jìn)行零件拼裝;

圖6 “模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”對(duì)話框

第六步:裝配設(shè)計(jì)。在裝配體模塊下采用交互的方式完成拼裝。采用全關(guān)聯(lián)模式,對(duì)裝配體中的修改都將直接影響相關(guān)零件,用戶可以在各零件窗口以及裝配體窗口間相互切換,對(duì)比修改,將選定的各個(gè)子部件裝配起來(lái),總裝過(guò)程如圖7所示;

圖7 模具裝配設(shè)計(jì)

第七步:根據(jù)生成的總裝配體生成裝配圖以及各零件圖。

    六、結(jié)束語(yǔ)

三維CAD軟件在機(jī)械各領(lǐng)域的應(yīng)用已越來(lái)越普及,這極大地提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的效率和合理性,而在此基礎(chǔ)上針對(duì)不同專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)行的有專業(yè)特點(diǎn)的二次開(kāi)發(fā)能更進(jìn)一步地提高設(shè)計(jì)人員的工作效率,縮短開(kāi)發(fā)周期。經(jīng)過(guò)實(shí)踐,證明CAD技術(shù)能在粉末冶金模具設(shè)計(jì)領(lǐng)域得以應(yīng)用。一個(gè)完善的CAD系統(tǒng)將能很好地輔助工程人員進(jìn)行工作設(shè)計(jì),粉末冶金模具種類繁多,如能更進(jìn)一步針對(duì)其他種類模具開(kāi)發(fā)相應(yīng)的CAD系統(tǒng)模塊,則將能使本系統(tǒng)更加完備。

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