收稿日期:2002年12月基于特征工藝的機(jī)床夾具CAD系統(tǒng)研究蘭成均陳金明中國工程物理研究院摘要:論述了機(jī)床夾具CAD系統(tǒng)MF2CAD(MachineToolFixtureCADSystem)的方案設(shè)計,提出了基于特征技術(shù)的零件工藝模型表示方法。應(yīng)用特征技術(shù)建立面向特征工藝的夾具設(shè)計模型,實(shí)現(xiàn)了一種基于特征工藝設(shè)計與夾具設(shè)計為一體的集成模式。關(guān)鍵詞:夾具CAD,特征工藝,系統(tǒng)模型ResearchofMachineToolFixtureCADSystemBasedonFeatureProcessLanChengjunChenJinmingAbstract:ThedesignmethodoftheMF2CADsystemisdiscussed,andtheprocessmodelingofpartsisexpoundedbasedonfeaturetechnology.ThecharactertechnologyisappliedtoestablishthesystemmodelofMF2CADandrealizetheintegratedmoduleofCAPP/CAFDsystembasedoncharactertechnology.Keywords:MF2CAD,featureprocess,systemmodeling1引言如何應(yīng)用CAD這一先進(jìn)工具和手段服務(wù)于工裝設(shè)計,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高質(zhì)量、低成本、短生產(chǎn)周期,近年來受到普遍的關(guān)注。采用基于特征技術(shù)實(shí)現(xiàn)支持整個工藝設(shè)計過程的計算機(jī)輔助夾具設(shè)計系統(tǒng)的研究,已成為該技術(shù)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題之一,是實(shí)現(xiàn)工藝裝備設(shè)計自動化的重要方法和手段。近年來在夾具CAD技術(shù)的研究中取得了很大的進(jìn)展。由于夾具方案設(shè)計經(jīng)驗性很強(qiáng),其中需要考慮的問題很多,目前在國內(nèi)外有很多的夾具方案設(shè)計方法,其中有的已成功地應(yīng)用到了生產(chǎn)實(shí)踐中,有的尚處于研究階段。但這些系統(tǒng)大都側(cè)重于特定設(shè)計功能的實(shí)現(xiàn),缺乏對整個設(shè)計過程及數(shù)據(jù)模型的研究。本文將討論如何利用特征技術(shù),實(shí)現(xiàn)支持整個設(shè)計過程的夾具CAD系統(tǒng)模型結(jié)構(gòu)及相關(guān)的設(shè)計方法。2機(jī)床夾具CAD系統(tǒng)方案設(shè)計機(jī)床夾具CAD系統(tǒng)是面向夾具設(shè)計人員的參數(shù)化圖形信息管理系統(tǒng),它融程序庫和參數(shù)化圖形系統(tǒng)于一體。本文所設(shè)計的夾具CAD系統(tǒng)是建立在基于三維特征模型CAD基礎(chǔ)之上,整個系統(tǒng)設(shè)計過程由被加工零件設(shè)計、工藝方案輔助設(shè)計、定位夾緊方案分析(包括定位誤差分析計算、夾緊力大小計算等)、夾具元件設(shè)計和夾具裝配設(shè)計等五個部分組成(見圖1)。圖1夾具CAD系統(tǒng)方案設(shè)計(1)被加工零件設(shè)計即設(shè)計被加工零件,并輸入零件各部分與加工和設(shè)計夾具有關(guān)的信息,例如零件的尺寸大小、加工精度、材料種類、技術(shù)要求以及用戶對夾具設(shè)計的具體要求等。(2)工藝方案輔助設(shè)計即用被加工零件的設(shè)計信息與工藝知識庫中的信息進(jìn)行比較,經(jīng)過設(shè)計者的修改,得出合理的零件加工工藝后,再交互選取設(shè)計夾具的工序。(3)定位夾緊方案分析即確定定位夾緊方案,選擇定位元件和夾緊元件,利用程序庫中的相應(yīng)程序,進(jìn)行定位元件結(jié)構(gòu)尺寸計算和定位誤差分析以及夾緊力的計算,完成定位夾緊系統(tǒng)的設(shè)計。(4)夾具元件設(shè)計即根據(jù)前面的定位夾緊方案,對所需的夾具元件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,并從圖形庫中調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化夾具元件,如定位元件、支承元件等。(5)夾具的總體裝配利用交互式設(shè)計和圖形庫對夾具的裝配進(jìn)行設(shè)計。3基于特征技術(shù)的零件工藝模型工藝模型的描述是根據(jù)工藝設(shè)計方案生成的工藝設(shè)計過程信息,應(yīng)用特征技術(shù),從夾具設(shè)計角度,512003年第39卷8描述零件從毛坯到成品之間變換過程的特征信息,支持整個夾具設(shè)計過程。工藝模型通常從三個層次上表達(dá)加工的序列如圖2所示。用工序表示在一臺機(jī)床上的加工,用安裝和工位表示一次裝夾的加工位置,以工步表示一個特征的加工。因此,整個加工工藝過程由若干排列的工序組成,每一個工序又是由安裝工位和工步組成。由于我們的目標(biāo)是應(yīng)用于夾具設(shè)計,所以,工藝模型的建立以工序為單位,按裝夾要求來描述零件特征和工序內(nèi)容。圖2零件加工工藝層次結(jié)構(gòu)圖3所示為基于特征的零件工藝模型結(jié)構(gòu)。工序1中工件的裝夾特征表示零件毛坯的初始狀態(tài),用毛坯特征表達(dá),以后各工序中零件的裝夾特征表示在原毛坯特征的基礎(chǔ)上若干特征的增加。工序1對毛坯進(jìn)行了兩個特征的加工,因此,工序2中工件的裝夾特征表示在原毛坯特征的基礎(chǔ)上的增加,即除了繼承原有的毛坯特征外,還增加了兩個特征。在工序2中,僅加工特征1的狀態(tài)發(fā)生變化(如擴(kuò)孔加工產(chǎn)生的孔徑變化)。因此,工序3中工件的裝夾特征僅表示加工特征1狀態(tài)的變化,即除了繼承工序2中的裝夾特征外,還增加了特征1狀態(tài)的變化?？梢哉f,工件在任一工序中的裝夾特征都表示毛坯特征、加工特征和狀態(tài),每一次工件的裝夾特征都是上一次工件裝夾特征狀態(tài)的變化或新特征的加入。圖3基于特征的工藝模型表示毛坯特征零件的設(shè)計特征,其內(nèi)容和結(jié)構(gòu)與毛坯設(shè)計相關(guān)。加工特征是在編制加工工藝過程中所產(chǎn)生的描述加工工藝及工件形狀的單元,其內(nèi)容包括工件加工表面的幾何形狀、加工表面的方位、加工精度、粗糙度和加工設(shè)備等信息。4基于特征工藝的夾具CAD系統(tǒng)模型與功能針對工藝設(shè)計與夾具設(shè)計的關(guān)系,本文提出一種基于加工特征的工藝設(shè)計與夾具設(shè)計為一體的集成模式,利用特征技術(shù)建立面向CAPP的工藝模型和面向夾具方案設(shè)計的裝夾特征模型,實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計與夾具設(shè)計的集成。(1)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)在功能上包括兩個子系統(tǒng):CAD/CAPP集成子系統(tǒng)和機(jī)床夾具CAD(MF2CAD)子系統(tǒng),如圖4所示。圖4基于特征工藝的夾具CAD模型結(jié)構(gòu)從三維CAD系統(tǒng)(本文中采用的是MDT)傳來的信息,經(jīng)特征提取后得到有關(guān)加工工藝信息和工裝夾具的設(shè)計信息,生成工藝模型,再將夾具設(shè)計信息傳給MF2CAD子系統(tǒng)。MF2CAD子系統(tǒng)根據(jù)工藝模型提取裝夾特征信息生成裝夾特征模型,按照系統(tǒng)設(shè)計的推理方法最后得到工藝設(shè)計文件和夾具設(shè)計模型。在整個設(shè)計過程中,系統(tǒng)不僅要接受和處理大量的設(shè)計信息,而且還要實(shí)現(xiàn)從加工特征的提取、工藝過程設(shè)計、夾具設(shè)計到裝配等大量信息和功能的集成。建立工藝設(shè)計和夾具設(shè)計的數(shù)據(jù)模型,將工藝設(shè)計和夾具設(shè)計中的信息通過零件信息模型、工藝模型和夾具設(shè)計模型集成起來,由網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫提供有力的支持。(2)系統(tǒng)功能CAD/CAPP的功能:首先實(shí)現(xiàn)零件的三維特征造型,并通過零件特征信息的輸入,識別零件結(jié)構(gòu)要素并檢索其加工特征,由專家系統(tǒng)推理完成零件結(jié)構(gòu)要素的工藝設(shè)計、機(jī)床刀具選擇、夾具類型選擇,61工具技術(shù)確定加工工藝路線和工序內(nèi)容,生成工藝設(shè)計文件,同時建立可向夾具設(shè)計提供信息的工藝模型。MF2CAD的功能:程序庫:主要存放方案設(shè)計中各種設(shè)計計算程序,如方案設(shè)計中定位誤差分析計算程序、夾緊力計算與校核程序等。數(shù)據(jù)庫:用于存儲夾具設(shè)計所需的各種數(shù)據(jù),包括夾具元件的結(jié)構(gòu)尺寸、方案設(shè)計使用的各種表格數(shù)據(jù)、公式及圖形數(shù)據(jù)以及保留夾具設(shè)計過程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)等。參數(shù)化圖庫:存放夾具設(shè)計所需的各種參數(shù)化夾具元件、組件、標(biāo)準(zhǔn)件、非標(biāo)件和夾具設(shè)計時用到的各種符號、格式等。裝夾特征信息庫:用于存儲夾具方案設(shè)計的特征信息。應(yīng)用特征建模技術(shù)建立裝夾特征模型、表達(dá)方案設(shè)計信息,作為夾具元件選擇與裝配的依據(jù)。根據(jù)工藝特征模型提供的夾具設(shè)計信息,提取夾具方案設(shè)計的裝夾特征信息,最后完成夾具方案設(shè)計(包括夾具定位結(jié)構(gòu)設(shè)計、定位夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計、導(dǎo)向裝置設(shè)計、誤差分析等),用裝配模型模擬夾具的裝配。夾具方案設(shè)計可以按常規(guī)夾具設(shè)計順序,分為夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計,定位方案設(shè)計、定位誤差計算、定位機(jī)構(gòu)設(shè)計、夾緊方案設(shè)計、夾緊力分析計算、夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計、導(dǎo)向?qū)Φ斗桨冈O(shè)計、導(dǎo)向?qū)Φ墩`差計算、導(dǎo)向?qū)Φ稒C(jī)構(gòu)方案設(shè)計、夾緊元件、定位元件等的選擇設(shè)計和其它夾具元件設(shè)計等。參考文獻(xiàn)1孫小斌,楊海成,李原.基于特征的夾具設(shè)計方法.機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2000(5):4944952柏合民,劉文劍,金天國.基于特征與參數(shù)化的夾具半自動化設(shè)計方法.計算機(jī)輔助設(shè)計與制造,1998(9):2932.3仲高艷.在AutoCAD平臺上建立夾具CAD.機(jī)械設(shè)計,1999(6):284李夢群,劉春美.開放式夾具CAD系統(tǒng).制造技術(shù)與機(jī)床,2000(2):23245Kakish,Jamil,Zhang,Per2Liang,Zerd,Ibrahim.Towardsthede2signanddevelopmentofaknowledge2baseduniversalmodularjigsandfixturessystem.JournalofIntelligentManufacturing,114Aug2000KluwerAcademicPublishers,381401第一作者:蘭成均,中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所,621900四川省綿陽市3國家自然科學(xué)基金資助項目(項目編號:50075026)廣東省自然科學(xué)基金資助項目(項目編號:950168)收稿日期:2002年12月鈍圓刀刃切削的有限元模擬3鄧文君夏偉周照耀王靈軍陳普慶華南理工大學(xué)摘要:利用商業(yè)有限元分析軟件Marc對考慮切削刃鈍圓半徑的切削加工過程進(jìn)行了有限元模擬。分析了切削刃鈍圓半徑在切削加工過程中對切削力和切削溫度的影響。關(guān)鍵詞:金屬切削,有限元,溫度場FiniteElementSimulationofCuttingwiththeToolEdgeRadiusConsideredDengWenjunXiaWeiZhouZhaoyaoetalAbstract:AfiniteelementsimulationofcuttingwiththetooledgeradiusconsideredispresentedusingthecommercialfiniteelementsoftwareMarc.Theeffectofthetooledgeradiusoncuttingforceandcuttingtemperatureisanalyzed.Keywords:metalcutting,finiteelementmethod,temperaturefield1引言一般高速鋼刀具的切削刃鈍圓半徑為310,硬質(zhì)合金刀具的鈍圓半徑為1832。圖1是考慮切削刃鈍圓的切削