1、基于变型设计的精度尺寸标注位置调整算法的研究 李雪梅 陈综艺 常青青 汤长波 刘诗文 韩莉 桂林电子科技大学机电工程学院 摘 要： 对参数化技术的零件精度变型设计方法进行了研究。根据精度信息生成的基础, 得到精度信息尺寸标注位置与零件的几何特征信息直接相关。针对不同类型的精度在零件变型过程中尺寸标注位置不合理的现象, 提出了基于变型设计的精度尺寸标注位置调整算法。基于精度标注模型, 建立了不同类型的精度尺寸标注位置调整算法, 并结合零件的几何特征识别与提取, 实现算法对精度信息尺寸标注位置的自动调整。以 Solid Works 为开发平台, 以 Visual C+6.0 为开发语言, 结合 A
2、ccess 建立的精度数据库, 利用 Solid Works API 函数对 Solid Works 进行二次开发, 开发出了精度变型设计系统。并以齿轮箱输出轴验证了该系统进行尺寸标注位置调整方法的可行性。关键词： 精度信息; 调整标注; 算法; 二次开发; 作者简介：李雪梅 (1971) , 女, 重庆人, 桂林电子科技大学教授, 硕士生导师, 研究方向为机电控制与自动化、数字化设计;作者简介：陈综艺 (1991) , 男, 河南永城人, 桂林电子科技大学硕士研究生, 研究方向为数字化设计, (E-mail) 。收稿日期：2016-12-21基金：国家自然科学基金资助项目 (51266500
3、6) Study Design Variant Dimension Accuracy Position Adjustment AlgorithmLI Xue-mei CHEN Zong-yi CHANG Qing-qing TANG Chang-bo LIU Shi-wen HAN Li School of Mechanical and Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology; Abstract： Parametric Technology parts for precision variant de
4、sign methods w ere studied. According to the accuracy of the information generated by the base to give the dimension accuracy of the information and the location of the geometric feature information directly related. For different types of precision parts in process variant dimension position unreas
5、onable phenomenon, a method is proposed to adjust the algorithm based on variable precision design dimension position. Identification and extraction based on the accuracy of annotation model, a different type of dimension accuracy of position adjustment algorithm, combined w ith the part geometry, t
6、he algorithm on the accuracy of the information dimension position is automatically adjusted. In Solid Works for the development platform, Visual C + 6. 0 for the development of language, combined w ith Access database to establish the accuracy of using Solid Works API function for Solid Works secon
7、dary development, w e developed a precision variant design system. And the gearbox output shaft to verify the feasibility of the system dimension position adjustment method.Keyword： accuracy of information; adjustment dimension; algorithm; secondary development; Received： 2016-12-210 引言产品变型设计是指根据客户需
8、求和概念设计, 确定定制产品设计参数信息, 通过修改产品变型设计主模型的参数值和尺寸关系, 生成相似的产品或零部件。变型设计方法能够提高设计效率, 降低产品设计成本, 保证产品质量, 从而以接近大批量生产的效率和成本生产出满足客户个性化需求的产品, 是实施大批量定制生产的关键技术之一1。在过去的一段时间, 人们主要致力于几何尺寸的变型设计方法研究, 提出了基于参数化技术、事物特性表技术、分层递阶模型、关联图、超图的零件几何尺寸变型设计方法2-6。许璟琳、刘夫云、唐杰、Sambhoos Kedar、Kai Cheng、林科等对装配件几何尺寸自动标注进行了初步研究, 取得了一些研究进展7-12。目
9、前的变型设计方法, 主要实现的是产品几何模型的尺寸变型设计, 较少涉及精度信息变型设计的研究。当尺寸参数值改变后, 随着模型的重新生成, 不仅模型的尺寸会发生改变, 模型的精度特征也会改变, 主要体现在精度尺寸数值的改变和精度尺寸位置的变化。在三维参数化设计软件中, 形位精度和表面粗糙度直接标注在特征表面上, 用户在进行公差属性设置时, 可以根据产品的实际情况选择合适的规则, 在进行变型设计时, 系统自动继承之前的选择规则, 得到相应的公差值。其值与作用尺寸相关, 而尺寸精度数值不仅与其作用尺寸相关, 标注位置更是由其作用尺寸的标注位置决定。然而在零件几何模型变型过程中, 精度信息标注位置并不
10、随着几何模型的改变而改变, 造成尺寸与几何模型发生干涉, 即产生不合理的标注位置。因此, 在零件精度变型设计过程中需要判断精度标注位置是否与模型发生干涉, 并且对发生干涉的精度信息标注位置进行调整。针对目前变型设计缺乏精度信息支持的不足现状, 本文在综合国内外相关研究的基础之上, 提出了基于变型设计的精度尺寸标注位置调整算法的一种方法。1 参数化技术的零件尺寸变型设计的原理1.1 零件尺寸及参数化尺寸精度标注位置建模参数化设计技术一般是在设计对象结构比较成熟的基础上, 用一组参数来表示尺寸值或尺寸约束关系, 通过修改设计对象的尺寸参数来驱动模型变型, 其核心是尺寸参数驱动。精度特征主要包括尺寸
11、精度、形位精度、表面粗糙度, 在零件变型设计过程中, 当尺寸参数值改变后, 随着模型的重新生成, 不仅模型的尺寸会发生改变, 模型的精度特征也会改变, 主要体现在精度数值的改变和精度位置的变化。在一些三维参数化设计软件中 (如 Solid Works) , 不仅可以将尺寸设定为参数, 而且可以将精度信息标注位置设定为参数, 通过给参数赋值来达到调整尺寸标注位置的目的。利用三维参数化设计软件, 建立零件三维模型。用参数化设计的思想对模型的尺寸及尺寸标注位置进行参数分析, 建立尺寸参数之间的关联和约束, 建立尺寸标注位置参数与尺寸参数之间的关联关系, 得到比较完整的零件参数化模型。1.2 零件尺寸
12、变型设计的流程零件尺寸变型设计就是根据零件的关键参数变动情况, 计算出零件其他的所有结构尺寸13。零件尺寸改变时, 其精度信息才会改变, 本文主要从零件的结构尺寸变化来进行相关变型设计研究。零件尺寸变型设计的整个过程是通过主参数 (驱动参数) 带动可变参数来控制的, 用户只要调整驱动参数的数值, 零件的整个几何模型就会驱动变型, 生成新的模型。对基于参数技术的零件尺寸变型设计的具体流程图如图 1 所示。图 1 零件尺寸变型设计流程图 下载原图2 尺寸精度标注位置调整的算法零件的三维几何模型及二维工程图模型中的尺寸信息主要是通过尺寸模型描述的, 如图 2 所示, 一个完整的尺寸模型包括尺寸线 2
13、、尺寸界线 3、尺寸引出点1、尺寸文本 4、尺寸线箭头 5 这五个基本要素, 尺寸文本有前缀和后缀之分, 前缀指的是半径 R、直径 D 等, 后缀指的是尺寸公差。图 2 尺寸模型 下载原图在尺寸模型中, 尺寸的标注要符合国家标准规定:保持尺寸的正确性, 尺寸标注要齐全, 不能重复标注、遗漏标注;尺寸的布局要合理清晰, 同类尺寸应分布于同一平面;所标注的尺寸应当便于设计人员看图、加工、检验等;当尺寸平行分布时, 保证小尺寸在内, 大尺寸在外, 避免尺寸与尺寸之间出现干涉;另外避免尺寸标注穿过零件体。由于尺寸精度是尺寸文本框中的后缀部分, 尺寸精度标注位置的调整实际是尺寸模型的调整。以机械中常用到
14、的是光滑圆柱体组合的零件为例, 如图 3a 所示, 当尺寸由 D1变为 D2时, 尺寸与模型发生干涉。其中图 3b 是图 3a 中尺寸模型的示意图, 设置点 P1、P 2为尺寸线的两个引出点, 由图 3b 得知, 尺寸文本位置 (尺寸精度标注位置) 很多。根据国标要求, 尺寸文本应当合理放置, T 1、T 2、T 3是尺寸放置的其中三个位置, L 是尺寸文本框到引出点连线的距离, 利用特征提取的方法可以获得尺寸引出点以及尺寸文本框的坐标, 即 P1 (x1、y 1、z 1) , P2 (x2、y 2、z 2) , T2 (xt、y t、z t) 。由于标注坐标系和零件坐标系平行或垂直, 利用
15、Solid Works 提供的 API 函数可以判断出尺寸精度标注面的方向, 比较尺寸引出点与尺寸文本框的相关坐标即可判断尺寸精度是否需要调整。如图 4 所示, 该尺寸精度模型的标注平面与零件坐标系的 XOZ 平面平行, 标注方向沿 Z向, 则 L=|z3-z1|。若标注方向沿 X 向, 则 L=|x3-x1|, 若标注方向沿 Y 向, 则L=|y3-y1|。经过分析可知标注方向不同, 调整变量则不同, 具体的调整变量见表 1 所示。图 3 尺寸模型位置分析 下载原图图 4 尺寸精度标注模型分析 下载原图表 1 精度位置调整变量 下载原表 当零件几何模型驱动后, 系统通过程序运行判断尺寸模型与
16、零件特征是否冲突, 如果冲突就自动调整, 否则, 不用调整。针对圆柱体组合结合的零件, 其具体算法如下:Step1:遍历模型树, 在模型树中显示了创建的零件所实施的特征名, 即 F_ID。Step2:按照模型树中特征创建的顺序, 识别特征的尺寸、精度信息。Step3:判断精度类型。Step4:提取尺寸标注方向以及尺寸引出点、尺寸文本中心位置的坐标, 由于尺寸精度位于尺寸数值之后, 尺寸标注方向即为精度标注方向。Step5:根据标注方向, 计算尺寸文本框位置到尺寸线引出点连线的距离 L。Step6:判断 L 与圆柱体截面半径的大小关系, 若 LD/2, 则不需要调整尺寸, 若 LD/2, 则调整
17、尺寸位置, 具体调整变量如上表 1 所示, 调整值由几何模型变化参数决定。3 系统实现与应用举例3.1 系统实现在这里, 以三维参数化设计软件 Solid Works 为例。根据所建立的精度变型设计方法以及标注位置调整方法, 以 Solid Works 为开发平台, 以 Visual C+6.0 为开发语言, 结合 Access 建立的精度信息数据库, 利用 Solid Works API 函数对 Solid Works 进行二次开发, 开发出了精度变型设计系统。如下图5 所示为本文开发的变型设计系统菜单栏。图 5 变型设计系统菜单栏 下载原图3.2 应用举例这里以齿轮箱输出轴为例, 对尺寸精
18、度标注位置调整方法进行了验证。图 6 模型驱动前后尺寸精度标注位置对比 (1) 下载原图图 7 模型驱动前后尺寸精度标注位置对比 (2) 下载原图图 8 尺寸参数与约束关系式修改界面 下载原图图 9 精度参数修改界面 下载原图图 6图 7 为零件三维模型和二维模型精度变型设计过程中出现的尺寸精度与模型干涉的现象。图 8图 9 为对可变尺寸参数、约束关系式和精度参数进行修改。图 10图 11 为变形设计后新零件参数化模型, 从图 11 可以看出变型后的零件模型, 不但尺寸参数、精度参数改变了, 同时精度位置的信息也发生了改变。图 1 0 变形设计后模块更新后界面 下载原图图 1 1 二维模型精度
19、变型后前后界面对比 下载原图4 结束语对精度变型设计系统进行了研究。针对不同类型的精度在零件变型过程中尺寸标注位置不合理的现象, 提出了基于变型设计的精度尺寸标注位置调整算法的一种方法。以齿轮箱输出轴为例, 对方法进行了应用验证。变型设计的精度尺寸标注位置调整算法的方法可以实现算法对精度信息尺寸标注位置的自动调整。提高了零件变型设计的速度、质量及其实用性。参考文献1谈宏志, 仲梁维.基于事物特性表的参数化产品变型设计研究J.现代制造工程, 2012 (8) :76-79. 2邓小林.基于参数化技术的产品变型设计方法及其关键技术研究D.桂林:桂林电子科技大学, 2009. 3宋利伟, 纪杨建,
20、祁国宁, 等.基于分类的事物特性重用技术J.浙江大学学报 (工学版) , 2011, 45 (8) :1352-1359, 1398. 4余军合.面向对象的事物特性表实现方法研究J.中国机械工程, 2005, 16 (10) :878-881. 5Alexander F, Gerhand F, Diet Mar J.Conceptual modeling for configuration of mass customizable productsJ.Artificial Intelligence in Engineering, 2001, 15 (2) :165-176. 6王相兵, 王宗彦
21、, 吴淑芳, 等.面向模块化、智能化、参数化的产品变型设计技术研究J.机械科学与技术, 2010, 29 (2) :153-158. 7许璟琳, 郑国磊, 王勃.基于 GB/T24734 的三维尺寸快速标注技术J.图学学报, 2013, 34 (5) :138-142. 8刘夫云, 邓小林.配置产品尺寸参数修改与变型设计方法研究J.计算机集成制造系统, 2008, 14 (11) :2092-2097. 9唐杰.三维尺寸自动标注及尺寸链提取关键技术研究D.南京:南京航空航天大学, 2014. 10Sambhoos Kedar, Koc Bahattin, Nagi Rakesh.Extract
22、ing assembly mating graphs for assembly variant designJ.Journal of Computing and Information Science in Engineering, 2009, 37 (37) :1-5. 11Cheng Kai, Liu Yong-xian, Xu Xi-peng.Dimension parameter transfer method based on constraint satisfaction priority in variant designJ.Applied Mechanics and Materials, 2009, 16-19:203-207. 12林科, 严晓光, 肖骏.基于三维 CAD 的工艺尺寸链计算系统的关键技术研究J.组合机床与自动化加工技术, 2007 (2) :28-31. 13匡兵, 肖礼志, 黄美发, 等.零件尺寸与尺寸公差集成变型设计方法J.制造业自动化, 2011, 33 (12) :103-106.
