1、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 110159;2.杭 州 朴 石 网 络 技 术 有 限 公 司,浙 江 杭 州 310053)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
2、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CATIA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
3、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:TH131.3 文 献 标 识 码:A 文 章 编 号:1674-957X(2023)09-0088-03I n t e l l ige n t D e s ign o f T h r e a d e d P a r t s B a s e d o n K n o w l e dgeSongYan-l i ng1,PanChong-l a i2,ZhouQi u-zhong1(1.Sc
4、hoo lo fAu t omob i l eandTr anspo r t a t i on,ShenyangL i gongUn i ve r s i t y,ShenyangL i aon i ng110159,Ch i na;2.Hang zhouPu r e s t oneNe two rkTe chno l ogyCo.,Lt d,Hang zhouZhe j i ang310053,Ch i na)A b s t r a c t:Tr ad i t i ona l3Dde s i gnt ake spo i n t,l i neandsur f a c ea sba s i ce
5、 l emen t sf o rmode l i ng,wh i chmaybr e akt heconne c t i onbe twe enpa r t s.Fo rc omp l exp r oduc t s,de s i gne r sne edt ospendal o to ft imeonde s i gn,wh i chdoe sno tp r oduc eg r e a tva l ue.Th i spape rsumma r i z e st hede s i gnp r oc e s sandr e l evan tshapef e a t ur e so ft hr e
6、adedconne c t i onpa r t s,us e st hes e l f-deve l opedknowl edge-ba s edp r oc e s scus t omi z a t i ons ys t emt ov i sua l l yex-p r e s sandr e a sont hede s i gnp r o c e s s,andus e st hes e conda r ydeve l opmen tf unc t i oni nCATIAso f twa r et ode s i gnt hr e adedconne c t i onpa r t s,
7、enc apsu l a t i ngt hes t ruc t ur a li n f o rma t i ono ft hr e adedconne c t i onpa r t s,t heopen i ngi n-f o rma t i ono fconne c t edpa r t sanda s s emb l yi n f o rma t i oni n t odynami cl i nksi nt hef o rmo ff e a t ur ecode s,Thep r o c e s scus t omi z a t i ons ys t emba s edonknowl e
8、dgei sus edt ocomb i nef e a t ur e sandde s i gnp r oc e s s e st or e a l i z et her ap i dr eus eo ff e a t ur e sandc onne c t i ngpa r t s,wh i chg r e a t l yr educ e st hede s i gnt imeo fde s i gne r sandimp r ove st hede s i gne f f i c i enc y.K e y w o r d s:Thr e adedpa r t s;Shapecha r
9、a c t e r i s t i c s;Se conda r ydeve l opmen t;I n t e l l i gen ta s s emb l y基 金 项 目:辽 宁 省 教 育 厅 重 点 攻 关 项 目(LG201901);沈 阳 市 中 青 年 科 技 创 新 人 才 计 划(RC190098);沈 阳 理 工 大 学 科 研 创 新 团 队建 设 计 划 资 助 项 目(SYLU202101)作 者 简 介:宋 艳 玲(1997),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(1975),男,副
10、 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
11、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
12、 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
13、 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
14、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8 8DOI: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
15、 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1978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。
16、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
17、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
18、 侧 端 面,定 位 基 准 可 以 通 过 骨 架模 型 获 得;尺 寸 参 数 孔 径d 01.1 d,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CAD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CATIA软 件 的 宏 模 块 中,利 用VBA宏 语 言 编 写 特 征 代
19、 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Do cumen t和Pa r t对 象,然 后 利 用 函 数 方 法hyb r i dBody.Add()为 孔 特征 创 建 过 程 添 加 几 何 图 形 集,利 用 函 数 方 法I npu tOb j e c t-Type(0)=定 义 基 准 类 型,利 用 函 数 方 法Cr e a t eRe f e r-enc eFr omOb 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AddNewHo l e()构 建 不
20、同 的 孔 特 征,最 后 为孔 特 征 创 建 尺 寸 参 数,利 用 函 数 方 法Cr e a t eFo rmu 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
21、 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Exc 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CAT-IA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M10*45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
22、 数d、dw、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9 82 0 2 3年 第9期及 装 配 成 为 了 研 究 的 热
23、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10,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
24、 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AddB i El tCs 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
25、 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CATIA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d1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dw、c、k、l、b、s等,拾 取 定 位 基 准(接 触 平 面 和 轴 线)对 螺
26、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
27、 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
28、 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,2013.2 孙 斌,刘 素 梅,孔 晓 玲,汪 莲 莲.基 于CATIA的 轴 类 零件 特 征 造 型 库 的 设 计 J.机 械 设 计,2016,33(10):62-65.3 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,2009(10):125-129.4 芮 雪.智 能 设 计 技 术 在 机 械 研 发 制 造 中 的
29、应 用 J.南方 农 机,2022,53(16):175-177.5 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,2019,50(21):119.6 李 斌.基 于CATIA二 次 开 发 的 注 塑 模 具 智 能 设 计 系统 的 研 究 D.吉 林 大 学,2016.7 辜 斌,刘 勇,王 永 峰.基 于CATIA知 识 工 程 的 标 准 件智 能 化 设 计 J.机 械 工 程 与 自 动 化,2008(03):72-74.8 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,2001(06):47-49.9 朱 立 峰,胥 光 申,张 守 京.基 于CATIA二 次 开 发 的 零组 件 智 能 装 配 技 术 J.轻 工 机 械,2015,33(06):65-67+74.10 胡 挺,吴 立 军.CATIA二 次 开 发 技 术 基 础 M.电 子工 业 出 版 社,2006,33(10):96-100.0 9
