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 1 1 0 1 5 9;2.杭州朴石网络技术有限公司,浙江 杭州 3 1 0 0 5 3)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C AT I A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
2、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:TH 1 3 1.3 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 0 8 8-0 3I n t e l l i g e n tD e s i g no fT h r e a d e dP a r t sB a s e do nK n o w l e d g eS o n gY a n-l i n g1,P a nC
3、h o n g-l a i2,Z h o uQ i u-z h o n g1(1.S c h o o l o fA u t o m o b i l ea n dT r a n s p o r t a t i o n,S h e n y a n gL i g o n gU n i v e r s i t y,S h e n y a n gL i a o n i n g1 1 0 1 5 9,C h i n a;2.H a n g z h o uP u r e s t o n eN e t w o r kT e c h n o l o g yC o.,L t d,H a n g z h o uZ
4、h e j i a n g3 1 0 0 5 3,C h i n a)A b s t r a c t:T r a d i t i o n a l3 Dd e s i g nt a k e sp o i n t,l i n ea n ds u r f a c ea sb a s i ce l e m e n t sf o rm o d e l i n g,w h i c h m a yb r e a kt h ec o n n e c t i o nb e t w e e np a r t s.F o rc o m p l e xp r o d u c t s,d e s i g n e r s
5、n e e dt os p e n dal o to ft i m eo nd e s i g n,w h i c hd o e sn o tp r o d u c eg r e a tv a l u e.T h i sp a p e rs u mm a r i z e st h ed e s i g np r o c e s sa n dr e l e v a n ts h a p ef e a t u r e so ft h r e a d e dc o n n e c t i o np a r t s,u s e s t h es e l f-d e v e l o p e dk n o
6、 w l e d g e-b a s e dp r o c e s sc u s t o m i z a t i o ns y s t e mt ov i s u a l l ye x-p r e s sa n dr e a s o nt h ed e s i g np r o c e s s,a n du s e s t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n t f u n c t i o n i nC AT I As o f t w a r e t od e s i g nt h r e a d e dc o n n e c t i o np a
7、r t s,e n c a p s u l a t i n g t h e s t r u c t u r a l i n f o r m a t i o no f t h r e a d e dc o n n e c t i o np a r t s,t h eo p e n i n g i n-f o r m a t i o no fc o n n e c t e dp a r t sa n da s s e m b l yi n f o r m a t i o ni n t od y n a m i cl i n k si nt h ef o r mo ff e a t u r ec o
8、 d e s,T h ep r o c e s sc u s t o m i z a t i o ns y s t e mb a s e do nk n o w l e d g e i su s e dt oc o m b i n e f e a t u r e sa n dd e s i g np r o c e s s e s t or e a l i z e t h er a p i dr e u s eo f f e a t u r e s a n dc o n n e c t i n gp a r t s,w h i c hg r e a t l yr e d u c e s t h
9、 ed e s i g nt i m eo f d e s i g n e r s a n d i m p r o v e s t h ed e s i g ne f f i c i e n c y.K e yw o r d s:T h r e a d e dp a r t s;S h a p ec h a r a c t e r i s t i c s;S e c o n d a r yd e v e l o p m e n t;I n t e l l i g e n ta s s e m b l y基金项目:辽宁省教育厅重点攻关项目(L G 2 0 1 9 0 1);沈阳市中青年科技创新人
10、才计划(R C 1 9 0 0 9 8);沈阳理工大学科研创新团队建设计划资助项目(S Y L U 2 0 2 1 0 1)作者简介:宋艳玲(1 9 9 7),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(1 9 7 5),男,副教授,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合的思想。利用
11、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
12、择连接形式开始,下面几个分支为不同受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
13、纹88DOI: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1 9 7 8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。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
14、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侧端面,定位基
15、准可以通过骨架模型获得;尺寸参数孔径d01.1d,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C A D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C A T I A软件的宏模块中,利用V B A宏语言编写特征代码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D o c u m e n t和P a r t对象,然后利用函数方法h y b r i d B o d y.A d d()为孔特征创建过程添加几何图形集,利用函数方法
16、I n p u t O b j e c t-T y p e(0)=定义基准类型,利用函数方法C r e a t e R e f e r-e n c e F r o mO b 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A d d N e wH o l e()构建不同的孔特征,最后为孔特征创建尺寸参数,利用函数方法C r e a t e F o r m u 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E x c 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C A T-I A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M 1 0*4 5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
