圓柱薄壁筒件典型工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)研究*

徐 健，張新疆

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900）

圓柱薄壁筒件典型工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)研究*

徐 健，張新疆

（中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900）

為了提高工裝的設(shè)計效率、降低設(shè)計工作量和實現(xiàn)工裝的CAD、CAE一體化設(shè)計，通過對圓柱薄壁筒件的工裝數(shù)字化設(shè)計的分析研究，實現(xiàn)了圓柱薄壁筒件典型工裝從建模到有限元分析再到二維工程圖的一鍵設(shè)計。根據(jù)企業(yè)的需求，綜合應(yīng)用UG二次開發(fā)，結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫和VC++編程語言，開發(fā)出圓柱薄壁筒件典型工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)。實際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)工裝的一體化快速設(shè)計，而且實現(xiàn)了工藝裝備的可視化管理，為某企業(yè)的發(fā)展提供了設(shè)計資源的儲備。

典型工裝；一體化設(shè)計；UG二次開發(fā)；數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)

0 引言

圓柱薄壁筒件是固體、液體火箭發(fā)動機的關(guān)鍵部件。近年來，航天事業(yè)迅猛發(fā)展，固體液體火箭發(fā)動機的需求量逐年增加［1］。傳統(tǒng)的工裝設(shè)計方法存在局限性，主要體現(xiàn)在：①移植性差。結(jié)構(gòu)完全相同的零部件，尺寸和規(guī)格不同時必須重新繪制；②效率低。工裝設(shè)計完成后如需進行修改，從總圖到零件圖都需要修改甚至重新繪制；③數(shù)字化水平低。傳統(tǒng)設(shè)計方法最終只繪制出用于生產(chǎn)加工的二維工程圖。針對傳統(tǒng)設(shè)計方法的不足，本文分析了典型工裝的建模、仿真以及二維工程圖輸出的參數(shù)化方法，提出了典型工裝的CAD、CAE一體化設(shè)計理念，并通過對工裝數(shù)據(jù)庫的設(shè)計，開發(fā)出圓柱薄壁筒件的典型工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)。

1 圓柱薄壁件典型工裝的數(shù)字化設(shè)計

1.1 典型工裝數(shù)字化設(shè)計分析

1.1.1 圓柱薄壁筒及其工裝的結(jié)構(gòu)分析

圓柱薄壁筒的結(jié)構(gòu)如圖1所示。為加工薄壁筒兩端面，使總長度達到要求，綜合考慮設(shè)計了用于該零件車加工的工裝，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 圓柱薄壁筒

影響薄壁筒車加工工裝結(jié)構(gòu)的主要因素為薄壁筒的直徑和長度，即當(dāng)薄壁筒直徑和長度尺寸變化時，與之配合的工裝撐塊外形尺寸、主軸的直徑、定位盤的外圓尺寸、彈簧的規(guī)格等都要隨之發(fā)生變化，但是工裝的基本結(jié)構(gòu)相似。對于此類工裝，可以利用參數(shù)化的設(shè)計方法，來提高工裝的設(shè)計效率。

圖2 圓柱薄壁筒車加工工裝

1.1.2 工裝的參數(shù)化分析

在UG中建立加工圓柱薄壁筒的工裝模型，模型的參數(shù)化由主參數(shù)化和子參數(shù)化組成。

（1）主參數(shù)化

主參數(shù)化依據(jù)的是薄壁筒的直徑和長度尺寸，這兩個因素控制著工裝的主軸直徑、撐塊外輪廓、定位盤外輪廓、支撐桿直徑、彈簧的規(guī)格等等。通過對薄壁筒與工裝零部件的結(jié)構(gòu)分析，建立薄壁筒結(jié)構(gòu)尺寸與工裝結(jié)構(gòu)尺寸的函數(shù)關(guān)系，如表1所示。采用自頂向下的建模方法，并綜合運用UG中的表達式工具、WAVE技術(shù)等將這些函數(shù)關(guān)系及幾何關(guān)系傳遞到UG軟件中，如圖3所示，完成工裝模型的主參數(shù)化。

表1 模型主參數(shù)化的函數(shù)關(guān)系

圖3 主參數(shù)化設(shè)計的部分表達式對話框

（2）子參數(shù)化

工裝模型是由主軸、撐塊、定位盤、彈簧等零件模型組成［2-4］，以彈簧為例，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，分析子參數(shù)化的設(shè)計過程。

圖4 彈簧伸縮機構(gòu)

1）理論分析。彈簧的彈力需克服撐塊、頂桿重力及摩擦阻力，因此必須給定合適的壓縮量。根據(jù)胡克定律

所以壓縮量

彈簧剛度系數(shù)

式中，G為材料的切變模量；d0為彈簧絲直徑；D為彈簧中徑。

彈簧與定位盤導(dǎo)向板尺寸關(guān)系如圖5所示。

圖5 彈簧與定位盤導(dǎo)向板的尺寸關(guān)系

彈簧自然長度

彈簧壓縮后長度

彈簧與定位盤導(dǎo)向板之間距離

式中，n為彈簧有效圈數(shù)；p為彈簧節(jié)距。

2）數(shù)學(xué)關(guān)系分析。彈簧中徑D與支撐桿直徑匹配，彈簧絲徑d0、有效圈數(shù)n、節(jié)距p等基本參數(shù)可根據(jù)彈簧中徑D給出初始值，利用UG表達式中的測量工具可以得到撐塊及頂桿重力F0，為了能順利克服自重和摩擦力，給彈簧2倍的力，即F=2F0，再除以彈簧的剛度系數(shù)得到彈簧的壓縮量。再根據(jù)彈簧初始長度L0，可算出彈簧與定位盤導(dǎo)向板之間的距離H。

3）參數(shù)化。將彈簧的基本參數(shù)、數(shù)學(xué)關(guān)系和幾何關(guān)系利用表達式工具、WAVE技術(shù)等寫入UG中，如圖6所示，這樣就完成了彈簧的參數(shù)化。

圖6 彈簧參數(shù)化設(shè)計對話框

按照彈簧的參數(shù)化設(shè)計過程，對工裝的其它零部件以相同的分析方法進行參數(shù)化設(shè)計。

1.1.3 工裝的仿真分析參數(shù)化

工裝的主軸是影響圓柱薄壁筒加工精度和質(zhì)量的關(guān)鍵零件。在UG的高級仿真模塊下可以對工裝的主軸實現(xiàn)有限元仿真分析的參數(shù)化，步驟如下：

（1）主軸受力分析。當(dāng)薄壁筒與工裝裝配，裝夾于車床上加工時，其固定方式為一端夾緊，一端頂緊，主軸受到來自定位盤、撐塊、頂桿、楔塊等的重力載荷和自身的重力載荷。當(dāng)薄壁筒結(jié)構(gòu)尺寸變化時，主軸上的定位盤、撐塊、頂桿、楔塊等零件重量將隨之變化，從而施加在主軸上的重力載荷的大小也將隨之發(fā)生變化。在UG的高級仿真環(huán)境中，基于工裝的全參數(shù)化建模，隨著工裝結(jié)構(gòu)尺寸的變化，施加在主軸上載荷的位置及大小也將發(fā)生變化。

（2）CAE模型參數(shù)化。①載荷處理：對各工裝零件指定實體密度，使用UG表達式中的測量工具分別提取主軸及軸上零部件的重量，當(dāng)薄壁筒結(jié)構(gòu)尺寸變化時，表達式中測量的重量值隨之更新。②承力區(qū)處理：運用WAVE技術(shù)，將主軸承力區(qū)與軸上零件配合面相關(guān)聯(lián)，并進行面分割，如圖7所示，確保主軸結(jié)構(gòu)尺寸變化時，受力區(qū)域位置自動更新。

圖7 CAE模型參數(shù)化

（3）仿真分析。在UG的高級仿真模塊下，①主軸網(wǎng)格劃分：網(wǎng)格單元的大小通過單元與主軸體積的函數(shù)關(guān)系確定，并用表達式賦值，實現(xiàn)網(wǎng)格的合理劃分；②約束：根據(jù)主軸的固定方式完成約束；③加載：將測量出的重力載荷加載于受力區(qū)內(nèi)；④解算：使用NX Nastran解算器對主軸進行有限元仿真分析；⑤動力學(xué)仿真：工裝實際使用過程中隨機床主軸一同轉(zhuǎn)動，新建動力學(xué)解算方案，在上述約束和載荷的基礎(chǔ)上，施加瞬態(tài)初始轉(zhuǎn)速1r/s，求解獲得主軸動力學(xué)特性。當(dāng)工裝尺寸變化時，各零部件重量更新，網(wǎng)格的劃分、載荷的施加都將跟隨模型的變化而自動更新，通過解算得出更新后的有限元分析結(jié)果，從而實現(xiàn)了主軸仿真的參數(shù)化設(shè)計。

關(guān)鍵部件有限元分析參數(shù)化過程，也是對CAD模型修正的過程，根據(jù)分析結(jié)果評估模型各參數(shù)的合理性，同時也是摸索一些零部件參數(shù)分段點的過程。比如此工裝重量隨產(chǎn)品的直徑和長度變化，施加在主軸上的重力載荷隨之改變，根據(jù)有限元分析驗證主軸直徑初始分段值是否合理并進行優(yōu)化設(shè)計。

1.1.4 二維工程圖的參數(shù)化

工程圖紙是工裝設(shè)計意圖的最終表現(xiàn)，也是提供給車間加工的重要依據(jù)。目前三維工藝并不普及，生產(chǎn)中大多依然采用工程圖紙進行施工。UG下的二維圖紙會隨三維模型的更改而自動更新。對于同類典型工裝，工程圖紙上所需視圖的數(shù)量、各視圖的視角、表達方式、布局及標注等完全一致［5-8］。因為標注的基本尺寸與模型相關(guān)聯(lián)，所以當(dāng)參數(shù)改變時圖紙上尺寸自動更新，技術(shù)要求及明細表標題欄則可以繼承原先內(nèi)容保持不變。因此參數(shù)修改后我們即可獲得自動更新后的工程圖。視圖原始尺寸大小與圖框大小建立數(shù)學(xué)關(guān)系，其值賦給視圖的顯示比例，使視圖與框圖匹配。工裝圖號、產(chǎn)品圖號等可以利用表達式中的字符串操作使整套圖紙實現(xiàn)自動更改，公差的標注則采用尺寸分段并利用條件表達式的方式實現(xiàn)，明細表中螺釘、螺母的規(guī)格和數(shù)量利用表達式工具與孔的大小和數(shù)量保持一致，螺釘長度通過表達式中的測量工具，利用條件表達式的方式取螺釘長度的標準值來實現(xiàn)。工程圖紙的參數(shù)化可以免去大量的畫圖、尺寸標注、明細表及標題欄填寫、技術(shù)要求書寫等繁瑣重復(fù)性工作，實現(xiàn)工程圖的快速創(chuàng)建。

1.2 典型工裝數(shù)字化設(shè)計

為使圓柱薄壁筒車加工工裝模型的參數(shù)化設(shè)計、仿真分析和工程圖的輸出能夠快速、方便和智能的一體化完成，利用UG/Open API接口對模型的部件信息遍歷、實時驅(qū)動和按要求有限元仿真，實現(xiàn)了薄壁筒車加工工裝的數(shù)字化設(shè)計［9-12］，其流程如圖8所示。

圖8 數(shù)字化設(shè)計流程圖

利用VC++編程語言并結(jié)合Access數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了圓柱薄壁筒車加工工裝數(shù)字化設(shè)計操作界面。在UG中打開如圖9a的原工裝模型，根據(jù)需要可以使用操作菜單快速進行仿真分析和二維工程圖的輸出，如圖9b和圖9c所示。當(dāng)薄壁筒尺寸改變時，在模型參數(shù)編輯對話框中輸入新薄壁筒參數(shù)后，并填寫相關(guān)信息后，點擊確定按鈕，這時符合新的被加工薄壁筒的工裝就自動生成了，如圖10a所示。同時使用操作菜單快速進行仿真分析和二維工程圖的輸出［13-15］，如圖10b和10c所示。

圖9 原圓柱薄壁筒車工裝模型

圖10 更新后圓柱薄壁筒車工裝模型

根據(jù)實際需求，加工出的新工裝與原工裝的實物對比如圖11所示。

圖11 圓柱薄壁筒車加工工裝實物

綜合圓柱薄壁筒車加工工裝的數(shù)字化開發(fā)過程，對圓柱薄壁件典型工裝進行同樣的分析，可以實現(xiàn)所有典型工裝的數(shù)字化設(shè)計。

2 圓柱薄壁件典型工裝數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)

根據(jù)圓柱薄壁件實際生產(chǎn)需求，為便于工裝設(shè)計的綜合管理，分析并總結(jié)了圓柱薄壁件典型工裝的數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)流程，如圖12所示。

通過UG/Open API與外部應(yīng)用程序之間的接口，使用VC++和Access數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了用戶自定義的工裝模型庫，如圖13所示。將所有工裝數(shù)字化設(shè)計后，就可以按照數(shù)據(jù)庫的格式要求直接添加到該工裝模型庫中。此外，利用VC++編程語言對UG二次開發(fā)，設(shè)計出界面友好、操作便捷、易于管理的圓柱薄壁件典型工裝設(shè)計系統(tǒng)，如圖14所示。用戶可以根據(jù)需求選擇需要的工裝進行查找，如有相似產(chǎn)品工裝，就可以實現(xiàn)快速設(shè)計，如圖15所示。如果無相似工裝，則可以按前邊所述方法直接進行新工裝的數(shù)字化設(shè)計，供以后相似產(chǎn)品工裝設(shè)計時使用。

圖12 數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)流程圖

圖13 工裝模型庫

圖14 主界面

圖15 編輯界面

根據(jù)實際的需求，圓柱薄壁件典型工裝設(shè)計系統(tǒng)可以完成：

（1）新產(chǎn)品工裝的入庫、檢索和可視化操作；

（2）庫內(nèi)已有工裝的快速設(shè)計、快速仿真和快速工程圖輸出的一體化設(shè)計功能。

3 結(jié)論

圓柱薄壁件典型工裝設(shè)計系統(tǒng)在企業(yè)中的實際應(yīng)用表明：

（1）從根本上解決了工裝設(shè)計效率低、移植性差和數(shù)字化水平低的問題；

（2）提供了從工藝裝備設(shè)計、仿真分析、二維工程圖輸出的CAD、CAE一體化解決方案；

（3）大幅度縮短了設(shè)計周期，為企業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)贏得了寶貴的時間；

（4）實現(xiàn)了工裝的可視化管理，操作簡單，智能化程度高，為企業(yè)提供了儲備資源，可長期服務(wù)于企業(yè)的發(fā)展。

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（編輯 趙蓉）

The Typical Tooling of Cylindrical Thin-wall Tube Digital Design System Research

XU Jian，ZHANG Xin-jiang
（Institute ofMechanicalManufacturer Technology，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan 621900，China）

In order to improve the efficiency of tooling design，reduce theworkload of design and implement tooling CAD and CAE integration design.Based on the analysis of the typical tooling of cylindrical thin-wall tube digital design system，having realized the typical tooling of cylindrical thin-wall tube that from modeling to finite element analysis to a key design of two-dimensional engineering graphics.According to the needs of the enterprises，the integrated application of UG secondary developmentw ith VC++programming language and Access database，it develops the typical tooling of cylindrical thin-wall tube digital design system.Practical application shows that the system notonly can realize integration of rapid tooling design，and implement the visual management of equipment，for the development of an enterprise provides design resources reserves.

typical tooling；integrate design；UG secondary development；digital design system

TH122；TG506

A

1001-2265（2015）08-0132-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.08.034

2014-11-07；

2014-12-09

國家"高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備"科技重大專項"強激光光學(xué)元件超精密制造關(guān)鍵裝備研制"項目（2013ZX04006011）

徐?。?988-），男，四川德陽人，中國工程物理研究院碩士，研究方向為機電一體化設(shè)計，電源設(shè)計（E-mail）tq08psx@qq.com。