基于變型設計的精度尺寸標注位置調(diào)整算法的研究*

李雪梅，陳綜藝，常青青，湯長波，劉詩文，韓 莉

(桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004)

1001-2265(2017)10-0030-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.10.007

2016-12-21；

2017-01-24

國家自然科學基金資助項目(512665006) ；廣西科技攻關項目(桂科攻1348014-6)；桂林電子科技大學研究生科研創(chuàng)新資助項目(2017YJCX02,2017YJCX04);廣西高校優(yōu)秀中青年骨干教師培養(yǎng)工程資助項目(gxqg022014027)

李雪梅(1971—)，女，重慶人，桂林電子科技大學教授，碩士生導師，研究方向為機電控制與自動化、數(shù)字化設計；通訊作者：陳綜藝(1991—)，男，河南永城人，桂林電子科技大學碩士研究生，研究方向為數(shù)字化設計，(E-mail)1172038053@qq.com。

基于變型設計的精度尺寸標注位置調(diào)整算法的研究*

李雪梅，陳綜藝，常青青，湯長波，劉詩文，韓 莉

(桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004)

對參數(shù)化技術的零件精度變型設計方法進行了研究。根據(jù)精度信息生成的基礎，得到精度信息尺寸標注位置與零件的幾何特征信息直接相關。針對不同類型的精度在零件變型過程中尺寸標注位置不合理的現(xiàn)象，提出了基于變型設計的精度尺寸標注位置調(diào)整算法?；诰葮俗⒛Ｐ?，建立了不同類型的精度尺寸標注位置調(diào)整算法，并結合零件的幾何特征識別與提取，實現(xiàn)算法對精度信息尺寸標注位置的自動調(diào)整。以SolidWorks 為開發(fā)平臺，以Visual C++6.0為開發(fā)語言，結合Access建立的精度數(shù)據(jù)庫，利用SolidWorks API函數(shù)對SolidWorks進行二次開發(fā)，開發(fā)出了精度變型設計系統(tǒng)。并以齒輪箱輸出軸驗證了該系統(tǒng)進行尺寸標注位置調(diào)整方法的可行性。

精度信息；調(diào)整標注；算法；二次開發(fā)

0 引言

產(chǎn)品變型設計是指根據(jù)客戶需求和概念設計，確定定制產(chǎn)品設計參數(shù)信息，通過修改產(chǎn)品變型設計主模型的參數(shù)值和尺寸關系，生成相似的產(chǎn)品或零部件。變型設計方法能夠提高設計效率，降低產(chǎn)品設計成本，保證產(chǎn)品質量，從而以接近大批量生產(chǎn)的效率和成本生產(chǎn)出滿足客戶個性化需求的產(chǎn)品，是實施大批量定制生產(chǎn)的關鍵技術之一[1]。

在過去的一段時間，人們主要致力于幾何尺寸的變型設計方法研究，提出了基于參數(shù)化技術、事物特性表技術、分層遞階模型、關聯(lián)圖、超圖的零件幾何尺寸變型設計方法[2-6]。許璟琳、劉夫云、唐杰、Sambhoos Kedar、Kai Cheng、林科等對裝配件幾何尺寸自動標注進行了初步研究，取得了一些研究進展[7-12]。目前的變型設計方法，主要實現(xiàn)的是產(chǎn)品幾何模型的尺寸變型設計，較少涉及精度信息變型設計的研究。當尺寸參數(shù)值改變后，隨著模型的重新生成，不僅模型的尺寸會發(fā)生改變，模型的精度特征也會改變，主要體現(xiàn)在精度尺寸數(shù)值的改變和精度尺寸位置的變化。在三維參數(shù)化設計軟件中，形位精度和表面粗糙度直接標注在特征表面上，用戶在進行公差屬性設置時，可以根據(jù)產(chǎn)品的實際情況選擇合適的規(guī)則，在進行變型設計時，系統(tǒng)自動繼承之前的選擇規(guī)則，得到相應的公差值。其值與作用尺寸相關，而尺寸精度數(shù)值不僅與其作用尺寸相關，標注位置更是由其作用尺寸的標注位置決定。然而在零件幾何模型變型過程中，精度信息標注位置并不隨著幾何模型的改變而改變，造成尺寸與幾何模型發(fā)生干涉，即產(chǎn)生不合理的標注位置。因此，在零件精度變型設計過程中需要判斷精度標注位置是否與模型發(fā)生干涉，并且對發(fā)生干涉的精度信息標注位置進行調(diào)整。針對目前變型設計缺乏精度信息支持的不足現(xiàn)狀，本文在綜合國內(nèi)外相關研究的基礎之上，提出了基于變型設計的精度尺寸標注位置調(diào)整算法的一種方法。

1 參數(shù)化技術的零件尺寸變型設計的原理

1.1 零件尺寸及參數(shù)化尺寸精度標注位置建模

參數(shù)化設計技術一般是在設計對象結構比較成熟的基礎上，用一組參數(shù)來表示尺寸值或尺寸約束關系，通過修改設計對象的尺寸參數(shù)來驅動模型變型，其核心是尺寸參數(shù)驅動。精度特征主要包括尺寸精度、形位精度、表面粗糙度，在零件變型設計過程中，當尺寸參數(shù)值改變后，隨著模型的重新生成，不僅模型的尺寸會發(fā)生改變，模型的精度特征也會改變，主要體現(xiàn)在精度數(shù)值的改變和精度位置的變化。在一些三維參數(shù)化設計軟件中(如 SolidWorks)，不僅可以將尺寸設定為參數(shù)，而且可以將精度信息標注位置設定為參數(shù)，通過給參數(shù)賦值來達到調(diào)整尺寸標注位置的目的。利用三維參數(shù)化設計軟件，建立零件三維模型。用參數(shù)化設計的思想對模型的尺寸及尺寸標注位置進行參數(shù)分析，建立尺寸參數(shù)之間的關聯(lián)和約束，建立尺寸標注位置參數(shù)與尺寸參數(shù)之間的關聯(lián)關系，得到比較完整的零件參數(shù)化模型。

1.2 零件尺寸變型設計的流程

零件尺寸變型設計就是根據(jù)零件的關鍵參數(shù)變動情況，計算出零件其他的所有結構尺寸[13]。零件尺寸改變時，其精度信息才會改變，本文主要從零件的結構尺寸變化來進行相關變型設計研究。零件尺寸變型設計的整個過程是通過主參數(shù)(驅動參數(shù))帶動可變參數(shù)來控制的，用戶只要調(diào)整驅動參數(shù)的數(shù)值，零件的整個幾何模型就會驅動變型，生成新的模型。對基于參數(shù)技術的零件尺寸變型設計的具體流程圖如圖1所示。

圖1 零件尺寸變型設計流程圖

2 尺寸精度標注位置調(diào)整的算法

零件的三維幾何模型及二維工程圖模型中的尺寸信息主要是通過尺寸模型描述的，如圖2所示，一個完整的尺寸模型包括尺寸線2、尺寸界線3、尺寸引出點1、尺寸文本4、尺寸線箭頭5這五個基本要素，尺寸文本有前綴和后綴之分，前綴指的是半徑R、直徑D等，后綴指的是尺寸公差。

圖2 尺寸模型

在尺寸模型中，尺寸的標注要符合國家標準規(guī)定：保持尺寸的正確性，尺寸標注要齊全，不能重復標注、遺漏標注；尺寸的布局要合理清晰，同類尺寸應分布于同一平面；所標注的尺寸應當便于設計人員看圖、加工、檢驗等；當尺寸平行分布時，保證小尺寸在內(nèi)，大尺寸在外，避免尺寸與尺寸之間出現(xiàn)干涉；另外避免尺寸標注穿過零件體。由于尺寸精度是尺寸文本框中的后綴部分，尺寸精度標注位置的調(diào)整實際是尺寸模型的調(diào)整。

以機械中常用到的是光滑圓柱體組合的零件為例，如圖3a所示，當尺寸由D1變?yōu)镈2時，尺寸與模型發(fā)生干涉。其中圖3b是圖3a中尺寸模型的示意圖，設置點P1、P2為尺寸線的兩個引出點，由圖3b得知，尺寸文本位置(尺寸精度標注位置)很多。根據(jù)國標要求，尺寸文本應當合理放置，T1、T2、T3是尺寸放置的其中三個位置，L是尺寸文本框到引出點連線的距離，利用特征提取的方法可以獲得尺寸引出點以及尺寸文本框的坐標，即P1(x1、y1、z1)，P2(x2、y2、z2)，T2(xt、yt、zt)。由于標注坐標系和零件坐標系平行或垂直，利用SolidWorks提供的API函數(shù)可以判斷出尺寸精度標注面的方向，比較尺寸引出點與尺寸文本框的相關坐標即可判斷尺寸精度是否需要調(diào)整。如圖4所示，該尺寸精度模型的標注平面與零件坐標系的XOZ平面平行，標注方向沿Z向，則L=|z3-z1|。若標注方向沿X向，則L=|x3-x1|，若標注方向沿Y向，則L=|y3-y1|。經(jīng)過分析可知標注方向不同，調(diào)整變量則不同，具體的調(diào)整變量見表1所示。

圖3 尺寸模型位置分析

圖4 尺寸精度標注模型分析

表1 精度位置調(diào)整變量

當零件幾何模型驅動后，系統(tǒng)通過程序運行判斷尺寸模型與零件特征是否沖突，如果沖突就自動調(diào)整，否則，不用調(diào)整。針對圓柱體組合結合的零件，其具體算法如下：

Step1：遍歷模型樹，在模型樹中顯示了創(chuàng)建的零件所實施的特征名，即F_ID。

Step2：按照模型樹中特征創(chuàng)建的順序，識別特征的尺寸、精度信息。

Step3：判斷精度類型。

Step4：提取尺寸標注方向以及尺寸引出點、尺寸文本中心位置的坐標，由于尺寸精度位于尺寸數(shù)值之后，尺寸標注方向即為精度標注方向。

Step5：根據(jù)標注方向，計算尺寸文本框位置到尺寸線引出點連線的距離L。

Step6：判斷L與圓柱體截面半徑的大小關系，若L>D/2，則不需要調(diào)整尺寸，若L

3 系統(tǒng)實現(xiàn)與應用舉例

3.1 系統(tǒng)實現(xiàn)

在這里，以三維參數(shù)化設計軟件SolidWorks為例。根據(jù)所建立的精度變型設計方法以及標注位置調(diào)整方法，以SolidWorks為開發(fā)平臺，以Visual C++6.0為開發(fā)語言，結合Access建立的精度信息數(shù)據(jù)庫，利用SolidWorks API函數(shù)對SolidWorks進行二次開發(fā)，開發(fā)出了精度變型設計系統(tǒng)。如下圖5所示為本文開發(fā)的變型設計系統(tǒng)菜單欄。

圖5 變型設計系統(tǒng)菜單欄

3.2 應用舉例

這里以齒輪箱輸出軸為例，對尺寸精度標注位置調(diào)整方法進行了驗證。

(a)驅動前 (b)驅動后圖6 模型驅動前后尺寸精度標注位置對比(1)

(a)驅動前

(b)驅動后圖7 模型驅動前后尺寸精度標注位置對比(2)

圖8 尺寸參數(shù)與約束關系式修改界面

圖9 精度參數(shù)修改界面

圖6～圖7為零件三維模型和二維模型精度變型設計過程中出現(xiàn)的尺寸精度與模型干涉的現(xiàn)象。圖8～圖9為對可變尺寸參數(shù)、約束關系式和精度參數(shù)進行修改。圖10～圖11為變形設計后新零件參數(shù)化模型，從圖11可以看出變型后的零件模型，不但尺寸參數(shù)、精度參數(shù)改變了，同時精度位置的信息也發(fā)生了改變。

圖10 變形設計后模塊更新后界面

圖11 二維模型精度變型后前后界面對比

4 結束語

對精度變型設計系統(tǒng)進行了研究。針對不同類型的精度在零件變型過程中尺寸標注位置不合理的現(xiàn)象，提出了基于變型設計的精度尺寸標注位置調(diào)整算法的一種方法。以齒輪箱輸出軸為例，對方法進行了應用驗證。變型設計的精度尺寸標注位置調(diào)整算法的方法可以實現(xiàn)算法對精度信息尺寸標注位置的自動調(diào)整。提高了零件變型設計的速度、質量及其實用性。

[1] 談宏志,仲梁維. 基于事物特性表的參數(shù)化產(chǎn)品變型設計研究[J]. 現(xiàn)代制造工程,2012(8):76-79.

[2] 鄧小林. 基于參數(shù)化技術的產(chǎn)品變型設計方法及其關鍵技術研究[D].桂林:桂林電子科技大學,2009.

[3] 宋利偉,紀楊建,祁國寧,等. 基于分類的事物特性重用技術[J]. 浙江大學學報(工學版),2011,45(8):1352-1359,1398.

[4] 余軍合. 面向對象的事物特性表實現(xiàn)方法研究[J]. 中國機械工程, 2005, 16(10): 878-881.

[5] Alexander F, Gerhand F, Diet Mar J. Conceptual modeling for configuration of mass customizable products[J]. Artificial Intelligence in Engineering, 2001,15(2): 165-176.

[6] 王相兵,王宗彥,吳淑芳,等. 面向模塊化、智能化、參數(shù)化的產(chǎn)品變型設計技術研究[J]. 機械科學與技術,2010,29(2):153-158.

[7] 許璟琳, 鄭國磊, 王勃. 基于GB/T24734的三維尺寸快速標注技術[J]. 圖學學報, 2013, 34(5):138-142.

[8] 劉夫云, 鄧小林. 配置產(chǎn)品尺寸參數(shù)修改與變型設計方法研究[J]. 計算機集成制造系統(tǒng), 2008, 14(11):2092-2097.

[9] 唐杰. 三維尺寸自動標注及尺寸鏈提取關鍵技術研究[D].南京:南京航空航天大學, 2014.

[10] Sambhoos Kedar, Koc Bahattin, Nagi Rakesh. Extracting assembly mating graphs for assembly variant design[J].Journal of Computing and Information Science in Engineering, 2009, 37(37): 1-5.

[11] Cheng Kai, Liu Yong-xian, Xu Xi-peng. Dimension parameter transfer method based on constraint satisfaction priority in variant design[J]. Applied Mechanics and Materials, 2009, 16-19: 203-207.

[12] 林科, 嚴曉光, 肖駿. 基于三維CAD的工藝尺寸鏈計算系統(tǒng)的關鍵技術研究[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2007(2):28-31.

[13] 匡兵, 肖禮志, 黃美發(fā),等. 零件尺寸與尺寸公差集成變型設計方法[J]. 制造業(yè)自動化, 2011, 33(12):103-106.

StudyDesignVariantDimensionAccuracyPositionAdjustmentAlgorithm

LI 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,Guilin Guangxi 541004, China)

Parametric Technology parts for precision variant design methods were 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 unreasonable 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 with the part geometry, the algorithm on the accuracy of the information dimension position is automatically adjusted. In SolidWorks for the development platform, Visual C++ 6.0 for the development of language, combined with Access database to establish the accuracy of using SolidWorks API function for SolidWorks secondary development, we developed a precision variant design system. And the gearbox output shaft to verify the feasibility of the system dimension position adjustment method.

accuracy of information；adjustment dimension；algorithm；secondary development

TH161;TG506

A

(編輯李秀敏)