开放式夹具CAD系统

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1  前言

/ P2 j, l6 Z# g( E随着计算机技术的飞速发展，计算辅助设计也迅速运用到各行各业，大大降低了人们的劳动强度，提高了设计水平，CAD技术在机械行业得到了迅速推广和应用，产生了很好的社会效益和经济效益；也开发出了许多先进的产品CAD系统以及工装CAD系统。但现有的工装CAD系统很少具有开放性，本文介绍一种全新的开放式夹具CAD系统的体系结构以及使用该体系结构开发的Fix-CAD系统。
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Fix-CAD系统运行于AutoCAD For Dos与AutoCAD For Windows双平台上。本系统采用AutoCAD的ADS、SQL、DCL等开发工具二次开发而成。

  o9 L. }9 A. Z8 g2  夹具CAD系统的体系结构
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夹具CAD系统是一个模块化系统，它由夹具图库子系统、定位误差分析子系统、夹紧力计算子系统、辅助工具子系统4大部分构成。系统的开放性体现在夹具图库系统的开放性和定位误差分析子系统的开放性两方面。夹具图库系统的开放性体现在：第一、用户可方便地增加图库中未包含的夹具零部件与图库中提供的夹具零部件构成用户图库系统；第二、用户可方便地修改图库系统中零部件的工程图和模块图；第三、夹具图库系统具备开放的用户接口，可采用进程调用和交互调用两种方式，图库系统的进程调用采用统一的接口调用函数。定位误差分析子系统的开放性体现在：采用尺寸链原理定位误差分析，完全不同于以往的典型定位结构的定位误差分析方式，该系统根据用户设计的定位方式和选择的定位元件，自动生成定位误差分析尺寸链、进行尺寸链解算、分析定位误差。

! N$ R) \( k! b9 g0 X/ P8 z& i3开放的夹具图库系统体系结构

3 Y$ O* U6 o) E8 q4 h3.1基本术语
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" I! s% G' S  Z0 Q4 F(1)哑图所标注的尺寸为变量符号的零件图或部件图。
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0 l+ S/ k0 {& M1 N0 v(2)参数图指保持所需要的几何拓朴关系，通过参数值设定来控制实际绘图尺寸大小的图形。

8 s: v8 F) o! S' g2 Q% i(3)样图指描述被参数化图形几何拓朴关系和参数传递要求的图形，样图又称参数母图，样图经参数化处理得到相应的参数图。
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5 S5 z1 e4 n! Y/ p$ T: E) D(4)工程图指满足企业生产要求的零件图和部件图，本图库中零部件工程图是指一种用实际尺寸替换了相应参数符号的哑图。

6 Q1 z* x5 p* K/ ~8 t(5)模块图指描述零部件轮廓和主要结构形状，并且标有参加装配所需的配合尺寸的零部件结构简图，本图库中零部件的模块图是参数图。

3.2图库系统的层次结构图

3 B4 z$ s8 D5 V+ V* g  D% l$ D夹具图库中既有零件图又有部件图，图库系统结构可用图1表示。夹具图库中的零部件覆盖了机械工业出版社出版的《机床夹具零件与部件生产图册》以及动力源(气动)零部件。
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从图1中可以看出，不管是部件还是零件，其工程图和模块图都共存于库中，一个子库(如部件库1)由5个库文件组成，包含哑图、样图的AutoCAD图形文件*.DWG、参数库文件*.PLB、参数图格式文件库*.FLB、幻灯片库文件*.SLB、零部件信息描述库文件*.DBF。
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图库系统的开放性体现在以下几个方面：第一、在总库层用户可以通过图库操作中的增加、删除等操作方便地增加一个用户子库或删除用户认为不需要的子库，其对话框如图2所示；第二、用户可以方便地对原有图库系统的子库进行增加、删除等操作修改子库中的零(部)件，也可对用户子库进行增加、删除等操作修改子库中的零(部)件；第三、用户可方便地开发用户子库，使用系统提供的参数图、哑图生成工具以及参数化处理模块，生成用户所需的工程图和模块图。

. V  A/ o" z- ^. o; L3 b! x4  开放的定位误差分析子系统

夹具的定位误差分析依赖于相应的工序要求与夹具的具体结构，在长期的生产实践中，人们曾经分析总结了一定工艺环境中诸多典型定位结构及其分析计算定位误差的公式。但是仅根据这些典型定位结构及其相应的定位误差公式来开发夹具CAD系统，系统的通用性、开放性必将受到严重的制约。本文提出一种基于尺寸链原理的定位误差分析方法，详细分析过程参阅参考文献5。本文只就定位误差分析尺寸链的动态建模方法和解算方法作一介绍。

4.1定位误差分析尺寸链动态建模方法

  b- ?) g3 c% I在选定了夹具定位方案以及定位元件的具体结构后，就可根据其具体结构建立定位误差分析尺寸链，这是一个尺寸链的动态建模过程。实现这个过程的关键是从夹具结构模型中提取有关结构尺寸信息，查找尺寸链回路并建立尺寸关系式。尺寸链的查找采用基于尺寸树的回路搜索方法完成。尺寸树的构造步骤为：
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# L7 h; Q4 `$ S(1)选择参照面(定位元件在夹具体上的安装基准面)作为树根。
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(2)分别以树中每一个叶子为基点，进行操作：
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( r0 s4 d* {1 ~1 d对于每一个未加入尺寸树的尺寸按工序尺寸误差敏感方向进行投影，得到两个投影界面以及投影表达式。若某尺寸的某个投影界面与基点位置相重合，则该尺寸添加在相应的基点上作为一附加枝，与基点相重合的一端称作基准端；另一端称作确定端。
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(3)当工序基准作为一个叶子被加入到尺寸树中时，尺寸树构造结束，否则重复第(2)步。如果工序基准还未加入尺寸树，但已无其它尺寸，需要增加结构尺寸，然后重复第(2)步。

' }% h; |7 n) U& [& F3 Q# M基于尺寸树查找从工序基准到参照面的路径，并构成尺寸链的过程如下：
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' E) [2 c5 Y. y8 \1 o' @% e. D& k从尺寸树中表示工序基准的叶子开始，沿着树枝回溯到代表参照面的树根节点，凡经过的树枝所表示的尺寸均为尺寸链的一个组成环，其中树枝从确定端到基准端的位置变化方向与工序基准到参照面的位置变化相同时为增环；否则为减环。
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0 R3 E+ Q  _& k) [4.2尺寸链解算
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尺寸链解算分为3种类型：即正面计算、中间计算、反面计算。从上面的分析可知：我们在进行定位误差分析时，有关定位元件结构的基本尺寸及公差已给定，故用正面计算方法求解定位误差。如果定位误差符合加工精度要求，系统将提示定位方案合理；否则将提示定位方案不合理，可以选择进行定位元件的结构尺寸调整或改变定位方案。
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* ^6 _" [# i/ L$ n1 o5 ]  p7 q5  结束语
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+ H  \+ ]- g% V0 K( q8 h+ NFix-CAD系统较全面地包括了夹具的零部件，提供了方便的图库系统功能；提出了一种夹具定位误差分析新方法，可以帮助我们方便、快速设计各类机加夹具，同时也会极大地提高夹具设计的水平，也会提高开发其它工装CAD系统的水平。