基于SolidWorks组合夹具元件库的开发—基础件定位件毕业论文

1、职业技术学院毕业设计（论文）课 题 基于SolidWorks组合夹具元件库的 开发基础件、定位件 20 / 21摘要针对传统夹具设计中存在的问题,以与组合夹具元件标准化的特点,通过CAD 参数化设计思想,利用Delphi7建立数据库,存储标准件的尺寸参数,设计用户交互界面,编辑相关代码,添加SolidWorks 的类型库,最后调用SolidWorks API 函数自动绘制三维夹具元件图,建立组合夹具标准件图库。应用验证表明本文开发的参数化3D图库对提高组合夹具设计效率和质量有较好的推动作用。为解决组合夹具典型功能结构的设计经验重用问题,提出了一种在三维绘图软件SolidWorks平台上、基于装

2、配约束方程的构件自动建模方法. 文中分析了构件自动建模原理、构建模板建立方法、装配参数方程提取、参数方程语义分析以与参数驱动方法。在此基础上建立了组合夹具元件库系统给出了构建应用实例，从而解决了构件自动建模中的难点，为夹具的自动装配和自动设计奠定了基础。关键词：组合夹具， 标准件库， 二次开发技术， SolidWorks目录1 绪论 . 11.1 课题研究背景和意义 . 11.2 二次开发的分析 . 22 夹具元件库的结构框架 .32.1 引言 .32.2 数据库结构 .32.3 系统结构 .52.4 组合夹具元件的自动几何建模原理 .52.5 组合夹具元件模板建立 . 53 组合夹具元件库的

3、建立 . 73.1 组合夹具按品种建模 . 73.2 建立组合夹具元件库 . 83.3 在SolidWorks界面添加“组合夹具元件”菜单 . 83.4 组合夹具构件的自动建模原理. 84 组合夹具元件的参数化设计.104.1 用SolidWorks对组合夹具元件实现参数化设计的方法.104.2 实现参数化设计的基本思路.104.3 组合夹具元件参数化设计.114.3.1 实体结构特征分析与建模.114.3.2 零件设计尺寸和特征命名.124.3.3 建立系列零件表.124.3.4 系列零件显示.145 结语.16参考文献.171 绪论1.1课题研究的背景与意义当今世界经济的飞速发展，市场竞争

4、越来越激烈，快速响应用户需求成为现代制造企业面临的首要课题。为了赢得产品的上市时间，各个企业不断增加人力和物力来加快产品的设计和生产速度。与此同时，产品快速设计的课题也成为了各个研究机构的研究热点。为了适应这一新变化，制造业正在朝着信息化的方向发展。对制造企业而言，信息化的核心是产品设计、制造和工装以与相关信息的数字化。CAD 技术在企业数字化、信息化过程中起着重要作用。但 CAD 技术长期以来以通用化为标准，过分强调系统的通用化程度，造成了目前 CAD 技术只是作为一种通用画图的工具，而没有结合相关行业的专业知识，成为一种真正的计算机辅助设计技术。因此，研究面向各种行业的 CAD 系统就成了

5、目前国外研究开发 CAD的热点和重点，这对 CAD 系统的发展将产生重要深远的影响。在这种背景下计算机辅助夹具设计（computer aided fixture design，CAFD）研究逐渐成为一个热点。根据有关资料统计，我国现有工业水平，生产准备周期一般要占整个产品研制周期的 50%70%，而工艺装备的设计制造周期又占生产准备周期的50%70%，其中工艺装备的准备阶段中有 70%80%的时间用于夹具的设计和制造。在现在制造企业中，夹具是保证产品质量，实现全面质量管理的重要手段。所以夹具设计的周期长短对于产品的开发周期有重大的影响。为了适应多品种、小批量生产类型对夹具快速设计的需要，以与随

6、着数控机床的广泛应用，越来越多的机械制造企业采用组合夹具。组合夹具是在夹具零部件标准化的基础上发展起来的一种新型的工艺装备，它由一套预先制好的具有各种不同形状和规格尺寸的标准元件和组合件组成。在加工前，根据工件要求，所采用的机床和夹具的设计原则，选取标准元件，确定所选元件之间的位置关系，装配出满足要求的夹具。由于组合夹具应变能力强，设计和制造周期短，成本低，能适应多品种小批量的生产要求，可以大幅度提高了企业的竞争力，所以日益受到制造企业的青睐。经过对金城集团、14 所等单位的调研得知，目前组合夹具设计基本上还是滞留在手工阶段，主要依靠组合夹具设计人员的经验进行直接设计、选件和组装。这样，组合夹

7、具设计完成之后，既没有相关的组合夹具设计文档，也无组合夹具组装图纸。因此，就会带来以下几个问题：1设计周期长、效率低、成本高；2设计的质量在很大程度上受到设计人员的经验和水平所限制；3设计人员的经验在组合夹具设计中重用率低。计算机辅助组合夹具快速设计系统（CAMFRDS）的研究试图解决上述在组合夹具设计中存在的问题。此项研究主要从组合夹具可重构性的角度出发，对组合夹具元件、构件和典型组合夹具实例进行合理的建模，从而对组合夹具设计过程产生重大的改进。系统设计的基本原理是充分有效利用现有组合夹具设计经验，在典型夹具实例库的基础上进行推理、变型，快速地设计和组装出满足工艺要求的组合夹具，以缩短夹具设

8、计与准备的时间，满足快速响应客户需求的目标。因此该项研究对于提高机械产品的市场竞争力具有重要的意义。1.2 二次开发的分析夹具是一种标准化、系列化、通用化程度很高的工艺装备,它是由一套预先制造好的各种不同形状、不同规格、不同尺寸、具有完全互换性的标准元件和组合件,按工件的加工要求组装而成。它可以拆卸、清洗,并可重新组装成新的夹具,其应用非常普遍,尤其适合于多品种、中小批量的生产。但是现在,组合夹具的设计由于还是采用有经验的人工拼装和管理的方法,夹具工艺师对工件的定位、装夹设计主要依赖经验,定性分析较多,定量分析较少,且计算复杂,同时缺乏必要的优化设计,设计的图样不够直观。设计过程中的装配干涉问

9、题,无法在设计中提前发现,造成效率比较低、生产的周期比较长等种种问题,这就使对组合夹具的计算机辅助设计的研究提升到了一个重要地位。为了使组合夹具的设计更加快捷、方便,必须建立组合夹具元件库。本系统利用Delphi7 对SolidWorks 进行二次开发,自动绘制组合夹具三维图,建立图库,直接用于夹具的虚拟组合装配,指导实际夹具组装,为设计人员省去很多重复劳动。SolidWorks 是美国SolidWorks 公司基于Windows平台开发的著名的全参数化三维实体造型软件,它具有强大的零件设计、钣金设计、管理设计、绘制二维工程图、支持异地协同工作等功能,它可实现由三维实体造型向二维工程图的转化,

10、能够使零件设计、装配设计和工程图保持全时间的相关和同步。同时SolidWorks 具有良好的开放性和兼容性。它不仅可以向下兼容二维AutoCAD ,同时还可以与其它专业软件(如有限元分析软件Ansys、数据加工软件Camworks、数据管理系统SmarTeams、三维实体设计软件UG、Pro / E 等) 无缝集成为功能十分强大的CAD / CAE / CAM / PDM 系统,能够胜任一般大型工程与产品的设计、分析、制造和数据管理。SolidWorks 的API (Application Programming Inter2face) 应用程序接口, 是一个基于ActiveX Automat

11、ion的编程接口, 此接口为用户提供了自由、开放、功能完整的开发工具, 其中包含了数以百计的功能函数,这些函数提供了程序员直接访问SolidWorks 的能力。API 中的函数可以被Visual Basic 、Delphi 、C/ C+ + 、VBA ( Excel 、Access 等) 或者是SolidWorks 宏文件以与其它支持OLE 的开发程序调用, 从而可以扩展SolidWorks 的功能。Delphi 是Borland 公司研制的新一代可视化开发工具,拥有一个可视化的集成开发环境(IDE) ,采用面向对象的编程语言ObjectPascal 和基于部件的开发结构框架。它提供了500

12、多个可供使用的构件,利用这些部件,开发人员可以快速地构造出应用系统。开发人员也可以根据自己的需要修改部件或用Delphi 本身编写自己的部件。并且其具有高性能的32 位本地优化代码编译器,可直接运行,能够最终生成可单独执行的DLL 与EXE 文件,能方便地进行多媒体、动画、网络和数据库等应用程序的开发。第2章 夹具元件库的结构框架2.1引言组合夹具元件是从专用夹具中的夹具元件逐渐演化而来的。在人们不断的生产实践过程中，把一些常用的夹具元件的外形尺寸、结构和精度等加以取舍和提高，再将它们加以标准化、系列化和规格化，直至演变成组合夹具中各种不同形式的元件。目前，随着 CNC 机床的广泛应用，组合夹

13、具在生产中应用也越来越多。组合夹具的元件在生产实践中也不断加以改进，数量和品种逐渐增加。因此，组合夹具元件库是随着生产的发展而不断扩充和完善的，并且这一趋势将继续进行下去。组合夹具设计过程是将分散的组合夹具元件按照一定的规律组装成符合工艺要求的夹具的过程。组合夹具元件是组合夹具设计的基础。目前绝大多数 CAD系统软件，比如 UG、CATIA、Pro/E、SolidWorks 等，虽然提供了一些常用的标准件库，但是都没有提供面向组合夹具设计的参数化、用户可方便自扩充的元件库和构件库。这样，对于组合夹具设计人员，就常常因为没有组合夹具元件库和构件库，而要进行很多不必要的重复绘图工作，大大降低了设计

14、人员的工作效率。因此在 CAD 系统上建立一套用户自己维护的参数化的组合夹具元件库和构件库可以满足组合夹具设计人员快速设计的需要。组合夹具设计一般是面向单件小批量生产的。随着工件的结构形式和加工要求的变化，组合夹具结构形式和组成夹具的元件尺寸也会做出相应的调整。经过长期的组合夹具设计经验积累，企业在不断调整组合夹具结构形式的过程中，总结了大量满足一定功能的系列化的、参数化的典型夹具结构体。在本文中，这些典型的组合夹具结构体称之为组合夹具构件。将这些典型的结构集中管理，就形成一个构件库。以后遇到相似的需求时，便可以从这个库中直接调出修改应用，这样便实现了已有构件设计经验的重用。目前国外也有大量的

15、组合夹具元件库建库研究，但是研究基本上还是停留在方便绘图这个层次上面。对于如何进一步将组合夹具元件模型应用于组合夹具实例推理系统上，这方面的研究还很少，至于组合夹具构件库的研究就更少了。本文从基于 CBR 的组合夹具快速设计角度出发，构建组合夹具元件和构件信息模型。这种建模的特点不仅是面向绘图，而且面向组合夹具的快速装配模型和组合夹具实例模型，最大程度上将已有结构设计经验重用，从而达到快速设计夹具的目的。本文研究的元件和构件库以 CAD 软件 SolidWorks 为平台。SolidWorks 支持多种格式的 CAD 文件转换，在 SolidWorks 建立夹具元件库和构件库，就可以通过相应的

16、文件格式转换实现其他 CAD 系统的文件，从而可以达到满足其它 CAD系统调用的目的。2.2数据库结构其结构型式分为孔系组合夹具、槽系组合夹具、组合冲模三大系列。槽系组合夹具又分16mm、12mm、8mm 三种型式。也就是通常所说的大型、中型、小型组合夹具。槽系组合夹具元件分为8 类:即基础件、支承件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、其他件和合件,每个类里又有不同规格。槽系组合夹具标件数据库结构如图2-1 所示。图2-1 3D标件图库结构将每个元件参数抽象成数据表,利用Delphi 里面自带的数据库Database Desktop 建立Paradox 类型的表。（1）基础件 有长方形、圆形、方

17、形与基础角铁等，它们常作为组合夹具的夹具体，主要类型有以下几种：图2-2 基础件的类型（2）定位件 有平键、T型键、圆形定位销、菱形定位销、圆形定位盘、定位接头、方形定为支承、六菱定位支承座等。主要用于工件的定位与元件之间的定位主要类型有以下几种：图2-3 定位件的类型2.3系统结构用户只需操作用户界面,选择所需的元件类型与参数,系统自动调用数据库中的数据,驱动绘图程序,得到所需元件的三维图形。其功能图如图2 所示。图2-4 系统功能图其中,逻辑支撑程序包括建立Delphi 与solidwords 连接的框架平台,设置绘图环境,选择调用数据库中的记录与各个绘图程序,基础应用程序主要是利用Sol

18、idWorksAPI 函数进行绘图。2.4 组合夹具元件的自动几何建模原理组合夹具元件自动几何建模主要基于三维造型中的尺寸驱动原理。尺寸驱动原理最初是由美国麻省理工大学 D .C. Gossand 教授在 20 世纪 70 年代末提出的，已经成为一项热门的研究课题。目前，在国随着用户对软件产品的使用要求日益增强，这一新技术正在逐步发展成熟。所谓尺寸驱动思想通俗的讲指正式图或徒手勾画的图，一经标注尺寸后，允许任意修改尺寸值，绘图系统自动保持图形与最新尺寸保持一致的图形编辑方法。其中，操作对象是尺寸值，而操作结果是图形的变换，这种方法显然是与传统的绘图过程截然不同的全新思路。尺寸驱动过程是指在零件

19、几何特征不变的约束下，把零件的尺寸参数作为尺寸驱动变量，给定尺寸驱动变量的值，即可生成相应参数的零件的过程。每一类零件对应一个零件模板，在模板中定义尺寸变量和变量之间的尺寸约束关系。目前 SolidWorks 支持尺寸驱动的思想，在绘制图形的时候只要修改相应的绘图尺寸，就可以修改图形。2.5 组合夹具元件模板建立所谓模板是具有属性的，参数化的，大小可变的三维几何实体。这种几何实体在有些相关研究中被称之为“哑图”或者“母板” 。组合夹具元件模板即为带有属性的，参数化的组合夹具元件图形。它可以根据设定的参数值进行相应的自动几何建模。元件模板的参数分为主参数和辅助参数。主参数是指决定元件几何形状的关

20、键几何参数；辅助参数是指由主参数通过一定的方程式决定的其他几何参数。辅助参数的值可由主参数的值决定。一般三维 CAD 软件都提供了对辅助参数设定方程式的功能，在建立组合夹具元件模板时，可以充分利用这一功能，这样可以使得建立的模板参数数据冗余最少，可大大减少系统存储数据负担，同时也可提高图形文件尺寸参数驱动的速度。第三章 组合夹具元件库的建立3.1 组合夹具元件按品种建模由于同一品种不同规格元件,其形状一样,只是某些参数不同,如对称槽大长方支承件,所含的规格是由高度(H) 变化而来。按品种建模时,通过设定适当的参数,填写参数表,即可自动生成不同规格的元件;同时为自动生成组合夹具装配图中要求的组合

21、夹具元件明细表,在品种属性中加入自定义属性并加入用户元件明细表模板。下面以对称槽大长方支承为例说明品种建模过程。 图3-1 对称槽大长方支撑图3-2 定义参数1) 用SolidWorks 零件模板为元件建模。2) 定义参数。由图4 可看出,该品种的不同规格由高度(H)变化而来,定义参数H 。3) 输入参数表(见图4) ,生成该品种不同规格的组合夹具元件。表3-1 参数表3.2 建立组合夹具元件库新建一组合夹具元件库目录,如d : 组合夹具元件库。在其下按类建立子目录,将品种按类存入即可得到组合夹具元件库。3.3 在SolidWorks 界面添加“组合夹具元件”菜单使用VC + + 6. 0 和

22、SolidWorks 的API 函数编写添加菜单的源程序,用Win32 MBCS Debug 编译,用Add - in 管理器运行C +程序(将编译出的. dll 文件和和. reg 复制到SolidWorks 根目录下) 或应用APPS 目录自动载入应用程序(在SolidWorks 根目录下,打开或创建APPS 子目录,将应用程序. dll 复制到该目录下) 。加入用户菜单后的SolidWorks 界面如图所示。图3-3加入用户菜单后的SolidWorks 界面3.4 组合夹具构件的自动建模原理组合夹具构件是指由一定尺寸约束关系的各个组合夹具元件组装而成的,具有一定功能的装配体。组合夹具构件

23、建模是建立在组合夹具元件模型基础上的,主要利用所包含的组合夹具元件自动建模原尺寸参数约束方程,来完成构件自动建模。当给定一个组合夹具构件模型,必须定义它的约束方程。否则,就会造成构件中每个元件之间驱动尺寸参数没有规则约束,构件中元件的类型参数匹配就会变得庞大,而且很多参数类型根本不能生成合理的构件图,成为参数冗余。相反,约束方程定义越准确越完备,构件中参数类型匹配结果就越准确. 然后,通过提取定义的完备约束方程式和分析方程式,从组合夹具元件尺寸数据库中就可以自动查找符合约束方程的尺寸参数规格形成构件驱动参数视图。用编程语言可以调用SolidWorks AP I来读取各个零件和它们对应的尺寸驱动

24、参数,利用元件参数化的方法,就可达到组合夹具构件自动建模目的. 自动建模的原理见图。图3-4组合夹具构件自动建模原理图第四章 组合夹具元件的参数化设计机床夹具是机械加工中的重要工艺装备，专用组合夹具元件的设计是技术人员的一项主要工作，设计机床专用组合夹具元件时要频繁使用各种通用零件，而查找和绘制通用零件需要花费很多时间和精力，若能将夹具的通用零件建库，在设计夹具时只需简单的调用和修改图形文件，将大大提高夹具设计效率。选择高效建模工具，建立参数化的夹具通用零件，按其形状几何特征分类存入不同的子目录下成为夹具通用零件库构建的重要组成部分。参数驱动是一种新的参数化方法，其基本特征是直接对数据库进行操

25、作。因此它具有很好的交互性，用户可以利用绘图系统全部的交互功能修改图形与其属性，进而控制参数化的过程。与其他参数化方法相比较，参数驱动方法具有简单、方便、易开发和使用的特点，使用面广，二维、三维问题均可适用。4.1用Solidworks对组合夹具元件实现参数化设计的方法目前采用Solidworks平台实现参数化设计的方法有两大类。第一类是采用基于Solidworks软件进行二次开发的方法实现，即可以采用宏技术，利用宏通过部编程操作Solidworks对象的操作，进行参数化设计。第二类是灵活运用Solidworks软件本身的强大功能，实现参数化设计。这两种参数化设计方法各有千秋，软件二次开发的方

26、法对零件特征提取的要求相对较低，软件功能强大，使用方便，效率高，对操作者的水平要求不高，但是软件开发工作量大，软件修改维护不便。采用Solidworks软件本身的功能实现参数化设计时，对操作者的水平要求较高，对零件特征提取要求高，使用比较方便，不需要软件开发，非常便于修改、维护和扩展。由于组合夹具元件的特征参数和参数系列比较明确，而且在使用时经常要根据应用情况进行局部修改，所以本文将基于采用Solidworks软件的配置技术来实现组合夹具的参数化设计。4.2实现参数化设计的基本思路配置是Solidworks软件的一个强大功能，实现配置的方法之一使用就是通过压缩或隐藏特征来设计结构相近或相似的系

27、列零件，并对它们分别命名，来快速实现设计任务；也可以通过系列零件设计表来控制系列零件的尺寸值，从而生成不同的配置，实现参数化设计，如图1所示结构相似的正方形基础板，应用Solidworks配置功能，可以通过系列零件设计表来定义正方形的大小，通过改变参数和阵列特征来控制T形槽的数量，所以在设计时只需对图4-1（a）所示零件一次造型，通过灵活使用配置功能，不需再次造型就可以实现图4-1（b），图4-1（c）零件的设计，从而实现图中所示该组零件的参数化设计。同样，将所有具有配置属性的基础件和定位件一次造型，通过系列零件设计表来定义各个零件的不同配置参数，就可以实现产品的参数化设计。显然这种不需再次造

28、型就可改变零件的方法即节约了时间又提高了效率。（a)(b)(c)图4-1 正方形基础板4.3组合夹具元件参数化设计组合夹具元件按其用途不同，可分为八大类：基础件、支撑件、定位件、导向件、压紧件、紧固件、其他键和合件等。每一类又划分为不同的组，每一组中又包含很多品种。不同品种的元件有相似的几何拓扑结构，只是尺寸规格不同，按品种建立模板，通过设定适当的参数，即可自动生成不同规格的元件。现以槽系组合夹具元件中的基础件四面槽正方形基础板为例说明组合夹具元件的参数化设计过程。4.3.1实体结构特征分析与建模首先对要创建的实体进行特征分析，再根据Solidworks实体建模的特点，确定创建特征的顺序与方法

29、，使所建立的实体特征尽可能简单，所要驱动的几何参数尽可能少然后利用Solidworks创建特征的功能（拉伸、旋转、扫描、放样等），按以上分析步骤建立三维实体模板。如图4-2所示的四面槽正方形基础板。图4-2 四面槽正方形基础板4.3.2零件设计尺寸和特征命名对于Solidworks设计的三维图形，为了便于识别和管理系列零件，可以给主要特征和尺寸专门命名。例如在标定尺寸时，用户可以自己定义尺寸名称，具体实现方式是右击尺寸，在属性窗口中更改名字，如图4-3所示。图4-3尺寸属性4.3.3建立系列零件表在“Feather Manager”设计树选项中右击“注解”文件夹，选择“显示特种尺寸”选项，如图

30、4-4所示。在工具栏中选择插入系列零件设计表，在系列零件设计表中选择自动生成，双击需要系列化得尺寸就可生成一个配置。(a)（b）图4-4 系列零件插入表如图4-5所示的系列零件设计表，在A3中输入配置名称，B3、C3、D3、等栏中输入不同的参数数据，就可以生成配置1，同理可生成A3、A4、A5等不同的配置，不同的配置就代表系列化零件之一。图4-5（b）所示的系列零件设计表类似于数据库中的一表，A3、A4表示实体B、C、D、E、F等字段表示属性，零件的不同配置就是表中的记录。因此通过配置建立系列零件设计表，就相当于建立了该零件的参数数据库，通过选取修改增加数据库中的参数，就可以实现组合夹具元件的

31、参数化设计。如果元件不同配置的特征稍有差别，还可以压缩隐藏特征的功能实现，通过改变参数值生成了两个配置，零件设计表如图4-5所示。（a）(b)图4-5系列零件设计表4.3.4 系列零件显示建立了零件设计表后，点击“Configuration Manager”设计树，就会显示四面槽正方形基础板的不同配置，如图4-6所示，在图4-6所示窗口中双击不同的配置名称可以显示相应配置的零件具体操作结果。(a)（b）图4-6系列零件设计树通过上述步骤就可以实现四面槽正方形基础板以与其他组合夹具元件的参数化设计。 从上述方法可以看出，灵活运用Solidworks2006的配置功能，可以很方便的实现系列组合夹具元件的参数化设计，而且产品的设计、编辑、修改等很容易实现，技术人员可以通过改变某些参数而不必改变元件设计的全过程来更新设计，大大节约了设计人员的精力、时间、降低了企业产品的成本。同时，所建立的夹具元件库对自动化或系列化生产的机械制造企业，建立自己的产品设计数据库，实现数字化设计与制造具有实用参考价值。第四章 结语本文论述了OLE 自动化技术与其应用。建立软件系统时,利用OLE 自动化技术使用Soli