1、職業技術學院畢業設計（論文）課 題 基于SolidWorks組合夾具元件庫的 開發基礎件、定位件 20 / 21摘要針對傳統夾具設計中存在的問題,以與組合夾具元件標準化的特點,通過CAD 參數化設計思想,利用Delphi7建立數據庫,存儲標準件的尺寸參數,設計用戶交互界面,編輯相關代碼,添加SolidWorks 的類型庫,最后調用SolidWorks API 函數自動繪制三維夾具元件圖,建立組合夾具標準件圖庫。應用驗證表明本文開發的參數化3D圖庫對提高組合夾具設計效率和質量有較好的推動作用。為解決組合夾具典型功能結構的設計經驗重用問題,提出了一種在三維繪圖軟件SolidWorks平臺上、基于裝

2、配約束方程的構件自動建模方法. 文中分析了構件自動建模原理、構建模板建立方法、裝配參數方程提取、參數方程語義分析以與參數驅動方法。在此基礎上建立了組合夾具元件庫系統給出了構建應用實例，從而解決了構件自動建模中的難點，為夾具的自動裝配和自動設計奠定了基礎。關鍵詞：組合夾具， 標準件庫， 二次開發技術， SolidWorks目錄1 緒論 . 11.1 課題研究背景和意義 . 11.2 二次開發的分析 . 22 夾具元件庫的結構框架 .32.1 引言 .32.2 數據庫結構 .32.3 系統結構 .52.4 組合夾具元件的自動幾何建模原理 .52.5 組合夾具元件模板建立 . 53 組合夾具元件庫的

3、建立 . 73.1 組合夾具按品種建模 . 73.2 建立組合夾具元件庫 . 83.3 在SolidWorks界面添加“組合夾具元件”菜單 . 83.4 組合夾具構件的自動建模原理. 84 組合夾具元件的參數化設計.104.1 用SolidWorks對組合夾具元件實現參數化設計的方法.104.2 實現參數化設計的基本思路.104.3 組合夾具元件參數化設計.114.3.1 實體結構特征分析與建模.114.3.2 零件設計尺寸和特征命名.124.3.3 建立系列零件表.124.3.4 系列零件顯示.145 結語.16參考文獻.171 緒論1.1課題研究的背景與意義當今世界經濟的飛速發展，市場競爭

4、越來越激烈，快速響應用戶需求成為現代制造企業面臨的首要課題。為了贏得產品的上市時間，各個企業不斷增加人力和物力來加快產品的設計和生產速度。與此同時，產品快速設計的課題也成為了各個研究機構的研究熱點。為了適應這一新變化，制造業正在朝著信息化的方向發展。對制造企業而言，信息化的核心是產品設計、制造和工裝以與相關信息的數字化。CAD 技術在企業數字化、信息化過程中起著重要作用。但 CAD 技術長期以來以通用化為標準，過分強調系統的通用化程度，造成了目前 CAD 技術只是作為一種通用畫圖的工具，而沒有結合相關行業的專業知識，成為一種真正的計算機輔助設計技術。因此，研究面向各種行業的 CAD 系統就成了

5、目前國外研究開發 CAD的熱點和重點，這對 CAD 系統的發展將產生重要深遠的影響。在這種背景下計算機輔助夾具設計（computer aided fixture design，CAFD）研究逐漸成為一個熱點。根據有關資料統計，我國現有工業水平，生產準備周期一般要占整個產品研制周期的 50%70%，而工藝裝備的設計制造周期又占生產準備周期的50%70%，其中工藝裝備的準備階段中有 70%80%的時間用于夾具的設計和制造。在現在制造企業中，夾具是保證產品質量，實現全面質量管理的重要手段。所以夾具設計的周期長短對于產品的開發周期有重大的影響。為了適應多品種、小批量生產類型對夾具快速設計的需要，以與隨

6、著數控機床的廣泛應用，越來越多的機械制造企業采用組合夾具。組合夾具是在夾具零部件標準化的基礎上發展起來的一種新型的工藝裝備，它由一套預先制好的具有各種不同形狀和規格尺寸的標準元件和組合件組成。在加工前，根據工件要求，所采用的機床和夾具的設計原則，選取標準元件，確定所選元件之間的位置關系，裝配出滿足要求的夾具。由于組合夾具應變能力強，設計和制造周期短，成本低，能適應多品種小批量的生產要求，可以大幅度提高了企業的競爭力，所以日益受到制造企業的青睞。經過對金城集團、14 所等單位的調研得知，目前組合夾具設計基本上還是滯留在手工階段，主要依靠組合夾具設計人員的經驗進行直接設計、選件和組裝。這樣，組合夾

7、具設計完成之后，既沒有相關的組合夾具設計文檔，也無組合夾具組裝圖紙。因此，就會帶來以下幾個問題：1設計周期長、效率低、成本高；2設計的質量在很大程度上受到設計人員的經驗和水平所限制；3設計人員的經驗在組合夾具設計中重用率低。計算機輔助組合夾具快速設計系統（CAMFRDS）的研究試圖解決上述在組合夾具設計中存在的問題。此項研究主要從組合夾具可重構性的角度出發，對組合夾具元件、構件和典型組合夾具實例進行合理的建模，從而對組合夾具設計過程產生重大的改進。系統設計的基本原理是充分有效利用現有組合夾具設計經驗，在典型夾具實例庫的基礎上進行推理、變型，快速地設計和組裝出滿足工藝要求的組合夾具，以縮短夾具設

8、計與準備的時間，滿足快速響應客戶需求的目標。因此該項研究對于提高機械產品的市場競爭力具有重要的意義。1.2 二次開發的分析夾具是一種標準化、系列化、通用化程度很高的工藝裝備,它是由一套預先制造好的各種不同形狀、不同規格、不同尺寸、具有完全互換性的標準元件和組合件,按工件的加工要求組裝而成。它可以拆卸、清洗,并可重新組裝成新的夾具,其應用非常普遍,尤其適合于多品種、中小批量的生產。但是現在,組合夾具的設計由于還是采用有經驗的人工拼裝和管理的方法,夾具工藝師對工件的定位、裝夾設計主要依賴經驗,定性分析較多,定量分析較少,且計算復雜,同時缺乏必要的優化設計,設計的圖樣不夠直觀。設計過程中的裝配干涉問

9、題,無法在設計中提前發現,造成效率比較低、生產的周期比較長等種種問題,這就使對組合夾具的計算機輔助設計的研究提升到了一個重要地位。為了使組合夾具的設計更加快捷、方便,必須建立組合夾具元件庫。本系統利用Delphi7 對SolidWorks 進行二次開發,自動繪制組合夾具三維圖,建立圖庫,直接用于夾具的虛擬組合裝配,指導實際夾具組裝,為設計人員省去很多重復勞動。SolidWorks 是美國SolidWorks 公司基于Windows平臺開發的著名的全參數化三維實體造型軟件,它具有強大的零件設計、鈑金設計、管理設計、繪制二維工程圖、支持異地協同工作等功能,它可實現由三維實體造型向二維工程圖的轉化,

10、能夠使零件設計、裝配設計和工程圖保持全時間的相關和同步。同時SolidWorks 具有良好的開放性和兼容性。它不僅可以向下兼容二維AutoCAD ,同時還可以與其它專業軟件(如有限元分析軟件Ansys、數據加工軟件Camworks、數據管理系統SmarTeams、三維實體設計軟件UG、Pro / E 等) 無縫集成為功能十分強大的CAD / CAE / CAM / PDM 系統,能夠勝任一般大型工程與產品的設計、分析、制造和數據管理。SolidWorks 的API (Application Programming Inter2face) 應用程序接口, 是一個基于ActiveX Automat

11、ion的編程接口, 此接口為用戶提供了自由、開放、功能完整的開發工具, 其中包含了數以百計的功能函數,這些函數提供了程序員直接訪問SolidWorks 的能力。API 中的函數可以被Visual Basic 、Delphi 、C/ C+ + 、VBA ( Excel 、Access 等) 或者是SolidWorks 宏文件以與其它支持OLE 的開發程序調用, 從而可以擴展SolidWorks 的功能。Delphi 是Borland 公司研制的新一代可視化開發工具,擁有一個可視化的集成開發環境(IDE) ,采用面向對象的編程語言ObjectPascal 和基于部件的開發結構框架。它提供了500

12、多個可供使用的構件,利用這些部件,開發人員可以快速地構造出應用系統。開發人員也可以根據自己的需要修改部件或用Delphi 本身編寫自己的部件。并且其具有高性能的32 位本地優化代碼編譯器,可直接運行,能夠最終生成可單獨執行的DLL 與EXE 文件,能方便地進行多媒體、動畫、網絡和數據庫等應用程序的開發。第2章 夾具元件庫的結構框架2.1引言組合夾具元件是從專用夾具中的夾具元件逐漸演化而來的。在人們不斷的生產實踐過程中，把一些常用的夾具元件的外形尺寸、結構和精度等加以取舍和提高，再將它們加以標準化、系列化和規格化，直至演變成組合夾具中各種不同形式的元件。目前，隨著 CNC 機床的廣泛應用，組合夾

13、具在生產中應用也越來越多。組合夾具的元件在生產實踐中也不斷加以改進，數量和品種逐漸增加。因此，組合夾具元件庫是隨著生產的發展而不斷擴充和完善的，并且這一趨勢將繼續進行下去。組合夾具設計過程是將分散的組合夾具元件按照一定的規律組裝成符合工藝要求的夾具的過程。組合夾具元件是組合夾具設計的基礎。目前絕大多數 CAD系統軟件，比如 UG、CATIA、Pro/E、SolidWorks 等，雖然提供了一些常用的標準件庫，但是都沒有提供面向組合夾具設計的參數化、用戶可方便自擴充的元件庫和構件庫。這樣，對于組合夾具設計人員，就常常因為沒有組合夾具元件庫和構件庫，而要進行很多不必要的重復繪圖工作，大大降低了設計

14、人員的工作效率。因此在 CAD 系統上建立一套用戶自己維護的參數化的組合夾具元件庫和構件庫可以滿足組合夾具設計人員快速設計的需要。組合夾具設計一般是面向單件小批量生產的。隨著工件的結構形式和加工要求的變化，組合夾具結構形式和組成夾具的元件尺寸也會做出相應的調整。經過長期的組合夾具設計經驗積累，企業在不斷調整組合夾具結構形式的過程中，總結了大量滿足一定功能的系列化的、參數化的典型夾具結構體。在本文中，這些典型的組合夾具結構體稱之為組合夾具構件。將這些典型的結構集中管理，就形成一個構件庫。以后遇到相似的需求時，便可以從這個庫中直接調出修改應用，這樣便實現了已有構件設計經驗的重用。目前國外也有大量的

15、組合夾具元件庫建庫研究，但是研究基本上還是停留在方便繪圖這個層次上面。對于如何進一步將組合夾具元件模型應用于組合夾具實例推理系統上，這方面的研究還很少，至于組合夾具構件庫的研究就更少了。本文從基于 CBR 的組合夾具快速設計角度出發，構建組合夾具元件和構件信息模型。這種建模的特點不僅是面向繪圖，而且面向組合夾具的快速裝配模型和組合夾具實例模型，最大程度上將已有結構設計經驗重用，從而達到快速設計夾具的目的。本文研究的元件和構件庫以 CAD 軟件 SolidWorks 為平臺。SolidWorks 支持多種格式的 CAD 文件轉換，在 SolidWorks 建立夾具元件庫和構件庫，就可以通過相應的

16、文件格式轉換實現其他 CAD 系統的文件，從而可以達到滿足其它 CAD系統調用的目的。2.2數據庫結構其結構型式分為孔系組合夾具、槽系組合夾具、組合沖模三大系列。槽系組合夾具又分16mm、12mm、8mm 三種型式。也就是通常所說的大型、中型、小型組合夾具。槽系組合夾具元件分為8 類:即基礎件、支承件、定位件、導向件、壓緊件、緊固件、其他件和合件,每個類里又有不同規格。槽系組合夾具標件數據庫結構如圖2-1 所示。圖2-1 3D標件圖庫結構將每個元件參數抽象成數據表,利用Delphi 里面自帶的數據庫Database Desktop 建立Paradox 類型的表。（1）基礎件 有長方形、圓形、方

17、形與基礎角鐵等，它們常作為組合夾具的夾具體，主要類型有以下幾種：圖2-2 基礎件的類型（2）定位件 有平鍵、T型鍵、圓形定位銷、菱形定位銷、圓形定位盤、定位接頭、方形定為支承、六菱定位支承座等。主要用于工件的定位與元件之間的定位主要類型有以下幾種：圖2-3 定位件的類型2.3系統結構用戶只需操作用戶界面,選擇所需的元件類型與參數,系統自動調用數據庫中的數據,驅動繪圖程序,得到所需元件的三維圖形。其功能圖如圖2 所示。圖2-4 系統功能圖其中,邏輯支撐程序包括建立Delphi 與solidwords 連接的框架平臺,設置繪圖環境,選擇調用數據庫中的記錄與各個繪圖程序,基礎應用程序主要是利用Sol

18、idWorksAPI 函數進行繪圖。2.4 組合夾具元件的自動幾何建模原理組合夾具元件自動幾何建模主要基于三維造型中的尺寸驅動原理。尺寸驅動原理最初是由美國麻省理工大學 D .C. Gossand 教授在 20 世紀 70 年代末提出的，已經成為一項熱門的研究課題。目前，在國隨著用戶對軟件產品的使用要求日益增強，這一新技術正在逐步發展成熟。所謂尺寸驅動思想通俗的講指正式圖或徒手勾畫的圖，一經標注尺寸后，允許任意修改尺寸值，繪圖系統自動保持圖形與最新尺寸保持一致的圖形編輯方法。其中，操作對象是尺寸值，而操作結果是圖形的變換，這種方法顯然是與傳統的繪圖過程截然不同的全新思路。尺寸驅動過程是指在零件

19、幾何特征不變的約束下，把零件的尺寸參數作為尺寸驅動變量，給定尺寸驅動變量的值，即可生成相應參數的零件的過程。每一類零件對應一個零件模板，在模板中定義尺寸變量和變量之間的尺寸約束關系。目前 SolidWorks 支持尺寸驅動的思想，在繪制圖形的時候只要修改相應的繪圖尺寸，就可以修改圖形。2.5 組合夾具元件模板建立所謂模板是具有屬性的，參數化的，大小可變的三維幾何實體。這種幾何實體在有些相關研究中被稱之為“啞圖”或者“母板” 。組合夾具元件模板即為帶有屬性的，參數化的組合夾具元件圖形。它可以根據設定的參數值進行相應的自動幾何建模。元件模板的參數分為主參數和輔助參數。主參數是指決定元件幾何形狀的關

20、鍵幾何參數；輔助參數是指由主參數通過一定的方程式決定的其他幾何參數。輔助參數的值可由主參數的值決定。一般三維 CAD 軟件都提供了對輔助參數設定方程式的功能，在建立組合夾具元件模板時，可以充分利用這一功能，這樣可以使得建立的模板參數數據冗余最少，可大大減少系統存儲數據負擔，同時也可提高圖形文件尺寸參數驅動的速度。第三章 組合夾具元件庫的建立3.1 組合夾具元件按品種建模由于同一品種不同規格元件,其形狀一樣,只是某些參數不同,如對稱槽大長方支承件,所含的規格是由高度(H) 變化而來。按品種建模時,通過設定適當的參數,填寫參數表,即可自動生成不同規格的元件;同時為自動生成組合夾具裝配圖中要求的組合

21、夾具元件明細表,在品種屬性中加入自定義屬性并加入用戶元件明細表模板。下面以對稱槽大長方支承為例說明品種建模過程。 圖3-1 對稱槽大長方支撐圖3-2 定義參數1) 用SolidWorks 零件模板為元件建模。2) 定義參數。由圖4 可看出,該品種的不同規格由高度(H)變化而來,定義參數H 。3) 輸入參數表(見圖4) ,生成該品種不同規格的組合夾具元件。表3-1 參數表3.2 建立組合夾具元件庫新建一組合夾具元件庫目錄,如d : 組合夾具元件庫。在其下按類建立子目錄,將品種按類存入即可得到組合夾具元件庫。3.3 在SolidWorks 界面添加“組合夾具元件”菜單使用VC + + 6. 0 和

22、SolidWorks 的API 函數編寫添加菜單的源程序,用Win32 MBCS Debug 編譯,用Add - in 管理器運行C +程序(將編譯出的. dll 文件和和. reg 復制到SolidWorks 根目錄下) 或應用APPS 目錄自動載入應用程序(在SolidWorks 根目錄下,打開或創建APPS 子目錄,將應用程序. dll 復制到該目錄下) 。加入用戶菜單后的SolidWorks 界面如圖所示。圖3-3加入用戶菜單后的SolidWorks 界面3.4 組合夾具構件的自動建模原理組合夾具構件是指由一定尺寸約束關系的各個組合夾具元件組裝而成的,具有一定功能的裝配體。組合夾具構件

23、建模是建立在組合夾具元件模型基礎上的,主要利用所包含的組合夾具元件自動建模原尺寸參數約束方程,來完成構件自動建模。當給定一個組合夾具構件模型,必須定義它的約束方程。否則,就會造成構件中每個元件之間驅動尺寸參數沒有規則約束,構件中元件的類型參數匹配就會變得龐大,而且很多參數類型根本不能生成合理的構件圖,成為參數冗余。相反,約束方程定義越準確越完備,構件中參數類型匹配結果就越準確. 然后,通過提取定義的完備約束方程式和分析方程式,從組合夾具元件尺寸數據庫中就可以自動查找符合約束方程的尺寸參數規格形成構件驅動參數視圖。用編程語言可以調用SolidWorks AP I來讀取各個零件和它們對應的尺寸驅動

24、參數,利用元件參數化的方法,就可達到組合夾具構件自動建模目的. 自動建模的原理見圖。圖3-4組合夾具構件自動建模原理圖第四章 組合夾具元件的參數化設計機床夾具是機械加工中的重要工藝裝備，專用組合夾具元件的設計是技術人員的一項主要工作，設計機床專用組合夾具元件時要頻繁使用各種通用零件，而查找和繪制通用零件需要花費很多時間和精力，若能將夾具的通用零件建庫，在設計夾具時只需簡單的調用和修改圖形文件，將大大提高夾具設計效率。選擇高效建模工具，建立參數化的夾具通用零件，按其形狀幾何特征分類存入不同的子目錄下成為夾具通用零件庫構建的重要組成部分。參數驅動是一種新的參數化方法，其基本特征是直接對數據庫進行操

25、作。因此它具有很好的交互性，用戶可以利用繪圖系統全部的交互功能修改圖形與其屬性，進而控制參數化的過程。與其他參數化方法相比較，參數驅動方法具有簡單、方便、易開發和使用的特點，使用面廣，二維、三維問題均可適用。4.1用Solidworks對組合夾具元件實現參數化設計的方法目前采用Solidworks平臺實現參數化設計的方法有兩大類。第一類是采用基于Solidworks軟件進行二次開發的方法實現，即可以采用宏技術，利用宏通過部編程操作Solidworks對象的操作，進行參數化設計。第二類是靈活運用Solidworks軟件本身的強大功能，實現參數化設計。這兩種參數化設計方法各有千秋，軟件二次開發的方

26、法對零件特征提取的要求相對較低，軟件功能強大，使用方便，效率高，對操作者的水平要求不高，但是軟件開發工作量大，軟件修改維護不便。采用Solidworks軟件本身的功能實現參數化設計時，對操作者的水平要求較高，對零件特征提取要求高，使用比較方便，不需要軟件開發，非常便于修改、維護和擴展。由于組合夾具元件的特征參數和參數系列比較明確，而且在使用時經常要根據應用情況進行局部修改，所以本文將基于采用Solidworks軟件的配置技術來實現組合夾具的參數化設計。4.2實現參數化設計的基本思路配置是Solidworks軟件的一個強大功能，實現配置的方法之一使用就是通過壓縮或隱藏特征來設計結構相近或相似的系

27、列零件，并對它們分別命名，來快速實現設計任務；也可以通過系列零件設計表來控制系列零件的尺寸值，從而生成不同的配置，實現參數化設計，如圖1所示結構相似的正方形基礎板，應用Solidworks配置功能，可以通過系列零件設計表來定義正方形的大小，通過改變參數和陣列特征來控制T形槽的數量，所以在設計時只需對圖4-1（a）所示零件一次造型，通過靈活使用配置功能，不需再次造型就可以實現圖4-1（b），圖4-1（c）零件的設計，從而實現圖中所示該組零件的參數化設計。同樣，將所有具有配置屬性的基礎件和定位件一次造型，通過系列零件設計表來定義各個零件的不同配置參數，就可以實現產品的參數化設計。顯然這種不需再次造

28、型就可改變零件的方法即節約了時間又提高了效率。（a)(b)(c)圖4-1 正方形基礎板4.3組合夾具元件參數化設計組合夾具元件按其用途不同，可分為八大類：基礎件、支撐件、定位件、導向件、壓緊件、緊固件、其他鍵和合件等。每一類又劃分為不同的組，每一組中又包含很多品種。不同品種的元件有相似的幾何拓撲結構，只是尺寸規格不同，按品種建立模板，通過設定適當的參數，即可自動生成不同規格的元件。現以槽系組合夾具元件中的基礎件四面槽正方形基礎板為例說明組合夾具元件的參數化設計過程。4.3.1實體結構特征分析與建模首先對要創建的實體進行特征分析，再根據Solidworks實體建模的特點，確定創建特征的順序與方法

29、，使所建立的實體特征盡可能簡單，所要驅動的幾何參數盡可能少然后利用Solidworks創建特征的功能（拉伸、旋轉、掃描、放樣等），按以上分析步驟建立三維實體模板。如圖4-2所示的四面槽正方形基礎板。圖4-2 四面槽正方形基礎板4.3.2零件設計尺寸和特征命名對于Solidworks設計的三維圖形，為了便于識別和管理系列零件，可以給主要特征和尺寸專門命名。例如在標定尺寸時，用戶可以自己定義尺寸名稱，具體實現方式是右擊尺寸，在屬性窗口中更改名字，如圖4-3所示。圖4-3尺寸屬性4.3.3建立系列零件表在“Feather Manager”設計樹選項中右擊“注解”文件夾，選擇“顯示特種尺寸”選項，如圖

30、4-4所示。在工具欄中選擇插入系列零件設計表，在系列零件設計表中選擇自動生成，雙擊需要系列化得尺寸就可生成一個配置。(a)（b）圖4-4 系列零件插入表如圖4-5所示的系列零件設計表，在A3中輸入配置名稱，B3、C3、D3、等欄中輸入不同的參數數據，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。圖4-5（b）所示的系列零件設計表類似于數據庫中的一表，A3、A4表示實體B、C、D、E、F等字段表示屬性，零件的不同配置就是表中的記錄。因此通過配置建立系列零件設計表，就相當于建立了該零件的參數數據庫，通過選取修改增加數據庫中的參數，就可以實現組合夾具元件的

31、參數化設計。如果元件不同配置的特征稍有差別，還可以壓縮隱藏特征的功能實現，通過改變參數值生成了兩個配置，零件設計表如圖4-5所示。（a）(b)圖4-5系列零件設計表4.3.4 系列零件顯示建立了零件設計表后，點擊“Configuration Manager”設計樹，就會顯示四面槽正方形基礎板的不同配置，如圖4-6所示，在圖4-6所示窗口中雙擊不同的配置名稱可以顯示相應配置的零件具體操作結果。(a)（b）圖4-6系列零件設計樹通過上述步驟就可以實現四面槽正方形基礎板以與其他組合夾具元件的參數化設計。 從上述方法可以看出，靈活運用Solidworks2006的配置功能，可以很方便的實現系列組合夾具元件的參數化設計，而且產品的設計、編輯、修改等很容易實現，技術人員可以通過改變某些參數而不必改變元件設計的全過程來更新設計，大大節約了設計人員的精力、時間、降低了企業產品的成本。同時，所建立的夾具元件庫對自動化或系列化生產的機械制造企業，建立自己的產品設計數據庫，實現數字化設計與制造具有實用參考價值。第四章 結語本文論述了OLE 自動化技術與其應用。建立軟件系統時,利用OLE 自動化技術使用Soli