基于CATIA的光滑極限量規(guī)計算機輔助設計

隨著科技水平突飛猛進的發(fā)展，做為制造業(yè)的大國，從軍用的航空、航天到民用的汽車、船舶、農用機械等產品和裝備，其制造工藝水平也有了很大的提升，同時檢驗技術占據著相當重要的地位。目前，以機械加工為主的行業(yè)，在專用工裝的設計方面，通常都采用二維軟件設計繪圖、出圖和相關文件的保存管理；例如常見的軟件有AutoCAD、CAXA電子圖版等國產的CAD軟件,多數(shù)企業(yè)只是借助這些二維軟件進行出圖，沒有更深的應用這些軟件；對于三維設計軟件，在工裝設計方面，使用的企業(yè)甚至甚少，沒有真正實現(xiàn)計算機輔助設計的作用。 

光滑極限量規(guī)是一種結構簡單,操作方便，結果可靠的量具,可以有效的提高產品批量生產的效率,應用十分廣泛應用。但光滑極限量規(guī)傳統(tǒng)的設計方法，重復性勞動較多,費時易錯。因此, 本文以CATIA為平臺，運用TDS系統(tǒng)中的標準零件庫建立參數(shù)化模型和知識庫編制光滑極限量規(guī)公差計算程序，可以準確設計出光滑極限量規(guī)，從而大大提高了設計的質量與效率。

1  光滑極限量規(guī)

1.1  光滑量規(guī)

光滑量規(guī)是控制工件的實際尺寸是否在極限范圍內的工具，即指被測零件為孔，軸，長度，槽寬所用的量規(guī)（塞規(guī)，卡規(guī)，長度量規(guī)，槽寬量規(guī)）的總稱。它只能用來鑒別零件的尺寸，幾何形狀誤差是否處于所規(guī)定的公差帶之內，因此，它不具備刻度。它對標準或非標準公差均適用。光滑量規(guī)的制造公差遵守泰勒原則，即為不超極限設計。所以，光滑量規(guī)是一種不具備刻度的極限測量工具。一般光滑量規(guī)分為以下三類：

（a）工作量規(guī)：生產工人和檢驗人員用來測量零件的量規(guī)；

（b）驗收量規(guī)：訂貨方用來驗收零件的量規(guī)；

（c）校對量規(guī)：用來檢驗工作量規(guī)和驗收量規(guī)的量規(guī)。

1.2  量規(guī)設計的原則

量具的精度一般都比產品的精度高一個等級，屬于精密工具，但也會產生制造誤差,這個無法避免。因此，為了保證產品的合格率，量具的設計與制造必須遵循以下原則：

(1)量規(guī)的設計必須遵循相似原則：一般情況下，量規(guī)通端的外形應設計成與被測量零件相配合部分的形狀相似，以限制被測量零件的所有部位；量規(guī)止端應設計成與被測量零件成線（或者點）接觸的外形，以達到測量零件的單獨部位。

(2)極限設計原則：量具的通端一般設計為全形量規(guī)，即測量面為面接觸，通規(guī)的尺寸等于被測零件的最大實體尺寸。

(3)量具止端：兩個測量面應是點接觸，止規(guī)的尺寸等于被測零件的最小實體尺寸。

(4)泰勒原則：在被測零件尺寸有干涉時，量規(guī)的設計可以偏離該原則，但必須保證被測零件的形狀誤差并不影響配合使用。

1.3  極限量規(guī)的公差分布

1.3.1  孔用量規(guī)制造公差和公差帶的分布

孔用量規(guī)制造公差和公差帶的分布見圖1。

圖1  孔用量規(guī)制造公差和公差帶

1.3.2  軸用量規(guī)制造公差和公差帶的分布

軸用量規(guī)制造公差和公差帶的分布見圖2。

圖2  軸用量規(guī)制造公差和公差帶

1.4  量規(guī)的設計過程

極限量規(guī)的設計,首先判斷量規(guī)的類型 (軸用、孔用或槽寬用)、明確基本尺寸及公差帶然后按照以下過程進行計算:

(1)孔用量規(guī)工作尺寸及其極限偏差：

通端：D(T) = Dmin

止端：D(Z)=Dmax

通端磨損極限尺寸D(S)=Dmin

(2) 軸用量規(guī)工作尺寸及其極限偏差：

通端: d(T)=dmax

止端: d(Z)=dmin

通端磨損極限尺寸d(s)=dmax

2  光滑極限量規(guī)計算機輔助設計

2.1  軟件的結構及主要功能

光滑極限量規(guī)計算機輔助設計軟件，是整個工裝設計軟件里的一部分，是在對CATIA進行二次開發(fā)的基礎上，嵌入了TDS系統(tǒng)，形成了一款多功能的完整系統(tǒng)，從極限量規(guī)的類型原則、工作尺寸的設計、標準的查詢、公差的計算到三維參數(shù)化模型的建立、二維工程圖的驅動等數(shù)據處理，完全代替了傳統(tǒng)的人工設計計算方式。

該軟件的設計采用模塊化結構,相關模塊主要有知識庫、標準件庫和CATIA工程圖模板；其中知識庫是按航空標準編制, 分為孔用量規(guī)、軸用量規(guī)、高度量規(guī)、長度量規(guī)和槽量規(guī)幾大類。

數(shù)據處理主要是在選定極限量規(guī)的類型前提下提取被測零件的必要的結構尺寸；然后程序根據工件基本尺寸和工件上、下偏差值，再調用航空標準（光滑極限量規(guī)公差標準），計算出量規(guī)的結構尺寸值及通端和止端的上下偏差,從而完成極限量規(guī)整個尺寸的計算部分。

2.2  知識庫設計

2.2.1  知識庫流程設計

該軟件設計程序由知識庫和標準件庫組成。知識庫總流程如圖3所示。光滑極限量規(guī)公差標準是按被測尺寸分段，按被測公差分等級設計的表格，查詢起來比較麻煩，也容易出錯，因此，利用知識庫本身的特點，將人工進行光滑極限量規(guī)設計時需要查詢的許多表格采用判斷、循環(huán)的算法嵌套在設計程序里面，具體體現(xiàn)在子流程里，如圖4、圖5所示，由于子流程過長，只截取部分流程；然后軟件系統(tǒng)后臺會自動判斷檢索表中的某一組數(shù)值進行計算。

圖3  知識庫總流程

圖4  塞規(guī)公差計算流程

圖5  塞規(guī)公差計算子流程

流程設計主要依據數(shù)學方法——插值法進行程序編制，知識庫里有自帶的程序編制方法，首先按照已知參數(shù)和被求參數(shù)搭建起插值法的結構，然后按光滑極限量規(guī)公差標準中的尺寸段和公差等級將表格中的數(shù)據嵌套在插值法結構中，完成計算部分的程序。

標準件庫和CATIA工程圖模板是采用CATIA中的參數(shù)化模塊建立的三維數(shù)字化模型庫，同時生成二維工程圖，作為標準的通用模板，通過改變三維模型的相關參數(shù)，驅動模型，同時可以同步更新相對應的二維工程圖，從而實現(xiàn)新的量具的設計。

2.2.2  設計程序的編輯

本程序中所包含的數(shù)據類型有數(shù)值型和字符型兩種，依據TDS系統(tǒng)本身的計算程序，首先定義所有的變量，并添加屬性，每一個變量由一個或任意多個數(shù)據組成；再按照之前設計好的知識庫流程，對每個流程、子流程進行參數(shù)的編輯，賦予相應的字符或公式；其中將紙質版的《光滑極限量規(guī)公差標準》表嵌套在相應的公式中，進行計算；最終計算出光滑極限量規(guī)的公差。

2.2.3  程序的應用

本程序適用于GB/T 1800.1和GB/T 1800.2規(guī)定的IT6至IT14級公稱尺寸為0.1mm～250mm的孔或軸的量規(guī)及公稱尺寸為0.5mm～50mm的槽用量規(guī)的使用、設計、制造與驗收。也可作為其它類型量具設計的參考。

2.3  標準件庫的設計

由于一般的孔用塞規(guī)、軸用環(huán)規(guī)、槽用量規(guī)、卡規(guī)等外形基本都是相同的，只是名義值及公差不同，因此，在TDS系統(tǒng)中將以上幾類量規(guī)標準化，根據標準，分別按類按尺寸段建立相應的參數(shù)化三維模型，并在CATIA工程圖中生成相對應的標準的二維工程圖模板；后續(xù)只需更改三維模型的參數(shù)來驅動二維工程圖，完成量具的完整設計。

3  實例操作

3.1  光滑量規(guī)公差計算實例

以某產品上的Ф21.06+0.0070孔為例,設計其專用的光滑塞規(guī)，其具體操作步驟如下:

程序運行時的界面如圖6，其中中間部分左邊為整體的設計流程，右邊為具體的操作界面；首先選擇量規(guī)的計算類型，即塞規(guī)、環(huán)規(guī)；其次輸入被測量尺寸及上、下偏差，如圖7；最后輸出結果，即塞規(guī)的通端、止端尺寸和公差及磨損極限，如圖8。同時計算結果也可以導出報告及打印。

圖6  應用程序的用戶界面

圖7  參數(shù)輸入界面

圖8  最終結果界面

3.2  光滑量規(guī)繪圖實例

根據以上計算的塞規(guī)通、止端尺寸，通過TDS系統(tǒng)中的標準件庫選用相應的塞規(guī)三維數(shù)字化模型，只需更改通端（DT）、止端（DZ）的值即可，見圖9；同時更新CATIA工程圖標準模板中相應的二維圖，最終完成該塞規(guī)的設計，見圖10。

圖9  三維模型

圖10  工程圖

4  結語

本文基于CATIA的光滑極限量規(guī)計算機輔助設計，從量規(guī)的公差計算，到二維出圖，全部依據計算機完成，成功實現(xiàn)無紙化辦公；尤其對于剛接觸量具設計的人員，其操作簡單可靠, 偏于理解原理；按照用戶界面的提示，可以獨立完成光滑極限量規(guī)的設計計算和繪圖,有效地提高了專用量具的設計效率和質量；同時也提高了產品的生產效率,可在產品批量生產中被廣泛應用。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://m.12-baidu.cn/w/qk/21223.html