基于CATIA的光滑極限量規(guī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

隨著科技水平突飛猛進(jìn)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(nóng)用機(jī)械等產(chǎn)品和裝備，其制造工藝水平也有了很大的提升，同時(shí)檢驗(yàn)技術(shù)占據(jù)著相當(dāng)重要的地位。目前，以機(jī)械加工為主的行業(yè)，在專用工裝的設(shè)計(jì)方面，通常都采用二維軟件設(shè)計(jì)繪圖、出圖和相關(guān)文件的保存管理；例如常見的軟件有AutoCAD、CAXA電子圖版等國產(chǎn)的CAD軟件,多數(shù)企業(yè)只是借助這些二維軟件進(jìn)行出圖，沒有更深的應(yīng)用這些軟件；對于三維設(shè)計(jì)軟件，在工裝設(shè)計(jì)方面，使用的企業(yè)甚至甚少，沒有真正實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的作用。 

光滑極限量規(guī)是一種結(jié)構(gòu)簡單,操作方便，結(jié)果可靠的量具,可以有效的提高產(chǎn)品批量生產(chǎn)的效率,應(yīng)用十分廣泛應(yīng)用。但光滑極限量規(guī)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，重復(fù)性勞動(dòng)較多,費(fèi)時(shí)易錯(cuò)。因此, 本文以CATIA為平臺，運(yùn)用TDS系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算程序，可以準(zhǔn)確設(shè)計(jì)出光滑極限量規(guī)，從而大大提高了設(shè)計(jì)的質(zhì)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(shí)際尺寸是否在極限范圍內(nèi)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(nèi)，因此，它不具備刻度。它對標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)。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(chǎn)工人和檢驗(yàn)人員用來測量零件的量規(guī)；

（b）驗(yàn)收量規(guī)：訂貨方用來驗(yàn)收零件的量規(guī)；

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

1.2  量規(guī)設(shè)計(jì)的原則

量具的精度一般都比產(chǎn)品的精度高一個(gè)等級，屬于精密工具，但也會產(chǎn)生制造誤差,這個(gè)無法避免。因此，為了保證產(chǎn)品的合格率，量具的設(shè)計(jì)與制造必須遵循以下原則：

(1)量規(guī)的設(shè)計(jì)必須遵循相似原則：一般情況下，量規(guī)通端的外形應(yīng)設(shè)計(jì)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(yīng)設(shè)計(jì)成與被測量零件成線（或者點(diǎn)）接觸的外形，以達(dá)到測量零件的單獨(dú)部位。

(2)極限設(shè)計(jì)原則：量具的通端一般設(shè)計(jì)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(shí)體尺寸。

(3)量具止端：兩個(gè)測量面應(yīng)是點(diǎn)接觸，止規(guī)的尺寸等于被測零件的最小實(shí)體尺寸。

(4)泰勒原則：在被測零件尺寸有干涉時(shí)，量規(guī)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)過程

極限量規(guī)的設(shè)計(jì),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(jìn)行計(jì)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)

2.1  軟件的結(jié)構(gòu)及主要功能

光滑極限量規(guī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，是整個(gè)工裝設(shè)計(jì)軟件里的一部分，是在對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)的基礎(chǔ)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(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)的查詢、公差的計(jì)算到三維參數(shù)化模型的建立、二維工程圖的驅(qū)動(dòng)等數(shù)據(jù)處理，完全代替了傳統(tǒng)的人工設(shè)計(jì)計(jì)算方式。

該軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu),相關(guān)模塊主要有知識庫、標(biāo)準(zhǔn)件庫和CATIA工程圖模板；其中知識庫是按航空標(biāo)準(zhǔn)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(jù)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(jié)構(gòu)尺寸；然后程序根據(jù)工件基本尺寸和工件上、下偏差值，再調(diào)用航空標(biāo)準(zhǔn)（光滑極限量規(guī)公差標(biāo)準(zhǔn)），計(jì)算出量規(guī)的結(jié)構(gòu)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(gè)尺寸的計(jì)算部分。

2.2  知識庫設(shè)計(jì)

2.2.1  知識庫流程設(shè)計(jì)

該軟件設(shè)計(jì)程序由知識庫和標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)是按被測尺寸分段，按被測公差分等級設(shè)計(jì)的表格，查詢起來比較麻煩，也容易出錯(cuò)，因此，利用知識庫本身的特點(diǎn)，將人工進(jìn)行光滑極限量規(guī)設(shè)計(jì)時(shí)需要查詢的許多表格采用判斷、循環(huán)的算法嵌套在設(shè)計(jì)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(dòng)判斷檢索表中的某一組數(shù)值進(jìn)行計(jì)算。

圖3  知識庫總流程

圖4  塞規(guī)公差計(jì)算流程

圖5  塞規(guī)公差計(jì)算子流程

流程設(shè)計(jì)主要依據(jù)數(shù)學(xué)方法——插值法進(jìn)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(jié)構(gòu)，然后按光滑極限量規(guī)公差標(biāo)準(zhǔn)中的尺寸段和公差等級將表格中的數(shù)據(jù)嵌套在插值法結(jié)構(gòu)中，完成計(jì)算部分的程序。

標(biāo)準(zhǔn)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(shí)生成二維工程圖，作為標(biāo)準(zhǔn)的通用模板，通過改變?nèi)S模型的相關(guān)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)模型，同時(shí)可以同步更新相對應(yīng)的二維工程圖，從而實(shí)現(xiàn)新的量具的設(shè)計(jì)。

2.2.2  設(shè)計(jì)程序的編輯

本程序中所包含的數(shù)據(jù)類型有數(shù)值型和字符型兩種，依據(jù)TDS系統(tǒng)本身的計(jì)算程序，首先定義所有的變量，并添加屬性，每一個(gè)變量由一個(gè)或任意多個(gè)數(shù)據(jù)組成；再按照之前設(shè)計(jì)好的知識庫流程，對每個(gè)流程、子流程進(jìn)行參數(shù)的編輯，賦予相應(yīng)的字符或公式；其中將紙質(zhì)版的《光滑極限量規(guī)公差標(biāo)準(zhǔn)》表嵌套在相應(yīng)的公式中，進(jìn)行計(jì)算；最終計(jì)算出光滑極限量規(guī)的公差。

2.2.3  程序的應(yīng)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(shè)計(jì)、制造與驗(yàn)收。也可作為其它類型量具設(shè)計(jì)的參考。

2.3  標(biāo)準(zhǔn)件庫的設(shè)計(jì)

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(biāo)準(zhǔn)化，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，分別按類按尺寸段建立相應(yīng)的參數(shù)化三維模型，并在CATIA工程圖中生成相對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)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(qū)動(dòng)二維工程圖，完成量具的完整設(shè)計(jì)。

3  實(shí)例操作

3.1  光滑量規(guī)公差計(jì)算實(shí)例

以某產(chǎn)品上的Ф21.06+0.0070孔為例,設(shè)計(jì)其專用的光滑塞規(guī)，其具體操作步驟如下:

程序運(yùn)行時(shí)的界面如圖6，其中中間部分左邊為整體的設(shè)計(jì)流程，右邊為具體的操作界面；首先選擇量規(guī)的計(jì)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(jié)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(shí)計(jì)算結(jié)果也可以導(dǎo)出報(bào)告及打印。

圖6  應(yīng)用程序的用戶界面

圖7  參數(shù)輸入界面

圖8  最終結(jié)果界面

3.2  光滑量規(guī)繪圖實(shí)例

根據(jù)以上計(jì)算的塞規(guī)通、止端尺寸，通過TDS系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)件庫選用相應(yīng)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(shí)更新CATIA工程圖標(biāo)準(zhǔn)模板中相應(yīng)的二維圖，最終完成該塞規(guī)的設(shè)計(jì)，見圖10。

圖9  三維模型

圖10  工程圖

4  結(jié)語

本文基于CATIA的光滑極限量規(guī)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，從量規(guī)的公差計(jì)算，到二維出圖，全部依據(jù)計(jì)算機(jī)完成，成功實(shí)現(xiàn)無紙化辦公；尤其對于剛接觸量具設(shè)計(jì)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(dú)立完成光滑極限量規(guī)的設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖,有效地提高了專用量具的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量；同時(shí)也提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率,可在產(chǎn)品批量生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。

本文來源：《企業(yè)科技與發(fā)展》：http://00559.cn/w/qk/21223.html