系列綜框專用件標準化設計與模型庫開發(fā)

(西京學院機械工程學院，西安 710123)

綜框是重要的紡織機械專用基礎件。隨著織造工藝的不斷發(fā)展，新型織機對于綜框的性能提出了更高要求。從發(fā)展歷程來看，綜框的技術進步主要表現(xiàn)在材質的變化，如木質、鐵質、鋁合金及復合材料綜框[1]。雖然綜框材質在不斷改進，但其基本的框架式結構卻一直未發(fā)生大的改變，即綜框在結構形式上具有高度的相似性。以往針對綜框的研究主要集中在工作性能方面，如綜框的運動特性、應力、形變分布以及動力學響應等，而在綜框的數(shù)字化模型開發(fā)方面則涉及很少，沒有充分發(fā)揮綜框在結構相似方面的設計優(yōu)勢，不利于提高綜框的研發(fā)效率和產(chǎn)品適應性。本文將參數(shù)化CAD建模和零件庫技術應用于綜框專用件設計，在系統(tǒng)級層面實現(xiàn)了綜框組件的模型庫開發(fā)，為綜框產(chǎn)品的標準化、參數(shù)化和系列化設計提供了重要參考。

1 綜框結構

受到織造工藝限制，綜框的結構均采用平面框架形式，其區(qū)別主要在于幅寬的不同，這一般是由織機機型來決定。無論哪種類型的綜框，主要結構都由橫梁、側擋、穿綜桿、導板及綜絲等構成[2]，如圖1所示，一般的綜框結構都呈對稱分布，上下橫梁與左右側擋形成主體結構，導板裝配于橫梁之上，穿綜桿與側擋、橫梁相連，綜絲安裝于穿綜桿之上?？棛C運行時，綜框作上下往復運動，通過綜絲拉動紗線形成梭口，在此基礎上完成引緯、打緯、送經(jīng)及卷取運動。

圖1 綜框結構簡圖

2 基本思路

機械產(chǎn)品的模型庫開發(fā)與CAD技術的發(fā)展密不可分。當前的一些主流三維CAD設計軟件具有強大的建模和二次開發(fā)功能，如CREO、Solidworks、UG、CATIA、CAXA等[3]，在產(chǎn)品模型的參數(shù)化設計、系列化設計和零件庫開發(fā)方面取得了巨大成功，并且在實際工程設計中得到了廣泛應用。

相對于傳統(tǒng)設計模式，通過零件庫技術能夠大大提高產(chǎn)品模型的設計效率與適應性[4]。如圖2所示的標準件模型庫開發(fā)流程，首先要對模型進行結構分析，確定零件建模特征及父子關系，然后利用三維CAD平臺進行特征建模，創(chuàng)建一個樣板模型，接著定義模型的設計參數(shù)、關系式等，實現(xiàn)樣板模型的參數(shù)化驅動與重建[4]。在此基礎上，用戶根據(jù)需求輸入相關參數(shù)，并通過參數(shù)化建模程序校驗參數(shù)的合理性，若校驗失敗，需對參數(shù)化模型進行重新編輯與修改；若校驗成功，則會派生出新的CAD模型，最后形成數(shù)字化產(chǎn)品模型庫。

圖2 模型庫開發(fā)流程

3 開發(fā)實例

3.1 綜框標準

以鋁合金綜框為研究對象，根據(jù)標準FZ/T 94009—2007，組成綜框的各零部件均具有相應的標準化參數(shù)。如表1所示橫梁標準參數(shù)，橫梁長度L與織機幅寬相關，實際當中可根據(jù)不同機型或用戶要求來確定具體尺寸；橫梁高度h包括9組可選參數(shù)，覆蓋尺寸區(qū)間為48～120 mm；相比之下，橫梁厚度t的選擇范圍較小，只有2組設計參數(shù)供選用。

表1 橫梁標準參數(shù)

綜框為組件結構，橫梁、導板、側擋及穿綜桿的結構尺寸之間均存在相應的匹配關系，如表2所示導板設計參數(shù)，由于導板裝配在橫梁之上，故要求其厚度必須大于橫梁厚度，對比可知，導板的厚度尺寸區(qū)間為11.8～23.8 mm，大于表1中的橫梁厚度尺寸，符合裝配設計要求。

表2 導板標準參數(shù)

3.2 參數(shù)化實現(xiàn)

不同于單一零部件的參數(shù)化設計，綜框組件要綜合考慮橫梁、導板、側擋及穿綜桿之間的裝配關系，首先需通過大量的分析與計算來確定一組合理的設計參數(shù)，對橫梁、導板、側擋及穿綜桿分別進行參數(shù)化設計[2]，然后按照裝配關系對各組成零部件的設計參數(shù)和驅動關系式進行關聯(lián)，在此基礎上才能實現(xiàn)綜框組件的參數(shù)化，這在很大程度上增加了綜框產(chǎn)品模型庫開發(fā)的難度及復雜性。

以導板的參數(shù)化設計為例，根據(jù)紡織行業(yè)國家標準FZ/T—94009，在CREO3.0平臺上設計導板三維CAD模型，如圖3所示，將導板結構尺寸用系統(tǒng)給定的參數(shù)替代，主要包括d0—導板厚度、d1—導板寬度、d2—導板高度、d6—導板槽寬、d7—導板槽深。根據(jù)導板與橫梁之間的裝配關系確定主動參數(shù)和從動參數(shù)，考慮到參數(shù)化模型的可控性，要求選擇的設計參數(shù)必須和其他尺寸、幾何約束之間能夠形成一個完整的封閉環(huán)[5-6]。

通過公用參數(shù)和驅動關系式對各零部件進行關聯(lián)，在此基礎上實現(xiàn)導板三維模型的參數(shù)化設計。由綜框結構可知，導板安裝于橫梁之上，故導板槽寬d6應與橫梁厚度相同，則公用參數(shù)為導板槽寬d6，所以在對橫梁進行參數(shù)化建模時，只需用d6代表其厚度尺寸即可。另外，導板在橫梁上的裝配位置也會隨綜框幅寬發(fā)生變化，因此還要針對導板的裝配設計一個參數(shù)化驅動關系式，在工具選項卡下選擇“關系”命令定義該關系式，如圖4所示，其中，d5、d8分別為兩個上導板到側擋內側的距離，為橫梁長度的三分之一；d11、d14、d17分別為3個下導板到側擋內側的距離。

圖3 導板CAD模型

圖4 導板驅動關系式

在工具選項卡下選擇“族表”命令，通過“添加/刪除列”按鈕添加“族項目”[7]，如圖5所示，將導板結構參數(shù)d0、d1、d2、d6、d7逐一添加至族表。根據(jù)需要對表2中的導板標準參數(shù)值進行排列組合，一共包括18組數(shù)據(jù)，并將其輸入至族表完成導板參數(shù)定義，形成基于“族表”結構的導板模型庫，如圖6所示，每一個參數(shù)對應有相應的標準值，用戶可根據(jù)實際需要選擇相應的導板設計實例，從“族表”中檢索和調用不同的導板參數(shù)化模型。

圖5 定義導板參數(shù)

圖6 導板族表設計與模型檢索

按照導板參數(shù)化建模思路，分別對橫梁、側擋及穿綜桿模型進行參數(shù)化和族表設計，并實現(xiàn)各零部件之間的關聯(lián)，對此不予熬述。在此基礎上，選擇一組基于參數(shù)化的CAD模型進行裝配設計，形成如圖7所示的參數(shù)化綜框樣板模型，為綜框組件的族表庫設計和系列化實現(xiàn)奠定基礎。

圖7 綜框樣板模型

3.3 模型檢索與調用

以各零部件的標準化參數(shù)為基礎[8]，建立基于參數(shù)化和“族表”模式的綜框組件模型庫，如圖8所示。為保證該模型庫能夠正確運行，對族表中的綜框組件模型派生過程進行校驗，如圖9所示，各系列綜框的派生模型全部能夠成功重建，說明該模型庫運行過程合理可行，具有較強的實用性。

實際使用過程中，用戶只需根據(jù)型號或設計參數(shù)對綜框模型庫進行檢索，如圖10所示，在檢索對話框中選擇一組參數(shù)或一個系列[9]，CREO系統(tǒng)便會調用內部參數(shù)派生出相應的綜框模型，如圖11所示，為從模型庫中調用的三種不同規(guī)格的綜框派生模型。通過綜框標準件模型庫，用戶不需要再對綜框進行重新建模和裝配設計，有效提高了綜框產(chǎn)品的建模效率和設計靈活性，為實現(xiàn)綜框產(chǎn)品的系列化、標準化設計與生產(chǎn)奠定了重要基礎。

圖8 綜框組件族表

圖9 派生模型校驗

圖10 檢索和調用綜框模型

圖11 綜框派生模型

4 結 語

隨著三維CAD建模技術的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計模式已逐漸被淘汰，特別是現(xiàn)代計算機輔助設計技術的日益成熟，為產(chǎn)品的數(shù)字化開發(fā)提供了有力支持。通過綜框組件的參數(shù)化建模與模型庫開發(fā)，實現(xiàn)了綜框產(chǎn)品的系列化、標準化設計，為綜框的產(chǎn)品改型和定制化設計提供了一個重要平臺，有利于綜框生產(chǎn)企業(yè)提高研發(fā)效率、降低產(chǎn)品成本。

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