基于CATIA的光滑極限量規計算機輔助設計

孫立力

【摘 要】隨著科技的不斷發展，制造業新技術也不斷涌現，其中工藝技術和產品檢測技術是制造業領域的核心部分。文章基于CATIA平臺，運用工裝快速設計系統（TDS系統）中的標準件庫建立參數化模型和知識庫編制光滑極限量規公差計算程序，并介紹了該軟件的設計架構、用途及優點。實例說明：用戶只需輸入被測尺寸的原始值及公差，該軟件便可以自動生成所需量規的設計尺寸。

【關鍵詞】制造;檢測技術;參數化

【中圖分類號】TG815 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2019）03-0117-04

0 引言

隨著科技水平突飛猛進，我國作為制造業大國，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，制造工藝水平有了很大的提升，同時檢驗技術也取得了顯著的進步。目前，以機械加工為主的行業，在專用工裝的設計方面，通常都采用二維軟件設計、繪圖、出圖和進行相關文件的保存管理。常見的軟件有AutoCAD、CAXA電子圖版等國產的CAD軟件，多數企業只是借助這些二維軟件進行出圖，沒有更深入地應用這些軟件。對于三維設計軟件，在工裝設計方面，使用的企業較少，沒有真正實現計算機輔助設計的作用。

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

1 光滑極限量規的設計要求

1.1 光滑量規的種類

光滑量規是控制工件的實際尺寸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（塞規、卡規、長度量規、槽寬量規）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。光滑量規的制造公差遵守泰勒原則，即不超極限設計。所以，光滑量規是一種不具備刻度的極限測量工具。一般光滑量規分為以下3類。{1}工作量規：生產工人和檢驗人員用來測量零件的量規。{2}驗收量規：訂貨方用來驗收零件的量規。{3}校對量規：用來檢驗工作量規和驗收量規的量規。

1.2 量規設計的原則

量規的精度比一般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。因此，為了保證產品的合格率，量規的設計與制造必須遵循以下原則。

（1）相似原則：一般情況下，量規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：量規的通端一般設計為全形量規，即測量面為面接觸，通規的尺寸等于被測零件的最大實體尺寸。

（3）止端原則：兩個測量面應是點接觸，止端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 極限量規的公差分布

1.3.1 孔用量規制造公差和公差帶的分布

孔用量規制造公差和公差帶的分布如圖1所示。

1.3.2 軸用量規制造公差和公差帶的分布

軸用量規制造公差和公差帶的分布如圖2所示。

1.4 量規的設計過程

極限量規的設計，首先判斷量規的類型（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。

2 光滑極限量規計算機輔助設計

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進行二次開發的基礎上，嵌入了TDS系統，形成了一款多功能的完整系統，從極限量規的類型原則、工作尺寸的設計、標準的查詢、公差的計算到三維參數化模型的建立、二維工程圖的驅動等數據處理，完全代替了傳統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、軸用量規、高度量規、長度量規和槽量規幾大類。

數據處理主要是在選定極限量規的類型前提下提取被測零件的必要的結構尺寸;程序根據工件基本尺寸和工件上、下偏差值，調用航空標準（光滑極限量規公差標準），計算出量規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設計時需要查詢的許多表格采用判斷、循環的算法嵌套在設計程序里面，具體體現在子流程里（如圖4、圖5所示）。由于子流程過長，只截取部分流程;軟件系統后臺會自動判斷檢索表中的某一組數值進行計算。

流程設計主要依據數學方法——插值法進行程序編制，知識庫里有自帶的程序編制方法，首先按照已知參數和被求參數搭建起插值法的結構，然后按光滑極限量規公差標準中的尺寸段和公差等級將表格中的數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中的參數化模塊建立的三維數字化模型庫，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，驅動模型，可以同步更新相對應的二維工程圖，從而實現新的量規的設計。

2.2.2 設計程序的編輯

本程序中所包含的數據類型有數值型和字符型2種，依據TDS系統本身的計算程序，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、子流程進行參數的編輯，賦予相應的字符或公式，將紙質版的《光滑極限量規公差標準》表嵌套在相應的公式中進行計算;最后計算出光滑極限量規的公差。

2.2.3 程序的應用

本程序適用于GB/T 1800.1和GB/T 1800.2規定的IT6至IT14級公稱尺寸為0.1～250 mm的孔或軸的量規及公稱尺寸為0.5～50 mm的槽用量規的使用、設計、制造與驗收，也可作為其他類型量規設計的參考。

2.3 標準件庫的設計

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

3 實例操作

3.1 光滑量規公差計算實例

以某產品上的φ21.06+0.0070孔為例，設計其專用的光滑塞規，其具體操作步驟如下。

程序運行時的界面如圖6所示，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。首先選擇量規的計算類型，即塞規、環規;其次輸入被測量尺寸及上、下偏差（如圖7所示）;最后輸出結果，即塞規的通端、止端尺寸和公差及磨損極限（如圖8所示）。計算結果可以導出報告及打印。

3.2 光滑量規繪圖實例

根據以上計算的塞規通端、止端尺寸，通過TDS系統中的標準件庫選用相應的塞規三維數字化模型，只需更改通端（DT）、止端（DZ）的值即可（如圖9所示）;同時，更新CATIA工程圖標準模板中相應的二維圖，最終完成該塞規的設計（如圖10所示）。

4 結語

本文基于CATIA的光滑極限量規計算機輔助設計，從量規的公差計算到二維出圖，全部依據計算機完成，成功實現無紙化辦公;對于剛接觸量規設計的人員，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的設計計算和繪圖，有效地提高了專用量規的設計效率和質量;同時，提高了產品的生產效率，可在產品批量生產中被廣泛地應用。

參 考 文 獻

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[責任編輯：陳澤琦]