检具智能化CAD设计程序开发研究

　　本文介绍了开发检具设计智能化CAD程序的相关内容。

　　功能量规、光滑极限量规、变螺矩螺纹量规以及锥度芯棒等常用检具的设计在工装设计中的应用相当广泛和频繁。这些检具通常是按照国标和厂标来进行设计，它们的共同点是有一定的设计原则和计算规则可依，但是这些标准相当复杂，计算过程也很繁杂，容易出错，特别是变螺矩螺纹量规设计的齿轮配对计算是一个非常耗时间的工作。开发这套程序来进行检具的智能化设计，就是基于以上这些原因。

　　量身定制的功能软件

　　该软件是工程计算软件，涉及到大量数据，但考虑到程序的可移植性，我们全部使用了数组代替传统的数据库技术，所以无需额外的支持文件，可执行程序编译为单个文件Mechanic Solution.exe，大小为1.4M左右，在合适的系统环境下，无需安装，拷贝即可运行，属中小规模“绿色”应用软件。这套软件采用微软先进的开发工具Visual Studio.Net套装中的Microsoft Visual Basic.NET软件开发，采用模块化结构，根据对应的国标和厂标，结合本科室设计人员多年的设计经验以及本厂工装制造水平量身定做，实现了全部要求的功能。

　　在程序编制过程中，我们灵活地运用了Visual Studio.Net引进的各项新技术，使得程序界面更加生动，使用也更加便利。例如，ErrorProvider是一个错误提示控件，用来检测各文本框的输入是否符合要求，并及时地给出闪烁的提示符号，使程序运行更加简练，避免了使用以往常用的popup一样恼人的消息窗口，并通过编程来控制ErrorProvider的行为，用它来标识一些控件的状态，如用在radiobutton控件上来标识其点击状态，改进了默认设置在湛蓝色背景下显示不清楚的弊端。另外，为配合整体界面方案，采用LinkLabel和Group控件，再结合刚才所提到的ErrorProvider控件实现了传统的选项卡的功能。

　　软件的运行环境是Windows2000、WindowsXP以上，且需安装MS.Net Franework通用架构。程序运行时约占内存20M左右，视所打开的子窗口多少变化。程序说明及特点：

　　1.软件命名为“aboy solutions:Mechanic Solution”，程序采用MDI框架集成模式，同时打开子窗口的数量不受限制;

　　2.包括四大集成模块：功能量规设计、光滑极限量规设计、变螺矩螺纹量规设计的齿轮配对计算以及锥度芯棒设计，这分别对应了工具栏左侧的4个按钮图标;

　　3.中间4个按钮用于子窗口排列：垂直方向、水平方向排列，层叠以及复原窗口大小，最后一个关闭按钮具有关闭子窗口和退出整个程序的功能，并收理内存垃圾，它的关闭原则是先关闭当前激活的子窗口，子窗口被关闭时，则退出整个程序;

　　4.为配合不同人的需要，软件特意设计了具有同样功能的英文菜单;

　　5.状态栏有版本信息，便于软件更新升级，现行版本为V1.3;

　　6.程序在各项功能上的设计充分体现了人性化设计理念。

　　软件各模块功能

　　由于检具设计相当专业化，设计原则复杂，特别是功能量规的设计，为避免输入错误，本软件采用.NET的异常处理机制以及大量联动和输入防错设计，使软件运行稳定可靠，不会出现“运行时”错误。采用框架结构也便于日后增添新的功能，而不破坏程序界面的整体性，故其功能具有可扩展性。下面对各个模块进行具体阐述：

　　1.功能量规设计(GB/T 8069-98)

　　功能量规是整个软件中最为复杂的部分，主要是因为它设计原理复杂，很多人都无法理清其头绪，比如共同检验和分别检验的选择，各项公差的含义和用途，基准类型的正确选用等，以往技术人员进行设计时演算过程通常会写满一页16K的稿纸，因此这项工作是十分头痛且耗时的。这套软件就很好地解决了诸如此类的问题。只要进行合适的选取，输入各项数据，就可以自动生成检验部位、定位部位和导向部位的尺寸以及磨损极限等。

图1 功能量规设计模块运行界面

　　此模块大致有两页可随时切换的运行界面，第一步选择合适的基准类型，运行界面见图1，基准的选择是“一个平面和一个中心要素”。程序的最终运行界面见图2。

图2 功能量规设计模块最终运行界面

　　在图2中，待测孔是一组φ15.5mm的螺栓孔，选用厂标自由公差，程序自动根据我厂的技术标准生成为+0.24/-0.12mm，待测位置度是φ0.4mm，它的定位基准是一个φ20.5H7的定位孔和一个平面。此例中，我们首先在“Data Selecting”页面中选取了“一个平面和一个中心要素”，切换到“Data&Option”选项卡中，由于检测工艺已对定位孔另行检验，我们可以选择“依次检验”，检测部位通常采用插销形式以便于操作，根据结构需要，我们使用带台阶的导向结构，由于待测要素和定位要素都是孔，故检验部位和定位部位选项我们都选用“外要素”，被测要素自然是“有基准或成组要素”，定位和待测孔的上下公差自动生成。定位孔的上下偏差是按照H7来提供默认值。通过这些必要的设置后，执行计算立即在右下角的output窗口显示相应的计算结果：检验部位尺寸、定位部位尺寸、检验部位的导向部位尺寸、检验部位定向公差、定位部位定向公差、导向部位固定件的定向公差、导向部位台阶的同轴度以及导向部位的配研间隙0.005mm和间隙磨损极限0.037mm。

　　2.光滑极限量规(Q/WC 6092-6095 1996)

　　光滑极限量规的设计应用更为广泛，它包括常用的通止端塞规、卡规和样板，甚至是一些量棒也适用此类计算规则。

　　本软件模块采用国家新的公差和配合标准，除了提供通止端的尺寸和磨损极限外，对于常用的锥柄圆柱塞规也按照国家标准结构提供详细尺寸。这些工作在过去采用手工查表计算，相当烦琐，光是需要查询的数据就多达20多项。由于通常的技术标准数据只给出了标准公差带的参考查询数据，对于应用于非标公差的光滑极限量规只有采用差值法计算才会得到精确数据，而这项工作对于计算机来说是轻而易举的。

　　此模块的编程工作中遇到大量的数据处理问题，由于数据的依据是国家技术标准，数据量大，且这些数据在使用过程中无需更改，只需一次正确录入即可，因此，为了保证程序的可移植性，我们没有使用数据库，使得软件的使用更为简练。运行界面见图3。

图3 光滑极限量规运行界面

　　由图3可知，软件分输入区(左侧)和输出区(右侧)两部分，数据输入也很简单，通常只需要提供基本尺寸和公差带代号，上下偏差可选择国标或厂标自动生成，但非标公差需手动输入，其他选项都有默认设置。这也是这套软件的通用风格，用户根据需要做少许改动即可。软件同样对输入数据提供错误检测，其他模块一样完善。输出结果为通止端尺寸、通端磨损极限和锥柄圆柱塞规选用的手柄型号及标准。我们在进行非标公差带塞规设计的计算时，应该选用插值法，只需选中“Caluate Option”中的”使用插值法”选项即可，相比手工计算更方便、准确。输出区的量规结构示意图随着量规用途而改变，用户可选择孔用或轴用，对应的示意图就是塞规或卡板形式。对于最常用的锥柄圆柱塞规按照国家标准给出了详细的结构尺寸，供参考。另外，对有特别精度要求的用户，软件允许改变输出结果的精度，这通常适用于非标公差的量规设计。

　　3.变螺矩螺纹量规齿轮配对计算

　　螺纹量规的设计通常要求消除间隙，为此，一般是设计成变螺矩螺纹量规，在制造过程中需要提供一组啮合齿轮的配对参数。齿轮配对计算相当复杂，它是一个筛选计算，就是根据所给的理想传动比，通过筛选法进行精确匹配，以找到合适的齿轮齿数，每组4个(Z1、Z2、Z3和Z4)，计算传动比的公式为z=(Z1×Z2)/(Z3×Z4)，筛选计算公式为：

　　︱z-理想传动比︱≤允差

　　其中允差即匹配计算的精确度，由程序或人为控制默认设置为0.0001，注意，如果程序未能匹配出任何结果，说明设置的允差太小，应适当增大再重新计算。此模块运行界面见图4。

图4 齿轮配对计算模块运行界面

　　图4中选择了快速计算，就在549081组数据中找到符合要求的匹配数据共40组，每组数据传动比与设定的3.56相差不超过0.001。程序推荐了最为精确的一组数据，具体选用还需考虑实际情况，比如现有加工条件无法提供所需的齿轮齿数等。计算结束后，用户双击任意一行数据，程序会显示此组数据的计算结果。程序所完成的工作量很大，如果手工计算大概需要半天的时间，而且不可能做到如此精确。此软件模块在工装设计工作中得以应用，节约了大量宝贵时间，获得了很好的效果。

　　4.锥度芯棒设计

　　带有锥度的芯棒作为辅助测量工具，在协配件检验时经常用到，因为工件上有中心孔，无法直接固定在顶针上，比如，对齿轮端面跳动的检测，就需要借助芯棒来将它定位在工作台上回转检测。锥度芯棒必须具备的几个特点是：首先芯棒必须具有良好的制造精度，特别是对两端中心孔的跳动;其次还必须要和工件精密配合以消除配合间隙，提高测量精度。芯棒的设计原理并不复杂，但手工计算通常令人头昏脑胀，利用计算机快速精确地计算就有很大的优势。该程序模块的运行界面见图5。

图5 芯棒设计模块运行界面

　　由图5可知，程序是根据所提供的被测孔的尺寸、被测孔可能有的锥度以及孔深要求进行设计，程序设置有3种设计模式，按锥度、按总长或者按锥度和总长进行优化设计，图中就是选择的优化设计方案，它是在锥度1∶3000到1∶500之间、长度150～300mm之间进行匹配，计算结果是锥度1∶2200、总长为200mm的芯棒符合要求。输出窗口给出了一些必要的尺寸，如距大端10mm处的尺寸、芯棒长度和锥度，制造的芯棒就是检测这3个尺寸来保证精度，芯棒的制造公差0.025mm是根据我厂的实际制造水平来定。程序还提供了一些参考的辅助尺寸，如大端余量尺寸10和倒角以及推荐使用的两端中心孔的型号等，这些尺寸可以改变，但总长也应进行相应的缩短或加长。值得注意的是，用户可以利用软件计算的方便快捷，不断调整设计参数，直到计算结果更合理。

　　结语

　　综上所述，检具设计智能化软件是为我公司的工装设计工作量身定做的一套实用软件。该软件不仅做到了与我们的设计工作要求相符合，在很多技术方面结合公司的实际情况和制造水平，还很好地融入了我们多年的工装设计经验。目前，该软件已经在相关部门推广使用，得到了一致好评。