黑留民，馬 偉，劉紅彬，張?zhí)炫e

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

軸承的設計質量和設計效率直接影響其可靠性、壽命以及整個軸承生產周期。通過研制基于三維CAD的軸承設計專用系統(tǒng)，可提高軸承設計的準確性和工作效率，促進軸承設計水平的提升，因而有助于提升軸承企業(yè)的核心競爭力。CAXA實體設計是目前國內使用較為廣泛的CAD軟件，其二次開發(fā)平臺能夠方便地調用和修改系統(tǒng)的已有功能，并具有開放式的體系結構[1]。在CAXA實體設計二次開發(fā)平臺上開發(fā)軸承參數化設計專用系統(tǒng)，不僅可以拓展CAXA實體設計功能，還可以大大提高軸承的設計效率，進而達到針對性強、效率高、響應速度快的設計效果。

1 二次開發(fā)環(huán)境

二次開發(fā)平臺是三維數字化設計軟件的重要組成部分，CAXA實體設計的開放式體系結構允許其與各類型數據以及第3方軟件以不同的形式集成[2]，從而拓展系統(tǒng)的功能和使用范圍。

1.1 集成方案的選擇

CAXA實體設計的集成方案從集成的耦合程度劃分，如圖1所示。其中第1，2層次都屬于松耦合方式；第3個層次是在封裝算法之后，再通過ICAPI(IronCAD Application Programming Interface)接口使DLL與CAXA實體設計連接；而第4個層次則是直接利用ICAPI提供的大量接口函數進行用戶程序的編寫，將第3層次集成進行了推廣，是用戶程序和數據與CAXA實體設計耦合程度最高的一種集成方式，也是最有效的專用化開發(fā)方式[3]。

圖1 CAXA實體設計的集成方案

本系統(tǒng)選用基于COM組件的集成方案，使用CAXA實體設計提供的二次開發(fā)接口(ICAPI)，通過COM組件加載接口集成應用系統(tǒng)。使用戶可以根據需要訪問系統(tǒng)的各項功能和底層數據，并利用第3方開發(fā)工具來擴展其功能，達到用戶程序與CAXA實體設計的無縫集成。

1.2 參數化設計方法的確定

CAXA實體設計主要提供了3種參數化設計功能[4]，如圖2所示。

圖2 CAXA實體設計的參數化設計方法

系統(tǒng)利用ICAPI來實現(xiàn)零件的參數化設計。首先構建軸承零部件的三維模型，并定義其參數構成和關聯(lián)約束；然后，利用VC++ 語言構建由軸承設計流程導航的設計過程環(huán)境，按零部件生成順序并從預建的數據庫中調用設計參數驅動三維模型。

系統(tǒng)采用編程方式構建軸承零部件的實體模型，CAXA實體設計的ICAPI創(chuàng)建實體是采用自上而下的設計方法。其創(chuàng)建零件三維模型時根據不同零件的特征采用不同的方式：如軸承內、外圈和滾動體等零件，其三維模型是在其二維草繪(IZProfile)基礎上繞回轉軸線旋轉(IZSpinFeature)而創(chuàng)建，而保持架等復雜零件的三維模型是三維實體(IZPart)通過面域拉伸(IZExtrudeFeature)、旋轉陣列等方法創(chuàng)建。

裝配體生成使用ICAPI的坐標轉換機制[5]，通過獲得子坐標系相對于其父坐標系的變換矩陣，在獲取零部件的錨點坐標后，依據裝配關聯(lián)關系改變零件的位置完成裝配。

1.3 應用程序接口(ICAPI)

作為CAXA實體設計與外部應用程序之間的接口，ICAPI是一系列函數的集合，這些函數提供了程序員直接訪問CAXA實體設計的能力。通過調用這些函數，用戶可以建立模型，查詢模型對象，遍歷裝配體，創(chuàng)建工程圖，在主界面中創(chuàng)建交互式程序界面，創(chuàng)建并管理用戶定義對象等。

CAXA實體設計的三維設計和二維繪圖文檔分別對應著ZIronCADSceneDoc對象和ZTDDrawingDoc對象，而這些對象則包含在ICAPI對象的基類ZIronCADApp中。ICAPI的每個對象都支持一系列的接口，這些接口包含了一組用來操作、查詢和創(chuàng)建它們包含的對象的函數。

2 軸承主參數的優(yōu)化

下面以深溝球軸承為例，介紹優(yōu)化設計的過程。

2.1 優(yōu)化設計的數學模型

當軸承以疲勞壽命來考核時，以軸承的基本額定動載荷Cr最大為優(yōu)化目標。目標函數為：

(1)

式中：Dpw為球組節(jié)圓直徑；Z為球數；Dw為球徑;bm為材料系數，此處取bm=1.3；fc為載荷系數，其與Dw/Dpw值有關；Cr的大小由Dw，Dpw和Z的取值決定，因此將Dw，Dpw和Z作為軸承優(yōu)化設計主參數，即設計變量X=[x1，x2，x3]T=[Dw，Dpw，Z]T。

則其目標函數變?yōu)椋?/p>

F(X)=F(x1，x2，x3)

2.2 約束條件

(1)球徑

Kwmin(D-d)≤Dw≤Kwmax(D-d)

即，g1(x)=x1-Kwmin(D-d)≥0

(2)

g2(x)=Kwmax(D-d)-x1≥0

(3)

式中：D為軸承外徑；d為軸承內徑；Kwmin，Kwmax分別為球徑系數的最小值和最大值，由試驗或經驗獲得。

(2)球組節(jié)圓直徑

0.5(D+d)≤Dpw≤0.515(D+d)

即，g3(x)=x2-0.5(D+d)≥0

(4)

g4(x)=0.515(D+d)-x2≥0

(5)

(3)填球角

180°≤Φ=2(Z-1)arcsin (Dw/Dpw)≤186°

(4)球數

即，g5(x)=x3-180Kzmin-1≥0

(6)

g6(x)=ΦmaxKzmax-x3+1≥0

(7)

(5)外圈最小壁厚

0.5(D-Dpw-Dw)-ξ(D-d)≥0

即,g7(x)=0.5(D-x2-x1)-ξ(D-d)≥0

(8)

式中：ξ為深溝球軸承外圈最小壁厚系數，取值應小于0.1。

2.3 求解

采用綜合約束函數雙下降(SCDD)法[6]，首先將目標函數轉化成f(X)=1/F(X)，變?yōu)榍笞钚≈祮栴}，即尋找一組最優(yōu)解向量X=[x1，x2，x3]T，使f(X)達到最小。

將以上約束函數構造一個綜合約束函數：

(9)

這樣，目標函數的可行域就可表示為：

G={X|X∈E，S(X)=0}

(10)

3 參數化設計系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能模塊劃分和程序流程圖

系統(tǒng)目標要求在輸入D,d及寬度B和軸承型號等的情況下，由系統(tǒng)檢索或計算出優(yōu)化設計的主參數，然后按照軸承設計文件編程，計算出各零件的詳細尺寸，并根據尺寸值檢索數據庫，查出相應尺寸公差、形位公差的參數，以生成三維零件模型、裝配模型和二維工程圖。圖3所示為系統(tǒng)流程圖。

圖3 系統(tǒng)流程圖

根據軟件開發(fā)需要實現(xiàn)的功能要求，軟件的結構分為以下5個模塊：

(1)優(yōu)化設計模塊。按照建立的軸承優(yōu)化計算數學模型及其求解方法編寫相應的計算程序，使系統(tǒng)能在獲得軸承外形參數和優(yōu)化算法計算系數后，經過程序直接得到優(yōu)化計算結果。然后，通過對計算結果的檢驗、修改后，獲得滿足用戶需求的最佳結果并存入數據庫中。

(2)檢索模塊。根據設計的軸承型號或給定的外形參數，通過不同的檢索方法，對數據庫中所有的型號和相應數據項進行檢索，得到優(yōu)化設計主參數及其他設計參數。

(3)軸承標準設計模塊。根據公式或者設計人員的經驗編寫軸承結構尺寸計算程序，將優(yōu)化設計計算或檢索得到的主參數輸入其中，得出結果。

(4)數據庫及接口模塊。系統(tǒng)中采用Access數據庫。在數據庫之上有數據庫訪問模塊，系統(tǒng)其他模塊與數據庫之間的操作都通過該模塊進行, 接口模塊采用ODBC技術實現(xiàn)。

(5)輸出模塊。在CAXA實體設計軟件下進行開發(fā)，利用計算模塊的輸出結果作為輸入數據，通過圖形軟件接口開發(fā)，將數據轉化為三維模型和二維工程圖輸出。

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

將CAXA實體設計安裝目錄下的ICAddinAppWizard.awx文件拷貝至VC++ 安裝目錄下指定文件夾，利用新生成的“ICAPI Add-in AppWizard”向導創(chuàng)建新的DLL工程。然后，為工程添加對話框及類并完成相應程序的編寫，以實現(xiàn)各系統(tǒng)模塊的創(chuàng)建及界面設計。編譯成功后，在CAXA實體設計中加載該工程后，系統(tǒng)最終實現(xiàn)。

圖4和圖5分別為深溝球軸承三維模型輸出界面及生成的球的三維模型。系統(tǒng)通過調用數據庫對零件所有設計參數以變量的形式向CAXA實體設計傳遞，利用ICAPI接口向CAXA實體設計發(fā)送繪圖指令生成模型，或對已有的模型參數進行修改，從而完成創(chuàng)建軸承零件的實體模型，球模型生成的部分程序如下：

圖4 深溝球軸承三維模型輸出界面

圖5 球模型輸出

……

StrSql.Format("SELECT * FROM 參數表 WHERE d=%d AND DD=%d ",intNEIJING,intWAIJING,strXINGHAO); //數據庫查詢程序

……

r= data.m_r; dm= data.m_dm；… //參數傳遞

IZPartPtr bePart;

IZSceneDocPtr beSceneDoc;

HRESULT hr;

hr=beSceneDoc->CreatePart(&bePart); //定義零件對象，創(chuàng)建零件

……

hr=beSceneDoc->CreateProfile(&beProfile); //創(chuàng)建草繪

……

IZPartFeatureMgrPtr beNewPartFeatureMgr = bePart;

IZSpinFeaturePtr beSpinFeature; //旋轉特征

……

圖6為深溝球軸承裝配后的三維模型輸出。軸承各零件設計完成后，點擊“生成裝配體”按鈕自動完成軸承裝配。系統(tǒng)運用VC++ 程序獲得軸承各零件錨點坐標，通過坐標轉換后，完成裝配體三維模型的創(chuàng)建。

圖6 深溝球軸承三維模型輸出

4 結束語

使用CAXA實體設計軟件與VC++ 語言編程相結合的方法來構建通用軸承CAD參數化設計系統(tǒng)，與軸承制造業(yè)的信息化要求相適應，并可以滿足軸承產品系列化設計的要求。本系統(tǒng)的實現(xiàn)，可提高軸承設計的可靠度及效率。