田 源，張翠霞

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

引言

變量化設(shè)計既保持了參數(shù)化設(shè)計的特點，如某一特征和結(jié)構(gòu)尺寸的變化會引起其他特征和尺寸的改變以形成目標(biāo)圖形，又避免了許多參數(shù)化的不足，使設(shè)計人員在大體結(jié)構(gòu)不變的情況下不必進行重復(fù)設(shè)計，從而形成符合生產(chǎn)要求的圖紙[1]。國外對于變量化設(shè)計的研究比較成熟，但在實際應(yīng)用過程中仍存在算法上的問題，需要通過快速求解來滿足不同行業(yè)上設(shè)計者的要求[2]。 國內(nèi)關(guān)于變量化技術(shù)的研究，基本有以下兩個方面[3-5]：第一，利用現(xiàn)有CAD、CAE工具進行結(jié)構(gòu)變量化分析設(shè)計，或進行二次開發(fā)。第二，理論、算法的研究，主要是研究有效的算法。但當(dāng)前變量化設(shè)計技術(shù)只局限于零部件結(jié)構(gòu)的變量化，未實現(xiàn)自動化裝配，且通常是一種形式的零部件對應(yīng)一個快速設(shè)計系統(tǒng)，設(shè)計效率低，不能方便地輸入。

Solid Edge軟件有著廣泛的用戶群和應(yīng)用基礎(chǔ)，有非常強大的零部件設(shè)計功能，而且在它的裝配環(huán)境及零件設(shè)計中集合了一個基于結(jié)構(gòu)特征的尺寸變量表，且每個變量均可由設(shè)計者進行編輯，以生成不同的設(shè)計方案和設(shè)計圖紙來滿足其不同的要求。本文采用Solid Edge的這一設(shè)計功能，對卷筒進行模塊劃分，并根據(jù)模塊中的結(jié)構(gòu)特征和尺寸驅(qū)動關(guān)系劃分了變量類型，建立變量間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和驅(qū)動關(guān)系，并利用它們的關(guān)聯(lián)關(guān)系和驅(qū)動關(guān)系，應(yīng)用單變量求值的方法使主動變量從部件到零件來驅(qū)動被動變量，實現(xiàn)了卷筒的快速設(shè)計。

1 Solid Edge中變量化技術(shù)實現(xiàn)方法的研究

1.1 利用Solid Edge的變量表實現(xiàn)變量化設(shè)計

由于Solid Edge集成了強大的變量表設(shè)計功能，如下頁圖1所示，其零部件的所有尺寸變量都可在“變量表”中體現(xiàn)，包括“變量”和“同級變量”。在“實體零件”的環(huán)境下，只有“變量”可用，而在“裝配”的環(huán)境下，二者均可用，“變量表”類似于數(shù)字表格，用戶可以自己來定義各種類型的變量，并與被動變量以公式或函數(shù)來建立關(guān)系，通過改變用戶自定義的變量來驅(qū)動零件或裝配體模型。

使用變量表可以實現(xiàn)以下功能：

1）定義變量，如下頁圖1中，Dim CL_L8為 25 mm；

2）用公式或函數(shù)驅(qū)動尺寸，如圖1中，Dim V690為CL_L5-CL_S3-CL_h3*2-20；

3）通過使用“復(fù)制鏈接”與“粘貼鏈接”，建立零部件間的尺寸變量鏈接關(guān)系。

圖1 Solid Edge變量表

利用Solid Edge變量化方法，用戶只需改變某些關(guān)鍵尺寸，便可形成目標(biāo)零件，從而達到快速設(shè)計的目的。

1.2 利用Solid Edge程序?qū)崿F(xiàn)變量化設(shè)計

利用Solid Edge程序?qū)崿F(xiàn)變量化設(shè)計，即利用Solid Edge二次開發(fā)的接口，利用Solid Edge的內(nèi)部層次對象結(jié)構(gòu)，在外部開發(fā)程序中來對零部件的結(jié)構(gòu)和尺寸變量進行驅(qū)動，由程序控制零部件的尺寸及特征。零件模型改變時，只需對所編程序稍加修改?？梢酝ㄟ^“變量集合對象”和“變量對象”實現(xiàn)對自定義變量的創(chuàng)建和編輯。變量集合對象提供了Edit、GetFormula、GetName、PutName、Query和Traslation等方法，變量的對象層次結(jié)構(gòu)如圖2所示[6]。

圖2 變量的對象層次結(jié)構(gòu)

1.3 利用Excel驅(qū)動Solid Edge實現(xiàn)變量化設(shè)計

利用Excel驅(qū)動Solid Edge實現(xiàn)變量化設(shè)計，首先在Solid Edge中建立零部件的三維模型并確定變量關(guān)系，然后利用外部程序和Excel自身的數(shù)據(jù)鏈接功能將Excel中的數(shù)據(jù)與Solid Edge變量表中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，通過獲取用戶輸入的值來修改Excel中相應(yīng)的數(shù)據(jù)來驅(qū)動變量表，實現(xiàn)在不改變零部件結(jié)構(gòu)的情況下，修改其尺寸變量。由于每種類型的卷筒各零部件結(jié)構(gòu)和計算方法有所差異，故這里將不同類型卷筒的變量編制到不同的Excel表中，每個Excel都包括了完整的變量驅(qū)動和校核計算內(nèi)容。

在Solid Edge中利用變量表實現(xiàn)變量化設(shè)計，用戶只需通過零部件內(nèi)部的變量表來修改變量，便可控制零件模型的形狀和尺寸，但是這種方法只適用于結(jié)構(gòu)比較簡單的小部件，在結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況下，這種操作較為復(fù)雜，設(shè)計效率低。

采用Solid Edge二次開發(fā)程序進行零件設(shè)計，這是一種完全依靠后臺程序進行的變量化設(shè)計，但要完全應(yīng)用二次開發(fā)來驅(qū)動零部件的特征和尺寸，編程工作量大，驅(qū)動速度慢，且程序適用范圍窄。

在Solid Edge環(huán)境下，通過在三維環(huán)境中建立模型，并利用Excel VBA驅(qū)動Solid Edge進行三維變量化設(shè)計，既避免了修改零部件變量表的繁瑣操作，而且編程量也不大，且通用性強，不同的零部件都可用一種程序框架來進行驅(qū)動。

2 變量化技術(shù)在卷筒快速設(shè)計中的應(yīng)用

本文將三種設(shè)計方法相結(jié)合，將復(fù)雜的設(shè)計計算利用程序來實現(xiàn)，使得界面清晰、操作方便，達到卷筒組快速設(shè)計的目的。

2.1 變量化設(shè)計在卷筒組零部件建模中的應(yīng)用

在卷筒組的零件設(shè)計中，基于Solid Edge變量化建模流程如圖3所示，其過程是通過建立用戶界面，由用戶在界面中輸入全局參數(shù)，利用Excel數(shù)據(jù)表及零部件變量表建立參數(shù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，由全局參數(shù)和主動變量來驅(qū)動被動變量，從而來驅(qū)動零部件的尺寸數(shù)據(jù)，生成目標(biāo)模型。

圖3 基于Solid Edge變量化建模流程圖

2.2 變量化設(shè)計在卷筒組裝配中的應(yīng)用

在Solid Edge裝配環(huán)境中，提供了10種裝配關(guān)系，它們分別是：匹配、連接、面對齊、角度、軸對齊、相切、插入、平行、快速裝配、符合坐標(biāo)系等。用戶可以利用裝配命令，方便地實現(xiàn)零件之間的裝配。在Solid Edge中，多層裝配體下零件間的裝配關(guān)系如圖4所示。

圖4 多層裝配體下零件間裝配過程

在裝配過程中，僅用零部件的基準(zhǔn)面來進行裝配是不夠的，有時需建立基準(zhǔn)面的平行面，其位置是根據(jù)卷筒組零部件的幾何關(guān)系來確定的，所以建立平行面時產(chǎn)生的尺寸變量也需與用戶變量建立關(guān)系，使其平行面的位置隨著卷筒組零部件的幾何關(guān)系的變化而變化。

2.3 變量化設(shè)計在卷筒組二維工程圖中的應(yīng)用

雖然目前國內(nèi)外部分企業(yè)可以使用電腦繪制的三維模型來直接進行生產(chǎn)指導(dǎo)，但對于大部分企業(yè)來說，二維工程圖仍然是設(shè)計人員與車間加工工人之間的重要交流資料，因此，二維工程圖的自動生成功能是必不可少的。在卷筒組設(shè)計中，需要的二維圖紙既有零件的二維圖，也有部件和整體裝配的二維圖。

變量化工程圖開發(fā)流程如圖5所示，其主要過程為：第一，對零部件的三維模型進行變量化設(shè)計，并最終完成符合生產(chǎn)要求的三維模型，并形成更新后的模型信息文檔。第二，建立符合企業(yè)的工程圖模板，并進行視圖投影和局部視圖、放大視圖、剖面視圖的表達。第三，利用變量化技術(shù)更新原始的零部件工程圖，形成正確的零件工程圖。第四，對三維裝配體的模型圖進行投圖，并利用工程圖處理器，生成正確的裝配體工程圖。

其中標(biāo)注的坐標(biāo)點是從外部數(shù)據(jù)文件2來獲取的，外部數(shù)據(jù)文件2的編寫是依據(jù)卷筒組零部件的幾何關(guān)系來確定的，所以需與圖5中的外部數(shù)據(jù)文件1建立鏈接關(guān)系。

圖5 變量化工程圖開發(fā)流程

3 卷筒快速設(shè)計系統(tǒng)的研究與開發(fā)

這里所述卷筒組是卷繞起升或牽引用單層卷繞鋼板卷焊標(biāo)準(zhǔn)繩槽的卷筒組。目前經(jīng)常使用的各種卷筒組，按照與減速器的連接形式可分為如下5種類型：球面滾子聯(lián)軸器卷筒組、球鉸聯(lián)軸器卷筒組、開式齒輪卷筒組、鼓形齒聯(lián)軸器卷筒組、套轉(zhuǎn)軸卷筒組，其模塊規(guī)劃具體如圖6所示。各種類型卷筒組的區(qū)別主要是集中體現(xiàn)在與減速器連接組件的構(gòu)造形式不同，故結(jié)構(gòu)形式比較固定，適合變量化設(shè)計。

圖6 卷筒模塊劃分形式

開發(fā)本系統(tǒng)的目的是在卷筒組設(shè)計中利用變量化思想縮短卷筒組的設(shè)計周期，提高工作效率。系統(tǒng)在設(shè)計時，首先考慮用戶的操作流程，并確定系統(tǒng)方案，完成系統(tǒng)的開發(fā)。用戶操作流程如圖7所示。

圖7 用戶操作流程圖

圖8 為結(jié)構(gòu)選擇界面，用戶可分別對卷筒出繩形式、聯(lián)軸器形式、法蘭板形式、軸承座形式、右半軸形式、軸端件形式、鋼絲繩壓板的形式進行選擇，選擇完成后，點擊“產(chǎn)品樹”顯示，則通過讀取卷筒組結(jié)構(gòu)XML文件生成一個樹狀結(jié)構(gòu)，樹中的每個節(jié)點都代表一種模塊，鼠標(biāo)選中后，可以顯示其下屬結(jié)構(gòu)等信息，并在結(jié)構(gòu)示意圖預(yù)覽欄自動顯示出相應(yīng)的二維與三維結(jié)構(gòu)示意圖，方便用戶及時查看。

在圖8中結(jié)構(gòu)選擇完畢后，點擊“下一步”，進入變量顯示界面，如圖9所示。在此界面中，顯示出設(shè)計卷筒組時需要的關(guān)鍵參數(shù)，雙擊想要修改的參數(shù)，進入變量修改界面，如圖10所示，可對關(guān)鍵參數(shù)進行修改，參數(shù)修改完成后，點擊“驗算尺寸”，驗算合格后，便可對聯(lián)軸器的型號進行選擇。

圖8 結(jié)構(gòu)選擇界面

圖9 變量顯示界面

圖10 變量修改界面

下頁圖11為聯(lián)軸器選擇界面，選擇卷筒的工作級別后，自動顯示出符合條件的聯(lián)軸器型號，用戶可選擇需要的聯(lián)軸器。完成后，點擊圖9中“更新模型”按鈕，生成用戶需要的零部件三維模型，如下頁圖12所示。

圖11 聯(lián)軸器選擇界面

圖12 卷筒組三維模型

圖13 卷筒組二維工程圖

確定三維模型正確后，點擊圖9中的“二維轉(zhuǎn)換”按鈕，用戶選擇對應(yīng)的三維模型，系統(tǒng)會自動投圖和對二維圖進行尺寸標(biāo)注等，生成用戶需要的零件二維圖，如圖13所示。

在卷筒組快速設(shè)計系統(tǒng)中，用戶可以根據(jù)自己的需要改變輸入的變量值，生成所需規(guī)格的卷筒組二維圖與三維圖，可以提高設(shè)計效率，使設(shè)計人員投入到新產(chǎn)品開發(fā)當(dāng)中。

4 結(jié)語

本文結(jié)合VB.NET技術(shù)開發(fā)了卷筒快速設(shè)計系統(tǒng)，在Solid Edge環(huán)境下，利用變量化設(shè)計思想，將分析校核計算與零部件的設(shè)計有機結(jié)合起來，并實現(xiàn)了模型裝配變量化與二維工程圖變量化，從而有效解決了參數(shù)變化時模型重建的問題，提高了設(shè)計者的設(shè)計效率，縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期。但基于Solid Edge的二次開發(fā)作為一個新興的研究與實踐領(lǐng)域，還有許多問題要探索，在后續(xù)的工作中將以各種工程機械為研究對象，將變量化技術(shù)應(yīng)用到更廣闊的機械領(lǐng)域中。

[1] 貢智兵.基于產(chǎn)品平臺的快速設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)研究及實現(xiàn)[J].南京理工大學(xué),2006(10).

[2] Roller D. An approach to computer aided parametric design[J]. Computer-Aided Design,1991(5):385~391.

[3] 徐千理.基于結(jié)構(gòu)模板參數(shù)化設(shè)計與變量化分析的液壓機主機模塊化設(shè)計研究[D].天津大學(xué),2002(1).

[4] 陳永亮,徐燕申,徐千理,等.變量化分析的原理及其在機械產(chǎn)品快速設(shè)計中的應(yīng)用[J].機械設(shè)計.2002(3):6-8.

[5] 賈寶璽,黃毓瑜.組合式變量化設(shè)計的研究及應(yīng)用[J].機械設(shè)計.2004(7):22-23.

[6] 李啟炎.Solid Edge二次開發(fā)高級指南[M].上海:同濟大學(xué)出版社,2000(9).