李亮，王濤，盧衷正

（1.航天晨光股份有限公司，南京 211100; 2. 沈陽晨光弗泰波紋管有限公司，沈陽 110020）

0 引言

當(dāng)前，膨脹節(jié)產(chǎn)品工程圖的設(shè)計成為很多企業(yè)合同按時履約、提升設(shè)計質(zhì)量及效率的一種瓶頸或障礙，很多企業(yè)依然采用二維軟件進(jìn)行膨脹節(jié)設(shè)計，效率很低，并且還會面臨以下幾個問題：首先，二維產(chǎn)品設(shè)計過程中，很多產(chǎn)品的尺寸及零部件質(zhì)量需要手工進(jìn)行計算，這樣不僅工作繁雜并且容易出錯，這樣的設(shè)計流程經(jīng)常會出現(xiàn)一些干涉等情況。同時二維設(shè)計在修改圖樣時也非常不方便，造成了由于客戶需求對圖樣的頻繁修改所帶來的設(shè)計周期延長，且易產(chǎn)生漏改和錯改現(xiàn)象，給企業(yè)造成損失，延誤交貨日期。其次，二維產(chǎn)品設(shè)計方法與PDM軟件結(jié)合，需在PDM軟件中搭建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，輸入各種零部件代號、質(zhì)量等屬性信息，是一種機(jī)械、重復(fù)性的低效工作。再次，二維產(chǎn)品設(shè)計不利于進(jìn)行有限元分析、動力學(xué)仿真等較高層次的產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)工作。最后，企業(yè)利用二維軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，很難實(shí)現(xiàn)整個企業(yè)的設(shè)計模式、管理模式和流程模式的統(tǒng)一。

因此，采用三維軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計是一種趨勢，利用SolidWorks及二次開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計軟件，可以打破二維設(shè)計模式對企業(yè)造成的瓶頸約束，將膨脹節(jié)產(chǎn)品設(shè)計、制圖效率提升1倍以上，有利于實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計模式的轉(zhuǎn)變。同時，膨脹節(jié)三維參數(shù)化設(shè)計將設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)固化到基礎(chǔ)模型中，能有效推進(jìn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的發(fā)展。基礎(chǔ)模型包含可參數(shù)化驅(qū)動的三維模型及三維模型更新后只需一鍵更新及局部調(diào)整即可作為生產(chǎn)圖的工程圖母圖。

1 參數(shù)化驅(qū)動模型（基礎(chǔ)模型）建模技術(shù)

1.1 利用關(guān)聯(lián)方程式實(shí)現(xiàn)零部件間的參數(shù)聯(lián)動

SolidWorks三維制圖軟件允許利用建立方程的方式對零部件間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，即自頂向下的設(shè)計路線[1]。自頂向下設(shè)計關(guān)注的是零部件間的約束關(guān)系，而不是零件的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。基本思路是在參數(shù)化零件的基礎(chǔ)上，引入零件裝配關(guān)系作為約束，合理地建立零件間的裝配約束關(guān)系，同時，建立零部件間的相對位置關(guān)系。如通過建立零部件間尺寸的關(guān)聯(lián)方程，設(shè)計人員只需輸入產(chǎn)品總長、波紋管參數(shù)、零件壁厚等主動尺寸，即可生成一種新的規(guī)格的膨脹節(jié)。

SolidWorks參數(shù)化驅(qū)動方程式不僅僅是是簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系式，有些從動尺寸（被方程式驅(qū)動隨主動尺寸變化而改變的尺寸）也需要做一定的處理，部分從動尺寸需要做圓整處理，例如環(huán)板外徑、肋板高、雙頭螺柱長度等宜設(shè)定為以0或5結(jié)尾的數(shù)值。

參數(shù)化驅(qū)動關(guān)聯(lián)方程式的建立，減少了設(shè)計人員大量簡單、重復(fù)的計算工作，同時也減少了設(shè)計產(chǎn)品時需要修改的尺寸數(shù)值的數(shù)量，更有利于實(shí)現(xiàn)三維模型參數(shù)化驅(qū)動建模。

1.2 二次開發(fā)專用產(chǎn)品設(shè)計模塊及用戶界面

在SolidWorks軟件中進(jìn)行模型驅(qū)動實(shí)現(xiàn)整體模型的變化時，可以通過逐一打開裝配體中的零件后再更改相關(guān)主動尺寸的方法進(jìn)行更改；也可以在三維模型裝配體中，雙擊主動尺寸直接更改。但此兩種方法均效率不高。為方便用戶進(jìn)行二次開發(fā)，SolidWorks提供了幾百個自由、開放和功能完整的API開發(fā)函數(shù)，用戶可以使用VB、VBA和VC等高級語言進(jìn)行二次開發(fā)，建立適合用戶需要和專用的功能模塊[1]。

基于上述SolidWorks軟件在建模或模型驅(qū)動方面的不足及適合于進(jìn)行二次開發(fā)的特點(diǎn)，本文采用VB語言對SolidWorks軟件進(jìn)行二次開發(fā)，建立了適合膨脹節(jié)產(chǎn)品特點(diǎn)的專用的產(chǎn)品設(shè)計功能模塊——模型屬性管理模塊及參數(shù)化設(shè)計模塊。

模型屬性管理模塊開發(fā)的基本原理為利用SolidWorks軟件API開發(fā)函數(shù)對產(chǎn)品三維模型結(jié)構(gòu)樹進(jìn)行尺寸信息遍歷和提取及零部件屬性提取，其用戶界面如圖1所示。該模塊可以將三維模型中的各級零部件的尺寸信息和代號、零部件代碼等屬性信息提取出來，方便用戶對這些信息進(jìn)行管理[2]。

圖1 模型屬性管理模塊用戶界面

產(chǎn)品設(shè)計人員將上述模型屬性管理模塊提取的模型信息進(jìn)行處理，如刪除從動尺寸、調(diào)整尺寸順序等，并將處理結(jié)果保存。然后將處理結(jié)果映射到參數(shù)化設(shè)計模塊。該模塊用戶界面如圖2所示。產(chǎn)品設(shè)計人員在界面中修改模型主動尺寸，即可實(shí)現(xiàn)模型的快速參數(shù)化驅(qū)動建模。

圖2 參數(shù)化設(shè)計模塊用戶界面

對于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜的膨脹節(jié)，三維建模同樣具有優(yōu)勢。圖3所示膨脹節(jié)為大拉桿帶萬向四連桿型膨脹節(jié)，若該模型采用二維制圖方法進(jìn)行設(shè)計，需要從內(nèi)至外進(jìn)行各個部件的設(shè)計。無論是設(shè)計人員還是校核人員都要花相對較多的時間。如果采用三維尺寸聯(lián)動的方法建模，則四連桿的的主動參數(shù)只有板寬、板厚、連桿開口角度等簡單參數(shù)，四連桿的安裝長度亦不需要手工計算，已經(jīng)由關(guān)聯(lián)方程式自動計算出；內(nèi)保溫組件尺寸及形狀全部為隨接管內(nèi)徑、內(nèi)襯筒直徑及“內(nèi)保溫厚度”等參數(shù)自動更新，省去了大量尺寸計算的時間。

圖3 大拉桿萬向連桿型膨脹節(jié)模型

三維建模利用關(guān)聯(lián)方程式可以解決大量的尺寸計算問題，而模型中大量的以號代圖件代號及非標(biāo)零部件屬性值的編寫填充仍具有非常大的工作量，是影響工作效率的另一個短板，需要進(jìn)一步的二次開發(fā)解決此問題。

1.3 二次開發(fā)自動生成填充功能

以號代圖為一種利用零件或部件尺寸參數(shù)編寫的代號來代替工程圖樣的快捷方法，該方法一定程度上減少了出圖量，但代號的編寫輸入?yún)s也不是一件輕松的任務(wù)，且易出錯。在SolidWorks軟件中則可以通過預(yù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)代號隨零部件尺寸參數(shù)自動更新[3]。

按照規(guī)定，以號代圖件的代號后綴由零件名稱及零件材料組合而成，如304材料的耳板，其代號后綴為“耳板_304”；非標(biāo)零部件的代號后綴、產(chǎn)品代號、合同號均與總成中的相應(yīng)屬性相同、零部件代碼也由其代號及代號后綴組合而成。因此開發(fā)了零部件屬性自動填充（映射）功能，利用一鍵映射功能實(shí)現(xiàn)：總成裝配體的代號、代號后綴、版本號、產(chǎn)品代號、項目名稱、系統(tǒng)名稱、設(shè)校審、日期等屬性向下屬所有非標(biāo)零部件相應(yīng)屬性的自動映射填充；以號代圖件代號后綴及非標(biāo)零部件代碼的自動生成。

設(shè)計人員在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，只需調(diào)用基礎(chǔ)模型庫中相應(yīng)模型，在參數(shù)化設(shè)計界面中更改主動尺寸和零部件的材料及填寫總成裝配體的代號、代號后綴等屬性，并利用映射功能實(shí)現(xiàn)總成裝配體所屬零部件屬性的自動填充，不再需要為每一個零部件編寫輸入代號、名稱、質(zhì)量等屬性。

2 有效利用族零部件增強(qiáng)基礎(chǔ)模型的柔性和適用性

零部件尺寸或局部特征不同時，可以利用配置功能將不同尺寸或不同特征的零部件建在同一零部件中，稱為零部件族或族零部件。如波紋管與接管的搭接處配合方式有內(nèi)搭接與外搭接。則相應(yīng)的接管的端部機(jī)加坡口就有外機(jī)加坡口與內(nèi)機(jī)加坡口兩種情況，這只是接管的其中一個特征分類，其還有幾個其他的常用特征分類。

許多其他的零件也同樣包含很多特征分類。如果僅僅因為一個接管的機(jī)加坡口位置，或某一個零部件的某個特征不同，就要重新建立一個總成裝配體，這樣的設(shè)計效率就低了。為了提高現(xiàn)有基礎(chǔ)三維模型的柔性和適用性，可有效地利用族零部件進(jìn)行裝配建模，在總成裝配體中可通過更改零部件配置屬性來選用所需特征零部件，如圖4所示，在總成裝配體中，通過更改接管配置將接管端部形式由內(nèi)機(jī)加改為外機(jī)加型式，既不需要重新替換零部件，也不需要對當(dāng)前的零件重新編輯特征，即可將大拉桿帶萬向四連桿型膨脹節(jié)由圖3所示的波紋管內(nèi)搭接改為圖4所示的波紋管外搭接。

圖4 更改部件中的接管的配置

為進(jìn)一步提升設(shè)計效率及實(shí)現(xiàn)規(guī)范性制圖，建立了包含大量以號代圖零件及以號代圖組件的以號代圖件模型庫。以號代圖件模型需以較優(yōu)化的方式建立三維模型，并將可能出現(xiàn)的各種特征零件的配置全部建入同一零部件中，模型除設(shè)置好名稱、代號屬性外，也需將模型中的各尺寸名稱定義好，方便后續(xù)總成裝配體模型中關(guān)聯(lián)方程式的編寫及尺寸辨認(rèn)。

3 基礎(chǔ)模型中的標(biāo)準(zhǔn)件

膨脹節(jié)中法蘭、三通、彎頭、封頭等標(biāo)準(zhǔn)件及螺栓、螺母、墊圈等緊固件為膨脹節(jié)產(chǎn)品常用的標(biāo)準(zhǔn)件[4]。每一種標(biāo)準(zhǔn)件都有特定的規(guī)格，這種零件更適宜用上述建立多配置的方法將標(biāo)準(zhǔn)件的所有規(guī)格匯總在一個族零件中，并將零件名稱及每種規(guī)格對應(yīng)的配置代號設(shè)置好。

設(shè)計人員只需在總成模型中，利用更改配置的方法，選用所需規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件即可。省去了查標(biāo)準(zhǔn)確定尺寸及質(zhì)量的時間及輸入標(biāo)準(zhǔn)件名稱、代號的時間。同時，利用此種標(biāo)準(zhǔn)件建立的模型的柔性及適用性亦得到增強(qiáng)。

4 基礎(chǔ)模型對應(yīng)的工程圖

SolidWorks等三維繪圖軟件的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在對三維模型的處理上，其工程圖模塊亦體現(xiàn)出極大優(yōu)勢。二維圖樣無法實(shí)現(xiàn)圖樣的重復(fù)利用，而三維工程圖與三維模型相關(guān)聯(lián)，三維模型無論是結(jié)構(gòu)的還是尺寸的改變，都會真實(shí)反映在工程圖中。

鑒于SolidWorks工程圖與三維模型相關(guān)聯(lián)，基礎(chǔ)模型庫中的基礎(chǔ)模型必須配有符合生產(chǎn)圖標(biāo)準(zhǔn)（如不作改動可直接用于生產(chǎn)），并符合基礎(chǔ)模型設(shè)計規(guī)范規(guī)定的工程圖。工程圖視圖（剖視圖、局部剖視圖、輔助視圖、局部放大圖、裁剪視圖、斷裂視圖）的父草圖（細(xì)節(jié)草圖）必須根據(jù)制圖需要完全定義。對草圖的定義，可利用與視圖輪廓線共線、標(biāo)注尺寸等方法。用標(biāo)注尺寸的方式完全定義父草圖，需對標(biāo)注的尺寸進(jìn)行隱藏。這樣，無論產(chǎn)品尺寸如何變化，其工程圖中的各個視圖始終存在。

SolidWorks軟件自身提供了一些三維模型模板、圖樣模板、圖幅模板、明細(xì)表模板等制圖模板，但這些模板功能不夠全面，另外模板的一些內(nèi)部設(shè)定不符合國家制圖標(biāo)準(zhǔn)、圖幅格式也不符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?；诖?，可以設(shè)計制作各種圖樣及圖幅模板及明細(xì)表模板，設(shè)計人員繪制新工程圖時，可自由選取調(diào)用所需圖樣及圖幅模板，亦可調(diào)用明細(xì)表模板自動生成符合標(biāo)準(zhǔn)的明細(xì)表。

設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計時，首先在基礎(chǔ)模型庫中根據(jù)產(chǎn)品特征檢索調(diào)用自己需要的基礎(chǔ)模型，然后對三維模型進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動并設(shè)置好零件材料，最后對工程圖進(jìn)行一鍵更新并對其布局、焊縫標(biāo)注及其他細(xì)節(jié)部分進(jìn)行局部調(diào)整，即可完成一套產(chǎn)品的生產(chǎn)圖。無需重新生成明細(xì)表及進(jìn)行尺寸標(biāo)注[5]。

校核人員需要做的工作也只有：對與合同具體相關(guān)的設(shè)計方案及設(shè)計條件進(jìn)行校核，對焊腳大小、零件材料進(jìn)行校核，通過三維模型檢查是否存在結(jié)構(gòu)件干涉等，而無需再對零件代號、零件數(shù)量等具體的地方校核。

5 三維模型及工程圖的入庫（PDM）

設(shè)計人員選取調(diào)用基礎(chǔ)模型，對其三維模型進(jìn)行快速參數(shù)化驅(qū)動，并利用映射功能實(shí)現(xiàn)零部件屬性自動填充，然后對其相應(yīng)的工程圖進(jìn)行更新及局部調(diào)整后，即可將三維模型及對應(yīng)工程圖一鍵入庫（PDM），不僅操作簡單，而且節(jié)省了很多時間。

6 利用基礎(chǔ)模型進(jìn)行快速報價

在進(jìn)行產(chǎn)品報價時，如果產(chǎn)品規(guī)格比較多，時間比較緊急，就會導(dǎo)致設(shè)計部門比較被動，報出的價格也往往不一定很精確。基于上述問題，開發(fā)了產(chǎn)品快速報價功能模塊。將SolidWorks模型結(jié)構(gòu)樹中的所有零件及相應(yīng)的零件材料提取至圖5所示用戶界面，或進(jìn)一步導(dǎo)出為EXCEL表格，即可快速地計算出產(chǎn)品價格。設(shè)計人員接到報價任務(wù)后，在基礎(chǔ)模型庫中檢索調(diào)用相應(yīng)基礎(chǔ)模型，對其參數(shù)化驅(qū)動并設(shè)置零件材料后，即可實(shí)現(xiàn)快速地產(chǎn)品報價，然后對相應(yīng)工程圖進(jìn)行局部調(diào)整，即可生成高質(zhì)量的報價協(xié)調(diào)圖或生產(chǎn)圖。這樣，實(shí)際上在產(chǎn)品報價階段，設(shè)計人員就已經(jīng)順帶完成了出生產(chǎn)圖的大部分工作。

圖5 產(chǎn)品報價模塊

7 結(jié)論

SolidWorks參數(shù)化驅(qū)動建模有利于將企業(yè)設(shè)計規(guī)范、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)、成熟的設(shè)計原則、優(yōu)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)固化到基礎(chǔ)模型中，有利于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化及產(chǎn)品的快速設(shè)計建模。同時也能有效地提升設(shè)計效率、降低設(shè)計失誤率、提升繪圖質(zhì)量。隨著基礎(chǔ)模型庫的不斷充實(shí)完善，設(shè)計人員的設(shè)計效率也將不斷提高，徹底將設(shè)計人員從機(jī)械、重復(fù)性的繪圖工作中解脫出來。此外，基于基礎(chǔ)模型的快速報價功能，幫助設(shè)計人員快速響應(yīng)市場需求，可以快速、精準(zhǔn)地產(chǎn)品報價及出協(xié)調(diào)圖或生產(chǎn)圖。