馬奎，石若潼，黃德，郭濤，陳奇

(合肥工業(yè)大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

CATIA是法國達索公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化軟件，在世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位[1]。螺紋是機械零件的典型結(jié)構(gòu)，主要用于傳動和連接。螺紋在機械裝置中必不可少，而CATIA手動繪制顯示螺紋步驟繁瑣，過程艱難。本文介紹了面向交互功能的螺紋快速建模。

目前，關(guān)于螺紋二次開發(fā)的相關(guān)研究較多，但基于CATIA的螺紋二次開發(fā)卻很少。戶曉磊等[2]在基于 SolidWorks 的榨螺參數(shù)化建模系統(tǒng)的研究中，實現(xiàn)空余體積的自動計算與榨螺的參數(shù)化建模，提高了榨螺的設計效率，縮短螺旋榨油機的開發(fā)周期。張信群等[3]以Visual Basic 6.0作為開發(fā)工具創(chuàng)建螺紋緊固件類標準件庫的方法，實現(xiàn)了標準件的調(diào)用。劉超等[4]實現(xiàn)了Pro/E系統(tǒng)集成的變螺距分件送料螺桿零件參數(shù)化設計系統(tǒng)的二次開發(fā)，通過參數(shù)化設計程序變量來控制零部件三維模型的生成。程結(jié)結(jié)等[5]闡述了在Pro/E平臺上建立三維模型標準件庫以及二次開發(fā)的方法和步驟。楊海飛等[6]在基于SolidWorks螺紋聯(lián)接標準庫的開發(fā)中實現(xiàn)了包括螺栓、螺釘、螺母以及墊圈五大類多個標準件的二次開發(fā)，建立了螺紋連接標準件庫系統(tǒng)，能夠在SolidWorks的實體零件造型環(huán)境和裝配環(huán)境中正常運行，提高了設計效率。李銳[7]通過UG二次開發(fā)建立花鍵、螺紋冷壓成型自動建模與仿真系統(tǒng)，成功地預測了生產(chǎn)中的問題。高大威等[8]基于有限元法對螺紋進行參數(shù)化建模研究，并針對有效性進行分析驗證。以上研究做了大量的零件參數(shù)化建模，但都只能建立一個指定參數(shù)的新零件，不能在已有零件上生成螺紋，即不具備“交互功能”。由上分析可知，目前對于UG、Pro/E、SolidWorks等三維建模軟件的螺紋二次開發(fā)工作已比較成熟，但是大多是標準件庫螺紋的二次開發(fā)，且只有普通三角形螺紋，種類單一，不適用于在不規(guī)則零件上創(chuàng)建螺紋。市面上，還沒有一套特別完備的關(guān)于CATIA二次開發(fā)螺紋建模的系統(tǒng)。本文面向交互功能的螺紋快速建模CATIA二次開發(fā)方法，可以在裝配體中或者復雜零件需要創(chuàng)建螺紋的位置上加工4種不同種類牙型的內(nèi)外螺紋，大大節(jié)省了設計人員的時間和精力，對實現(xiàn)CATIA螺紋的快速、高效建模設計具有一定的工程指導意義。

1 常用螺紋簡介

螺紋是一種在固體外表面或內(nèi)表面的截面上，有均勻螺旋線凸起的形狀。在通過螺紋軸線的剖面區(qū)域上，螺紋的輪廓形狀稱為牙型。按照螺紋的牙型分類，可分為以下幾種：三角形螺紋、梯形螺紋、矩形螺紋和鋸齒形螺紋。三角形螺紋主要用于連接，矩形、梯形和鋸齒形螺紋主要用于傳動[9-10]。

圖1是4種螺紋結(jié)構(gòu)示意圖。圖中P為螺距；D、D1分別為內(nèi)螺紋大徑、小徑；d、d1分別為外螺紋大徑、小徑。

牙型角是60°三角形的螺紋叫三角形螺紋，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)所示。牙型為等腰梯形，牙型角為30°的螺紋叫梯形螺紋，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(b)所示。矩形螺紋的牙型為正方形，螺紋牙厚等于螺距的一半，結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1(c)所示。鋸齒形螺紋的工作面牙側(cè)角3°，非工作面牙側(cè)角為30°，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(d)所示。

圖1 螺紋結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)開發(fā)原理

CATIA通過宏錄制可以記錄零件建模、裝配等部分用戶操作過程，生成的代碼語言屬于VBA(visual basic for application)，其語法完全符合Visual Basic。本文采用宏錄制的方法得到螺紋建模的宏代碼，根據(jù)設計需求對系統(tǒng)代碼進行修改，為系統(tǒng)添加所需要的功能，完成系統(tǒng)的開發(fā)過程。系統(tǒng)開發(fā)原理圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)原理圖

2.2 建模方法

螺紋的建模過程是系統(tǒng)的重點，主要包括交互功能的實現(xiàn)和模型的創(chuàng)建。

系統(tǒng)交互功能的實現(xiàn)：利用CATIA安裝目錄下自帶的V5Automation中Documents Object 的Selection模塊，通過函數(shù)SelectElement2和過濾器Filter實現(xiàn)交互功能參考面的選擇。

模型的創(chuàng)建：通過VBA代碼指令實現(xiàn)，1)在用戶選擇的參考面上創(chuàng)建螺旋線起始點以及支持面中心點，以中心點為參考創(chuàng)建參考軸線；2)以螺旋線起始點和參考軸線為參考創(chuàng)建螺旋線；3)以螺旋線起點和螺旋線為參考創(chuàng)建草圖參考面；4)根據(jù)4種螺紋的結(jié)構(gòu)示意圖以及相關(guān)參數(shù)繪制草圖；5)利用開槽命令，以草圖為參考輪廓，螺旋線為中心曲線創(chuàng)建螺紋。圖3為建模過程示意圖。

1—參考軸線；2—螺旋線；3—草圖繪制的螺紋牙型；4—草圖參考面。

2.3 系統(tǒng)設計

面向交互功能的螺紋快速建模系統(tǒng)主要功能是根據(jù)設計要求選取參考面，生成4種常見螺紋?；诖讼到y(tǒng)分為兩個模塊：系統(tǒng)主界面模塊和模型創(chuàng)建模塊。

系統(tǒng)主界面模塊：該模塊為人機交互窗口，窗口包括螺紋參數(shù)區(qū)、繪圖控制及螺紋結(jié)構(gòu)示意圖區(qū)和螺紋選型區(qū)。系統(tǒng)顯示界面如圖4所示。用戶從螺紋選型區(qū)選擇需要創(chuàng)建的螺紋類型，在對應的螺紋結(jié)構(gòu)示意圖區(qū)就會顯示相應類型螺紋的結(jié)構(gòu)示意圖，起到提示用戶操作系統(tǒng)的作用。接著點擊箭頭選擇需要創(chuàng)建螺紋的支持面，選擇相應的螺紋旋向以及內(nèi)螺紋或外螺紋。在螺紋參數(shù)區(qū)輸入相應的參數(shù)，包括內(nèi)螺紋或外螺紋大徑D、d，選擇螺距P，輸入螺紋長度L。最后通過繪圖控制區(qū)按鈕控制螺紋三維模型的創(chuàng)建。

圖4 系統(tǒng)顯示界面

模型創(chuàng)建模塊：當點擊“確定”按鈕時，程序聯(lián)接CATIA軟件，根據(jù)螺紋參數(shù)區(qū)輸入和選擇的特征尺寸進行螺紋的三維建模。

3 實例演示

本系統(tǒng)包括普通三角形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋、矩形螺紋4種。以三角形螺紋外螺紋和梯形螺紋內(nèi)螺紋為例，說明整個系統(tǒng)的運行情況。

三角形螺紋的參數(shù)如表1所示。

表1 三角形螺紋參數(shù) 單位：mm

圖5為已有軸類零件，通過在選定支持面、螺紋的類型、螺紋大徑、螺距、螺紋長度、螺紋旋向等，即可自動生成用戶指定的螺紋，如圖6所示。

圖5 參考軸1

圖6 三角形螺紋軸

梯形螺紋的參數(shù)如表2所示。

表2 梯形螺紋參數(shù) 單位：mm

圖7為已有軸類零件，通過在選定支持面、螺紋的類型、螺紋大徑、螺距、螺紋長度、螺紋旋向等，即可自動生成用戶指定的螺紋，如圖8所示。

圖7 參考軸2

圖8 梯形螺紋軸

4 結(jié)語

本文所述的面向交互功能的螺紋快速建模CATIA二次開發(fā)方法，能夠根據(jù)用戶的需求，在CATIA的零件設計模塊和裝配模塊任何位置選定的支持面上創(chuàng)建螺紋，大量地節(jié)省了設計人員的時間和精力，提高了設計效率，對CATIA二次開發(fā)有一定的借鑒作用。主要功能如下。

1)實現(xiàn)交互功能，通過Selection模塊的SelectElement2函數(shù)和過濾器Filter實現(xiàn)交互功能參考面的選擇。

2)實現(xiàn)參數(shù)化結(jié)構(gòu)設計，給定螺紋大徑、螺距、螺紋長度等參數(shù)就可自動生成螺紋。

3)完成三角形螺紋、梯形螺紋、矩形螺紋和鋸齒形螺紋4種典型螺紋的快速建模實例。