基于特征的軸參數(shù)化繪圖系統(tǒng)

孫志學(xué), 張 揚(yáng)

(陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 陜西 漢中 723000)

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在各行業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，絕大部分的CAD軟件常常是一種通用的繪圖設(shè)計(jì)軟件，它們適應(yīng)的行業(yè)比較廣泛，但專業(yè)性不強(qiáng)，無法在特定領(lǐng)域或行業(yè)很好地發(fā)揮輔助設(shè)計(jì)作用。為了使CAD軟件能在某些特定的專業(yè)領(lǐng)域得到更好的應(yīng)用，對(duì)CAD軟件進(jìn)行有目的、有方向、專業(yè)化的二次開發(fā)是很必要的。下面主要對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)中的軸零件的參數(shù)化繪圖系統(tǒng)進(jìn)行研究。

1 軸的概述

1.1 軸的分類

圖1 軸的分類

軸是組成機(jī)械的主要零件之一。按照軸線形狀的不同，軸可分為兩大類：直軸和曲軸。直軸按照所受載荷性質(zhì)的不同，可分為三種：心軸、傳動(dòng)軸和轉(zhuǎn)軸。直軸根據(jù)外形的不同，可分為兩種：光軸和階梯軸。光軸具有下列特點(diǎn)：形狀簡(jiǎn)單，加工容易，應(yīng)力集中源少，光軸主要用于傳動(dòng)軸；階梯軸與光軸相反，階梯軸常用于轉(zhuǎn)軸。軸的分類情況可以用圖1清晰表示。此外，還有一些特殊用途的軸，如凸輪軸和鋼絲軟軸等。

1.2 軸的特征分析

在特征的基礎(chǔ)上可以考慮建立軸的信息模型。通常一個(gè)機(jī)械零部件包含有眾多的特征，其中形狀特征是這些特征中最重要的，它是其它信息的載體?？梢园研螤钐卣鬟M(jìn)行分解研究，認(rèn)為若干輔助特征和主特征組合而成了軸的形狀特征，主特征間的空間相互位置關(guān)系是鄰接關(guān)系；輔助特征附屬于一個(gè)主特征，輔助特征可依附于主特征的輪廓表面或端面[1]。

根據(jù)這種思想，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了復(fù)合形狀特征，即由至少一個(gè)主形狀特征和若干個(gè)輔助形狀特征以一定的結(jié)合方式組合成具有特定功能的形狀特征。可以考慮建立多種不同復(fù)合形狀特征的特征庫(kù)，供設(shè)計(jì)者選擇。

結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際情況，對(duì)常用直軸類零件進(jìn)行特征分析，得到如表1所示的形狀特征劃分結(jié)果。

表1 直軸類零件形狀特征分類

2 系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

當(dāng)前CAD技術(shù)重要的研究領(lǐng)域之一是參數(shù)化技術(shù)。它是指對(duì)結(jié)構(gòu)形狀有一定規(guī)律的設(shè)計(jì)對(duì)象，可以把對(duì)象的結(jié)構(gòu)尺寸用一組參數(shù)來表示，當(dāng)參數(shù)取值不同時(shí)則可以生成不同的設(shè)計(jì)對(duì)象，即設(shè)計(jì)結(jié)果受尺寸驅(qū)動(dòng)的影響，所以又稱為參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)[1]。

2.2 ObjectARX

ObjectARX是一個(gè)軟件開發(fā)包，它包含一組動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，這些庫(kù)能利用AutoCAD核心數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)與代碼。庫(kù)中包含一組通用工具，使得二次開發(fā)者可以直接訪問AutoCAD數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)、圖形系統(tǒng)及CAD幾何造型核心，以便能在運(yùn)行期間實(shí)時(shí)擴(kuò)展AutoCAD具有的類似其功能以及創(chuàng)建全面享受AutoCAD固有命令之特權(quán)的新命令[2]。

2.3 相關(guān)接口技術(shù)

ObjectARX應(yīng)用程序主要包含頭文件部分、函數(shù)聲明部分、接口函數(shù)部分和用戶函數(shù)主體部分[2]。其中接口函數(shù)部分使用initApp( )、acrxEntryPoint( )和unloadApp()三個(gè)關(guān)鍵函數(shù)。當(dāng)應(yīng)用程序被加載時(shí)，AutoCAD調(diào)用initApp( )；當(dāng)應(yīng)用程序被卸載時(shí)，AutoCAD調(diào)用unloadApp( )。這兩個(gè)函數(shù)均是通過acrxEntryPoint( )函數(shù)來實(shí)現(xiàn)AutoCAD調(diào)用的。

ObjectARX是一個(gè)用C++編寫的軟件開發(fā)包，在Visual C++的下拉菜單“Project”中設(shè)置其具體物理路徑就可以使用它。 具體操作為：“Project”→“Setting”→“C/C++”→“Preprocessor” →“Additional include directories”，在其后的編輯框中輸入ObjectARX中的文件夾inc的具體物理路徑；同理按照操作路徑：“Project”→“Setting”→“Link”→“Input” →“Additional library path”，在其后的編輯框中輸入ObjectARX中的文件夾lib的具體物理路徑。這樣就可以在Visual C++程序中使用ObjectARX中的函數(shù)。

本研究以AutoCAD 2006為開發(fā)平臺(tái)，并采用Visual C++6.0、ObjectARX等開發(fā)工具開發(fā)基于特征的軸參數(shù)化繪圖系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)菜單設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于AutoCAD平臺(tái)來進(jìn)行開發(fā)的，設(shè)計(jì)了軸CAD系統(tǒng)子菜單，并把它添加到AutoCAD的標(biāo)準(zhǔn)菜單文件ACAD.mnu中。同時(shí)還開發(fā)了圖像塊菜單，這樣將會(huì)大大增強(qiáng)用戶界面的效果。新的菜單文件ACAD.mnu被加載、編譯后就可以使用[3]。當(dāng)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊用戶自定義菜單“軸CAD系統(tǒng)”時(shí)，出現(xiàn)下拉菜單。下拉菜單中內(nèi)容有：設(shè)置、軸的分類等；其中菜單項(xiàng)“設(shè)置”有子菜單：圖幅、層和線型、文字樣式和標(biāo)注樣式，“圖幅”可以用來繪制出圖的圖幅，其它幾個(gè)菜單項(xiàng)在繪圖時(shí)起輔助作用；菜單項(xiàng)“軸的分類”有子菜單：直軸和曲軸，系統(tǒng)子菜單設(shè)計(jì)效果(部分截圖)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)子菜單

用戶自定義菜單中某些菜單項(xiàng)含有圖像控件菜單[4]，如“直軸”。當(dāng)用鼠標(biāo)單擊菜單項(xiàng)“直軸”時(shí)，系統(tǒng)彈出圖像塊菜單“直軸特征分類”對(duì)話框，如圖3所示。對(duì)話框中展示了各種直軸的原型及其對(duì)應(yīng)的圖形，圖中左側(cè)的列表框中顯示的是直軸的名稱，右側(cè)顯示了直軸的預(yù)覽圖形。例如當(dāng)在“直軸特征分類”中選擇“圓柱面+倒角”時(shí)，右側(cè)預(yù)覽區(qū)顯示對(duì)應(yīng)的圖形預(yù)覽(預(yù)覽圖形底色變黑)，其中“圓柱面”是此直軸的主特征，“倒角”是它的輔助特征。選中類型后，單擊按鈕“確定”，就可以打開此直軸的設(shè)計(jì)對(duì)話框。

圖3 圖像塊菜單

圖4 直軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)話框

4 軸參數(shù)化繪圖系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

4.1 對(duì)話框設(shè)計(jì)

以“圓柱面+圓角+倒角(逆向)”為例。當(dāng)用戶在圖3中選擇“圓柱面+圓角+倒角(逆向)”時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)顯示對(duì)應(yīng)幻燈片，此時(shí)用鼠標(biāo)單擊該對(duì)話框中的按鈕“確定”，便可以關(guān)掉圖3的對(duì)話框，彈出“圓柱面+圓角+倒角(逆向)”的設(shè)計(jì)對(duì)話框如圖4所示。

在圖4所示的直軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)話框中輸入直軸的繪制圖形的定位點(diǎn)參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)[5]：R、B、D、L、a(各長(zhǎng)度參數(shù)單位為mm，角度單位為度，各參數(shù)的意義如圖中左側(cè)圖形預(yù)覽中尺寸標(biāo)注所示)。其中“圖形定位點(diǎn)P0”既可以在對(duì)應(yīng)編輯框中輸入點(diǎn)的坐標(biāo)也可以在繪圖區(qū)域拾取點(diǎn)的坐標(biāo)。

4.2 軸零件工作圖的繪制

設(shè)計(jì)參數(shù)輸入后，單擊圖4中的按鈕“確定”，系統(tǒng)彈出子對(duì)話框“選擇繪圖比例”。當(dāng)用戶選擇了需要的比例，然后單擊子對(duì)話框中的按鈕“繪制零件工作圖”，系統(tǒng)可自動(dòng)繪制出與設(shè)計(jì)參數(shù)相對(duì)應(yīng)的軸零件工作圖，并對(duì)圖形進(jìn)行自動(dòng)尺寸標(biāo)注。

取一組合理的數(shù)據(jù)：插入點(diǎn)X=50，Y=50；R=50，a=45，B=50，D=200，L=300，則繪制出直軸的零件工作圖如圖5所示。為方便起見零件工作圖繪圖中比例都選擇為1∶1。另外設(shè)計(jì)過程中如果輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)不合理，則點(diǎn)擊圖4中“確定”按鈕時(shí)系統(tǒng)有相應(yīng)的提示信息，要求用戶輸入合理的參數(shù)。

如果再次改變參數(shù)的值，則可得到類似的零件工作圖，此處不再贅述。當(dāng)用戶選擇其它類型的軸時(shí)，系統(tǒng)繪圖過程和結(jié)果與上邊類似，如系統(tǒng)可生成帶有雙圓頭平鍵的直軸(見圖6)。

圖5 簡(jiǎn)單直軸的零件工作圖 圖6 帶有雙圓頭平鍵的直軸

4.3 部分關(guān)鍵繪圖程序

在VC中編程實(shí)現(xiàn)ObjectARX的應(yīng)用程序[6]，首先需要在本系統(tǒng)中構(gòu)造直軸類零件特征庫(kù)，具體是采用面向?qū)ο蟮姆椒▉砻枋鰪?fù)合特征信息模型。首先定義特征基類，然后通過特征基類派生出其它特征類。

軸的零件工作圖的繪制代碼可以添加到選擇比例的對(duì)話框中的“確定”按鈕對(duì)應(yīng)的消息處理函數(shù)中，以“圓柱面+倒角+圓角(逆向)”直軸的零件工作圖的繪制為例，其核心代碼如下：

……

//定義一系列三維點(diǎn)

//定義俯視圖上的可見點(diǎn),即實(shí)線點(diǎn)

ads_point pt0,pt1,pt2,pt3,pt4,pt5,pt6,pt7, pt8,pt9, pt10,pt12, pt13;

//下面點(diǎn)用于畫中心線

ads_point pt11,pt14;

//求一系列點(diǎn)的坐標(biāo)

pt0[X]=XPT; pt0[Y]=YPT; pt1[X]=pt0[X]; pt1[Y]=pt0[Y]+0.5*L0-B*tan(a);

pt2[X]=pt0[X]+B; pt2[Y]=pt0[Y]+0.5*L0; pt3[X]=pt0[X]+L-R; pt3[Y]=pt2[Y];

pt4[X]=pt0[X]+L; pt4[Y]=pt2[Y]; pt5[X]=pt4[X]; pt5[Y]=pt4[Y]+R;

pt6[X]=pt4[X]; pt6[Y]=pt4[Y]-L0; pt7[X]=pt4[X]; pt7[Y]=pt6[Y]-R;

pt8[X]=pt4[X]-R; pt8[Y]=pt3[Y]-L0; pt9[X]=pt2[X]; pt9[Y]=pt2[Y]-L0;

pt10[X]=pt0[X]〗; pt10[Y]=pt9[Y]+B*tan(a); pt11[X]=pt4[X]+10; pt11[Y]=pt0[Y];

pt12[X]=pt3[X]; pt12[Y]=pt5[Y]; pt13[X]=pt8[X]; pt13[Y]=pt7[Y];

pt14[X]=pt0[X]-10; pt14[Y]=pt0[Y];

//清屏

acedCommand(RTSTR,"Erase",RTSTR,"All",RTSTR,"",RTNONE);

//繪制圖中直線

acedCommand(RTSTR,"Line",RTPOINT,pt0,RTPOINT,pt1,RTSTR,"",RTNONE);

acedCommand(RTSTR,"Line",RTPOINT,pt1,RTPOINT,pt2,RTSTR,"",RTNONE);

acedCommand(RTSTR,"Line",RTPOINT,pt2,RTPOINT,pt3,RTSTR,"",RTNONE);

acedCommand(RTSTR,"Line",RTPOINT,pt4,RTPOINT,pt5,RTSTR,"",RTNONE);

acedCommand(RTSTR,"arc",RTSTR,"C",RTPOINT,pt12,RTPOINT,pt3,RTPOINT,pt5,RTNONE);

acedCommand(RTSTR,"Line",RTPOINT,pt4,RTPOINT,pt6,RTSTR,"",RTNONE);

acedCommand(RTSTR,"Line",RTPOINT,pt6,RTPOINT,pt7,RTSTR,"",RTNONE);

acedCommand(RTSTR,"arc",RTSTR,"C",RTPOINT,pt13,RTPOINT,pt7,RTPOINT,pt8,RTNONE);

acedCommand(RTSTR,"Line",RTPOINT,pt8,RTPOINT,pt9,RTSTR,"",RTNONE);

acedCommand(RTSTR,"Line",RTPOINT,pt9,RTPOINT,pt10,RTSTR,"",RTNONE);

acedCommand(RTSTR,"Line",RTPOINT,pt10,RTPOINT,pt0,RTSTR,"",RTNONE);

acedCommand(RTSTR,"Line",RTPOINT,pt2,RTPOINT,pt9,RTSTR,"",RTNONE);

//畫中心線

//創(chuàng)建一個(gè)新層:1層,用于畫中心線且此層的顏色選擇紅色

acedCommand(RTSTR,"Layer",RTSTR,"M",RTSTR,"1",RTSTR,"C",RTSTR,"Red",RTSTR,"",〗RTSTR,"",RTNONE);

//加載并設(shè)置中心線

acedCommand(RTSTR,"Linetype",RTSTR,"Load",RTSTR,"CENTER",RTSTR,"",RTSTR,"Y",〗 RTSTR,"Set",RTSTR,"CENTER",RTSTR,"",RTNONE);

//畫中心線

acedCommand(RTSTR,"Line",RTPOINT,pt14,RTPOINT,pt11,RTSTR,"",RTNONE);

//設(shè)置當(dāng)前層為"實(shí)體"層acedCommand(RTSTR,"layer",RTSTR,"S",RTSTR,"0",RTSTR,"",RTNONE);

……

其它軸零件工作圖的繪制核心代碼與上邊的代碼類似，不再贅述。

5 結(jié) 語(yǔ)

軸是機(jī)械中一種常用的零件，它的種類繁多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，這些都給設(shè)計(jì)工作帶來了許多困難。本研究中通過軸的特征分析，在Visual C++中采用面向?qū)ο蟮姆椒ń⑷舾苫惡突惖呐缮惖龋⒕幊虒?shí)現(xiàn)了軸參數(shù)化繪圖系統(tǒng)。研究發(fā)現(xiàn)：特征分析技術(shù)可以大大提高CAD系統(tǒng)的描述能力，從而提高CAD系統(tǒng)的建模能力。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，軸的設(shè)計(jì)還涉及一些扭矩、彎矩、軸徑等參數(shù)的計(jì)算以及強(qiáng)度、剛度等的校核[7-9]。在以后的工作中，應(yīng)對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)一步擴(kuò)充，可以考慮在系統(tǒng)添加這些計(jì)算、校核等功能，從而增強(qiáng)系統(tǒng)的集成化、智能化。

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