帶式輸送機(jī)零部件三維設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)研究及應(yīng)用?

宋 琦，張亮有

（太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

0 引言

隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息化的高速發(fā)展，三維CAD技術(shù)的應(yīng)用日趨廣泛。帶式輸送機(jī)在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮的作用越來越大，產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，因此，對(duì)帶式輸送機(jī)三維設(shè)計(jì)［1］開發(fā)技術(shù)的研究刻不容緩。

1 三維設(shè)計(jì)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)

1.1 SolidWorks二次開發(fā)技術(shù)

SolidWorks是一款優(yōu)秀的機(jī)械設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，利用SolidWorks能夠設(shè)計(jì)全相關(guān)的三維實(shí)體模型及裝配體。軟件本身具有良好的人機(jī)交互式參數(shù)繪圖功能，通過三維建模技術(shù)和參數(shù)化技術(shù)，設(shè)計(jì)人員可以方便地對(duì)已有模型進(jìn)行交互式的修改。

SolidWorks主要依靠其軟件內(nèi)嵌的API接口進(jìn)行二次開發(fā)。API接口是一種COM術(shù)語，它囊括了SolidWorks中使用到的所有類，SolidWorks采用的是面向?qū)ο蠹夹g(shù)的方法，在SolidWorks之下是表示應(yīng)用程序各種對(duì)象模型的事件、屬性和方法。COM編程使得SolidWorks軟件將實(shí)際的SolidWorks對(duì)象的上千種函數(shù)功能全部暴露給外部世界。編程人員通過調(diào)用SolidWorks API函數(shù)，就可以完成對(duì)三維模型的創(chuàng)建、修改、裝配等操作，從而實(shí)現(xiàn)某些特定功能設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。SolidWorks API的對(duì)象模型是一個(gè)自上而下的層次結(jié)構(gòu)，Sldworks是其中的最高級(jí)對(duì)象，必須先對(duì)其進(jìn)行訪問，然后才能訪問層次結(jié)構(gòu)中的下一級(jí)對(duì)象，以此類推。SolidWorks二次開發(fā)的工具主要有Visual Basic、Visual C＋＋和Delphi等編程語言。其中，Visual Basic是一種可視化應(yīng)用程序的編程語言，語法規(guī)則簡(jiǎn)單，而且SolidWorks軟件所提供的宏錄制功能是在VBA的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)的，與Visual Basic語法規(guī)則幾乎一致；另一方面，使用VB語言可以簡(jiǎn)單快捷地建立強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫，因而我們選擇Visual Basic作為開發(fā)工具。

1.2 SolidWorks二次開發(fā)方法

參數(shù)化設(shè)計(jì)和變型零部件的三維外形建模是SolidWorks二次開發(fā)應(yīng)用的兩個(gè)主要方面，解決了同結(jié)構(gòu)、不同尺寸零件的大批量設(shè)計(jì)問題以及具有非標(biāo)準(zhǔn)表面零部件的三維設(shè)計(jì)難題［2］。本文主要通過SolidWorks的二次開發(fā)，根據(jù)模型參數(shù)的變化，動(dòng)態(tài)地獲得所需零件的三維實(shí)體模型及裝配體?；赟olidWorks二次開發(fā)的參數(shù)化建模方法主要有編程法和尺寸驅(qū)動(dòng)法兩種。

編程法就是將模型的建立過程完全利用Visual Basic編程語言和SolidWorks API函數(shù)表達(dá)在應(yīng)用程序中，利用程序來順序地驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)過程，模型的創(chuàng)建流程類似于手工建模。在編程法中，設(shè)計(jì)過程的所有約束和關(guān)系式都包含在程序代碼中。這種方法無需模型庫的支持，適用于參數(shù)較多或變型設(shè)計(jì)的零部件產(chǎn)品的參數(shù)化建模，但要求編程人員非常熟悉SolidWorks API函數(shù)。

尺寸驅(qū)動(dòng)法是利用設(shè)計(jì)參數(shù)和三維模型的相關(guān)性，在三維模型結(jié)構(gòu)保持不變的情況下，將零部件模型的尺寸標(biāo)注視為變量，給予變量不同的尺寸值，就會(huì)得到一系列結(jié)構(gòu)類型相同而尺寸不同的零部件模型。模型的創(chuàng)建實(shí)質(zhì)就是對(duì)基準(zhǔn)模型的參數(shù)化重建，這種方法節(jié)省了模型建立的過程，執(zhí)行效率更高，但需要模型庫的支持，模型的設(shè)計(jì)變量是模型與程序之間的聯(lián)系紐帶。

選用以上任一種二次開發(fā)方法，都需要使用SolidWorks API函數(shù)和編寫大量的程序代碼。采用Visual Basic對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，就可以利用SolidWorks中的宏錄制功能，獲得相應(yīng)的宏操作代碼，將其復(fù)制添加到主程序?qū)?yīng)部分，再將有關(guān)常量換成相應(yīng)的變量，經(jīng)過編輯修改調(diào)試來達(dá)到程序的要求。

1.3 Visual Basic與SolidWorks 2012的連接

使用VB對(duì)SolidWorks API進(jìn)行二次開發(fā)時(shí)，每個(gè)工程中必須包含SolidWorks 2012Constant Type Library。這個(gè)類型庫包含所有公開的API接口以及它們包含的用于SolidWorks自動(dòng)操作的可使用成員［3］。只有在VB工程中引用了該類型庫，才可以建立SolidWorks應(yīng)用對(duì)象，創(chuàng)建新的零件或裝配圖，其連接代碼如下：

1.4 數(shù)據(jù)庫的建立和連接

程序中模型的創(chuàng)建需要大量數(shù)據(jù)的支持，本文采用Access 2007創(chuàng)建參數(shù)化設(shè)計(jì)所需的數(shù)據(jù)庫，并且以DTⅡ（A）手冊(cè)中提供的數(shù)據(jù)表為依據(jù)，以直接錄入的方式添加數(shù)據(jù)。采用ADO技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問［4］，ADO是Microsoft提出的一種應(yīng)用程序接口，也是COM的一部分。ADO的對(duì)象模型主要包括Connection（數(shù)據(jù)庫連接對(duì)象）、Recordset（數(shù)據(jù)集對(duì)象）和Command（命令對(duì)象）三個(gè)對(duì)象，使VB程序可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問。在工程中引用Microsoft ActiveX Data Objects 6.1Library，聲明并創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫連接對(duì)象，然后建立如下數(shù)據(jù)庫連接：

1.5 智能裝配技術(shù)

在零部件模型的裝配過程中主要運(yùn)用了數(shù)學(xué)變換陣?yán)碚?，通過矩陣變換可以確定或移動(dòng)一個(gè)零部件在裝配體中的物理位置［5］。裝配體的零部件可以是單獨(dú)的零件，也可以是已裝配好的子裝配體。而配合關(guān)系是指零部件的表面或邊與參考集合體（基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面）的約束關(guān)系，用于調(diào)整零部件在裝配體中的位置和方向，限制零部件的自由度。配合關(guān)系可以分為標(biāo)準(zhǔn)配合、高級(jí)配合以及機(jī)械配合，其中，常用到的標(biāo)準(zhǔn)配合又包括角度、距離、鎖定、同軸心、垂直、重合、平行、相切等8種配合類型。

在設(shè)計(jì)零部件的時(shí)候，需要預(yù)先考慮到該零部件在裝配體模型中與其他零部件之間的配合關(guān)系，并根據(jù)實(shí)際情況，在適當(dāng)?shù)奈恢锰砑踊鶞?zhǔn)軸和基準(zhǔn)面，便于后期的裝配。裝配完畢后，干涉檢查是一項(xiàng)非常重要的環(huán)節(jié)，用于檢查各個(gè)零部件之間的干涉情況。

2 三維設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)例

2.1 帶式輸送機(jī)零部件三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)

輸送機(jī)普通輥?zhàn)又饕ㄝS、輥皮和軸承座等零部件。本文以輸送機(jī)普通輥?zhàn)拥妮S為例說明基于VB的SolidWorks二次開發(fā)的具體過程。輥?zhàn)虞S外形簡(jiǎn)單，所以選用尺寸驅(qū)動(dòng)的方法進(jìn)行二次開發(fā)更加方便快捷。

（1）確定建模需要定義的軸的參數(shù)，并分析軸的設(shè)計(jì)關(guān)系。需要確定的參數(shù)主要是驅(qū)動(dòng)各種特征的驅(qū)動(dòng)尺寸［6］，包括描述特征外形的定形尺寸和確定特征位置的定位尺寸。DTⅡ（A）手冊(cè)中已經(jīng)給出普通輥?zhàn)虞S的設(shè)計(jì)關(guān)系和部件型譜，分別如圖1和表1所示，可以確定軸的規(guī)格參數(shù)主要有5個(gè)：長(zhǎng)度L＋2f、直徑d、f、h、b。

圖1 輥?zhàn)油庑纬叽鐓?shù)

表1 輥徑為Φ108mm輥?zhàn)拥牟糠植考妥V

（2）運(yùn)用SolidWorks軟件創(chuàng)建輥?zhàn)虞S的三維模型，并將其中的參數(shù)尺寸名稱重新命名，以更好地表達(dá)特征，例如，軸的直徑用d表示。

（3）依據(jù)手冊(cè)所提供的數(shù)據(jù)，在Microsoft Office Access 2007中建立模型尺寸數(shù)據(jù)庫“普通輥?zhàn)訁?shù)尺寸表.accdb”。

（4）建立尺寸驅(qū)動(dòng)用戶界面，編寫程序連接SolidWorks和Access數(shù)據(jù)庫，利用已經(jīng)建立好的數(shù)據(jù)庫表中的數(shù)據(jù)，選擇輥?zhàn)拥闹睆紻和長(zhǎng)度L，可以快捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)庫查詢，從而驅(qū)動(dòng)SolidWorks中三維模型的建立，實(shí)現(xiàn)尺寸數(shù)據(jù)與模型變量的一一對(duì)應(yīng)，還可以根據(jù)實(shí)際需求讀取尺寸數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改保存。以下是將變量參數(shù)賦予軸尺寸的部分代碼：

2.2 零部件的智能裝配

輥?zhàn)恿悴考Ｐ徒⒑?，將它們插入到裝配體文件中，實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)普通輥?zhàn)拥淖詣?dòng)裝配。其中，主要用到的SolidWorks API有：AssemblyDoc.AddComponent5（向裝配體文件中添加零部件）、AssemblyDoc.Extension.SelectByID（選擇實(shí)體元素）、AssemblyDoc.AddMate3（建立配合關(guān)系）。普通輥?zhàn)友b配流程如圖2所示。

2.3 裝配體

輸送機(jī)普通輥?zhàn)拥难b配運(yùn)行結(jié)果如圖3所示。用同樣的技術(shù)原理和方法建立輥?zhàn)觾?nèi)部軸承、脹套、密封圈等部件的三維模型，生成完整的輥?zhàn)尤S總裝圖，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 普通輥?zhàn)友b配流程圖

3 結(jié)語

本文基于三維設(shè)計(jì)開發(fā)技術(shù)，通過分析輸送機(jī)輥?zhàn)拥耐庑翁卣鳎肰isual Basic對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了帶式輸送機(jī)普通輥?zhàn)拥娜S參數(shù)化建模及智能裝配，在產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)、智能裝配方面具有工程實(shí)際意義。設(shè)計(jì)人員可以依據(jù)該原理對(duì)SolidWorks進(jìn)行其他更加復(fù)雜的二次開發(fā)，完成機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)系統(tǒng)的三維模型設(shè)計(jì)，可縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品開發(fā)效率。

圖3 輥?zhàn)友b配三維圖

圖4 輥?zhàn)涌傃b圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)

［1］徐國(guó)權(quán)，黃志超.基于SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計(jì)二次開發(fā)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2007，23（1）：68-70.

［2］曾鋒，鐘治初，姚山.SolidWorks API二次開發(fā)方法與應(yīng)用［J］.嘉應(yīng)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011，29（11）：21-25.

［3］葉修梓，陳超祥.SolidWorks高級(jí)教程：二次開發(fā)與API［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［4］盛利，張亮有，謝立新.SolidWorks二次開發(fā)精確草繪問題的分析與探討［J］.現(xiàn)代制造工程，2014（4）：68-71.

［5］于洋，賀棟，魏蘇麒.基于SolidWorks二次開發(fā)的智能裝配技術(shù)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011（3）：60-62.

［6］田文濤，賀小華.基于VB技術(shù)的SolidWorks二次開發(fā)與應(yīng)用［J］.計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2009，31（7）：65-67.