基于SolidWorks的焊件參數(shù)化自動建模研究

朱英翔，陳 燕，余啟志

(上海工程技術(shù)大學 高等職業(yè)技術(shù)學院，上海 200437)

基于SolidWorks的焊件參數(shù)化自動建模研究

朱英翔，陳 燕，余啟志

(上海工程技術(shù)大學 高等職業(yè)技術(shù)學院，上海 200437)

產(chǎn)品規(guī)格會因尺寸的改變而多樣化，這就導致三維建模過程中對同一類產(chǎn)品由于其規(guī)格變化而反復進行設計。為了解決這一問題，應用SolidWorks的API和軟件開發(fā)工具包進行二次開發(fā)。以VisualStudio作為集成開發(fā)工具，C#語言作為開發(fā)環(huán)境，采用add-in組件并嵌入DLL動態(tài)鏈接庫作為可執(zhí)行文件。然后以穩(wěn)定器的焊接結(jié)構(gòu)包裝架作為原型模型，基于該原型模型調(diào)用SolidWorks的API，自定義屬性管理器建立用戶交互操作。實例應用表明，通過應用該方法可高效地進行產(chǎn)品的參數(shù)化設計和建模。

二次開發(fā); 自動建模;SolidWorksAPI; 焊件

0 引言

工程技術(shù)人員廣泛使用各種三維CAD軟件，這些軟件的應用使得設計過程更加直觀[1]。但是，隨著社會分工越來越細，一般的CAD軟件對于專門產(chǎn)品設計存在著重復建模、效率低下等問題。為了縮短設計繪圖的時間，針對三維CAD軟件的二次開發(fā)越來越受到青睞。這些開發(fā)大多利用三維CAD軟件提供開發(fā)接口，建立一個基本模型庫，基于尺寸的數(shù)字化驅(qū)動得到不同規(guī)格的產(chǎn)品[2]。

近年來，在我國有很多學者論述了應用SolidWorks實現(xiàn)參數(shù)化建模的方法，羅煜峰等人研究了SolidWorks的二次開發(fā)接口，在VC++編譯環(huán)境下開發(fā)了三維CAD文件的快速發(fā)布模塊，并將其通過動態(tài)鏈接庫技術(shù)集成到SolidWorks軟件環(huán)境中[3]。彭波等人研究了應用VisualBasic窗口應用程序作為交互平臺的SolidWorksAPI參數(shù)化建模模塊[4]。關(guān)永軍闡述了應用VisualBasic宏操作對SolidWorks的二次開發(fā)，完成了基于參數(shù)輸入的快速建模，驗證了其高效、準確的設計意圖[5]。彭玉青等人利用VB.net程序和COM組件構(gòu)建了SolidWorks有關(guān)建筑組件的常用庫，這些部件可以被尺寸驅(qū)動且以插件的形式嵌入模型內(nèi)[6]。

上述研究都沒有涉及屬性管理器。因此，本文運用自定義屬性管理器的方式，利用C#語言編寫一個可執(zhí)行的DLL(動態(tài)鏈接庫)文件，在不新建窗口的基礎上，僅通過樣板模型特征的屬性管理器頁面的尺寸參數(shù)設置，達到快速參數(shù)化建模的目的。這里的樣板模型以鉆具穩(wěn)定器包裝架的焊件實例形式呈現(xiàn)[7]。

1 SolidWorks二次開發(fā)環(huán)境的構(gòu)建

1.1 開發(fā)環(huán)境的選擇

三維CAD軟件SolidWorks給使用者提供了專供二次開發(fā)的API(應用程序接口)，可以調(diào)用基于應用的VisualBasic、VB.net、VisualC#、VisualC++6.0以及VisualC++/CLI等開發(fā)環(huán)境來實現(xiàn)API包含的功能[8]。本實例將采用VisualC#作為開發(fā)環(huán)境。C#作為.Net框架下面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，它也支持SolidWorks宏。

1.2 二次開發(fā)環(huán)境構(gòu)建方法

第一種是獨立的計算機應用程序。首先在VisualStudio中創(chuàng)建一個項目，該項目要添加外部引用，通過COM(組件對象模型)組件的形式在該項目中添加有關(guān)SolidWorks類型庫。然后，在Main方法中實例化SolidWorks項目，并編寫相關(guān)建模代碼和交互方式。最后，運行并調(diào)試該項目，生成一個.exe結(jié)尾的可執(zhí)行文件，從而可以視為是一個獨立的應用程序。

第二種是嵌入一個add-in(加載項)程序。SolidWorks提供了相應的SDK(軟件開發(fā)工具包)，在開發(fā)之前首先要在操作系統(tǒng)中安裝相應版本的SolidWorksAPISDK。安裝成功SDK之后，再次啟動VisualStudio，在新建的項目中就可以選擇SolidWorksadd-in項目模板SwCSharpAddin，自動預生成一個C#項目，該項目的可執(zhí)行文件是以DLL形式嵌入建模軟件內(nèi)部的，在此基礎上編寫相關(guān)建模代碼和交互方式。

本文的設計是基于原型模型的參數(shù)化建模，所謂原型模型是指拓撲結(jié)構(gòu)完全定義，尺寸參數(shù)由尺寸變量定義的一種CAD模型。為了實現(xiàn)高效的尺寸參數(shù)重新賦值和模型重建，采用add-in程序作為二次開發(fā)的手段[9]。其開發(fā)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)結(jié)構(gòu)

2 焊件樣板模型設計

圖2 鉆具穩(wěn)定器及包裝架實物圖

本文所舉例的三維模型是一個包裝架，它是一個由型材焊接而成的焊件。其實物如圖2所示，圖中包裝架內(nèi)部就是所承載的鉆具穩(wěn)定器。鉆具穩(wěn)定器作為石油開采工具，國家能源局標準SY/T5051-2009對此產(chǎn)品做了規(guī)范性指導，由于該產(chǎn)品尺寸規(guī)格相差很多，其包裝架規(guī)格也就需要適應這一點。本文以該焊件的參數(shù)化自動建模作為例，其他基于原型的零件自動化建模的過程亦可參考。

2.1 包裝架設計方案

圖3是標準中穩(wěn)定器主要尺寸的示意圖，圖中L2是工作長度，D1是工作直徑，D2是鉆具連接外徑。先以標準中某一個規(guī)格鉆具穩(wěn)定器設計包裝架為例，其包裝架的尺寸就是默認值，為了保證承載這里的樣板焊件，以最大的穩(wěn)定器包裝架進行設計。包裝架全部由70×70×7的等邊角鋼焊接而成。

圖3 穩(wěn)定器主要尺寸的示意圖

其穩(wěn)定器軸向的支撐結(jié)構(gòu)視圖如圖4所示。

圖4 軸向的支撐結(jié)構(gòu)視圖

設計要求支架兩側(cè)留10mm空隙，支架底部留40mm空隙。根據(jù)幾何關(guān)系可得：

W=D1+160

H=D1+45

此外，包裝架的長度取兩倍的穩(wěn)定器工作長度(L2)。

2.2 樣板模型建模分析

建?；静襟E如下：(1)通過草圖和3D草圖以直線的命令繪制等邊角鋼所在位置；(2)利用焊件選項卡下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件命令生成等邊角鋼模型；(3)剪裁、延伸兩端使支架成型。

建模完成之后，可以充分利用三維CAD軟件做結(jié)構(gòu)分析，判斷焊件是否達標。本例應用有限元方法做靜力學分析，仿真結(jié)果安全系數(shù)如圖5所示，最小安全系數(shù)為2.7，能夠滿足承載需求。由于樣板穩(wěn)定器焊件模型是按最大的穩(wěn)定器設計的，所以其余尺寸穩(wěn)定器包裝架亦能滿足強度要求。

圖5 有限元仿真靜應力結(jié)果安全系數(shù)分布圖

3 C# add-in項目設計

3.1 基于API建模

為了更加快速地找到API的建模方法，可以借助宏操作。SolidWorks支持基于VSTA(VisualStudioToolsforApplications)C#的宏語句，可以通過宏的記錄操作來找需要的API方法。新建零件，點擊“錄制宏”并對包裝架重新建模，建模完成后點擊“停止宏”，選擇保存為SWVSTAC#Macro項目。通過點擊“編輯”命令打開保存的宏項目文件。此例主要用到的API方法如下：

繪制直線：ModelDoc@::SketchManager.CreateLine

繪制焊件結(jié)構(gòu)件：ModelDoc@::FeatureManager.InsertStructuralWeldment4

剪裁焊件：ModelDoc@::FeatureManager.EditRollback

系統(tǒng)內(nèi)加載SolidWorksAPISDK完畢后，在VisualStudio中就可以選擇新建SolidWorksadd-in項目，選擇該項目后自動生成一個項目模板，根據(jù)項目模板自動生成的類進行編程。在建立樣板模型的時候，根據(jù)默認的穩(wěn)定器參數(shù)值算出對應的包裝架尺寸參數(shù)，然后以這個參數(shù)作為包裝架設計依據(jù)，調(diào)用繪制直線、繪制焊件結(jié)構(gòu)件、剪裁焊件等API方法，完成整個包裝架默認尺寸的樣板模型的自動建模。

3.2 參數(shù)化建模和尺寸賦值方法

參數(shù)化建模就是采用預定義的方法建立圖形的幾何約束集 ，指定一組尺寸作為參數(shù)與幾何約束集相關(guān)聯(lián)，并將所有的關(guān)聯(lián)式融入到應用程序中，然后采用人機交互方式即通過對話框修改參數(shù)尺寸，最終由程序根據(jù)這些參數(shù)順序地執(zhí)行表達式來實現(xiàn)的方法。

從上文中可知，包裝架的尺寸是由其所擺放的穩(wěn)定器的尺寸決定的，因此在參數(shù)化建模時，可以直接用穩(wěn)定器的主要尺寸來驅(qū)動包裝架的尺寸，這樣簡化了設計的步驟，體現(xiàn)了CAD技術(shù)在設計中的功能，同時也提高了設計效率[10]。在C#工程文件中新建基于樣板模型建模的方法，該改方法利用穩(wěn)定器的尺寸驅(qū)動包裝架的尺寸。其代碼段如下：

……

myFeature= ((Feature)(swDoc.FeatureManager.InsertWeldmentFeature()));

……

SketchSegmentskSegment=null;

skSegment= ((SketchSegment)(swDoc.SketchManager.CreateLine(w, 0, 0,w,l, 0)));//6個參數(shù)表明直線首末點的坐標(X1,Y1,Z1,X2,Y2,Z2)

myFeature= ((Feature)(swDoc.FeatureManager.InsertStructuralWeldment4("C:ProgramFilesSOLIDWORKSCorpSOLIDWORKSlangchinese-simplifiedweldmentprof" +"ilesGBLAngle(equal)7X7.sldlfp",1,true,vGroups)));

……

由于包裝架的型材和剪裁方式不會隨規(guī)格尺寸變化而變化，因此改變包裝架規(guī)格尺寸在建模過程中也就是改變等邊角鋼所在的直線的位置和長度。從API建模方法中可知，創(chuàng)建直線過程中，直線的位置是通過直線首末兩點的坐標確定的，因此把包裝架尺寸參數(shù)先映射到等邊角鋼所在直線坐標中，再把包裝架尺寸參數(shù)值由穩(wěn)定器基本尺寸值換算得出。通過定義一些雙精度浮點變量，來代替原本樣板模型中建模命令的一些常量。這樣便構(gòu)建了一個帶有參數(shù)的建模方法。

3.3 屬性管理器設計

完成了樣板模型的建模之后，還要以用戶輸入進行尺寸進行參數(shù)化建模，所有的參數(shù)在輸入時都需要用戶交互界面，用戶交互操作最好描述為控件創(chuàng)建和響應的各種事件。常用的方法就是新建并設計一個窗體在窗體內(nèi)嵌入控件，通過對控件的操作完成參數(shù)的賦值。本次開發(fā)充分發(fā)揮SolidWorks屬性管理器的功能，所謂屬性管理器，就是用來記錄模型、裝配、工程圖中某一個結(jié)構(gòu)的特征參數(shù)的選項卡。在SolidWorksAPI中提供了自定義屬性管理器的開發(fā)接口。其構(gòu)建方法和窗體程序類似，可以把整個屬性管理器視為一個容器，在其中可以添加各種控件完成頁面設計。每一個控件都有一個ID，通過監(jiān)聽各種事件，判斷ID之后可以寫入相應事件的響應。

本例中需要完成的用戶交互操作就是輸入穩(wěn)定器主要尺寸，該尺寸是驅(qū)動包裝架尺寸的，分別是工作長度L2，鉆具直徑D2，工作直徑D1。通過SolidWorksAPI提供的方法自定義屬性管理器，首先是設計屬性管理器的界面，為了使得參數(shù)可視化效果更好，創(chuàng)建了三個組，給每個組都賦給相應的名稱，在每組內(nèi)包含一個數(shù)字欄，這些數(shù)字欄就是對應要修改的L2、D2，D1，默認值是0 。此外還在每一個數(shù)字欄邊上添加尺寸種類枚舉，在長度單位的枚舉項上改為毫米。最后的效果如圖6所示。

圖6 屬性管理器頁面設計

提供了交互界面之后，還需要為控件創(chuàng)建響應，因為在屬性管理器中有自帶的確定按鈕(√)，不必再創(chuàng)建按鈕控件，通過點擊“確定”按鈕觸發(fā)重新建模的方法。其建模方法程序段如下：

publicvoidModifyModel(doublel2,doubled2,doubled1)

{

modDoc= (IModelDoc2)iSwApp.NewDocument(partTemplate, (int)swDwgPaperSizes_e.swDwgPaperA2size, 0.0, 0.0);

modDoc.SketchManager.InsertSketch(true);

w=d1+0.16;

h=d1+0.045;

h1=d1/2+0.707*d2+0.04;

l=2*l2;

modDoc.SketchManager.InsertSketch(true);

ArrayvGroups=null;

DispatchWrapper[]GroupArray=newDispatchWrapper[1];

StructuralMemberGroupGroup1 =null;

Group1 = ((StructuralMemberGroup)(swDoc.FeatureManager.CreateStructuralMemberGroup()));

……

Group1.Angle= 1.570796326795;

GroupArray[0] =newDispatchWrapper(Group1);

vGroups=GroupArray;

skSegment= ((SketchSegment)(swDoc.SketchManager.CreateLine(0, 0, 0, 0,l, 0)));

myFeature= ((Feature)(swDoc.FeatureManager.InsertStructuralWeldment4("C:ProgramFilesSOLIDWORKSCorpSOLIDWORKSlangchinese-simplifiedweldmentprof" +"ilesGBLAngle(equal)7X7.sldlfp",1,true,vGroups)));

skSegment= ((SketchSegment)(swDoc.SketchManager.CreateLine(w, 0, 0,w,l, 0)));

……

}

4 結(jié)論

完成調(diào)試工作并生成相應的.dll文件之后，打開SolidWorks軟件，點擊工具欄下拉菜單，在如圖7所示的界面中，就能建立樣板模型或者重新建立參數(shù)化的自定義模型。

圖7 add-in菜單欄

按圖6輸入所要求的參數(shù)后點擊確定按鈕(√)，SolidWorks執(zhí)行重新建模方法，完成了基于參數(shù)化的自動建模，其結(jié)果如圖8所示。通過實例展示，本文利用屬性管理器實現(xiàn)了產(chǎn)品的參數(shù)化自動建模，從而避免了建模工作中的重復工作，整個建模過程更加快速直觀。

圖8 參數(shù)化建模模型(渲染后)

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Research on dense urban LTE network planning and designing

ZhuYingxiang，ChenYan，YuQizhi

(AdvancedVocationalTechnicalCollege,ShanghaiUniversityofEngineeringScience,Shanghai200437,China)

Inmodernproduction,thechangeofdimensioncanresultindiversificationofproductspecifications,whichwillresultinaprobleminreusability.Inthispaper,weuseSolidWorksAPIandsoftwaredevelopmentkitstodosecondarydevelopmentsoastodealwiththeproblem.TheintegratedevelopmenttoolisVisualStudiowithprogramminglanguageofC#，andadd-incomponentisadoptedtogenerateDLLasexecutablefile.Usingcustompropertymanagerpageinsteadofformstoreassigntheparameterandrebuildthemodel.Themodelisbasedonaweldedstructurewhichisastabilizerpackingframeasaprototypemodel,andAPIisusedtoachievetheeffectofmodularmodelingandparameteroperation.Exampleshowsthismethodisfeasibletoefficientparametricdesignandmodeling.

secondarydevelopment；modularmodeling；SolidWorksAPI；weldedstructure

TP

ADOI： 10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.22.022

朱英翔，陳燕，余啟志. 基于SolidWorks的焊件參數(shù)化自動建模研究[J].微型機與應用，2016,35(22)：84-87，91.

2016-07-19)

朱英翔(1989-)，男，碩士，助教，主要研究方向：工程機械、遠程控制。

陳燕(1980-)，女，碩士，講師，主要研究方向：CAD/CAM。

余啟志(1979-)男，碩士，講師，主要研究方向：機械結(jié)構(gòu)及焊接強度分析。