黑留民，馬 偉，劉紅彬，張?zhí)炫e

(河南科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003)

軸承的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率直接影響其可靠性、壽命以及整個(gè)軸承生產(chǎn)周期。通過研制基于三維CAD的軸承設(shè)計(jì)專用系統(tǒng)，可提高軸承設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和工作效率，促進(jìn)軸承設(shè)計(jì)水平的提升，因而有助于提升軸承企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)是目前國內(nèi)使用較為廣泛的CAD軟件，其二次開發(fā)平臺(tái)能夠方便地調(diào)用和修改系統(tǒng)的已有功能，并具有開放式的體系結(jié)構(gòu)[1]。在CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)二次開發(fā)平臺(tái)上開發(fā)軸承參數(shù)化設(shè)計(jì)專用系統(tǒng)，不僅可以拓展CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)功能，還可以大大提高軸承的設(shè)計(jì)效率，進(jìn)而達(dá)到針對(duì)性強(qiáng)、效率高、響應(yīng)速度快的設(shè)計(jì)效果。

1 二次開發(fā)環(huán)境

二次開發(fā)平臺(tái)是三維數(shù)字化設(shè)計(jì)軟件的重要組成部分，CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)的開放式體系結(jié)構(gòu)允許其與各類型數(shù)據(jù)以及第3方軟件以不同的形式集成[2]，從而拓展系統(tǒng)的功能和使用范圍。

1.1 集成方案的選擇

CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)的集成方案從集成的耦合程度劃分，如圖1所示。其中第1，2層次都屬于松耦合方式；第3個(gè)層次是在封裝算法之后，再通過ICAPI(IronCAD Application Programming Interface)接口使DLL與CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)連接；而第4個(gè)層次則是直接利用ICAPI提供的大量接口函數(shù)進(jìn)行用戶程序的編寫，將第3層次集成進(jìn)行了推廣，是用戶程序和數(shù)據(jù)與CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)耦合程度最高的一種集成方式，也是最有效的專用化開發(fā)方式[3]。

圖1 CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)的集成方案

本系統(tǒng)選用基于COM組件的集成方案，使用CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)提供的二次開發(fā)接口(ICAPI)，通過COM組件加載接口集成應(yīng)用系統(tǒng)。使用戶可以根據(jù)需要訪問系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和底層數(shù)據(jù)，并利用第3方開發(fā)工具來擴(kuò)展其功能，達(dá)到用戶程序與CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)的無縫集成。

1.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的確定

CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)主要提供了3種參數(shù)化設(shè)計(jì)功能[4]，如圖2所示。

圖2 CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

系統(tǒng)利用ICAPI來實(shí)現(xiàn)零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。首先構(gòu)建軸承零部件的三維模型，并定義其參數(shù)構(gòu)成和關(guān)聯(lián)約束；然后，利用VC++ 語言構(gòu)建由軸承設(shè)計(jì)流程導(dǎo)航的設(shè)計(jì)過程環(huán)境，按零部件生成順序并從預(yù)建的數(shù)據(jù)庫中調(diào)用設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)三維模型。

系統(tǒng)采用編程方式構(gòu)建軸承零部件的實(shí)體模型，CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)的ICAPI創(chuàng)建實(shí)體是采用自上而下的設(shè)計(jì)方法。其創(chuàng)建零件三維模型時(shí)根據(jù)不同零件的特征采用不同的方式：如軸承內(nèi)、外圈和滾動(dòng)體等零件，其三維模型是在其二維草繪(IZProfile)基礎(chǔ)上繞回轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)(IZSpinFeature)而創(chuàng)建，而保持架等復(fù)雜零件的三維模型是三維實(shí)體(IZPart)通過面域拉伸(IZExtrudeFeature)、旋轉(zhuǎn)陣列等方法創(chuàng)建。

裝配體生成使用ICAPI的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換機(jī)制[5]，通過獲得子坐標(biāo)系相對(duì)于其父坐標(biāo)系的變換矩陣，在獲取零部件的錨點(diǎn)坐標(biāo)后，依據(jù)裝配關(guān)聯(lián)關(guān)系改變零件的位置完成裝配。

1.3 應(yīng)用程序接口(ICAPI)

作為CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)與外部應(yīng)用程序之間的接口，ICAPI是一系列函數(shù)的集合，這些函數(shù)提供了程序員直接訪問CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)的能力。通過調(diào)用這些函數(shù)，用戶可以建立模型，查詢模型對(duì)象，遍歷裝配體，創(chuàng)建工程圖，在主界面中創(chuàng)建交互式程序界面，創(chuàng)建并管理用戶定義對(duì)象等。

CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)的三維設(shè)計(jì)和二維繪圖文檔分別對(duì)應(yīng)著ZIronCADSceneDoc對(duì)象和ZTDDrawingDoc對(duì)象，而這些對(duì)象則包含在ICAPI對(duì)象的基類ZIronCADApp中。ICAPI的每個(gè)對(duì)象都支持一系列的接口，這些接口包含了一組用來操作、查詢和創(chuàng)建它們包含的對(duì)象的函數(shù)。

2 軸承主參數(shù)的優(yōu)化

下面以深溝球軸承為例，介紹優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程。

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型

當(dāng)軸承以疲勞壽命來考核時(shí)，以軸承的基本額定動(dòng)載荷Cr最大為優(yōu)化目標(biāo)。目標(biāo)函數(shù)為：

(1)

式中：Dpw為球組節(jié)圓直徑；Z為球數(shù)；Dw為球徑;bm為材料系數(shù)，此處取bm=1.3；fc為載荷系數(shù)，其與Dw/Dpw值有關(guān)；Cr的大小由Dw，Dpw和Z的取值決定，因此將Dw，Dpw和Z作為軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)主參數(shù)，即設(shè)計(jì)變量X=[x1，x2，x3]T=[Dw，Dpw，Z]T。

則其目標(biāo)函數(shù)變?yōu)椋?/p>

F(X)=F(x1，x2，x3)

2.2 約束條件

(1)球徑

Kwmin(D-d)≤Dw≤Kwmax(D-d)

即，g1(x)=x1-Kwmin(D-d)≥0

(2)

g2(x)=Kwmax(D-d)-x1≥0

(3)

式中：D為軸承外徑；d為軸承內(nèi)徑；Kwmin，Kwmax分別為球徑系數(shù)的最小值和最大值，由試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)獲得。

(2)球組節(jié)圓直徑

0.5(D+d)≤Dpw≤0.515(D+d)

即，g3(x)=x2-0.5(D+d)≥0

(4)

g4(x)=0.515(D+d)-x2≥0

(5)

(3)填球角

180°≤Φ=2(Z-1)arcsin (Dw/Dpw)≤186°

(4)球數(shù)

即，g5(x)=x3-180Kzmin-1≥0

(6)

g6(x)=ΦmaxKzmax-x3+1≥0

(7)

(5)外圈最小壁厚

0.5(D-Dpw-Dw)-ξ(D-d)≥0

即,g7(x)=0.5(D-x2-x1)-ξ(D-d)≥0

(8)

式中：ξ為深溝球軸承外圈最小壁厚系數(shù)，取值應(yīng)小于0.1。

2.3 求解

采用綜合約束函數(shù)雙下降(SCDD)法[6]，首先將目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化成f(X)=1/F(X)，變?yōu)榍笞钚≈祮栴}，即尋找一組最優(yōu)解向量X=[x1，x2，x3]T，使f(X)達(dá)到最小。

將以上約束函數(shù)構(gòu)造一個(gè)綜合約束函數(shù)：

(9)

這樣，目標(biāo)函數(shù)的可行域就可表示為：

G={X|X∈E，S(X)=0}

(10)

3 參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)功能模塊劃分和程序流程圖

系統(tǒng)目標(biāo)要求在輸入D,d及寬度B和軸承型號(hào)等的情況下，由系統(tǒng)檢索或計(jì)算出優(yōu)化設(shè)計(jì)的主參數(shù)，然后按照軸承設(shè)計(jì)文件編程，計(jì)算出各零件的詳細(xì)尺寸，并根據(jù)尺寸值檢索數(shù)據(jù)庫，查出相應(yīng)尺寸公差、形位公差的參數(shù)，以生成三維零件模型、裝配模型和二維工程圖。圖3所示為系統(tǒng)流程圖。

圖3 系統(tǒng)流程圖

根據(jù)軟件開發(fā)需要實(shí)現(xiàn)的功能要求，軟件的結(jié)構(gòu)分為以下5個(gè)模塊：

(1)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊。按照建立的軸承優(yōu)化計(jì)算數(shù)學(xué)模型及其求解方法編寫相應(yīng)的計(jì)算程序，使系統(tǒng)能在獲得軸承外形參數(shù)和優(yōu)化算法計(jì)算系數(shù)后，經(jīng)過程序直接得到優(yōu)化計(jì)算結(jié)果。然后，通過對(duì)計(jì)算結(jié)果的檢驗(yàn)、修改后，獲得滿足用戶需求的最佳結(jié)果并存入數(shù)據(jù)庫中。

(2)檢索模塊。根據(jù)設(shè)計(jì)的軸承型號(hào)或給定的外形參數(shù)，通過不同的檢索方法，對(duì)數(shù)據(jù)庫中所有的型號(hào)和相應(yīng)數(shù)據(jù)項(xiàng)進(jìn)行檢索，得到優(yōu)化設(shè)計(jì)主參數(shù)及其他設(shè)計(jì)參數(shù)。

(3)軸承標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)模塊。根據(jù)公式或者設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)編寫軸承結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算程序，將優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算或檢索得到的主參數(shù)輸入其中，得出結(jié)果。

(4)數(shù)據(jù)庫及接口模塊。系統(tǒng)中采用Access數(shù)據(jù)庫。在數(shù)據(jù)庫之上有數(shù)據(jù)庫訪問模塊，系統(tǒng)其他模塊與數(shù)據(jù)庫之間的操作都通過該模塊進(jìn)行, 接口模塊采用ODBC技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

(5)輸出模塊。在CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)軟件下進(jìn)行開發(fā)，利用計(jì)算模塊的輸出結(jié)果作為輸入數(shù)據(jù)，通過圖形軟件接口開發(fā)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三維模型和二維工程圖輸出。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

將CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)安裝目錄下的ICAddinAppWizard.awx文件拷貝至VC++ 安裝目錄下指定文件夾，利用新生成的“ICAPI Add-in AppWizard”向?qū)?chuàng)建新的DLL工程。然后，為工程添加對(duì)話框及類并完成相應(yīng)程序的編寫，以實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)模塊的創(chuàng)建及界面設(shè)計(jì)。編譯成功后，在CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)中加載該工程后，系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)。

圖4和圖5分別為深溝球軸承三維模型輸出界面及生成的球的三維模型。系統(tǒng)通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫對(duì)零件所有設(shè)計(jì)參數(shù)以變量的形式向CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)傳遞，利用ICAPI接口向CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)發(fā)送繪圖指令生成模型，或?qū)σ延械哪Ｐ蛥?shù)進(jìn)行修改，從而完成創(chuàng)建軸承零件的實(shí)體模型，球模型生成的部分程序如下：

圖4 深溝球軸承三維模型輸出界面

圖5 球模型輸出

……

StrSql.Format("SELECT * FROM 參數(shù)表 WHERE d=%d AND DD=%d ",intNEIJING,intWAIJING,strXINGHAO); //數(shù)據(jù)庫查詢程序

……

r= data.m_r; dm= data.m_dm；… //參數(shù)傳遞

IZPartPtr bePart;

IZSceneDocPtr beSceneDoc;

HRESULT hr;

hr=beSceneDoc->CreatePart(&bePart); //定義零件對(duì)象，創(chuàng)建零件

……

hr=beSceneDoc->CreateProfile(&beProfile); //創(chuàng)建草繪

……

IZPartFeatureMgrPtr beNewPartFeatureMgr = bePart;

IZSpinFeaturePtr beSpinFeature; //旋轉(zhuǎn)特征

……

圖6為深溝球軸承裝配后的三維模型輸出。軸承各零件設(shè)計(jì)完成后，點(diǎn)擊“生成裝配體”按鈕自動(dòng)完成軸承裝配。系統(tǒng)運(yùn)用VC++ 程序獲得軸承各零件錨點(diǎn)坐標(biāo)，通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后，完成裝配體三維模型的創(chuàng)建。

圖6 深溝球軸承三維模型輸出

4 結(jié)束語

使用CAXA實(shí)體設(shè)計(jì)軟件與VC++ 語言編程相結(jié)合的方法來構(gòu)建通用軸承CAD參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，與軸承制造業(yè)的信息化要求相適應(yīng)，并可以滿足軸承產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)的要求。本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，可提高軸承設(shè)計(jì)的可靠度及效率。