王 蔚，陳明銳

(1.海南職業(yè)技術(shù)學(xué)院交通與信息學(xué)院，海南 ?？?70216;2.海南大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，海南?？?70228)

目前，國(guó)內(nèi)外較為流行的 CAD/CAM 軟件［1］有 UG，Pro/Engineer，I-dea、AutoCAD，SolidWorks，CAXA，CATIA等.基于微軟Windows平臺(tái)開發(fā)的三維機(jī)械計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件SolidWorks，由于其建模能力強(qiáng)、使用操作簡(jiǎn)單，深得廣大用戶的喜愛(ài).SolidWorks自1993年發(fā)布以來(lái)，作為一種世界性的標(biāo)準(zhǔn)化三位實(shí)體模型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，已成為3D CAD市場(chǎng)的主流.SolidWorks是典型基于特征的三維機(jī)械零部件設(shè)計(jì)軟件，可以通過(guò)形狀特征定義和組合來(lái)實(shí)現(xiàn)零部件的三維實(shí)體設(shè)計(jì)［2］，借助放樣、掃描和拉伸等操作，以實(shí)現(xiàn)不同零部件的實(shí)體造型.在使用SolidWorks構(gòu)建模型的過(guò)程中包含以下5個(gè)方面［3］:1)分析零部件的形體結(jié)構(gòu);2)構(gòu)建零部件基體的特征;3)生成孔的特征;4)陣列特征;5)生成過(guò)渡倒角及圓角特征等.

Auto Computer Aided Design(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))，由美國(guó)Autodesk公司開發(fā)，是目前國(guó)內(nèi)外最受歡迎的CAD軟件包之一，是目前應(yīng)用是當(dāng)今機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域最流行的二維工程繪圖軟件之一，其快捷的圖形繪制功能和強(qiáng)大的圖形編輯功能一直備受工程設(shè)計(jì)與技術(shù)人員的青睞，使其在二維繪圖設(shè)計(jì)領(lǐng)域里占據(jù)著主導(dǎo)地位［4－5］.

渦輪蝸桿減速機(jī)是一種重要的動(dòng)力傳動(dòng)裝置，在機(jī)械化生產(chǎn)中起著不可替代的作用，借助齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，把電機(jī)的原本回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所需要的回轉(zhuǎn)數(shù)，而且得到較大轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu).在當(dāng)前用于傳動(dòng)動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)的機(jī)械中，減速機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域非常地廣泛.筆者以SolidWorks 2008為平臺(tái)的減速機(jī)三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)，充分利用了SolidWorks的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)和AutoCAD的二維繪圖的優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品以及別的類似箱體類的零部件的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)有著很重要的意義.

1 基于SolidWorks的減速機(jī)參數(shù)化實(shí)體設(shè)計(jì)

對(duì)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，引入?yún)?shù)化其實(shí)就是引入了各種約束形式［6］，用變量的方式表示零部件上各種特征的幾何尺寸形狀和尺寸大小.這樣定義的優(yōu)點(diǎn)是，如果零部件的某個(gè)特征變量進(jìn)行了修改，則零部件其特征的幾何形狀及尺寸，都相應(yīng)地隨著參數(shù)的改變而變化.在渦輪蝸桿減速機(jī)的特征設(shè)計(jì)中，將特征形態(tài)用參數(shù)化的基本要素來(lái)定義，用特征通過(guò)體素拼合的方法，構(gòu)造零部件的幾何形狀和幾何大小，使得特征具有可調(diào)整性［7－8］.

在減速機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，利用SolidWorks軟件包含的命令，可用于創(chuàng)建零部件的特征和基準(zhǔn)特征.減速器零部件除減速器箱體部件和箱蓋部件外，還有如蝸輪、蝸桿軸等的輸入輸出軸系部件，并利用這些零部件的實(shí)體模型可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)仿真.考慮實(shí)體造型的完整性，基礎(chǔ)實(shí)體特征主要有拉伸凸臺(tái)/基體、旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體等，在基礎(chǔ)實(shí)體特征上可添加圓角、倒角、筋、抽殼、拔模及異型孔、線性陣列、圓角陣列、鏡像等放置特征.軟件還包含了很多高級(jí)特征選項(xiàng)，主要包括掃描、放樣凸臺(tái)/基體及參考幾何體中基準(zhǔn)軸、基準(zhǔn)面等定位特征，主要是為了處理復(fù)雜的幾何形狀.

本文的減速器中零件實(shí)體模型主要包括箱體、箱蓋、蝸輪、蝸桿軸、軸承等，利用SolidWorks生成的主要零件實(shí)體如圖1所示，分別為上箱體、下箱體、蝸輪和蝸桿.

圖1 減速器主要零件實(shí)體模型

為了利用設(shè)置的參數(shù)以及繪制出來(lái)的渦輪和蝸桿來(lái)參數(shù)化生成其他尺寸的渦輪和蝸桿，筆者利用VB對(duì)Solidworks進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的二次開發(fā)，設(shè)計(jì)過(guò)程如圖2所示.

圖2 利用VB對(duì)Solidworks進(jìn)行二次開發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

利用程序?qū)崿F(xiàn)零部件參數(shù)化的方法有尺寸驅(qū)動(dòng)法和程序驅(qū)動(dòng)法，在實(shí)際應(yīng)用中2種方法的實(shí)現(xiàn)的作用是不同的.當(dāng)處理外形結(jié)構(gòu)相同但尺寸不同的零件時(shí)，一般使用尺寸驅(qū)動(dòng)參數(shù)化方法，其優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行速度快，效率高.但此方法的缺點(diǎn)是缺乏變型的設(shè)計(jì)能力，不同的零部件有可能會(huì)存在局部結(jié)構(gòu)的差異，這時(shí)就需重新建立模型進(jìn)行其驅(qū)動(dòng).對(duì)于一些參數(shù)通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)參數(shù)方法系統(tǒng)也無(wú)法處理原本設(shè)計(jì)變量，且對(duì)建模過(guò)程有著非常嚴(yán)格的要求，必須與零部件的實(shí)際參數(shù)相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)變量，而且建模方法須與零部件的設(shè)計(jì)要求互相吻合.其程序驅(qū)動(dòng)法參數(shù)化的途徑要根據(jù)指定的值和程序計(jì)算出的值作為API對(duì)象的函數(shù)變量的值，再按照值繪制出圖形，這就是一個(gè)繪圖程序.相對(duì)于尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)法，程序驅(qū)動(dòng)法在理論上可以對(duì)所有零部件的參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，對(duì)于尺寸驅(qū)動(dòng)法也無(wú)法處理的題目可選擇此方法來(lái)解決.由于本文中的蝸輪和蝸桿減速機(jī)沒(méi)有用到程序驅(qū)動(dòng)法，不做詳細(xì)的介紹，具體可參閱文獻(xiàn)［9］.

利用尺寸驅(qū)動(dòng)法進(jìn)行零部件建模時(shí)，可以根據(jù)建模的過(guò)程而自動(dòng)創(chuàng)建設(shè)計(jì)變量，也可給每個(gè)變量賦以相對(duì)應(yīng)的名稱，只需要修改其變量的值即可.此過(guò)程會(huì)被SolidWorks在后臺(tái)用VB語(yǔ)言記錄，也就是所謂的錄制宏.在錄制好的宏中，按照具體要求對(duì)其VB代碼進(jìn)行編輯調(diào)試，添加窗體，對(duì)窗體進(jìn)行必要的程序控制，即可形成完整的人機(jī)操作界面.最后利用編輯好的宏，制作插件，生成.dll或.exe的文件，通過(guò)加載插件即可實(shí)現(xiàn)蝸輪和蝸桿的參數(shù)化設(shè)計(jì).圖3為生成的制作不同參數(shù)的蝸輪和蝸桿的界面圖.

圖3 制作不同參數(shù)的蝸輪和蝸桿的界面圖

2 基于SolidWorks的減速器的裝配

依據(jù)設(shè)計(jì)思路對(duì)減速器所有的零部件創(chuàng)建完成后，需要將其裝配成一個(gè)組合體.在Solidworks裝配文件中，將所有零部件實(shí)體一一添加.在添加的過(guò)程中，需要注意添加各個(gè)2件之間的位置約束(配合)關(guān)系，只有正確的關(guān)系，才能確保動(dòng)態(tài)仿真的正確性.在裝配中，還需注意的一個(gè)問(wèn)題就是如何選擇第1個(gè)零部件，第1行零部件選定后就可以作為整個(gè)裝配體的基礎(chǔ).在Solidworks軟件中，一般是默認(rèn)第1個(gè)插入的零件為非運(yùn)動(dòng)體，在本文減速機(jī)中，選擇箱體作為第1個(gè)裝配的零部件作為裝配參照體的.在后續(xù)的裝配中，為了制作工作原理仿真的需要，需要給齒輪副添加高級(jí)配合—齒輪配合(如圖4所示)，減速器所有零件裝配后結(jié)果如圖5.

圖4 蝸輪蝸桿配合

圖5 減速機(jī)裝配模型

裝配過(guò)程中，爆炸視圖的產(chǎn)生可以更加直觀和形象地了解配件之間的裝配關(guān)系.依據(jù)爆破視圖，可以迅速快捷地完成裝配任務(wù)，從而減少設(shè)計(jì)中的失誤和裝配中的失誤.同時(shí)，在實(shí)際操作中，也便于工程人員進(jìn)行組裝制造和后期的維修.Solidworks在裝配環(huán)境中選擇爆炸視圖命令，在彈出的對(duì)話框中就可以設(shè)置創(chuàng)建裝配體的爆炸視圖，本文生成的減速機(jī)的爆炸視圖如圖6所示.

3 基于AutoCAD的工程圖設(shè)計(jì)

利用Solidworks軟件對(duì)減速機(jī)的零件進(jìn)行了實(shí)體的參數(shù)化設(shè)計(jì)和裝配，這一系列設(shè)計(jì)都是三維模型.但由于傳統(tǒng)技術(shù)人員形成的職業(yè)習(xí)慣，二維的工程圖紙依然是零部件設(shè)計(jì)、加工和驗(yàn)證的重要參考依據(jù)和技術(shù)文件.在完成了減速機(jī)的三維設(shè)計(jì)及組裝后，還需要輸出二維的工程圖樣，便以提供后續(xù)的生產(chǎn)、維修等實(shí)用.

在Solidworks軟件的圖紙輸出功能中，也具備了二維工程圖紙的輸出能力，其一般是直接將Solid-Works創(chuàng)建的實(shí)體零部件按照ANSI/ISO/DIN的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輸出二維工程的圖樣，也可按照依據(jù)個(gè)人需要設(shè)置輸出圖樣的格式，以完成其尺寸、公差和文本等各項(xiàng)標(biāo)注.Solidworks軟件的缺點(diǎn)是輸出的圖樣，一旦需要修改，并不容易完成，但可以利用AutoCAD來(lái)彌補(bǔ).AutoCAD是建筑工程設(shè)計(jì)、機(jī)械加工、測(cè)繪制圖等方面常用的二維/三維工具，具有的強(qiáng)大的二維制圖和編輯加工功能，可以對(duì)工程圖紙進(jìn)行修改和完善.

圖6 減速機(jī)的爆炸視圖

圖7 基于AutoCAD的工程圖輸出流程

在SolidWorks軟件中設(shè)置好減速機(jī)的視圖表達(dá)、標(biāo)注之后，就可導(dǎo)出DWG與SLDDRW 2種格式的文件［10］.SLDDRW為備用文件，如在后續(xù)的工作中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，將其在SolidWorks中進(jìn)行調(diào)整，避免再次生成工程圖的重復(fù)工作.將SolidWorks轉(zhuǎn)化為AutoCAD需要一個(gè)共同格式的轉(zhuǎn)化文件，DWG格式文件即為SolidWorks和AutoCAD的銜接文件，可以在AutoCAD軟件中打開，對(duì)二維工程圖就可進(jìn)行二次加工了.例如，一般相切連接的2個(gè)曲面的相切處在制圖表達(dá)方案中是絕對(duì)沒(méi)有線段的，但SolidWorks導(dǎo)出的工程圖中存在線段，這是屬于多余線段.在AutoCAD中可以刪除表達(dá)上的多余線段，調(diào)整不同線型、線寬和標(biāo)注，并且按照國(guó)家標(biāo)注要求對(duì)各種線段(如粗實(shí)線、點(diǎn)劃線、細(xì)實(shí)線和波浪線等)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整［11］，其具體流程如圖7所示.

4 結(jié)束語(yǔ)

SolidWorks軟件給減速機(jī)設(shè)計(jì)提供了便捷的參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)，只需對(duì)舊模型中的參數(shù)將進(jìn)行調(diào)整即可得到所要求的新模型，很大程度上提高了設(shè)計(jì)的效率;AutoCAD提供了完善的圖形繪制和強(qiáng)大的圖形編輯功能，兩者的有效結(jié)合，充分利用了2種設(shè)計(jì)軟件的特長(zhǎng)，兼顧了效率和質(zhì)量的統(tǒng)一，縮短了設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的開發(fā)周期.

［1］魏加興.基于Pro/Engineer與AutoCAD回油閥的參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2010(6):216－218.

［2］宋憲一.SolidWorks在 螺桿3D造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2007(9):80－81.

［3］鄭長(zhǎng)松.SolidWorks2006中文版機(jī)械設(shè)計(jì)高級(jí)應(yīng)用實(shí)例［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［4］高成慧，付正飛.SolidWorks與AutoCAD相結(jié)合實(shí)現(xiàn)直齒圓柱齒輪的三維算數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)械，2006，27(9):105－107.

［5］郭曉晨.基于AutoCAD的特征造型方法研究［J］.西安工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，21(1):9－14.

［6］羅煜峰.基于 SolidWorks的參數(shù)化特征建模技術(shù)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2004，21(2):52－55.

［7］李愛(ài)平，王龍濤，劉雪梅.SolidWorks環(huán)境下參數(shù)化部件庫(kù)的開發(fā)及實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，27(8):5－12.

［8］吳文根，王龍濤，劉雪梅.SolidWorks環(huán)境下參數(shù)化部件庫(kù)的開發(fā)及實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，27(1):5－12.

［9］李愛(ài)平，王天虎，王三武，等.基于 SolidWorks的部件參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的研究［J］.現(xiàn)代機(jī)械，2007，27(1):90－92.

［10］王玉，刑淵，阮雪榆.機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)重用策略研究［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2002，38(15):145－148.

［11］王蔚.基于PRO/E的參數(shù)化裝配過(guò)程仿真及優(yōu)化［D］.海口:海南大學(xué)，2010.

［12］劉淑芬.基于SolidWorks的減速器拆裝及工作原理動(dòng)態(tài)仿真［J］.遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2009，29(3):178－180.