趙彥玲 王崎宇 鮑玉冬 潘承怡 趙志強(qiáng)

摘 要：為實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格鋼球自動檢測系統(tǒng)系列化應(yīng)用以滿足軸承用鋼球表面缺陷檢測生產(chǎn)需求，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格鋼球自動檢測系統(tǒng)的系列化應(yīng)用。首先，建立鋼球自動檢測系統(tǒng)模板模型庫，通過對檢測系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)分析，將其分為固定參數(shù)零部件模型庫和關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)庫，利用SolidWorks的零件設(shè)計(jì)表功能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì);調(diào)用模型庫，建立檢測系統(tǒng)虛擬裝配模型，利用SolidWorks的宏功能編寫并調(diào)試關(guān)鍵零部件及裝配模型的驅(qū)動程序，并通過VB建立參數(shù)化系統(tǒng)交互界面，最后通過仿真技術(shù)對鋼球展開過程進(jìn)行模擬分析，利用物理樣機(jī)驗(yàn)證理論分析結(jié)果的正確性，最終提出鋼球自動檢測系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：鋼球;表面缺陷;參數(shù)化設(shè)計(jì);模型庫;交互界面

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.017

中圖分類號： TH122

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）05-0120-07

Abstract：In order to meet the production requirements of surface defects detection of the steel ball used in bearings， the method of SolidWorks parametric modeling based on VB is applied to realize the serial application of automatic detection system of steel ball. Firstly， establishing the template model library of steel ball automatic detection system， and the library is divided into general parts model library and key parts design library through analyzing the function structure， using SolidWorks part design table function realizes parametric design of key components; Calling the model library to complete the establishment of detection system virtual assembly model， and using SolidWorks macro function to make the driver program of key parts and assembly model，F(xiàn)inally， the simulation technology is used to simulate the process of steel ball， and the correctness of the theoretical analysis results is verified. Finally， the parametric design method of automatic detection system of steel ball is put forward.

Keywords：steel ball; surface defects; parametric design; model base; interactive interface

0 引 言

在《中國制造2025》中，“強(qiáng)基工程”將高速高精密軸承列為重點(diǎn)發(fā)展項(xiàng)目[1]。鋼球作為基本零件影響著軸承壽命[2]，為保證鋼球表面質(zhì)量無缺陷，鋼球需被全部檢測，因此，如何實(shí)現(xiàn)球面全表面檢測及鋼球檢測系統(tǒng)系列化應(yīng)用，成為亟待解決難題[3-4]。針對上述問題，在理論分析基礎(chǔ)上[5-6]，根據(jù)實(shí)際檢測需要，設(shè)計(jì)鋼球自動檢測參數(shù)化系統(tǒng)以滿足不同尺寸鋼球檢測的生產(chǎn)需要。

目前，Mun Duhwan等[7]為縮短設(shè)計(jì)周期，提高工作效率，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動化，對參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究[8];Edwin等[9]將三維設(shè)計(jì)軟件Pro/Engineer和有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行結(jié)合，武漢理工大學(xué)的尹鋒等[10]，以VC作為開發(fā)工具建立了臂橋架起重機(jī)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化系統(tǒng)，西安交通大學(xué)的盧杰等[11]基于VC與ANSYS的二次開發(fā)APDL（ANSYS parametric design language）技術(shù)對車輪進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立了人機(jī)交互界面，完成三維模型的重建與生成;哈爾濱理工大學(xué)劉保臣[12]利用VB對SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，應(yīng)用VB和Access開發(fā)夾具實(shí)例數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，基于參數(shù)驅(qū)動技術(shù)實(shí)現(xiàn)夾具數(shù)據(jù)庫參數(shù)化設(shè)計(jì)。

綜上所述，參數(shù)化技術(shù)雖然已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，在提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和企業(yè)競爭力、發(fā)展信息智能化設(shè)計(jì)等方面具有重要意義[13-14]。但是，參數(shù)化設(shè)計(jì)在鋼球自動檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用還處于初級階段，因此本文開展鋼球自動檢測系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究，分析參數(shù)化設(shè)計(jì)方法與步驟，結(jié)合仿真技術(shù)與物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證參數(shù)化設(shè)計(jì)的可行性，實(shí)現(xiàn)不同尺寸、種類鋼球檢測，為鋼球自動檢測系統(tǒng)系列化應(yīng)用提供技術(shù)方法。

1 鋼球自動檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能分析

鋼球全表面自動檢測不同于常規(guī)的平面幾何測量或字符測量，它是一個(gè)全球體鏡面反射的檢測物，因此在檢測過程中需要將鋼球表面全展開，根據(jù)結(jié)構(gòu)功能要求，該檢測系統(tǒng)主要分為3部分：進(jìn)球篩選裝置、展開裝置、出球分選裝置，如圖1所示。

進(jìn)球篩選裝置主要功能是初步對不同尺寸鋼球進(jìn)行篩選，完成特定尺寸范圍內(nèi)鋼球的甄選，并規(guī)劃合理運(yùn)動路徑，減少鋼球在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的碰撞，將檢測過程中造成的細(xì)微二次損傷降低至最小，提高檢測精度與效率;展開裝置是實(shí)現(xiàn)鋼球全表面展開及圖像信息采集的核心裝置，是參數(shù)化過程中要重點(diǎn)設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)，如圖2所示，在展開模塊、支撐模塊和驅(qū)動模塊的共同作用下，實(shí)現(xiàn)鋼球的全表面展開，完成檢測過程，計(jì)算機(jī)將鋼球表面的圖像信息進(jìn)行處理并發(fā)送至下一控制單元;出球分選裝置的功能是通過自動控制技術(shù)，接收反饋的信號，完成不同表面質(zhì)量鋼球的分選收集工作。

2 展開裝置位置關(guān)系模型建立

在鋼球自動檢測系統(tǒng)參數(shù)化過程中，當(dāng)鋼球直徑范圍為發(fā)生變化時(shí)，驅(qū)動體需要有多種匹配尺寸來適應(yīng)直徑范圍為15～25mm的鋼球，與驅(qū)動體相關(guān)的支撐雙頭螺栓、支撐架、驅(qū)動輪、支撐桿、支撐輪等展開裝置的尺寸位置也隨之改變，因此，通過建立展開裝置位置關(guān)系模型，可減少與驅(qū)動體相關(guān)其它零部件改動，以此提高模型修改的速度，為鋼球自動檢測系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

鋼球展開裝置機(jī)構(gòu)位置關(guān)系如圖3所示，以鋼球球心為原點(diǎn)建立如圖所示的坐標(biāo)系，在xoz平面內(nèi)，球心O與驅(qū)動體中心O1的連線OO1、與支撐輪中心O2的連線OO2、與驅(qū)動輪中心O3的連線OO3與x軸的夾角分別為α、δ、β，O1O2、O2O3、O1O3長度分別用l1、l2、l3來表示，鋼球半徑為r1，支撐輪半徑為r2，驅(qū)動輪半徑為r3，且球心O與驅(qū)動體回轉(zhuǎn)中心O1、支撐輪回轉(zhuǎn)中心O2、驅(qū)動輪回轉(zhuǎn)中心O3位于同一平面xoz平面內(nèi)，如圖3（b）所示;當(dāng)驅(qū)動體圓錐曲面軸線與回轉(zhuǎn)軸線在水平面的投影邊界重合時(shí)，鋼球與驅(qū)動體處于極限接觸位置，驅(qū)動體兩側(cè)圓錐母線在yoz平面內(nèi)的投影線互相垂直，如圖3（a）所示，AB與OB互相垂直，其中，A為驅(qū)動體中心點(diǎn)，B為與鋼球接觸點(diǎn)[15]。

3 鋼球自動檢測系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)

3.1 參數(shù)化關(guān)鍵技術(shù)及參數(shù)化系統(tǒng)研究

本參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用基于VB的程序驅(qū)動法和尺寸驅(qū)動法相結(jié)合的方式[16]，應(yīng)用SolidWorks中系列零件設(shè)計(jì)表功能對關(guān)鍵零部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，建立設(shè)計(jì)庫來減少程序的編寫調(diào)試工作。建立參數(shù)化系統(tǒng)的實(shí)施流程如圖4所示。

3.2 零部件模板模型庫建立

模板模型庫的建立即將鋼球自動檢測系統(tǒng)中的每一個(gè)零部件進(jìn)行三維建模，通過對系統(tǒng)的零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)特征分析，可以分為固定參數(shù)零部件和關(guān)鍵零部件，固定參數(shù)零部件是不經(jīng)過任何更改直接調(diào)用裝配的零件，關(guān)鍵零部件是指需要經(jīng)過尺寸參數(shù)以及特征的更改變化，重新進(jìn)行建模的零件。以核心零部件——驅(qū)動體為例，首先，對驅(qū)動體進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，結(jié)構(gòu)尺寸與系列鋼球相對應(yīng)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

根據(jù)鋼球全表面展開原理，驅(qū)動體主要參數(shù)為：錐面回轉(zhuǎn)軸線AA1、BB1與水平軸線AB的夾角θ，回轉(zhuǎn)軸線與水平軸線AB的交點(diǎn)到驅(qū)動體中心點(diǎn)的距離值為a，以及錐面夾角為δ，其中θ取值為1°，δ取值為90°。驅(qū)動體兩端軸徑為D1，與軸承采用基孔制配合，軸徑D2起定位作用，未標(biāo)注倒角為0.5mm～1mm。為簡化驅(qū)動體的更換，將驅(qū)動體按尺寸參數(shù)進(jìn)行分組，同一組中的總長L相同，因?qū)?yīng)的鋼球直徑變化引起內(nèi)外距變化，可通過改變l2的大小，保證總長L不變，主要參數(shù)如表1所示。

選取表1中數(shù)據(jù)，建立驅(qū)動體三維模型，完成模板模型的構(gòu)建。整理其他零部件并建立如圖6所示的模板模型庫。

3.3 關(guān)鍵零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)庫建立

為減少零件建模程序的編寫調(diào)試工作，利用SolidWorks中系列零件設(shè)計(jì)表功能，以模板模型庫中關(guān)鍵零部件模型為基體，提取幾何尺寸，初次賦值于Excel零件設(shè)計(jì)表中，保留參數(shù)尺寸，結(jié)合模型參數(shù)設(shè)計(jì)表，再次賦值于Excel零件設(shè)計(jì)表中，建立零部件設(shè)計(jì)庫，創(chuàng)建過程如圖7所示。

零件設(shè)計(jì)表在系統(tǒng)完成初次賦值后，需要將表格屬性設(shè)置為“常規(guī)”，并將尺寸名稱與模型驅(qū)動尺寸進(jìn)行對應(yīng)。結(jié)合表1中數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，在模板模型的基礎(chǔ)上，配置系列零件設(shè)計(jì)表，完成驅(qū)動體的尺寸參數(shù)化設(shè)計(jì)，并將其保存至設(shè)計(jì)庫中，便于調(diào)用并重新建模生成新的零件，如圖8所示。

3.4 檢測系統(tǒng)虛擬裝配模型建立及干涉分析

在自下而上建模方法的基礎(chǔ)上，按照零部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系添加約束類型，通過SolidWorks裝配干涉分析功能對裝配體模型進(jìn)行干涉分析，針對干涉檢查結(jié)果對檢測系統(tǒng)虛擬裝配進(jìn)行修改完善。如圖10所示，為檢測系統(tǒng)完整裝配模型及干涉檢查。

3.5 參數(shù)化系統(tǒng)驅(qū)動程序制作與交互界面設(shè)計(jì)

鋼球自動檢測系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)中采用SolidWorks和VB相結(jié)合的方法，通過VB建立獨(dú)立的外部人機(jī)交互界面，控制SolidWorks的建模與裝配，利用SolidWorks的宏文件錄制功能錄制關(guān)鍵零部件以及裝配模型的模型修改過程，如圖11所示，讀取宏文件中的程序代碼，結(jié)合SolidWorks的API函數(shù)和VB的語言規(guī)則對主要參數(shù)代碼重新賦值便可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵零部件模型修改，實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)[17]。

為提高參數(shù)化系統(tǒng)的實(shí)用性，在人機(jī)交互界面輸入關(guān)鍵零部件及裝配模型的尺寸約束信息，調(diào)用驅(qū)動模型重建。如圖12所示，首先對關(guān)鍵零部件進(jìn)行參數(shù)設(shè)置并重建，選取模型序號為1-15.0812和12-23.8125兩組模型重新建模，因關(guān)鍵零部件已經(jīng)添加系列零件設(shè)計(jì)表，具有系列化屬性，直接選擇模型序號直接生成調(diào)用。

4 參數(shù)化系統(tǒng)仿真及驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的正確性與可行性，對展開機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，選取1-15.0812、12-23.8125兩組模型，在ADAMS軟件中，對鋼球表面任意標(biāo)記一點(diǎn)，追蹤標(biāo)記點(diǎn)的運(yùn)動軌跡曲線，連續(xù)選取標(biāo)記點(diǎn)3個(gè)不同時(shí)刻位置，如圖14所示，兩組模型中標(biāo)記點(diǎn)在鋼球展開過程均由位置1運(yùn)動至位置3，其運(yùn)動軌跡覆蓋了鋼球全表面，完成了全表面螺旋線展開運(yùn)動。驗(yàn)證鋼球自動檢測系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)的正確性。

5 結(jié) 論

1）本文建立鋼球自動檢測系統(tǒng)模板模型庫如圖6所示。應(yīng)用SolidWorks中系列零件設(shè)計(jì)表功能對關(guān)鍵零部件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，并建立關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)庫，采用自下而上裝配建模方法，建立鋼球檢測系統(tǒng)模板模型。

2）利用SolidWorks宏文件錄制功能錄制關(guān)鍵零部件和裝配模型的修改過程，讀取宏文件中程序代碼，結(jié)合API函數(shù)和VB語言規(guī)則進(jìn)行調(diào)試，并通過VB 建立獨(dú)立外部程序，設(shè)計(jì)參數(shù)化系統(tǒng)交互界面，在界面中選擇模型序號，完成關(guān)鍵零部件和自動檢測系統(tǒng)裝配模型的重建。

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（編輯：王 萍）