基于SolidWorks的推力球軸承二次開發(fā)

季建華　管殿柱　李森茂　夏濤　趙大剛

摘要： ?針對(duì)傳統(tǒng)軸承開發(fā)工作存在的繁雜問題，本文以51000型單向推力球軸承為主要研究對(duì)象，借助Visual Basic 60開發(fā)工具，基于SolidWorks平臺(tái)對(duì)推力球軸承進(jìn)行二次開發(fā)，解決了SolidWorks宏錄制過程中設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇問題，實(shí)現(xiàn)了VBA向VB的代碼轉(zhuǎn)換。針對(duì)SolidWorks軟件特點(diǎn)及推力球軸承結(jié)構(gòu)，建立零件三維模型，并借助VB語言通過SolidWorks平臺(tái)，建立人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)三維參數(shù)化建模。同時(shí)，選用Access作為數(shù)據(jù)庫，建立人機(jī)交互界面和標(biāo)準(zhǔn)推力球軸承數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)推力球軸承的三維參數(shù)化建模。研究結(jié)果表明，借助Access數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)者選擇推力球軸承型號(hào)后，即可進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)效率，縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期。該研究對(duì)SolidWorks平臺(tái)上其它零件開發(fā)及圖庫設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞： ?SolidWorks; 推力球軸承; 二次開發(fā); Access數(shù)據(jù)庫

中圖分類號(hào)： TH133.33; TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

基金項(xiàng)目： 國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC140510）

滾動(dòng)軸承是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用廣泛的部件之一，它主要依靠元件間的滾動(dòng)接觸來支撐零件轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到減小摩擦、提高旋轉(zhuǎn)精度的目的[1]。推力球軸承一般是可分離型軸承，主要承受軸向載荷，多用于重吊鉤、千斤頂、離心機(jī)等低速場(chǎng)合[2]。采用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)的滾動(dòng)軸承，計(jì)算量大，后續(xù)修改困難，無法滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)要求。因此，國內(nèi)外專家多數(shù)以標(biāo)準(zhǔn)軸承參數(shù)化建模為主，對(duì)軸承進(jìn)行二次開發(fā)。黃烈文等人[3-5]采用SolidWorks軟件中的應(yīng)用程序接口（application program interface，API），通過VB編程設(shè)計(jì)了軸承建模軟件，實(shí)現(xiàn)了軸承設(shè)計(jì)自動(dòng)化;黃秀琴等人[6-9]借助VB語言，使用Access數(shù)據(jù)庫進(jìn)行SolidWorks的二次開發(fā)，建立了三維滾動(dòng)軸承標(biāo)準(zhǔn)件庫;Zhang L等人[10]通過使用CATIA二次開發(fā)，建立了電磁軸承零件庫;U.Farhan等人[11]基于VB語言，利用SolidWorks進(jìn)行MF（模塊化夾具）二次開發(fā);郭忠亮等人[12]利用UG和Open MenuScript技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了軸承的二次開發(fā);黃啟斌等人[13]運(yùn)用VB語言和ANSYS軟件，解決了關(guān)節(jié)軸承參數(shù)化設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)分析問題。由此可知，國內(nèi)外研究者大都致力于標(biāo)準(zhǔn)軸承二次開發(fā)，對(duì)于有特定用途的非標(biāo)軸承研究較少，與數(shù)據(jù)庫的結(jié)合較少。基于此，本文以單向推力球軸承為研究對(duì)象，借助VB語言對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)推力球軸承的三維參數(shù)化建模。同時(shí)，建立了51000型推力球軸承數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了Access與SolidWorks二者的連接。該研究較好地實(shí)現(xiàn)了推力球軸承的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。

1SolidWorks二次開發(fā)機(jī)理

SolidWorks是一款設(shè)計(jì)功能強(qiáng)大、界面友好的三維設(shè)計(jì)軟件，基于特征選型的參數(shù)化造型功能，為設(shè)計(jì)者提供了良好的開發(fā)環(huán)境[14]。SolidWorks二次開發(fā)是以SolidWorks系統(tǒng)為基礎(chǔ)平臺(tái)，在其提供的開發(fā)環(huán)境與編程接口基礎(chǔ)上，研發(fā)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)需求的專業(yè)化、集成化軟件的過程[15]。

借助SolidWorks實(shí)現(xiàn)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)有兩種方法：一是基于自動(dòng)化技術(shù)，利用EXE形式程序進(jìn)行開發(fā)，此方法簡(jiǎn)單易行，無需編程，自動(dòng)化程度不高;二是基于組件對(duì)象模型（component object model，COM）接口，使用SolidWorks API進(jìn)行開發(fā)[16]。SolidWorks提供了大量API函數(shù)用于二次開發(fā)，利用API將功能封裝在對(duì)象之中，供編程調(diào)用[17]。

設(shè)計(jì)者可根據(jù)自身需求選擇合適的開發(fā)工具，如VC、VB、VBA、Delphi等語言，通過定義對(duì)象屬性和調(diào)用方法建立應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)二次開發(fā)[18]。VB是一種功能齊全、使用簡(jiǎn)捷的可視化編程語言，廣泛應(yīng)用于SolidWorks二次開發(fā)。因此，本文選擇VB語言，利用API函數(shù)進(jìn)行推力球軸承二次開發(fā)。

2三維參數(shù)化建模關(guān)鍵問題研究

2.1軸承模型分析

推力球軸承由鋼球、軸圈、座圈和保持架4部分組成，推力球軸承結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。鋼球在軸圈和座圈間旋轉(zhuǎn)，軸圈內(nèi)徑與軸緊密配合，座圈外徑與設(shè)備殼體配合，徑與軸有間隙。軸承軸圈與座圈可分別安裝在軸與殼體中，組裝設(shè)備時(shí)再合為一體[19]。針對(duì)SolidWorks軟件特點(diǎn)及推力球軸承結(jié)構(gòu)，采用兩種方式建立零件三維模型：軸圈和座圈等部分主要通過旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)/基體、旋轉(zhuǎn)切除等命令實(shí)現(xiàn);鋼球和保持架等部分主要通過拉伸凸臺(tái)/基體、拉伸切除、圓周陣列等命令實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)推力球軸承結(jié)構(gòu)，確定軸承主要尺寸計(jì)算方法。按照《中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)》選用GB/T 301—2015滾動(dòng)軸承推力球軸承參數(shù)表[20]作為推力球軸承三維模型設(shè)計(jì)尺寸依據(jù)，選用公稱接觸角60°的單向推力球軸承進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計(jì)。推力球軸承外形尺寸如圖2所示。

圖2中，D為外徑;d為軸圈內(nèi)徑;D1為座圈內(nèi)徑;T為公稱高度;r為圓徑已標(biāo)準(zhǔn)化，參照上述國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，計(jì)算鋼球數(shù)量和保持架尺寸[21]。

滾動(dòng)體數(shù)量為

Dw=0.5T，D_cp=（D+d）/2，Z=πD_cp/KD_w

式中，K為保持架兜孔間距系數(shù);D_w為滾動(dòng)體直徑;D_cp為滾動(dòng)體組中心圓直徑;Z為滾動(dòng)體數(shù)量。

保持架尺寸分別為

D_b=D-ε₁，d_b=d+ε₂，H_b=0.5 D_w

式中，D_b為保持架外徑;d_b為內(nèi)徑;H_b為高度; ε₁為保持架外徑小于軸承外徑的間隙量;ε₂為保持架內(nèi)徑與軸或者軸承內(nèi)徑的間隙量。

通過對(duì)推力球軸承結(jié)構(gòu)的分析，確定了推力球軸承類型及相關(guān)參數(shù)計(jì)算方法，提出了三維模型建立方式，為后續(xù)參數(shù)化建模打下基礎(chǔ)。

2.2三維參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)

軸承三維參數(shù)化建模主要借助VB語言通過SolidWorks平臺(tái)，建立人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)。使用VB程序自動(dòng)獲取模型的設(shè)計(jì)變量，在VB窗體界面輸入變量，生成新的軸承三維模型。具體如下：

1）在SolidWorks軟件中，建立推力球軸承三維實(shí)體模型。建模過程做到簡(jiǎn)潔有效，借助軟件中自帶的宏錄制功能，記錄建模過程，利用軟件自帶應(yīng)用程序的VBA（visual basic for applications，VBA）功能，得到參數(shù)化建模的基礎(chǔ)代碼。

2）在VBA中創(chuàng)建設(shè)計(jì)者窗體，添加窗體界面所需控件，并修改控件的屬性和名稱等內(nèi)容。檢查宏錄制生成的代碼，刪掉無效代碼。選取模型關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置變量，修改宏錄制中的基礎(chǔ)代碼，實(shí)現(xiàn)軸承關(guān)鍵尺寸參數(shù)化。本設(shè)計(jì)定義變量類型為雙精度浮點(diǎn)型變量[21]。此外，宏錄制中默認(rèn)變量單位為m，因此需將變量值除以1 000，將mm轉(zhuǎn)化為m。參數(shù)變量表如表1所示。

此外，在執(zhí)行VBA程序自動(dòng)建模過程中，會(huì)出現(xiàn)無法正確選擇設(shè)計(jì)點(diǎn)的問題。一般可通過打開或關(guān)閉SolidWorks軟件中的草圖自動(dòng)捕捉功能解決。具體代碼如下：

swApp.SetUserPreference Toggle swUserPreference Toggle_e.swSketchInference，True

swApp.SetUserPreference Toggle swUserPreference Toggle_e.swSketchInference，F(xiàn)alse

3）VBA中的程序具備建模功能后，設(shè)計(jì)者可進(jìn)行編寫調(diào)試、優(yōu)化編程語句，刪掉無用語句和采用更簡(jiǎn)單的建模過程等方式使程序語言精煉，表達(dá)準(zhǔn)確，提高效率。

4）程序調(diào)試無誤后，將VBA中的程序適當(dāng)修改后轉(zhuǎn)入VB中運(yùn)行。此外，不同于VBA，VB程序運(yùn)行環(huán)境獨(dú)立于SolidWorks，因此需要進(jìn)行二者連接，具體代碼如下：

Dim swApp As Object

Set swApp = CreateObject（"sldworks.application"）

通過上述代碼可以連接SolidWorks接口，使調(diào)用API成為可能[22-23]。通過以下代碼可以創(chuàng)建新零件：

swapp.Visible （True）

Set Part = swapp.ActiveDoc

5）在VB中添加功能控件，創(chuàng)建人機(jī)交互界面，參數(shù)化建模窗體界面如圖3所示。設(shè)計(jì)者可自行輸入?yún)?shù)進(jìn)行非標(biāo)推力球軸承參數(shù)化繪制。

3數(shù)據(jù)庫建立與設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)庫建立

Access屬于Microsoft office系列，是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，可提供各種向?qū)Ш涂丶?，能夠?chǔ)存和檢索數(shù)據(jù)，因其豐富的功能和直觀便捷的操作而得到廣泛應(yīng)用，擁有堅(jiān)實(shí)的市場(chǎng)基礎(chǔ)[24]。由于推力球軸承各項(xiàng)參數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此選用Access作為數(shù)據(jù)管理工具，建立符合國標(biāo)要求的51000型推力球軸承數(shù)據(jù)庫。通過窗體界面輸入軸承型號(hào)，可自動(dòng)獲得軸承外徑、座圈內(nèi)徑、公稱高度等各項(xiàng)參數(shù)，極大地提高了設(shè)計(jì)效率。

3.2數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

軸承數(shù)據(jù)庫可通過Access平臺(tái)，借助VB語言建立人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)。首先在Access中建立51000型推力球軸承數(shù)據(jù)庫bearing1，以軸承型號(hào)為查找字段，按照GB/T 301—2015滾動(dòng)軸承推力球軸承參數(shù)表進(jìn)行查找，準(zhǔn)確輸入型號(hào)為5110051436的推力球軸承各項(xiàng)參數(shù)，保證查找字段的唯一性，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的增添刪改等功能，便于后期拓展。51000型軸承數(shù)據(jù)庫如圖4所示。

其次，在VB中編程，以實(shí)現(xiàn)VB與Access的二者連接，調(diào)試程序功能和生成工程文件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的查詢功能。通過窗體界面，輸入軸承型號(hào)即可得到相應(yīng)參數(shù)，點(diǎn)擊“創(chuàng)建軸承”即可完成軸承標(biāo)準(zhǔn)化建模。窗體界面如圖5所示。此外設(shè)計(jì)者還可根據(jù)設(shè)計(jì)需要修改某些參數(shù)實(shí)現(xiàn)非標(biāo)設(shè)計(jì)。借助Access數(shù)據(jù)庫，設(shè)計(jì)者選擇推力球軸承型號(hào)后即可進(jìn)行三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，省去了輸入?yún)?shù)的麻煩，提高了設(shè)計(jì)效率。

4結(jié)束語

本文以單向推力球軸承為研究對(duì)象，借助VB語言實(shí)現(xiàn)了SolidWorks二次開發(fā)，解決了SolidWorks宏錄制過程中設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇問題和VBA與VB編程語言轉(zhuǎn)換問題。通過交互輸入界面，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)推力球軸承的三維參數(shù)化建模。此外，借助Access軟件建立了51000型推力球軸承數(shù)據(jù)庫，提高了標(biāo)準(zhǔn)推力球軸承的設(shè)計(jì)效率。本文較好地實(shí)現(xiàn)了非標(biāo)推力球軸承三維建模與標(biāo)準(zhǔn)推力球軸承的數(shù)據(jù)庫建立。因時(shí)間有限，本文僅建立了51000型單向推力球軸承數(shù)據(jù)庫，并未建立雙向及其他型號(hào)的推力球軸承數(shù)據(jù)庫。參照上述方法，結(jié)合實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)需要，可進(jìn)行軸承數(shù)據(jù)庫拓展或進(jìn)行聯(lián)軸器等特定零件二次開發(fā)，這將大大提高零件設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。該研究對(duì)SolidWorks平臺(tái)上其它標(biāo)準(zhǔn)件、常用件和專用零件開發(fā)及圖庫設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

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作者簡(jiǎn)介： ?季建華（1996），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)技術(shù)。

通信作者： ?管殿柱（1969），男，教授，主要研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)技術(shù)。 Email： gdz_zero@126.com

Secondary Development of Thrust Ball Bearing Based on SolidWorks

JI Jianhua¹， GUAN Dianzhu¹， LI Senmao¹， XIA Tao²， ZHAO Dagang¹

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Qingdao University， Qingdao 266071， China;

2. Key Laboratory of Marine Ecological Environment Science and Technology， MNR， Qingdao 266061， China）

Abstract： ?In view of the complicated problems in the traditional bearing development work， this article takes the 51000 oneway thrust ball bearing as the main research object. With the help of Visual Basic 6. 0 development tools， and based on the SolidWorks platform， and the secondary development of the thrust ball bearing， it solves the problem of designed point selection in the process of SolidWorks macro recording， and realizes the code conversion from VBA to VB. According to the characteristics of the SolidWorks software and the thrust ball bearing structure， a threedimensional model of the part is established， and a humancomputer interaction interface is established through the SolidWorks platform with the help of VB language to realize threedimensional parametric modeling. At the same time， select Access as the database， establish the humancomputer interaction interface and the standard thrust ball bearing database， realize the threedimensional parametric modeling of standard and nonstandard thrust ball bearings， and with the help of the Access database， the designer can select the thrust ball bearing model. Carrying out threedimensional parametric design improves design efficiency and shortens the product development cycle. This research has certain reference significance for other parts development and library design on the SolidWorks platform.

Key words： SolidWorks; thrust ball bearing; secondary development; Access database