基于CAD二次开发的叶片泵零件参数化设计

信息技术 夏天 基于C A D二次开发的叶片泵零件参数化设计 基于 C A D二次开发 的叶片泵零件参数化设计 夏 天 江苏镇江技师学院 江苏 镇江 2 1 2 0 0 3 摘要 主要介 绍了零件三维模型的参数化设计 并在 C A D S o l i d w o r k s 二次开发 的基础上 以 叶片泵零件为例子 通过零件三维模型 的相关特征进行参数化设计 并叙述 了参数 化设 计的相 关要求 关键词 C A D 二次开发 参数化设计 叶片泵 中图分类号 T H 3 1 T P 3 9 1 7 文献标 志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 1 0 l 0 1 0 2 0 3 Pa r a me t e r De s i g n o f Pa r t s f o r Va n e Pump Ba s e d o n CAD o f S e c o n d Ex pl o i t a t i o n XI A Ti a n Z h e n j ia n g C o l le g e o f T e c h n i c i a n Z h e n j ia n g 2 1 2 0 0 3 C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r ma in ly in t r o d u c e s t h e p a r a me t e r d e s ig n f o r p a a s o f 3 D mo d e l in g o n t h e b a s i s o f CA D S o li d w o r k s o f s e c o n d e x p l o it a t i o n i ll u s t r a t e s p a r ame t e r d e s ign wit h c or r ela t iv e c h a r a c t er i s t ic s o f 3 D mo d eli n g f o r v an e pu mp a n d d ep ic t s t h e c o r r e l a t iv e r e q u e s t s o f p a r a me t er d e s ign Ke y wo r d s CAD s e c on d e x ploit a t io n p ar a me t e r d es ig n v a n e p ump 0 引言 用 C A D方法开发产品时 零件设计模型的建立速度 是决定整个产品开发效率的关键 产品开发初期 零件形 状和尺寸有一定模糊性 要在装配验证 性能分析和数控 编程之后才能确定 这就希望零件模型具有易于修改的 柔性 参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化 使之成为任意调整 的参数 对 于变量化参数赋 予不同数 值 就可得到不同大小和形状的零件模型 1 参数化技术 参数化技术是 当前 C A D技术重 要的研究领 域之一 它是指设计对象的结构形状相对 比较定型 可以用一组参 数来约束尺寸的关系 参数与设计对象的控制尺寸有明显 的对应关系 设计结果的修改受尺寸驱动的影响 参数化 技术从基于约束 的实施机理来看 目前主要有 以下的 6种 类型 a 基于几何约束的变量几何方法 这是一种面向非 线性方程组整体求解的代数方法 它将集合形状看作为 一 系列特征点 将约束关系转换成 以特征点为变化 的非线 性方程组 通过迭代求解 从而确定 出集合细节 这 种方 法适用于很大范围约束类 型 且循环约束可通过 约束方程 组的联立求解得到处理 但 它难 以避免数值求解稳定性差 的缺点 方程组整体求解 的规模 和速度难 以控 制 而且迭 代初值的选取在很大程度上也 影响算法的成功 b 基于几何推理的人工智能方法 该方法的基本思 想是将约束关 系用一阶逻辑 谓词来描述并存人事实库 通 过推理机的作用 从规则库 中选规 则并应用 于现 有事实 推理的结论作 为新 的事 实 推理 记录所有 成功的规则应 用并提供 重构过程 从 而构造出整个几何体 这种方法 表 达简洁 直观 而且可以避免变量几何方法的不稳定性 但 是系统庞大 速度慢 无法处理循环约束 c 基于构造过程的参数化方法 此方法采用一种参 数化履历 的机制 通过记录构图过程 中体素生成过程的先 后顺序及连接关系捕捉设计 者的意 图 这种方法 适用于 结构相 同而尺寸不同的零件设计 但 由于需要严格遵守某 种顺序 柔和性和灵活性不足 d 基于辅助线 的参数化方法 该方法的主要特点是 所有轮廓均建立在辅助线的基础上 而辅助线的求解条件 在作图过程中已明确规定 不必再做遍历搜索和检索求解 条件是否充分 这种方法求解速度很快 不足之处是当图 形 比较复杂时 辅 助线会影响作图的操作 e 基于图形的参数化方法 此方法直接操纵图形数 据库 把图形数据库 的数据交换结 构进行修改 用图形来 描述实体的相应约束 这种方法不要求用户用系统特定 模块的步骤构造原型图 算法效率高 实现简单 程序量不 太大 可移植性 比较强 f 编程参数化 方法 此方 法通过 分析模 型 的特 点 确定样板各尺寸之间的数字关 系 给定输 入参数 然后确 定其他参数的值 并用高级语言在 C A D系统 中加 以实现 这种方法主要适 用于结构 比较稳定 仅尺寸数值发生变化 或仅有局部结构变化 的场合 常见 于在通用 商品 C A D软 件上进行二次开发 应用编程方法实现的参数化 能将表格约束的数据 作者简介 夏天 1 9 7 9 一 男 江苏镇江人 讲师 工学学士 主要研究 数字制造技术 1 0 2 h tt p Z Z H D c h i n a j o u r n a 1 n e t c n E m a i l Z Z HD c h a i n a j o u r n a 1 n e t C B 机械制造与 自动化 信息技术 夏天 基于 C A D二次开发的叶片泵零件参数化设计 参数之间的关系 计算公式等写人程序 并且参数化图形 可以任意复杂 还具 有运 行可靠 速度快 的特点 但一般编 程实现的参数化需要用户掌握相应高级语言知识和编程 技巧 用编程 的方法不仅能够实现标准件 的参数化绘制 而且也可 以实现非标注准件 的参数化绘制 对 于标准件 一 般是建立标准零件库 严格按 照国标 来限制零 件尺寸的 大小 所有标准件的尺寸全部存放在数据库中 表 中的数 据一般是与机械手册上的表格相对应的 当用户选择一组 参数 的时候 这些参数就会被用来作 为要绘制零件 的基本 参数在高级语言 中使用 最终这些参数作 为 A P I 函数中的 形参来绘制图形 对 于非标准 件 参 数化 思想与标 准件是 一 样 的 只是没有大 量的参数 数据存 放在数据 库 中 而 是 提供给用户一个输入参数的界面来 限制零件 的形状 2 程序参数化特征 的设计 对于简单的特征 用户可以通过定义尺寸 添加几何 关系 添加方程约束等对 其进行 全约束 定义 使其形 状结 构唯一 建立零件的参数 化模 型 从 而实现零 件 的参 数化 设计和驱 动 但是 零件 中的某些 复杂特 征 无法 对它进 行完 全定 义 从而不能实现参数化设计和驱动 如果不能 实现参数化设计 则像 尺寸关 联性 比较 大 的零 件 对应每 一 组尺寸 设计者都要重复性的进行绘制 这无疑会使得 效率非常低 为了达到完成参数化特征建模 进而提高设 计者 的工作效 率 因此本 文基 于程 序参数 化建模技 术 通 过 S o l i d w o r k s 二次开发出特征 自动绘制 程序 重复 的绘 图 由计算机来完成 用户只需 要输入 尺寸参数 从 而 间接 的 实现特征 的参数化设计 程序参数化建模的思想是 运用开发工具编制若干具 有独立功能的程序绘图模块 首先通过用户交互 获取信 息和参数 然后启动相应的程序模块 自动完成数据访问 数据运算 构造和编辑实体模型等操作 从而 自动生成所 需的 图形 a 此种方法把绘制图形的具体步骤全部封装到了系 统的内部 省去 了用户不少繁琐 的重 复工作 用户 只需要 输入描述零件的形状信 息 系统就会 根据这些 参数 按 照 程序绘图 函数 中的公式 和算 法在 S o l i d w o r k s 绘 图平 台 下 绘 制出用户希 望得 到的实体模 型 从 而大大提高设计 的效 率 程序参数化建模的一般步骤为 1 分析结构化特征 确定最少需要用户交互式输入 的形状 特征参数 一 般为 尺寸 参数 利用 V i s u a l B a s i c 6 0 对话框控件设计用户交互对话框 2 设计特征绘制的程 序图及实现算 法 3 程序的编写与调试 b 按照这样 的开 发步骤 参数 化特 征的设 计 内容 主 要包括 设计对话框获取用户输入的参数和开发各程序绘 图模块两部分 内容 1 参数的传递与 获取 对 于用户 交互 的参 数信息 一 般采用 2种方法来 获取 一种是 由用户输 入 另一种 是 由用户 自己选择 其 中第二种 方法在 绘制标 准件零 件时 使用的比较多 因为标准件的尺寸为固定的一组数据 一 般都存放在数据库中 绘图时在交互界面中由程序调出供 用户选择 而对 于非标 准件 采用较多 的是第一种方法 程 Ma c h i n e B u i l d i n gg Au t o m a t io n F e b 2 0 1 1 4 0 1 0 2 1 0 4 1 7 0 序在交互界面中提供数据对话框 由用户 自己输入相应的 参数 实际上 在 使用过程 中经 常将 两种方法结合在一起 使用 在 V i s u a l B a s i c 6 0中 诸如 文本 框之类 的控 件 其实 都是对话框类中的成员变量 一般具有名称 类 型等属 性 当用户在其中输入数值后 这个 成员变量 也就被 赋 了值 从而实现了参数的传递 2 程序绘 图模块 的开发 程序绘图 的结构化程 序框 图如图 1 所示 虽然 Sol i d w o r k s 的 A P I 函数 中包含了各种 各样的绘图函数 但是 在实 际应 用过程 中 还是 要合理 的 组织这些函数 并使之 能够 以最 快的速度来 生成 图形 而 且生成的图形便 于用户后 面 的修 改以及特 征的获 取 因 而合理的组 织各种算 法和函数 以最科学的顺序来 安排数 据的传递 才能获得期望达到的绘图效果 S o l i d w o r k s 提供 的宏工 具是 二 二 次开发 的得 力助 手 当 需要了解绘制某个图形需要什么函数的时候 可以借助宏 的操作帮助 在宏的录制中找到相应的函数 然后在 A P I 函数 中查找相应 的函数 了解其功 能 最后 把参数 进行对 应来绘制所需 的图形 图 1 程序绘制模型的程序框图 3 叶片泵零件模型的参数化设计 叶片泵零件模 型的特征必 须是能够 由尺寸 参数驱 动 的 即当用户改变特征的尺寸时 持征的几何形状不变 图 形 重建 正确 满 足这 样的要求 需要对 特征模型 进行充 分 的定义 以确保模型几何形状的唯一性 为了介绍方便 这里选取 了较为简单 的特 征泵轴零件 中的键槽 特征 为例 来 说明特征的定 义过 程和方法 如图 2所示 特征定义分 为草 图定义 和特征定 义 草 图定 义包括 尺寸定 义和草 图中各个 线段 圆弧之 间的几 何关 系定 义 键槽特征 的尺寸定义包含键槽长度 的尺寸 键槽 宽度 的尺 寸 键槽深度的尺寸 另外 草图也定义了 线段 1 与线段 2平行 圆弧 1与圆弧 2的圆心同原点在一条直线上 圆 弧 1与线段 1和线段 2 相切 圆弧 2与线段 1与线段 2相 切 键槽特征的草图通过 这些定义 成 为完全 定义草 图 它 的草 图唯一 键槽特征经过上述充分定义后 用户 以后 调用不管如何改变尺 寸 键 槽的几何 形状 不变 从 而达 到 了参数化设计的 目的 在对键槽特征 的尺寸 定义完 毕后 通 过 V B对 S o l i d w o r k s 进行二次开发 实现其参 数化驱动的特征模 型 其相 l 03 信息技术 夏天 基于 C A D二次开发的叶片泵零件参数化设计 图 2 键槽特征及其草图定义 关 的程序代码如下 D i mP a r t A s O b j e c t D i m s t l e n a me As S t r i n g D i m s w A p p A s O b j e c t D i m S e l Mg r A s O b j ect Di m b oo l s t a t u s As B o o l e a n Di m l o n g s t a t u s As L o n g l o n g w a r n i n g s As Lo n g D i m F e a t u r e A s O b j e c t s t r fi l e n a me F 叶 片泵零 件 泵轴 泵 轴工序 图七 S L D PR T S e t s w A p p C r e a t e O b j e et s l d w o r k s a p p l i c a t i o n s wAp p Vi s i b l e Tr u e S e t P a r t s w A p p O p e n D o c 4 s t r f i l e n a m e I 0 l o n g s t a t u s Set P a r t s w A p p A c t i v a t e D o c 泵轴工序图七 Se t P a r t s w Ap p Ae t i v e Do c Se t S e l Mg r P a r t S e l e c t i o n Ma n a g e r P a r t S h o w N a me d V i e w 2 上视 5 b o o l s t a t u s P a r t E x t e n s i o n S e l e c t B y l D 2 草 图 8 S K E T C H 0 0 0 F a l s e 0 N o thi n g 0 b o o l s t a t u s P a r t E x t e n s i o n S e l e c t B y l D 2 草 图8 S KE r CHCONT OUR 0 0 7 8 1 7 1 5 4 3 3 1 61 2 0 一0 0 0 3 4 3 8 0 3 7 8 6 5 7 4 9 T r u e 4 N o t h i n g 0 P a r t Cl e a r S e l e c t i o n 2 T r u e b o o l s t a t u s P a r t E x te n s i o n S e l e c t B y l D 2 草 图 8 S KE TCH 0 0 7 81 7 1 5 4 3 3 1 61 2 0 一0 0 0 3 4 3 8 0 3 7 8 6 5 7 4 9 F a l s e 4 N o t h i n g 0 P a r t S e l e c ti o n Ma n a e r E n a b l e C o n t o u r S e l e c t i o n l b o o l s t a t u s P a r t E x t e n s i o n S e l e c t B y I D 2 草 图 8 S KE TC HC 0NTOUR O 0 7 8 1 71 5 4 3 31 6 1 2 0 一0 0 0 3 4 3 8 O 3 7 8 6 5 7 4 9 T r u e 4 N o t h i n g 0 P a r t F e a t u r e Ma n a g e r F e a t u r e C u t T r u e F als e F a l s e 0 0 0 0 o 3 5 0 o o 3 5 F alse F als e F a l s e F als e 0 0 1 7 4 5 3 2 9 2 51 9 9 4 0 01 7 4 5 3 2 9 2 51 9 9 4 F alse F als e F als e F als e 0 l 1 P a r t S e l e c t i o n Ma n a g e r n n h 1 p rn n t n ll r p 1 p o n 0 P a r t S h o w N a m e d V i e w 2 上下二等角轴测 8 P a r t Vi e w Zo o mt o fit 2 有的时候虽 然特征经过 了充分的定义 但是 由于系统 软件本身的算法可能不太好 或者用户定义不恰当等原 因 会出现更改尺寸模型时重建错误的问题 这是因为系 统根据更改后 的尺寸不能找到正确 的模型解 叶片泵零件部分参数化设计如图3一图5所示 图 3 叶片泵零件参数化设计 系统界面 图4 泵轴零件矩形槽参数化设计 图5 泵体零件螺纹孔参数化设计 盘 强 下转第 1 7 0页 h t t p Z Z H D c h i n a j o u r n a1 n e t e n E ma i l Z Z HD e h a i n a j o u r n a1 n e t e n 机械制造与 自动化 l J 囊 舞 t 一 囊 电气技术与 自动化 阮启刚 等 6 R机器人轨迹规 划及仿真 善 耄 专 雪 图 4 关节轴 5角速度 曲线 可知随着运动 的进 行 各运 动关节 的角 速度时 间 曲 线 角加速度时间曲线都变化连续缓和 关节 5角速度 曲线为余弦曲线 关节 5角加速度曲线为正弦曲线 说明 机器人角加速度连续没有出现突变 无任何冲击 说明 机器人在进行加工作业时 机器人各关节 各活动部件运 行 平稳 参考文献 1 叶长龙 工业机器人的运动学及动力学研究 D 北京 华北 电力大学 2 0 0 2 2 韩军 郝立 机器人关节空间的轨迹规划及仿真 J 南京理 工大学学报 2 0 o o 2 4 6 5 4 0 5 4 3 3 D u l e n G S t a h l m a n n H A n o ff l i n e p l a n n i n g a n d s i mu l a t i o n s y s t e mf o r c o a t i n g r o b o t s J A n n a l s o fth e C I P P 1 9 8 9 3 8 1 3 6 9 3 7 2 4 黄磊 基于 P m E的工业机器人运动学仿真 J 黄石理工学 院学报 2 0 0 9 2 5 1 5 8 5 杨达毅 6 R型工业机器人的运动学研究 D 吉林 吉林大 学 2 0 0 5 6 S u k H a n S u h J u n g J a e L e e P r o t o t y p e i n t e r g r a t e d r o b o t i c p a i n t i n g s y s t e m s o f t w a r e d e v e l o p m e n t J J o u r n a l o f Ma n u f a c t u r in g S y s t e ms 1 9 9 0 1 2 3 1 4 3 2 7 图 5 关节轴 5角加速度 曲线 收稿E t 期 2 0 1 0 0 6 1 7 上接第 1 0 4页 4 结语 在参数化设计系统中 设计人员根据工程关系和几何 关系来指定设计要求 要满足这些设计要求 不仅需要考 虑尺寸或工程参数的初值 而且要在每次改变这些设计参 数时来 维护这些基本关系 即将参数分 为两类 其一 为各 种尺寸值 称为可变参数 其二为几何元素间的各种连续 几何信息 称为不变参数 参数化设计的本质是在可变参 数的作用下 系统能够 自动维护所有的不变参数 因此 参数化模型 中建立 的各种约束关 系 正是体现 了设计人员 的设计意图 参数化设计可以大大提高模型的生成和修 改的速度 在产 品的系列设计 相似设计及专用 C A D系统 开发方 面都具有较大的应用价值 参考文献 1 H o uM F a d d i s T N A u t o m a t i c t o o l p a th g e n e r a t i o n o f a f e a t u r e b a s e d 2 L u o J L Wo n g W C M a L e t a 1 O b j e c t o ri e n t e d mo d e l i n g f o r C A P P o p e n a r c h i t e c t u r e J I n t e r n a t i o n a l A d v anc e d Ma n u f a c t u r in g T e c h n o l o g y 1 9 9 7 2 1 4 7 4 8 2 3 L u s c o m b e A M T o n c i e h D J A g e o me t r i c a l a p p r o a c h t o c o m p u r a i d e d p r o c e s s p lan n i n g f o r c o mp u t e r e o n t l o H ed ma c