基于SolidWorks二次开发的钻机零件参数化设计

第 4 O卷 第 6 期 2 0 1 2年 1 2月 煤 田地质 与勘探 C ALGE 0L oG Y Eja I 0R 删 Vb1 4 0NO 6 De c 2O1 2 文章编号 1 0 0 1 1 9 8 6 2 0 1 2 0 6 0 0 8 9 0 4 基于 S o l i d Wo r k s 二次开发的钻机零件参数化设计 张旭 东 文国军 1 江西省核工业地质局 江西 南昌 3 3 0 0 4 6 2 中国地质大学 湖北 武汉 4 3 0 0 7 4 1 摘要 随着各种形式的钻机在工程中得到广泛的应用 先进的钻机设计方法对钻机的跟进发展尤为 重要 基于 S o l i d Wo r k s 二次开发技术 提出了钻机零件参数化设计的思想 以岩心钻机卡盘为例 论述 了岩心钻机关键零件结构参数化设计的具体步骤 该方法在 V i s u a l Ba s i c 程序生成的基本参数计 算的用户界面上输入 已知的参数 可以完成卡盘基本参数的 自动计算 在卡盘参数化设计的用户界面 上输入钻杆直径就能够在 S o l i d Wo r k s系统 中生成卡盘 的各零件结构 图及其总装配图 实现钻机卡盘 参数化设计的要求 此设计方法为钻机整体实现参数化设计奠定了基础 关键词 S o l i d Wo r k s 二次开发 钻机 参数化设计 中图分类号 T P 3 9 1 7 文献标识码 A DO I 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 1 9 8 6 2 0 1 2 0 6 0 2 1 Va r i a bl e d e s i g n o f dr i l l i ng r i g S pa r t s ba s e d o n pr o de ve l o pme n t o f S o l i dW o r ks Z HA NG X u d o n g WE N G u o j u n 1 J i a n g x i N u c l e a r I n d u s t r y Ge o l o g i c a l B u r e a u N a n c h a n g 3 3 0 0 4 6 C h i n a 2 C h i n a U n i v e r s i t y o f g e o s c i e n c e Wu h a n 4 3 0 0 7 4 C h i n a A b s t r a c t Wi t h t h e r a p i d d e v e l o p me n t o f t h e d ri l l i n g i n d u s t r y v a r i o u s d ri l l i n g e q u i p me n t s a r e wi d e l y u s e d i n ma n y p r o j e c t s Ad v a n c e d d e s i g n me t h o d s o f d r i l l i n g e q u i p me n t s t a k e a n i mp o r t a n t r o l e d u ri n g t h e d e v e l o p me n t o f d ril l i n g e q u i p me n t s T h i s a rti c l e p r o p o s e s t h e me tho d o f a u t o ma t i c d e s i g n b a s e d o n t h e p r o d e v e l o p me n t o f S o l i d Wo r k s f o r d ril l i n g r i g S p a r t s a n d e x p l a i n s t h e d e t a i l e d c o u r s e s wi t h a n e x a mp l e o f t h e v a ria b l e d e s i gn f o r t h e c h u c k o f t h e c o r e d ril l i n g ma c h i n e Af t e r i n p u t n e c e s s a ry g i v e n p a r a me t e r s i n t h e u s e r S i n t e r f a c e o f c o mp u t i n g b a s i c p a r a me t e r s for t h e c h u c k c o mp i l e d i n the e n v i r o n me n t o f Vi s u a l Ba s i c t h e r e l e v a n t p a r a m e t e r s o f t h e c h u c k wi l l b e fi g u r e d o u t a u t o ma t i c a l l y I n t h e u s e r S i n t e r f a c e o f v a r i a b l e d e s i gn for t h e c h u c k b a s e d o n t h e p r o d e v e l o p me n t o f S o l i d Wo r k s i n p u t t i n g t h e d i a me t e r o f d r i l l i n g s t e m wi l l l e a d t o g e n e r a t e a l l p a rts d r a wi n g s a n d a s s e mb l y dra wi n g for t h e c h u c k i n t h e e n v i r o n me n t o f S o l i d Wo r k s Th e me t h o d i m p r o v e s d e s i g n e ffic i e n c y a n d e c o n o mi z e s l a b o r c o s t s a l s o l a y s a f o u n d a t i o n for t h e a u t o ma t i c d e s i gn o f a n o v e r a l l d r i l l i n g e q u i p m e n t Ke y wo r d s S o l i d Wo r k s p r o d e v e l o p me n t dri l l i n g r i g v a r i a b l e d e s i gn 随着钻探行业快速发展 各种形式的钻机在经济 建设中的作用尤为突出 钻机的发展水平越来越受到 来 了人们的重视 为了推进钻机的快速发展 先进的 钻机设计方法对钻探设备的发展就显得尤为重要 l 鉴 于参数化设计思想在其他机械设计领域的广泛应 用 本文基于 S o l i d Wo r k s 二次开发技术 3 4 提出了钻机 零部件结构参数化设计的思想 并以岩心钻机卡盘设 计为例对这种方法予以了详细的介绍 最终实现了卡 盘零件的参数化设计和装配 结果表明这种方法是一 种有效的钻机零件结构设计方法 提高了设计效率 节约了成本 对钻机其他部分的设计具有一定 的参考 意 义 1 参数化设计的方法 参数化设计是指在 已有模型的基础上 通过修改 模 型 参 数 得 到 所 需 的 零 件 图 或 装 配 图 基 于 S o l i d Wo r k s的二次开发的参数化设计方法有很多 最 便捷的就是通过 S o l i d Wo r k s自带的录制宏工具获取 操作码 将其复制添加到 V i s u a l B a s i c 程序代码中 然 后编辑修改以达到程序设计要求 再通过驱动设计变 量尺寸以完成模型的创建和更新 本文卡盘的设计就 采用这种方法 其实质是在利用可视化编程语言 V i s u a l B a s i c所编译的软件中传递 S o l i d Wo r k s系列零件设计 表 中的尺寸参数 将这些参数转换成 S o l i d Wo r k s 三 收稿 日 期 2 0 1 2 1 0 2 1 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 4 1 2 7 2 1 7 4 作者简介 张旭东 1 9 5 7 一 男 湖南道县人 高级工程师 从事钻掘机具及岩土工程研究 9 O 煤 田地质与勘探 第 4 0卷 维实体建模的具体参数以构建对应的模型 2 S o l i d Wo r k s系列零件设计表应用概述 S o l i d Wo r k s系列零件设计表 5 广泛应用于结构相 同而尺寸不同的零件的系列化设计 由于岩心钻机钻 杆直径 的不同 其卡盘各零件虽然具有相同的结构 但 外 形 尺 寸 却 具 有 明 显 的 系 列 差 异 可 通 过 S o l i d Wo r k s系列零件设计表的功能将这些结构相同而 尺寸不同的零件构成零件库 利用零件设计表对零件 模 型进行驱动 从而实现系列零件的快速化设计 S o l i d Wo r k s 系列零件设计表 是与 O f fi c e E x c e l 软件相 互连接的 通过对系列零件设计表的操作 可以实现 对零件尺寸的操作 并联结零件尺寸间的关系 具体 过程是首先在模型中插入一个新的 空白的系列零件 设计表 然后直接在工作表中输入系列零件设计表信 息 当完成输入系列零件设计表信息后 模型中会 自 动生成新配置 2 1 插入 新的系列零件设计表 单击工具栏上的插入 新系列零件设计表 一个 嵌入的工作表出现在窗口中 而且 E x c e l工具栏会替 换 S o l i d Wo r k s工具栏 在 P r o p e r t y Ma n a g e r中 首 先在来源下 选择空白以插入一空白系列零件设计表 然后在编辑控制下 选择阻止将更新系列零件设计表 的模型编辑 这样设置后 如果这些更改将更新系列 零件设计表 将不被允许更改模型 最后在选项下 清除数和新配置 这样模型所作的任何更改将不更新 系列零件设计 表 此 时E x c e l工具栏会替换 S o l i d Wo r k s工具栏 2 2编辑 系列零件设计表 在打开系列零件表后 就要对其进行编辑 a 尺寸 在图形区域中双击某个尺寸插入新的系列 零件设计表之前 确定所有必要的尺寸都已显示出来 此时尺寸 特征或尺寸 草图参数插入到单元格中 b 特征压缩 在特征的一个面上双击 此时 状 态 特征参数插人到单元格中 c 零部件压缩 在零部件的一个面上双击 此时 状态 零部件 参数插入到单元格中 继续以这 种方法增加参数时 相邻单元格 C 2 D2 等 会 自动被 激活 每个参数添加到标题行中 当前数值显示在第 3 行中 第一实例 d 在列 A中输入想生成的配置名称 名称不能包 含正斜线 或 字符 e 在试算表单元格中输人参数值 以卡瓦为例 图 1即为本文所设计的卡瓦系列零件表 如需显示由系列零件设计表添加的配置 单击窗口 底部的 C o n fi g u r a t i o n Ma n a g e r标签 双击该配置的名称 或者用右键单击该名称并选择显示配置 如图2 所示 B C D E l 系 列 零 件 设 计 表 是 为 卡 盘 卡 瓦 2 D l 草 图 l D I Q 4 3 第 剥 2 5 5 2 6 5 4 2 3 0 5 3 1 5 S h3 2 5 2 2 弱s 8 2 3 e B 4 4 0 9 4 1 9 6 5 8 2 3 9 T h5 2 了 2 8 0 6 5 8 2 3 9 8 h6 2 4 2 5 0 6 5 8 2 3 g 9 l 0 1 H S h e e t l 图 1 卡瓦系列零件设计表 F i g 1 De s i g n t a b l e f o r s l i p s 图 2 卡盘卡瓦配置图 F i g 2 Co n f i g u r a t i o n o f s l i p 3 钻机零件参数化设计实例 卡盘参数化设计 卡盘是岩心钻机的一个独立的重要部件 一般由 夹紧元件 中间传力机构和夹 紧动力装置三部分组 成 包括卡瓦 卡瓦座 卡圈 碟形弹簧 油泵环路 体 外壳 上盖和底座等 1 刚 本文对卡盘的各个零部 件都进行了参数化设计 但主要以卡瓦 卡瓦座和卡 盘装配体为例进行详细介绍 3 1卡盘基本参数自动计算 卡盘基本参数的计算是整个卡盘参数化设计的前 提 卡盘基本参数 主要包括最大载荷和等效夹紧力 根据卡盘基本参数的计算公式 利用 V i s u a l B a s i c编写 卡盘基本参数 自动计算的用户界面 在输入已知条件 下 即可得到卡盘的基本参数 3 1 1 最大载荷 P ma x 强力起拔工况下 卡盘负荷为 P a P 1 式中 c 为安全系数 取 1 2 5 1 6 P 一 为进给机构 最大上顶力 正常工况下 卡盘负荷为 第 6期 张旭东等 基于 S o l i d Wo r k二次开发的钻机零件参数化设计 9 1 P g 2 式 中 为作用于钻杆上的轴向力 取最大加 减 压 给进力 B y 为作用在钻杆上的圆周力 G 2 Mn d 其中 Mn为回转器次低速输出转矩 d为钻杆直径 将 以上两个值 比较 取其 中大者为最大工作载荷 尸 m 即P m ma x p b p g 3 1 2 等效夹紧力 等效夹紧力Q 是指卡盘承受最大载荷P 所必需 的 夹紧力 Q 3 式 中 为卡瓦与钻杆间的摩擦系数 户0 3 0 5 结合 以上各参数的相互关系 设计出卡盘的基本 参数计算程序流程如图3 所示 利用V i s u a l B a s i c 编写对 应的可视化程序 在输入必要的已知条件下 即可得 到卡盘的基本参数 计算强力起拔下 负荷 l 计算钻进情况下 盘负荷 算出等效夹紧力 图 3 卡盘的基本参数计算程序流程 图 F i g 3 Au t o ma t i c c o mp u t i n g fl o w c h a r t f o r b a s i c p a r a me t e r s o f c h u c k 3 2 卡瓦结构参数化设计 岩心钻机中一般使用的是卡瓦式液压卡盘 卡瓦 式液压卡盘是通过正压力作用下卡瓦与钻杆接触面产 生的摩擦力来传递轴 向力和转矩的 由于卡瓦尺寸与 钻杆直径关系密切 故卡瓦尺寸的选择主要依靠钻杆 直径 具体参数化设计步骤如下 a 在 S o l i d Wo r k s中 依据卡盘卡瓦的结构特征 建立钻杆直径为 5 1 m m的卡瓦三维实体模型 7 图4 b 在创 建 卡 瓦 三 维 实体 模 型 的 同时 利 用 S o l i d Wo r k s中的二次开发技术 即录制宏的方法 打 开 S o l i d Wo r k s中的录制宏操作 获得宏操作代码 c 依 照卡瓦尺 寸与钻杆直径 的关系 l I 6 应用 S o l i d Wo r k s零件设计表的方法 创建在不同钻杆直径 条件下的卡瓦系列零件设计表 图 1 是标准钻杆直径 为 5 1 mm 6 1 mm 4 3 mm 8 1 8 mm 5 4 m i l l 4 8 mm 情况下卡瓦系列零件设计表 图 4 卡盘卡瓦结构图 F i g 4 Th r e e d i me n s i o n a l mo d e l o f s l i p s d 录制结束后 将宏操作代码复制添加到 V i s u a l B a s i c 程序代码的相应部分 然后编辑修改调试 以达到 程序要求 同时利用 V i s u a l B a s i c 编写卡瓦结构参数化 设计程序 将利用 V i s u a l B a s i c编译的用户界面与 S o l i d Wo r k s 建立链接 整个卡瓦结构参数化设计流程如图 5所示 运行 卡瓦结构参数化程序 在可视化界面中输入不同钻杆 直径时即可得到不同卡瓦结构图 输入钻杆直径 一 选择 瓦型号 l 输出卡l瓦结构 冈 图 5 卡瓦结构参数化流程图 F i g 5 De s i g n flo w c h a r t o f s l i p 3 3 卡瓦座结构参数化设计 卡瓦座是限制卡瓦径向移动的零部件 它的尺寸 结构根据卡瓦的尺寸变化而变化 卡瓦座内径尺寸略 大于钻杆直径 其他尺寸根据 内径尺寸的变化而变化 与卡瓦参数化设计过程类似 先在 S o l i d Wo r k s中建立 钻杆直径为 5 1 mm的卡瓦座三维模型 图 6 同时操 作录制宏获取宏代码 依照卡瓦座尺寸与钻杆直径和 9 2 煤 田地质与勘探 第 4 0卷 卡瓦尺寸的关系 应用 S o l i d Wo r k s零件设计表的方 法 创建在标准钻杆直径为 5 1 m m 6 1 mm 4 3 m m 8 1 8 mm 5 4 mm和 4 8 mm情况下的卡瓦座系列零件 设计表 然后将宏操作代码复制添加到 V i s u a l B a s i c 程 序代码的相应部分 编辑修改调试以达到程序要求 同时利用 V i s u a l B a s i c编写卡瓦座结构参数化设计程 序 将 V i s u a l B a s i c 编译的用户界面与 S o l i d Wo r k s 建立 链接 运行卡瓦座结构参数化程序 再在可视化界面 中输入不同钻杆直径时即可得到不同卡瓦座结构图 3 4卡盘装 配体参数化设计 卡盘装配体就是把卡瓦 卡瓦座等各种卡盘零件 组合起来 使其能够形成一个整体 实现其夹紧功能 卡盘装配体参数化设计过程和基本零件参数化设计过 程类似 具体如下 a 以钻杆直径为 4 3 mm 时卡瓦座系列设计表对 应的卡瓦座型号为基准部件 对应的其他部件根据卡 瓦座的位置 采取同轴心配合 各接合面之间采取面 重合配合 对各部件一一装配I 1 同时在装配之前 先打开 S o l i d Wo r k s 中的录制宏操作 获得宏操作代码 图 6 卡瓦座结构图 F i g 6 Thr e e d i me ns i o na l mo d e l o f s l i p b o wl b 宏录制结束后将宏操作代码复制添加到V i s u a l B a s i c 程序代码的相应部分 然后编辑修改调试 以达到 程序要求 c 通过装配零件各 自的系列零件设计表 生成不 同钻杆直径下装配体配置 d 利用 V i s u a l B a s i c 编写卡瓦结构参数化设计程 序 同时将 V i s u a l B a s i c 生成的用户界面与 S o l i d Wo r k s 建立链接 通过程序驱动设计变量实现卡盘装配体的 创建和更新 通过输入不同的钻杆直径 系统能够选择不同的 零部件型号 进行配合 自动生成最后的装配图 如 输入钻杆直径为 4 3 1 1 1 1 1 并单击装配体按钮则可得到 如图 7 所示的钻杆直径为 4 3 mm的钻机卡盘结构图 图 7 直径为 4 3 mm时的卡盘装配图 Fi g 7 As s e mb l y d r a wi n g o f c h u c k wi t h d r i l l i n g s t e m o f d i a me t e r o f 4 3 mm 4 结 论 本文在 S o l i d Wo r k s 二次开发的基础上完成了岩心 钻机关键零件的结构参数化设计 在用 V i s u a l B a s i c 程序生成的基本参数计算的用户界面上输入已知参数 的情况下 可以完成卡盘基本参数的自动计算 在卡 盘参数化设计的用户界面上仅仅通过输入钻杆直径就