基于SolidWorks 的礱谷機零部件CAD/CAM 系統(tǒng)研究

武照云，張海紅，阮競蘭，秦 鋒，劉楠嶓

（河南工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007）

0 引言

多年來，我國的糧食機械制造企業(yè)為糧食加工行業(yè)提供了很多性能優(yōu)良的產(chǎn)品，為該行業(yè)的發(fā)展和滿足人民生活需要做出了巨大貢獻.但是，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和市場競爭的加劇，我國糧機行業(yè)的整體實力和水平與世界發(fā)達(dá)國家的差距越來越大，主要表現(xiàn)在糧機裝備制造成本高、研發(fā)效率低、功能質(zhì)量差等方面.究其原因，主要是目前大多數(shù)糧機企業(yè)普遍存在著技術(shù)含量低、設(shè)計手段落后、信息化程度不高等問題.因此，提高糧機企業(yè)的現(xiàn)代化設(shè)計水平是解決問題的關(guān)鍵.為此，很多科研人員在該方面做出了探索與努力，取得了很多成果，如在產(chǎn)品設(shè)計過程中應(yīng)用了CAD/CAM、Pro/E、有限元等現(xiàn)代設(shè)計手段[1-3].

礱谷機是碾米工藝中的一種重要設(shè)備，主要用于稻谷脫殼加工[4].經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前在礱谷機的設(shè)計工作中，手段依然比較落后，缺乏先進的設(shè)計方法與設(shè)計工具，科學(xué)化與現(xiàn)代化水平有待提高[5].本文以膠輥礱谷機為對象，研究其關(guān)鍵零部件的數(shù)字化設(shè)計方法，以SolidWorks 為平臺，開發(fā)礱谷機零部件CAD/CAM 系統(tǒng)，實現(xiàn)礱谷機零部件的計算機輔助設(shè)計與制造，提升設(shè)計水平.

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

礱谷機主要由主體機身、進料機構(gòu)、膠輥裝置、輥壓調(diào)節(jié)裝置、傳動裝置和風(fēng)選裝置等組成[6].針對以上零部件，設(shè)計了系統(tǒng)的主要功能，包括零件參數(shù)化設(shè)計、三維虛擬裝配與干涉檢驗、有限元分析、零件CAM 等模塊.系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為3個層次，即數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層與用戶層.該系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

（1）數(shù)據(jù)層.該層是系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲層，運用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)存儲相關(guān)數(shù)據(jù)與文件，主要包括系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、三維參數(shù)化零件庫、CAM/NC 代碼庫等.

（2）應(yīng)用層.該層是系統(tǒng)的核心關(guān)鍵層，遵循面向接口設(shè)計的思想，對各項業(yè)務(wù)邏輯與處理流程進行封裝，主要完成零件模型重建與機械性能仿真分析等功能.

（3）用戶層.該層主要采用圖形用戶界面技術(shù)，以友好的界面形式將結(jié)果呈現(xiàn)給終端用戶，為用戶提供數(shù)據(jù)輸入與結(jié)果輸出功能.

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

2 三維參數(shù)化零件庫設(shè)計

在礱谷機零部件的設(shè)計與造型過程中，對于外形復(fù)雜且結(jié)構(gòu)參數(shù)較多的非標(biāo)準(zhǔn)件，其三維模型的建模時間相對較長.對于不同型號和不同系列的膠輥礱谷機而言，大多數(shù)零部件的結(jié)構(gòu)形狀基本相同，因此，可以針對礱谷機專用件和常用件，建立三維參數(shù)化零件庫，進而避免設(shè)計人員將大量時間花費在重復(fù)建模上，減輕工作負(fù)擔(dān)，提高設(shè)計速度和效率.零件庫設(shè)計方法如下：（1）首先在SolidWorks 中對零件進行三維建模，然后根據(jù)實際需要，將模型中的結(jié)構(gòu)尺寸變量分別定義成固定尺寸參數(shù)變量和可變尺寸參數(shù)變量.（2）將建好的模型文件存儲在零件庫中，將模型索引信息存儲在數(shù)據(jù)庫中.（3）運用C# 設(shè)計一個零件庫調(diào)用開發(fā)包ModelLibToolkit，根據(jù).NET 體系思想，Model－LibToolkit 按命名空間對不同功能類進行劃分.在實體對象命名空間中，每個零件模型都對應(yīng)一個模型類，并將該模型的所有可變尺寸參數(shù)變量都設(shè)計為類的公共屬性，將尺寸修改和模型重建等操作都設(shè)計為類的公共方法.ModelLibToolkit 的設(shè)計為系統(tǒng)調(diào)用零件庫提供了方便.

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 零件模型參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計是快速生成礱谷機零件模型的重要技術(shù)，按照實現(xiàn)原理的不同，分為程序驅(qū)動法建模和參數(shù)驅(qū)動法建模，本文選取后者.運用方法為：首先選取要設(shè)計的零件對象，采用C# 調(diào)用零件庫開發(fā)包ModelLibToolkit，在ModelClass 中訪問零件庫中的零件模型，動態(tài)修改結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，再利用SolidWorks API 對.NET 封裝類的支持（如類庫SldWorks、SwConst、SwPublished）來 驅(qū) 動Solid－Works 進行模型重建，即可快速準(zhǔn)確地生成同一形狀不同大小的零件模型.該方法不涉及過多的SolidWorks API 函數(shù)，降低了程序的復(fù)雜性.在膠輥裝置的參數(shù)化設(shè)計模塊中，包括膠輥軸、膠輥、連接法蘭、帶輪、軸承座及壓蓋、底部托板、拉臂等常用件的設(shè)計.以底部托板為例，其參數(shù)化設(shè)計界面及生成的三維模型如圖2—圖3 所示.

圖2 膠輥底部托板參數(shù)化設(shè)計界面

圖3 生成的底部托板三維模型

3.2 三維虛擬裝配與干涉檢驗

零部件裝配是礱谷機設(shè)計工作的一個重要環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)工作量大，耗時費力.針對該問題，研究了礱谷機零部件三維虛擬自動裝配技術(shù).根據(jù)礱谷機各部件的組成特點，基于分層裝配的思想，按照“零件-小部件-大部件-整機”的原則來規(guī)劃裝配路徑[7]，定義各零件之間的定位基準(zhǔn)和裝配關(guān)系，然后由C# 調(diào)用SolidWorks 的API 函數(shù)來完成礱谷機的自動化虛擬裝配.干涉檢驗是虛擬裝配的關(guān)鍵技術(shù)之一，根據(jù)礱谷機的特性，對各零件尺寸約束進行定義，利用SolidWorks 中的干涉檢查功能可以快速地對各裝置進行干涉檢驗.該方法有利于快速發(fā)現(xiàn)零件裝配相互干涉的情況，以便及時進行修改.裝配后的礱谷機膠輥裝置三維模型和干涉檢驗結(jié)果如圖4—圖5 所示.

圖4 礱谷機膠輥裝置三維裝配體

圖5 干涉檢驗結(jié)果

3.3 基于Simulation 的有限元分析

從SolidWorks 2009 版本開始，其FEA 軟件COSMOSWorks 正式改名為SolidWorks Simulation，并將仿真界面和仿真流程集成到SolidWorks 軟件中.利用SolidWorks Simulation 對參數(shù)化設(shè)計中生成的零件模型進行有限元分析，按照如下步驟進行：①建立零件數(shù)學(xué)模型；②建立有限元模型；③求解運算；④分析結(jié)果處理與顯示.在礱谷機的各個零件模型中，主要針對關(guān)鍵零件進行受載后的有限元分析與仿真.例如，由于膠輥軸的性能優(yōu)劣直接影響了機器的脫殼效果，所以經(jīng)參數(shù)化設(shè)計得到的膠輥軸必須進行相關(guān)力學(xué)性能分析，避免實際運行中可能出現(xiàn)的剛度低或強度不足等問題.膠輥軸受載后的von mises 等效應(yīng)力分析結(jié)果如圖6 所示.

圖6 膠輥軸von mises 等效應(yīng)力分布

3.4 基于NC 代碼庫的CAM 模塊

針對礱谷機中板殼類零件數(shù)控加工與激光切割的需要，根據(jù)三維零件庫與參數(shù)化建模的設(shè)計思想，設(shè)計了參數(shù)化的NC 代碼庫.在NC 代碼庫中，建立了各種板殼類零件數(shù)控加工的NC 代碼文件，然后將各個可變參數(shù)作為可替換變量對外發(fā)布.在系統(tǒng)的CAM 模塊中，采用OLE 自動化技術(shù)調(diào)用NC 代碼庫中的NC 模板，再用實際參數(shù)值對變量進行賦值即可快速生成符合要求的NC 代碼.

4 結(jié)論

針對目前礱谷機設(shè)計水平與設(shè)計手段落后的問題，研究了礱谷機零部件的數(shù)字化設(shè)計方法.以SolidWorks 為平臺，設(shè)計并開發(fā)了礱谷機零部件CAD/CAM 系統(tǒng).該系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了礱谷機零部件的參數(shù)化設(shè)計和有限元分析，而且為其他糧食機械的專用設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)，在糧食機械設(shè)計與研發(fā)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

［1］姬耀鋒，黨培，沈勝利，等.CAD/CAM 技術(shù)在糧食機械設(shè)計制造中的應(yīng)用研究［J］.包裝與食品機械，2011，29（2）:64-66.

［2］劉國鋒，常興.三維設(shè)計軟件Solidworks 在粉絲機設(shè)計中的應(yīng)用［J］.河南工業(yè)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2005，26（1）:65-67.

［3］曹憲周，孫磊，邱放.有限元在糧食機械Pro/E 設(shè)計中的擴展應(yīng)用［J］.糧食科技與經(jīng)濟，2008（2）:39-40，52.

［4］向光波，阮競蘭.國內(nèi)外膠輥礱谷機現(xiàn)狀及發(fā)展概述［J］.糧食加工，2009，34（5）:60-62，65.

［5］程相法，阮競蘭.基于Visual Basic 的輥筒礱谷機參數(shù)程序化設(shè)計［J］.包裝與食品機械，2011，29（3）:60-62，52.

［6］秦鋒.基于參數(shù)化原理膠輥礱谷機設(shè)計系統(tǒng)的研究［D］.鄭州：河南工業(yè)大學(xué)，2012.

［7］周凱旋.創(chuàng)新設(shè)計中的起重機可互換性虛擬裝配及干涉檢查［D］.武漢：武漢科技大學(xué)，2006.