閘閥參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)*

周 航，千學(xué)明

(西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安 710021)

閘閥參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)*

周 航，千學(xué)明

(西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西西安 710021)

綜合應(yīng)用尺寸驅(qū)動法等參數(shù)化方法對閘閥進行高效設(shè)計，基于SolidWorks平臺，建立了完整的參數(shù)化閘閥設(shè)計系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠完成閘閥裝配體和零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并自動生成三維模型，實現(xiàn)了閘閥參數(shù)化設(shè)計，降低了設(shè)計難度，縮短了設(shè)計周期。通過實例進行驗證，證明系統(tǒng)可應(yīng)用于實際的工程設(shè)計中。

閘閥;參數(shù)化設(shè)計;系統(tǒng)框架;SolidWorks

1 引言

CAD技術(shù)經(jīng)過深入地研究，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到各種機械行業(yè)。而三維CAD技術(shù)的應(yīng)用加快了設(shè)計速度，縮短了在設(shè)計環(huán)節(jié)上的周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量。

閘閥作為閥門中的一種，其作用主要是切斷流動地介質(zhì)。閘閥已經(jīng)被應(yīng)用到航天、航海、核工業(yè)等重要領(lǐng)域中。閘閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計難度高，建模工作量大。

目前，采用CAD技術(shù)中參數(shù)化方法對閘閥進行設(shè)計，能提高設(shè)計效率。為了能夠降低參數(shù)化的難度，提高參數(shù)化效率，確保閘閥三維模型準確度，筆者通過對參數(shù)化方法研究，提出了多種方法混合進行參數(shù)化的方法，并且分析了確保閘閥三維模型準確性的關(guān)鍵點，最后提出了基于VB的SolidWorks軟件二次開發(fā)，建立了閘閥參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)的方法。

2 閘閥基本結(jié)構(gòu)及工作原理

閘閥主體部分包含閥體、閥蓋;啟閉裝置包括閥板、閥座;密封裝置包括密封座、填料、填料壓板等;驅(qū)動裝置包括閥桿、手輪部件等，緊固裝置包括螺母、墊片、螺栓。一般閘閥開啟時，流體從閥體一端通過閥體從另一端流出。當需要截止流體流動時，依靠外力轉(zhuǎn)動手輪，通過閥桿上的螺紋傳動，強制使閥板與密封座連接，關(guān)閉通道。

3 參數(shù)化方法

將三維參數(shù)化CAD技術(shù)快速應(yīng)用到閘閥的設(shè)計中，能使其自動化設(shè)計，有效地降底產(chǎn)品設(shè)計成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量。

根據(jù)三維參數(shù)化原理不同，三維參數(shù)化方法分為尺寸驅(qū)動法與編程法兩種［1－2］。尺寸驅(qū)動法是通過修改模型尺寸，實現(xiàn)對模型的參數(shù)化。程序法是應(yīng)用畫直線、曲線等繪制草圖函數(shù)以及拉伸、切除等創(chuàng)建特征函數(shù)生成三維圖形。這種參數(shù)化方法生成的模型準確可靠，但在創(chuàng)建設(shè)計系統(tǒng)時費時費力。經(jīng)過閘閥分析，發(fā)現(xiàn)閘閥零部件數(shù)量龐大且零件外形復(fù)雜等特點，故更適合采用尺寸驅(qū)動法完成參數(shù)化設(shè)計。

4 設(shè)計系統(tǒng)整體開發(fā)過程

4.1 功能結(jié)構(gòu)模塊

閘閥設(shè)計過程包括設(shè)計、建模和裝配。根據(jù)閘閥基本結(jié)構(gòu)零件的設(shè)計過程特點，閘閥設(shè)計系統(tǒng)功能包括挑選設(shè)計模板、輔助結(jié)構(gòu)設(shè)計、生成虛擬建模、進行裝配。

按照上述功能結(jié)構(gòu)，創(chuàng)建閘閥參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)分為三層。最低層是支撐整個系統(tǒng)的平臺，包括硬件平臺、操作系統(tǒng)平臺、應(yīng)用軟件平臺。中層是硬件系統(tǒng)由個人計算機和外圍設(shè)備組成。根據(jù)SolidWorks2012繪圖軟件安裝要求，個人計算機硬件配置內(nèi)存至少1GB以上，具有光驅(qū)驅(qū)動器或者U盤等其他儲存介質(zhì)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

閘閥專用CAD/CAM系統(tǒng)的應(yīng)用對象為設(shè)計人員，所以對系統(tǒng)軟件提出設(shè)計要求:①系統(tǒng)被大多數(shù)人使用;②熟悉的操作環(huán)境操③簡單、易學(xué)。因此，必須選用合適開發(fā)平臺與三維建模軟件［3］。

微軟公司的Windows是一款被廣泛使用的操作系統(tǒng)，而且具有面向用戶界面和易開發(fā)等特點。所以將Windows作為閘閥參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)的操作平臺。

SolidWorks軟件是以Windows為平臺，全參數(shù)化繪圖軟件，且可利用創(chuàng)建的模型直接在SolidWorks軟件環(huán)境下進行有限元分析、流體分析，為零件后續(xù)處理提供模型。所以選用SolidWorks軟件作為閘閥系統(tǒng)軟件平臺。

閘閥參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用軟件采用CAD軟件二次開發(fā)的方式來完成。二次開發(fā)是在CAD軟件提供的接口上，根據(jù)需求創(chuàng)造新功能的技術(shù)。經(jīng)研究，應(yīng)用SolidWorks的API接口，建立起了參數(shù)化閘閥設(shè)計系統(tǒng)。

(1)模板 即從一族或一類事物中抽象出其共同特征，組成一個具有各種信息的、可重用的、參數(shù)化的功能結(jié)構(gòu)單元，其也可以被定義為一種標準或規(guī)范［4］。

閘閥零件參數(shù)化模板包含了對閘閥的設(shè)計思想、零件的幾何拓撲，約束關(guān)系、零件之間的裝配關(guān)系等知識。

(2)零件庫 由于系統(tǒng)采用尺寸驅(qū)動法的參數(shù)化設(shè)計方法。而尺寸驅(qū)動法基于模板，在已經(jīng)設(shè)計出的三維模型基礎(chǔ)之上，通過調(diào)用程序改變尺寸值，生成新的零件。所以需要創(chuàng)建零件庫，用來存放尺寸驅(qū)動法所需要的基礎(chǔ)模板。

零件庫的閘閥零件模板采用SolidWorks軟件進行設(shè)計。閘閥設(shè)計零部件包括閥座、閥體、閥桿、閥板、填料、手輪、擋圈、螺釘、螺母、墊片等。設(shè)計完成的零件模型如圖2所示。

(3)數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫中存儲了尺寸驅(qū)動法進行參數(shù)化時所需要的尺寸值，通過程序訪問數(shù)據(jù)庫，就可以調(diào)用參數(shù)化所需要的尺寸。

圖2 功能結(jié)構(gòu)

Access是一款數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，是Office辦公軟件中極為重要的組成部分，能滿足多用戶，多線程的訪問。在系統(tǒng)訪問量及數(shù)據(jù)量不是很大的情況下，在桌面數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的開發(fā)中很有優(yōu)勢。系統(tǒng)采用采用Access2003數(shù)據(jù)庫［5］，并且對系統(tǒng)中的材料屬性表、計算結(jié)果數(shù)據(jù)進行管理。

實現(xiàn)Access2003數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通訊的方法很多。為了降低創(chuàng)建系統(tǒng)的工作量，通過對VB編程軟件研究，采用Data數(shù)據(jù)控件與Access2003數(shù)據(jù)庫連接。其主要程序如下:

圖3 閘閥裝配體

(4)創(chuàng)建裝配體庫 閘閥零部件完成參數(shù)化設(shè)計完成之后，必須進行裝配，才能形成閘閥產(chǎn)品。當形成裝配體之后，才能應(yīng)用SolidWorks軟件對產(chǎn)品進行干涉、碰撞檢查，而閘閥手工裝配難度大，工作量大，難以保證裝配精度。如何實現(xiàn)快速生成裝配體是一個難題。

通過對裝配體參數(shù)化研究，提出一種間接辦法實現(xiàn)自動裝配。首先人工進行裝配，即確定閘閥零件之間裝配關(guān)系，將具有裝配關(guān)系的裝配體模板保存在裝配庫中。當閘閥零件完成參數(shù)化之后，通過VB程序調(diào)用SolidWorksAPI打開裝配體文件函數(shù)OpenDoc()，SolidWorks軟件會自動實現(xiàn)裝配體更新，生成新的裝配體。經(jīng)過驗證，這種方法能快速地實現(xiàn)裝配。閘閥裝配體模板如圖3所示。

5 閘閥參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)

用戶從SolidWorks軟甲中進入閘閥參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，通過人機界面選擇設(shè)計模板。參數(shù)化模塊通過接口從零件庫和數(shù)據(jù)庫中調(diào)取參數(shù)化基礎(chǔ)模型和參數(shù)化尺寸，生成三維模型。最后保存且程序調(diào)用其它零件，自動更新生成裝配體。參數(shù)化過程如圖4所示。

圖4 參數(shù)化過程

6 參數(shù)化關(guān)鍵技術(shù)

6.1 閘閥參數(shù)化分析

(1)閘閥設(shè)計模板分析 應(yīng)用SolidWorks軟件建立閥體三維模型，其中包括了閥體、閥桿、鎖緊螺母墊片、閥板、閥體、填料壓蓋、填料、法蘭墊片、閥蓋、螺栓、銷、手輪、鍵、閥桿螺母、閥座等。

保證模型準確性，是一個設(shè)計難題。經(jīng)過對閘閥零件研究，從閘閥工作原理中得出閘閥外形結(jié)構(gòu)。而模型準確度主要在于設(shè)計參數(shù)。因此，為了提高三維模型準確性與可靠性，以閘閥零件關(guān)鍵設(shè)計尺寸作為主要參數(shù)化對象。

閥體參數(shù)化尺寸對象包括通道公稱直徑、法蘭外徑、法蘭螺栓孔直徑、法蘭密封面直徑、法蘭厚度、內(nèi)腔長度、閥體壁厚。

閥板參數(shù)化尺寸包括閥板大徑、閥板寬度、閥板長度、閥板厚度、密封面厚度、T型槽厚度、密封面寬度。

閥桿參數(shù)化尺寸包括閥桿直徑、閥桿長、閥桿、端部尺寸。

壓蓋參數(shù)化尺寸包括壓蓋厚度、外徑、內(nèi)徑。

手輪參數(shù)化尺寸包括輪轂孔直徑、輪轂外徑、輪轂厚度、手輪外徑、鍵槽寬度、鍵槽長度、輪幅數(shù)、輪幅界面尺寸、輪緣外徑、內(nèi)徑。

閥座參數(shù)化尺寸包括密封面長度、閥座外徑、內(nèi)徑、深度、厚度。

螺母參數(shù)化尺寸包括螺母公稱直徑、螺母厚度。

螺栓參數(shù)化尺寸包括螺栓公稱直徑、長度、厚度、螺栓頭部尺寸。

墊片參數(shù)化尺寸包括公稱直徑、厚度、外圓直徑。而參數(shù)化模板中非參數(shù)化尺寸值采用標準尺寸。(2)閘閥零件特征中包含大量倒角、圓角以及尺寸之間相關(guān)尺寸。如果通過編程進行參數(shù)化，造成增加工作量。通過對參數(shù)化研究，提出了將尺寸驅(qū)動法與SolidWorks方程式結(jié)合進行參數(shù)化的方法。尺寸驅(qū)動法針對零件外形主要尺寸，方程式針對倒角、圓角、尺寸之間相對關(guān)系進行參數(shù)化。經(jīng)過驗證，這種方法能提高編程的效率。

6.2 建立閘閥人機界面

人機界面是用戶選擇參數(shù)化對象、查詢數(shù)據(jù)庫、進行參數(shù)化的窗口。應(yīng)用VB編程軟件設(shè)計出符合SolidWorks風(fēng)格的人機交互界面，其中包括閥體、閥桿、鎖緊螺母墊片、閥板、閥體、填料壓蓋、填料、法蘭墊片、閥蓋、螺栓、銷、手輪、鍵、閥桿螺母、閥座等人機界面。其界面如圖5所示。

圖5 閥體、閥板、墊片、墊片參數(shù)化界面

6.3 制作插件

(1)在VB環(huán)境下將工程文件生成exe五金件可執(zhí)行文件。

(2)在VB中新建Active DLL文件，在“工程”菜單下引用 SolidWorks 2012 Type Library，SolidWorks 2012 Commands Library，SolidWorks 2012 Constant Library;向新建文件里類模塊中寫入創(chuàng)建菜單那程序，加載五金件窗體，啟動運行程序五金件可執(zhí)行文件exe。最后，在“文件”菜單下選擇生成DLL文件，最終得到五金件DLL文件。

7 系統(tǒng)實例應(yīng)用

系統(tǒng)可以形成exe可執(zhí)行文件和SolidWorks軟件DLL插件［6］。SolidWorks軟件在加載插件之后，進入設(shè)計系統(tǒng)。如圖6所示，列出了閘閥參數(shù)化設(shè)計工作流程。

圖6 閥體和閥座參數(shù)化界面

8 結(jié)論

通過詳細研究了閘閥的參數(shù)化方法。對閘閥的研究現(xiàn)狀進行分析之后，指出了參數(shù)化設(shè)計的必要性。又將參數(shù)化技術(shù)與閘閥設(shè)計相結(jié)合，在 Solid-Works軟件平臺下開發(fā)出參數(shù)化閘閥的設(shè)計平臺。相對于普通的系統(tǒng)，閘閥平臺具有了以下特色:

(1)應(yīng)用多種參數(shù)化設(shè)計方法，創(chuàng)建的閘閥設(shè)計模板、零件庫、數(shù)據(jù)庫、裝配體庫，并對模型準確度進行分析，減少了設(shè)計工作量，降低了設(shè)計成本。

(2)該參數(shù)化系統(tǒng)為閥門專用CAD系統(tǒng)研發(fā)提供了依據(jù)，同時也為其它閥體的設(shè)計提供新思路，對閥門設(shè)計方法轉(zhuǎn)變具有十分重要意義。

［1］ 劉 永.用VB對SolidWorks進行二次開發(fā)方法［J］.湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2009，23(2):62－65.

［2］ 徐國權(quán)，黃志超.基于SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計二次開發(fā)研究［J］.機械設(shè)計與研究，2007，23(1):68－71.

［3］ 趙萬生，吳 湘，遲關(guān)心.基于SolidWorks平臺的渦輪盤專用CAD/CAM系統(tǒng)開發(fā)［J］.計算機集成制造系統(tǒng)—CIMS，2003，9 (10):900－905.

［4］ 周 偉.基于SolidWorks閥門參數(shù)化CAD系統(tǒng)的研究［J］.機械設(shè)計與制造，2010(6):180－182.

［5］ 朱修傳，潘地林，劉文娟.利用VB開發(fā)SolidWorks標準件庫［J］.煤礦機械，2005(7):80－82.

［6］ 程 芬，王萬建，膝 爽.基于VB.NET的SolidWorks型鋼庫的二次開發(fā)［J］.機械研究與應(yīng)用，2013(1):72－73，79.

Development and Study of Parametric Design System for Gate Valve

ZHOU hang，QIAN Xue－ming
(College of Mechanical＆Electrical Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an Shanχi 710021，China)

A gate valve design system is established based on parameterized technology and the platform of Solidworks，which can aid to complete the task of design，assembly and 3D modeling.The gate valve parametric design is realized which makes design procedure easy and shorten the designing cycle.Finally，a prototype is set up，which verifies the effectivity of the method above.

gate valve;parametric design;frame;SolidWorks

TP391;TH12

A

1007－4414(2013)05－0061－04

2013－07－27

國家新聞出版總署“制造業(yè)信息化數(shù)字出版工程”(OO20102381)

周 航(1987－)，男，陜西西安人，在讀研究生，主要從事機械設(shè)計理論方面的研究。