大直徑三輥冷軋管機(jī)軋輥的參數(shù)化設(shè)計(jì)

賈其蘇，雙遠(yuǎn)華，張志娜，張志武(太原科技大學(xué)，太原 030024)

大直徑三輥冷軋管機(jī)主要用于生產(chǎn)外徑為140 mm～325 mm各種材料的精密無(wú)縫管及合金鋼管，其孔型參數(shù)繁多，模型復(fù)雜。軋輥上軋槽的設(shè)計(jì)是孔型設(shè)計(jì)的核心，軋槽的設(shè)計(jì)與鋼管質(zhì)量、軋機(jī)生產(chǎn)率、工具壽命以及金屬消耗等直接相關(guān)。針對(duì)不同的孔徑和材料，需要設(shè)計(jì)不同的軋輥來(lái)滿足加工需要。為了進(jìn)行軋制模擬和最后的生產(chǎn)加工，迫切需求對(duì)軋輥零件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，以加速軋輥的設(shè)計(jì)過(guò)程。

Solidworks是一款業(yè)內(nèi)常用的三維設(shè)計(jì)軟件，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法全面，功能強(qiáng)大。本文使用C#語(yǔ)言進(jìn)行基于Solidworks二次開發(fā)技術(shù)的軋輥參數(shù)化設(shè)計(jì)，快速建立適應(yīng)不同孔徑和材料的軋輥三維模型，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。

1 Solidworks二次開發(fā)技術(shù)

Solidworks提供了上百個(gè)API函數(shù)，這些函數(shù)均為Solidworks的OLE(Object Linking and Embedding，對(duì)象鏈接與嵌入)或COM接口，幾乎涵蓋了軟件中的所有功能。進(jìn)行二次開發(fā)時(shí)，程序員通過(guò)在自己的程序中調(diào)用需要的API函數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

Solidworks主要有兩種參數(shù)化方法：尺寸驅(qū)動(dòng)法和完全編程法。尺寸驅(qū)動(dòng)法比較簡(jiǎn)單，工程師在建立模型的過(guò)程中隨時(shí)對(duì)其關(guān)鍵尺寸進(jìn)行標(biāo)注，在程序中便可以調(diào)用函數(shù)對(duì)這些尺寸進(jìn)行修改，達(dá)到參數(shù)化設(shè)計(jì)的目的。完全編程法相對(duì)復(fù)雜，需要工程師熟練掌握Solidworks軟件和一門編程語(yǔ)言，在程序中調(diào)用各種函數(shù)，實(shí)現(xiàn)建模的全部操作，代碼量大。

由于大直徑三輥冷軋管機(jī)的軋輥的孔型是在每一度上分別計(jì)算其參數(shù)，一共150組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，設(shè)計(jì)復(fù)雜，故本文選用完全編程法，充分利用編程方法，簡(jiǎn)化代碼，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。任何支持OLE技術(shù)的編程軟件，如VBA，VB.NET，C++和C#都可以對(duì)Solidworks進(jìn)行二次開發(fā)，本文使用作者較為熟悉的C#作為開發(fā)語(yǔ)言。

2 軋輥的參數(shù)化設(shè)計(jì)

在大直徑三輥冷軋管機(jī)的孔型設(shè)計(jì)軟件中，輸入管坯孔徑，成品管孔徑，材料參數(shù)，以及其他需要的數(shù)據(jù)，可以得到包含軋槽上每一個(gè)分度的圓弧參數(shù)的一組數(shù)據(jù)，并可輸出得到包含所有參數(shù)的Excel表。本文提供了兩種方式來(lái)完成參數(shù)化建模過(guò)程，第一種方法在孔型設(shè)計(jì)軟件上增加二次開發(fā)的功能，依然作為獨(dú)立的軟件運(yùn)行，在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上調(diào)用一系列Solidworks API函數(shù)直接完成建模過(guò)程。第二種方法是建立Solidworks軟件的插件，附加在Solidworks軟件上的插件通過(guò)讀取孔型計(jì)算軟件輸出的Excel表格里的數(shù)據(jù)完成建模過(guò)程。兩種方法的核心相同，第一種方法方便快捷，操作簡(jiǎn)單，第二種方法通過(guò)Excel文件進(jìn)行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，可以有效保證孔型設(shè)計(jì)方法的私密性。

2.1 軋輥參數(shù)化設(shè)計(jì)的流程

筆者將軋輥的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程分為兩部分，第一部分生成基本模型，如圖1所示，即為軋輥的主體結(jié)構(gòu)，第二部分生成完整模型，即進(jìn)行軋槽的生成，在相鄰兩個(gè)關(guān)鍵面上繪制草圖進(jìn)行放樣切除，得到最終的軋輥模型，如圖2所示。

圖1 軋輥基本模型

圖2 軋輥完整模型

2.2 生成基本模型部分程序設(shè)計(jì)

基本模型部分的生成分為4步進(jìn)行：(1)在空白文檔中插入基準(zhǔn)軸；(2)繪制并拉伸草圖1；(3)繪制并拉伸草圖2；(4)繪制并旋轉(zhuǎn)切除草圖3；(5)為第二部分完整模型的生成插入150個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)。部分關(guān)鍵操作的程序代碼如下：

1)插入基準(zhǔn)軸。

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2("上視基準(zhǔn)面"，"PLANE"，0，0，0，true，0，null，0)；

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2("右視基準(zhǔn)面"，"PLANE"，0，0，0，true，0，null，0)；

boolstatus=Part.InsertAxis2(true)；

//選擇2個(gè)基準(zhǔn)面之后調(diào)用InsertAxis2函數(shù)實(shí)現(xiàn)插入基準(zhǔn)軸的操作。

2)繪制并拉伸草圖1.

swSketchSegment=Part.SketchManager.CreateCircleByRadius(0，0，0，0.201)；

//以圓心半徑方式畫圓。

swSketchSegment=Part.SketchManager.CreateLine(0，0.098，0，0.08，0.098，0)；

//以始、終點(diǎn)方式畫直線。

…

Part.ClearSelection2(true)；

//為了避免程序出錯(cuò)，每一步操作完成后均調(diào)用ClearSelection2函數(shù)清空所選目標(biāo)。

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2("圓弧1"，"SKETC-

HSEGMENT"，0，0，0，false，0，null，0)；

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2("直線3"，"SKETC-

HSEGMENT"，0.25，0.01，0，false，0，null，0)；

boolstatus=Part.SketchManager.SketchTrim(0，0.25，0.01，0)；

//首先選擇被裁剪的圓弧，再選擇裁剪圓弧的直線，最后調(diào)用SketchTrim函數(shù)完成裁剪操作。

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2("草圖1"，"SKETCH"，0，0，0，false，0，null，0)；

myFeature=Part.FeatureManager.FeatureExtrusion2(true，false，false，6，0，0.6，0.01，false，false，false，false，0.02，0.02，false，false，false，false，true，true，true，0，0，false)；

//選擇需要被拉伸的草圖之后調(diào)用FeatureExtrusion2函數(shù)完成拉伸實(shí)體操作。

3)旋轉(zhuǎn)切除。

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2("草圖3"，"SKETCH"，0，0，0，true，1，null，0)；

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2("基準(zhǔn)軸1"，"AXIS"，0，0，0，true，4，null，0)；

myFeature=((Feature)(Part.FeatureManager.FeatureRevolve2(true，true，false，true，false，false，0，0，6，0，false，false，0.01，0.01，0，0，0，true，true，true)))；

//首先選擇旋轉(zhuǎn)切除的草圖，再選擇旋轉(zhuǎn)的基準(zhǔn)軸，最后調(diào)用FeatureRevolve2函數(shù)完成旋轉(zhuǎn)切除操作。

4)繪制第二部分生成完整模型所需要的150個(gè)定位點(diǎn)。

for(double i = 15；i <= 165；i++)

{ double arc = i * Math.PI / 180.0；

double endx = 1 * Math.Cos(arc)；

double endy = 1 * Math.Sin(arc)；

skPoint = Part.SketchManager.CreatePoint(endx，endy，0)；//以三點(diǎn)方式畫點(diǎn)。

Part.ClearSelection2(true)； }

//用循環(huán)的方式插入150個(gè)點(diǎn)，作為第二部分生成完整模型的定位。

5)為使模型更清晰，需要隱藏部分草圖。

boolstatus = Part.Extension.SelectByID2("草圖4"，"SKETCH"，0，0，0，false，0，null，0)；

Part.BlankSketch()；

//選擇待隱藏的草圖之后調(diào)用BlankSketch函數(shù)設(shè)置其屬性為隱藏。

2.3 生成完整模型部分程序設(shè)計(jì)

在軋輥基本模型生成完成之后，還需要對(duì)軋槽進(jìn)行建模才能得到最終模型。該軋槽是以1°為分界，將整個(gè)軋槽進(jìn)行150等分，建模時(shí)要重復(fù)進(jìn)行150次放樣切除操作。為了提高編程效率，筆者首先編寫一段生成放樣切除所需草圖的方法，在循環(huán)中調(diào)用，最終得到完整的軋輥模型。

生成草圖的部分代碼如下：

private void insertSketch(int pointNum，double rollerData，double ccx，double ccy){…}

該方法有4個(gè)參數(shù)，pointNum是該草圖對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)點(diǎn)的編號(hào)，rollerData是草圖上的圓半徑，ccx和ccy是草圖上圓的圓心坐標(biāo)。

放樣切除的部分代碼如下：

for(int i = 1；i <= 31；i++)

{ double rollerData1 = Convert.ToDouble(this.GridRoll.Rows[i-1].GetCellValue("Radious R"))；

double pointRadius1 = 0.52+Convert.ToDouble(this.GridRoll.Rows[i-1].GetCellValue("e"))/ 1000；

insertSketch(i，rollerData1，pointRadius1，0)；

double rollerData2 = Convert.ToDouble(this.GridRoll.Rows[i].GetCellValue("Radious R"))；

double pointRadius2 = 0.52+Convert.ToDouble(this.GridRoll.Rows[i].GetCellValue("e"))/ 1000；

insertSketch(i+1，rollerData2，pointRadius2，0)；

//分別讀取計(jì)算軟件得到的放樣切除所需的相鄰兩個(gè)軋槽半徑以及軋槽高度，通過(guò)調(diào)用insertSketch函數(shù)來(lái)繪制草圖。

Part.ClearSelection2(true)；

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2("草圖" + Convert.ToString(i * 2 + 3)，"SKETCH"，0，0，0，true，0，null，0)；

boolstatus=Part.Extension.SelectByID2("草圖" + Convert.ToString(i * 2 + 4)，"SKETCH"，0，0，0，true，0，null，0)；

Part.FeatureManager.InsertCutBlend(false，true，false，1，0，0，false，0，0，0，true，true)；

//選擇相鄰兩個(gè)草圖，使用InsertCutBlend函數(shù)來(lái)進(jìn)行放樣切除操作。

Part.ClearSelection2(true)； }

Solidworks在執(zhí)行insertSketch函數(shù)時(shí)會(huì)因?yàn)椴輬D的方位影響圓的位置，故筆者將150段分為1-31，32-120，121-150這三部分分別繪制草圖，通過(guò)調(diào)整ccx和ccy參數(shù)的順序來(lái)控制圓的位置，得到位置正確的草圖。放樣切除操作如圖3所示，選擇相鄰的兩個(gè)草圖進(jìn)行切除。

圖3 放樣切除

2.4 Solidworks插件的設(shè)計(jì)

進(jìn)行Solidworks插件開發(fā)需要安裝SolidWorks API SDK開發(fā)包，安裝好后可以在Visual Studio中新建用于生成Solidworks插件的工程模板。

在新建的工程模板中，打開并修改SwAddin.cs文件，部分代碼如下：

string Title = "軋輥設(shè)計(jì)"，ToolTip = "軋輥參數(shù)化設(shè)計(jì)"；

//插件的標(biāo)題

cmdIndex0 = cmdGroup.AddCommandItem2("軋輥設(shè)計(jì)"，-1，"軋輥參數(shù)化設(shè)計(jì)"，"軋輥設(shè)計(jì)"，0，"RollerDesign"，""，mainItemID1，menuToolbarOption)；

cmdIndex1 = cmdGroup.AddCommandItem2("幫助信息"，-1，"點(diǎn)擊打開幫助頁(yè)面"，"幫助信息"，1，"HelpPage"，""，mainItemID3，menuToolbarOption)；

//增加插件菜單的選項(xiàng)，AddCommandItem2函數(shù)有9個(gè)參數(shù)，其中第6個(gè)參數(shù)CallbackFunction為反饋函數(shù)，即為點(diǎn)擊該選項(xiàng)時(shí)調(diào)用的函數(shù)。通過(guò)編寫相應(yīng)的反饋函數(shù)，便可以實(shí)現(xiàn)插件的各種功能。

軋輥設(shè)計(jì)選項(xiàng)的反饋函數(shù)如下：

public void RollerDesign()

{ RollerDesignFin RD = new RollerDesignFin()；

RD.Show()； }

RollerDesignFin是插件的主窗口。窗口設(shè)計(jì)上為了操作的簡(jiǎn)便僅有3個(gè)按鈕，分別為導(dǎo)入Excel表格，生成基本模型和生成完整模型，后2個(gè)按鈕的功能實(shí)現(xiàn)和前文相似。導(dǎo)入Excel表中的數(shù)據(jù)用到的是開源的NPOI項(xiàng)目，NPOI支持導(dǎo)入Excel，并能“理解”O(jiān)LE2文檔結(jié)構(gòu)，使用起來(lái)比Office PIA的API更加方便，更人性化。部分代碼如下：

ExcelTools.OpenExcel(textBoxDataInput.Text)；

//ExcelTools是針對(duì)NPOI編寫的類庫(kù)，OpenExcel方法打開指定路徑的Excel文件。

ExcelTools.OpenSheet(1)；

//OpenSheet方法打開指定序號(hào)的工作表。

double rollerData = Convert.ToDouble(ExcelTools.GetValue(x，y))；

//依次打開excel文件和工作表之后，可以調(diào)用GetValue方法讀取指定位置的單元格數(shù)據(jù)。

程序執(zhí)行編譯后在Solidworks的主菜單上增加了軋輥二次開發(fā)的選項(xiàng)，如圖4所示，點(diǎn)擊軋輥設(shè)計(jì)就會(huì)彈出如圖5所示的設(shè)計(jì)界面，從而進(jìn)行軋輥的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

本文以Solidworks為開發(fā)平臺(tái)，在軋輥孔型設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)上用C#編寫了一套軋輥的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)了軋輥的快速設(shè)計(jì)，有效減少設(shè)計(jì)人員的工作量，為后續(xù)的軋制過(guò)程有限元分析提供了基礎(chǔ)，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，同時(shí)對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)中零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)。

圖4 Solidworks插件菜單

圖5 插件界面

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