基于SolidWorks的柴油機曲軸特征參數(shù)化建模

劉 方，劉 煒

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫交通分院,江蘇 無錫 214151；2.江蘇科技大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

0 引言

曲軸是柴油機最重要的部分之一，工作環(huán)境惡劣，各部分承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉壓和剪切等力的作用，要求有足夠的疲勞強度、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。為了滿足以上條件，在設(shè)計曲軸的過程中，需要對曲軸進行建模分析，大量重復(fù)性模型繪制工作和修改簡化工作會降低生產(chǎn)效率，因而尋找一種高效的三維建模方法有其必要性。

基于SolidWorks二次開發(fā)的特征參數(shù)化建模方法能有效解決上述問題，本文使用VB.NET程序開發(fā)平臺，以參數(shù)化設(shè)計思想為主導(dǎo)，對SolidWorks進行二次開發(fā)。具體方法為：以曲軸的主軸頸直徑D1和長度L1、連桿軸頸直徑D2和長度L2、平衡臂厚度H五個重要參數(shù)為變量，對曲軸進行基于特征參數(shù)化建模，將柴油機曲軸特征的每個建模步驟都用程序反映出來，通過相關(guān)參數(shù)控制完整模型的生成。

1 SolidWorks二次開發(fā)

SolidWorks是以Windows為開發(fā)環(huán)境的CAD/CAE/CAM/PDM的桌面集成系統(tǒng)[1]。SolidWorks具有開放的外部接口，提供了二次開發(fā)的環(huán)境和開放的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用戶可應(yīng)用VBVBAVCDelphi等編程語言，在SolidWorks上實現(xiàn)自定義功能，這種技術(shù)叫作SolidWorks二次開發(fā)。為了方便二次開發(fā)，Solid-Works通過OLE(Object Linking and Embedding,對象的嵌入與鏈接)或者COM(Component Object Model, 組件對象模型接口)為用戶提供了自由開放、功能完整的二次開發(fā)接口API(Application Program Interface)函數(shù)，來創(chuàng)建專門化的SolidWorks應(yīng)用模塊。

以VB.NET為開發(fā)環(huán)境，引用API函數(shù)方法以及創(chuàng)建對話框的步驟為：

(1)安裝SolidWorks API SDK文件，打開Microsoft Visual Basic，并新建項目“Windows窗口應(yīng)用程序”。

(2)在解決方案資源管理器中右鍵“引用”，點擊“添加引用”，打開SolidWorks所在目錄，將SolidWorks.Interop.sldworks.dll和SolidWorks.Interop.swconst.dll兩個頭文件添加到引用。

(3)進行對話框界面設(shè)計。

(4)引用要添加的頭文件。

(5)編寫主程序代碼。

(6)運行代碼程序。

2 特征參數(shù)化建模

參數(shù)化建模是指在建模之前對模型的構(gòu)造特征進行分析，提取模型特征參數(shù)，通過建立參數(shù)與模型之間的對應(yīng)關(guān)系，輸入控制參數(shù)即可創(chuàng)建模型[2]?；谔卣鞯膮?shù)化建模方法的關(guān)鍵是形成和約束參數(shù)化特征[3]，是CAD/CAPP/CAM的熱點研究方向。特征可分為形狀特征、精度特征、技術(shù)特征、材料特征和裝配特征[4]等?；谔卣鞯膮?shù)化建模技術(shù)就是將基于特征的建模和參數(shù)化有機結(jié)合起來，使特征本身包含參數(shù)化設(shè)計所需的成員變量和成員函數(shù)，采用帶有語義的特征描述方式，通過改變參數(shù)，隨時調(diào)整產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和尺寸，驅(qū)動特征隨之變化[4]?；谔卣鞯膮?shù)化建模比較復(fù)雜，它的程序語言記錄了零件構(gòu)建過程中的每一步信息操作，完整地展現(xiàn)出產(chǎn)品的工程語意和形狀信息，多應(yīng)用于復(fù)雜產(chǎn)品的創(chuàng)建。

3 柴油機曲軸特征參數(shù)化的建模實例

以CZ 380型柴油機曲軸為例，根據(jù)曲軸的重要參數(shù)來進行特征參數(shù)化建模。

3.1 曲軸設(shè)計參數(shù)取值范圍的確定

(1)柴油機缸徑D為80 mm。

(2)主軸頸直徑D1：理論上主軸頸需要承受的力只是連桿軸頸的一半，但是考慮到整個曲軸的剛度要求，實際設(shè)計中主軸頸直徑應(yīng)大于連桿軸頸的直徑，故取D1/D=0.65～0.80。

(3)主軸頸長度L1：一般情況下取L1/D=0.35～0.45。

(4)連桿軸頸直徑D2：連桿軸頸直徑越大，曲軸可承受的扭矩越大，柴油機產(chǎn)生的功率越大。但隨著直徑的增大，曲軸的轉(zhuǎn)動慣量也隨之增加，共振現(xiàn)象會更加明顯，在平衡臂厚度不大的情況下，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中。綜合以上的因素，取連桿軸頸直徑D2/D=0.60～0.65。

(5)連桿軸頸長度L2：一般情況下取L2/D=0.35～0.45。

(6)平衡臂厚度H：平衡臂的H應(yīng)盡量大一點，取H/D=0.20～0.25。

3.2 繪制曲軸各段特征主要應(yīng)用的函數(shù)

主要調(diào)用Solid works API。

(1)選擇草圖基準(zhǔn)面：swModelDocExt.SelectByID2(Name, Type, XPos / 1000, YPos / 1000, 0, False, 0, Nothing, 0)。

(2)插入草圖：swModel.InsertSketch()。

(3)激活草圖：swSketchMgr.ActiveSketch。

(4)繪制圓：swSketchMgr.CreateCircleByRadius(xc / 1000, yc / 1000, 0, diameter / 2000)。

(5)繪制小圓：swSketchMgr.CreateCircleByRadius(Cos(PI / 3) * (60 / 2000), Sin(PI / 3) * (60 / 2000), 0, 8.5 / 2000)。

(6)拉伸命令：swFeatureMgr.FeatureExtrusion(True, False, False, 0, 0, height / 1000, 1, False, False, False, False, 1, 1, False, False, False, False, True, False, True)。

(7)拉伸切除：swFeatureMgr.FeatureCut(True, False, False, 0, 0, 0.1, 0.1, False, False, False, False, 0, 0, False, False, False, False, False, True, True)。

調(diào)用API，通過編寫曲軸各段特征的函數(shù)，分別繪制：起始端凸臺、主軸頸和連桿軸頸、平衡臂、末端凸臺及鍵槽，見圖1。

教學(xué)設(shè)計方面 在高職大學(xué)英語教學(xué)設(shè)計過程中，課前、課中、課后、課外四個階段都要將教學(xué)活動同核心素養(yǎng)培養(yǎng)有機結(jié)合起來，圍繞基于核心素養(yǎng)四個要素的教學(xué)目標(biāo)展開，保障教學(xué)活動實施，提升高職學(xué)生英語語言應(yīng)用能力、自主學(xué)習(xí)能力等核心能力，幫助他們養(yǎng)成良好的思維品質(zhì)，樹立正確的文化意識。

圖1 繪制的曲軸各段特征

3.3 應(yīng)用窗口及曲軸整體建模設(shè)計

創(chuàng)建圖2所示的程序應(yīng)用窗口。創(chuàng)建六組Lable控件和Textbox控件作為參數(shù)提示和參數(shù)輸入框。添加一個Button控件，取名“OK”，控制程序執(zhí)行開始。

圖2 繪制曲軸對話框

曲軸建模整體分為三部分：第一部分繪制起始端兩個凸臺；第三部分繪制末段三個凸臺和兩個鍵槽；第二部分繪制相對復(fù)雜，分為12個拉伸特征，見圖3。具體流程見圖4。Button“OK”的執(zhí)行命令反映了整個參數(shù)化建模思路，將單獨列出程序代碼并作說明。

圖3 曲軸分段圖解

圖4 曲軸建模流程圖

最終生成的曲軸模型見圖5。

圖5 曲軸模型圖

3.4 部分建模流程主體程序及說明

(1)創(chuàng)建兩個變量，即x、y的坐標(biāo)平面，在y軸上，選擇繪制草圖位置面，其中案例曲軸為軸類，z軸方向基本不需要變化，所以無需變量。

Dim xPos As Double,yPos As Double

(2)繪制基礎(chǔ)第一部分凸臺：兩個圓凸臺。

drawForOneCylinderEntity() '自定義特征函數(shù)

(3)繪制中間隨參數(shù)變化的部分(共12個拉伸特征)。

每個部分特征繪制的步驟相似：分別為：縮放到合適大小顯示模型；新的草圖繪制面的位置xpos和ypos的值；繪制草圖和拉伸凸臺。

swModel.ViewZoomtofit()

xPos = 26 + 5

drawCylinderEntity("右視基準(zhǔn)面", "PLANE", 0, 0, 0, 0, TextBoxD1.Text, TextBoxL1.Text, 0)′自定義特征函數(shù)

繪制2部分特征：縮放合適大??；選擇面位置疊加上一個特征的深度L1；平衡臂拉伸凸臺：復(fù)雜草圖，根據(jù)D1、D2、H繪制凸臺。

swModel.ViewZoomtofit()

xPos = xPos + TextBoxL1.Text

drawSketchAndExt("", "FACE", xPos, 0, 0, TextBoxD1.Text, TextBoxD2.Text, TextBoxH.Text, 0) '自定義特征函數(shù)

繪制3部分特征：縮放合適大?。贿x面參數(shù)疊加(此處為繪制連桿軸凸臺，需要繪制一個不在草圖中心的圓，需要偏離數(shù)值ypos)；繪制連桿軸，選面使用xpos和0。圓中心位置：0和ypos。根據(jù)D2、L2繪制連桿軸。

swModel.ViewZoomtofit()

xPos = xPos + TextBoxH.Text

yPos = -TextBoxD1.Text / 2

drawCylinderEntity("", "FACE", xPos, 0, 0, yPos, TextBoxD2.Text, TextBoxL2.Text, 0) '自定義特征函數(shù)

繪制4部分特征：縮放合適大小；選面參數(shù)疊加；繪制第二個相同平衡臂(由于上一個特征的連桿圓形不在零件中心，選面會選不中，需要使用xpos、ypos選面。

swModel.ViewZoomtofit()

xPos = xPos + TextBoxL2.Text

drawSketchAndExt("", "FACE", xPos, yPos, 0, TextBoxD1.Text, TextBoxD2.Text, TextBoxH.Text, 0) '自定義特征函數(shù)

繪制5、6、7、8四部分特征，與上面的方法相同，不同之處為：平衡臂的方向需要改變120°,此處代碼省略。

繪制9、10、11、12四部分特征，與上面的方法相同，不同之處為：平衡臂的方向需要改變240°,此處代碼省略。

(4)繪制末端的三個凸臺。

swModel.ViewZoomtofit()

xPos = xPos + TextBoxH.Text

drawForTwoCylinderEntity(xPos, 0, TextBoxD1.Text) '自定義函數(shù)

3.5 主要難點與解決方法

(1)難點1：不規(guī)則圖形的復(fù)雜草圖繪制比較困難，例如曲軸平衡臂草圖的繪制。

方法：需要換算輸入?yún)?shù)與各個草圖線的對應(yīng)關(guān)系，根據(jù)不同的參數(shù)創(chuàng)建不同的草圖線(包含直線的位置，圓弧的圓心、半徑及圓弧長度、位置)。

具體步驟為：先繪制arc1、arc2兩端圓弧，獲得圓弧起始點和終止點P1、P2、P3和P4，通過點P1和坐標(biāo)(P3x，P1y)畫出直線line1，同理可獲得line3，再獲得line1、line2的終止點P5、P6，最后連接P3和P5、P4和P6獲得line2和line4。草圖及標(biāo)記見圖6。

圖6 平衡臂草圖

(2)難點2：選擇已有的實體的面創(chuàng)建草圖。

方法：由于實體表面在SolidWorks中不具有名稱，無法直接調(diào)用獲取此面。根據(jù)SolidWorks中鼠標(biāo)點選面的方式，設(shè)定坐標(biāo)點選中面，代碼如下：

boolStatus=swPart.Extension.SelectByID2("", "FACE",X,Y,Z ,False,0, Nothing, 0)

說明：第一個參數(shù)為空，因為所選對象(面)不具有名稱，類型為“FACE”，再根據(jù)XYZ坐標(biāo)點(只要這個點在面上即可)，選中此面。為方便起見，這里的圓凸臺的草圖選擇點設(shè)置在圓心，平衡臂的草圖選擇點設(shè)置在arc2弧中心。當(dāng)繪制首末兩組凸臺、主軸頸和第一組平衡臂和連桿軸頸時，由于沒有旋轉(zhuǎn)角度，草圖選擇點只需在x軸和y軸方向變化，無需引入z坐標(biāo)。當(dāng)繪制第二組和第三組的第二段平衡臂時，由于需要分別旋轉(zhuǎn)120°和240°，草圖選擇點除了要考慮其在x軸與y軸的坐標(biāo)變化，還要引入z軸坐標(biāo)變化。例如繪制第二組的第二段的平衡臂，代碼如下：

′平衡臂2，旋轉(zhuǎn)角度不再是0，而是PI * 2 / 3；并且選面位置也發(fā)生變化，使用X值：xpos；Y值：-Sin(PI / 3) * yPos；Z值：Cos(PI / 3) * yPos三個參數(shù)選中上一個連桿凸臺的中心以選中面(注意，此處的ypos的值原本為負數(shù))

xPos=xPos + TextBoxL2.Text′選取點x坐標(biāo)確定

drawSketchAndExt("", "FACE", xPos, -Sin(PI / 3) * yPos, Cos(PI / 3) * yPos, TextBoxD1.Text, TextBoxD2.Text, TextBoxH.Text, PI * 2 / 3) ′參數(shù)中對選取點y、z坐標(biāo)進行換算

4 結(jié)語

采用特征參數(shù)化建模能夠快速準(zhǔn)確地創(chuàng)建柴油機曲軸模型，針對模型的完成情況，應(yīng)進一步完善曲軸其余參數(shù)的添加，例如飛輪端、鍵槽等尺寸參數(shù)設(shè)置，以滿足更多參數(shù)需求的設(shè)計工作。

基于SolidWorks二次開發(fā)的特征參數(shù)化建模方法，符合產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計的需求，能有效提高各種產(chǎn)品的三維建模的效率，具有普遍適應(yīng)性。