減速器箱體的參數(shù)化建模與界面化實(shí)現(xiàn)

李之圓，吳群彪,，梁 濤，陳 濤，方海峰,

(1.江蘇科技大學(xué)機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 張家港 215600) (2.江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院，江蘇 張家港 215600)

減速器作為獨(dú)立的閉式傳動(dòng)裝置連接原動(dòng)機(jī)和工作機(jī)，用來(lái)增大轉(zhuǎn)矩和降低轉(zhuǎn)速，滿(mǎn)足不同的工作需求。減速器的種類(lèi)很多，按照傳動(dòng)類(lèi)型可分為齒輪減速器、蝸桿減速器、行星減速器以及它們互相組合而成的減速器。按照傳動(dòng)級(jí)數(shù)可以分為單級(jí)減速器和多級(jí)減速器；按照齒輪形狀可以分為圓柱齒輪減速器、圓錐齒輪減速器和圓錐圓柱齒輪減速器；按照傳動(dòng)的布置形式可以分為展開(kāi)式、分流式和同軸式減速器。

國(guó)外首先使用個(gè)人計(jì)算機(jī)進(jìn)行參數(shù)化建模與界面實(shí)現(xiàn)，并且取得了令人矚目的成就。Chugunov等[1]研究了SolidWorks二次開(kāi)發(fā)程序在實(shí)際應(yīng)用和優(yōu)化方面的一些問(wèn)題，對(duì)參數(shù)化建模與界面實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了比較全面的概述；Yu[2]系統(tǒng)闡述了基于SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計(jì)和智能化裝配的工作原理與簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)方法；Reddy等[3]基于SolidWorks API開(kāi)發(fā)了一套智能化的軸承設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于SolidWorks二次開(kāi)發(fā)的研究主要是使用SolidWorks自帶的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言VBA進(jìn)行各種簡(jiǎn)單零件加工程序的開(kāi)發(fā)。顧忠新等[4]在減速器箱體類(lèi)零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)中使用SolidWorks自帶的VBA工具設(shè)計(jì)了一款能夠快速創(chuàng)建減速器箱體零件的窗口程序，但程序比較簡(jiǎn)單，只能實(shí)現(xiàn)箱體零件的快速建模，不能實(shí)現(xiàn)箱體零件的自動(dòng)化裝配；柏子剛[5]利用SolidWorks開(kāi)發(fā)了一款簡(jiǎn)易軟件進(jìn)行壓縮機(jī)連桿類(lèi)零件的快速參數(shù)化設(shè)計(jì)；印立康等[6]利用SolidWorks進(jìn)行了中型鋼設(shè)計(jì)的二次開(kāi)發(fā)研究。

國(guó)內(nèi)除了利用VBA進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單零件體的二次開(kāi)發(fā)，還進(jìn)行了一些關(guān)于復(fù)雜系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)仿真方面的深入研究。劉勛[7]基于SolidWorks進(jìn)行了帶式輸送機(jī)機(jī)架CAD(computer aided design)/CAE(computer aided engineering)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)與研究；汪志軍[8]基于SolidWorks二次開(kāi)發(fā)進(jìn)行了帶式輸送機(jī)CAD系統(tǒng)的研究；趙方舟[9]基于SolidWorks進(jìn)行了計(jì)算機(jī)輔助公差優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究。

VBA比較適合制作一些簡(jiǎn)單的或者是個(gè)人工作用的小工具，VBA編程比C#復(fù)雜，VBA所用到類(lèi)庫(kù)少，且加載麻煩，而C#編程簡(jiǎn)單且功能比VBA功能更加全面，因此本文著重介紹C#語(yǔ)言的使用。

1 開(kāi)發(fā)工具工作過(guò)程及原理

本文運(yùn)用開(kāi)發(fā)工具Visual Studio中的C#編寫(xiě)控制臺(tái)程序，再用編寫(xiě)好的程序?qū)崿F(xiàn)SolidWorks的二次開(kāi)發(fā)。

SolidWorks二次開(kāi)發(fā)的工作原理是：通過(guò)調(diào)用不同的API函數(shù)打開(kāi)SolidWorks以進(jìn)行不同的操作，如創(chuàng)建坐標(biāo)系、繪制草圖、拉伸實(shí)體、對(duì)稱(chēng)陣列等等。API工具保證不同應(yīng)用之間用同一種編程語(yǔ)言進(jìn)行交互，傳遞參數(shù)，并且這種語(yǔ)言編寫(xiě)的代碼在兩個(gè)程序之間能夠互相通過(guò)數(shù)據(jù)傳遞確保二次開(kāi)發(fā)的程序能成功運(yùn)行，如C#語(yǔ)言對(duì)應(yīng)的API函數(shù)保證了Microsoft.NET平臺(tái)與SolidWorks三維軟件之間的交互與二次開(kāi)發(fā)程序的順利運(yùn)行。除了調(diào)用相應(yīng)的API函數(shù)外，在SolidWorks與其他平臺(tái)進(jìn)行交互與共同開(kāi)發(fā)時(shí)，還需要添加相應(yīng)的引用協(xié)議，如在進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)之前，需要添加Microsoft.NET平臺(tái)與SolidWorks三維軟件的引用協(xié)議SolidWorks. Interop.sldworks.dll和SolidWorks.Interop.swconst.dll。SolidWorks二次開(kāi)發(fā)工作過(guò)程如圖1所示。

圖1 SolidWorks二次開(kāi)發(fā)工作過(guò)程

2 Windows窗體程序框架的設(shè)計(jì)與搭建

2.1 主程序窗口的設(shè)計(jì)

二次開(kāi)發(fā)的減速器箱體設(shè)計(jì)程序包含3個(gè)窗體界面，其中主界面是程序打開(kāi)后展現(xiàn)的首個(gè)界面，包括1個(gè)裝配完成狀態(tài)下的減速器箱體二維示意圖和6個(gè)按鈕控件，6個(gè)按鈕分別為“打開(kāi)SolidWorks”“箱體設(shè)計(jì)”“箱蓋設(shè)計(jì)”“打開(kāi)裝配體”“生成工程圖”“退出”。主界面設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 二級(jí)減速器箱體設(shè)計(jì)軟件主界面

減速器箱體裝配體的示意圖通過(guò)圖片框應(yīng)用(PictureBox)實(shí)現(xiàn)。在進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)時(shí)，根據(jù)實(shí)際圖片大小和整個(gè)開(kāi)發(fā)窗口的大小，將圖片框位置設(shè)置為(22,30)，圖片框大小設(shè)置為448×336，將圖片來(lái)源設(shè)置為存放減速器箱體裝配體二維示意圖的文件夾，并且選擇經(jīng)過(guò)調(diào)整和修飾的圖片。

2.2 箱體設(shè)計(jì)子窗口的設(shè)計(jì)

通過(guò)主窗口界面上的箱體設(shè)計(jì)按鈕，鏈接到箱體設(shè)計(jì)的子界面上，進(jìn)行箱體數(shù)據(jù)的采集與錄入。箱體設(shè)計(jì)界面如圖3所示。

圖3 箱體設(shè)計(jì)的子界面

減速器箱體設(shè)計(jì)的子界面包含25個(gè)標(biāo)簽控件(Label)、25個(gè)文本框控件(TextBox)和3個(gè)按鈕控件(Button)。其中，標(biāo)簽控件用來(lái)設(shè)置提示文本，文本框控件用來(lái)錄入數(shù)據(jù)，按鈕控件用來(lái)執(zhí)行保存數(shù)據(jù)、建立箱體三維零件、繪制二維工程圖與關(guān)閉當(dāng)前箱體設(shè)計(jì)子窗口等操作。

2.3 箱蓋設(shè)計(jì)窗口的設(shè)計(jì)

在完成箱體的設(shè)計(jì)之后，用戶(hù)返回主界面，再通過(guò)主界面上的箱蓋設(shè)計(jì)按鈕，鏈接到箱蓋設(shè)計(jì)的子界面上，進(jìn)行箱蓋數(shù)據(jù)的采集與錄入。箱蓋設(shè)計(jì)界面如圖4所示。

圖4 箱蓋設(shè)計(jì)的子界面

箱蓋設(shè)計(jì)子界面一共包含9個(gè)標(biāo)簽控件(Label)、9個(gè)文本框控件(TextBox)和3個(gè)按鈕控件(Button)。與箱體設(shè)計(jì)界面類(lèi)似，標(biāo)簽控件用來(lái)設(shè)置提示文本，文本框控件用來(lái)錄入數(shù)據(jù)，創(chuàng)建三維圖按鈕控件用來(lái)繪制三維模型，繪制工程圖按鈕用來(lái)繪制對(duì)應(yīng)工程圖并且進(jìn)行標(biāo)注，退出按鈕用來(lái)關(guān)閉當(dāng)前子界面并返回主界面。

3 零件體的尺寸驅(qū)動(dòng)與工程圖生成

3.1 零件體的尺寸驅(qū)動(dòng)方法

在SolidWorks二次開(kāi)發(fā)中，API函數(shù)中包含一個(gè)通用sldwork對(duì)象，sldwork對(duì)象存在一個(gè)通用的文檔對(duì)象ModelDoc2，可以通過(guò)SolidWorks API函數(shù)將SolidWorks中的零件體、裝配體和工程圖3種文檔賦給文檔ModelDoc2，然后運(yùn)用ModelDoc2中的方法對(duì)3種文檔進(jìn)行修改與調(diào)整。

3.1.1預(yù)備工作

進(jìn)行零件體的SolidWorks二次開(kāi)發(fā)時(shí)，首先要根據(jù)零件體文檔的存儲(chǔ)地址找到對(duì)應(yīng)的零件體文檔，然后將零件體文檔賦給文檔ModelDoc2，再使用ModelDoc2包含的方法對(duì)零件體的各種參數(shù)進(jìn)行修改。以箱蓋零件體為例，箱蓋零件體的參數(shù)來(lái)源比較復(fù)雜，一部分是從箱體零件上提取的，另一部分是從箱蓋設(shè)計(jì)界面上提取的，首先需要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后再使用這些數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)箱蓋零件進(jìn)行修改。

創(chuàng)建箱蓋三維模型之前需要先提取箱體的部分參數(shù)，將箱體文檔賦給ModelDoc2所創(chuàng)建的對(duì)象。根據(jù)箱體文檔的存儲(chǔ)目錄，將箱體文檔賦給ModelDoc2類(lèi)對(duì)象SWPartDoc，對(duì)應(yīng)步驟和代碼如下。

1)打開(kāi)文檔，判斷進(jìn)程：

open_swfile("",getProcesson("SLDWORKS"), "SldWorks.Application");

2)文件目錄賦值：

int IntError=-1;

int IntWraning=-1;

string filepath1=ModleRoot+@"箱體.SLDPRT";

3)打開(kāi)對(duì)應(yīng)路徑下的文檔，并將這文檔賦給SwPartModelDoc2：

SwPartDoc=swApp.OpenDoc6(filepath1,(int)swDocumentTypes_e.swDocPART,(int)swOpenDocOptions_e.swOpenDocOptions_LoadModel, "", ref IntError, ref IntWraning);

3.1.2尺寸驅(qū)動(dòng)法使用

箱體的參數(shù)賦給ModelDoc2類(lèi)對(duì)象SWPartDoc，運(yùn)用ModelDoc2中的方法獲得箱體所包含的數(shù)據(jù)，例如下箱體尺寸部分代碼見(jiàn)表1。

表1 下箱體尺寸的部分代碼

3.1.3后續(xù)工作

在修改完草圖尺寸之后，箱蓋的三維零件并不會(huì)發(fā)生改變，還需要使用代碼重新編輯箱蓋的零件體，才能改變箱蓋零件三維模型的尺寸。

在重新編輯完零件體之后，按照輸入的尺寸使用尺寸驅(qū)動(dòng)法生成箱蓋零件體，如圖5所示。

圖5 箱蓋零件體

3.2 零件體工程圖的生成與標(biāo)注方法

SolidWorks二次開(kāi)發(fā)的另一項(xiàng)重要功能是繪制工程圖，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化標(biāo)注，這項(xiàng)功能能夠極大節(jié)省設(shè)計(jì)人員繪制二維圖的時(shí)間，設(shè)計(jì)人員可以在二次開(kāi)發(fā)生成的工程圖的基礎(chǔ)之上，進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改與零件剖視圖的生成，快速完成零件體與裝配體的二維圖繪制。

利用SolidWorks生成零件體的工程圖并進(jìn)行修改的方法與三維模型的修改與裝配方法類(lèi)似，需要先打開(kāi)零件體的工程圖，其步驟和代碼如下。

1)打開(kāi)文檔，判斷進(jìn)程：

open_swfile("", getProcesson("SLDWORKS"), "SldWorks.Application");

2)文件目錄賦值：

int IntError=-1;

int IntWraning=-1;

string filepath2=ModleRoot+@"蓋.SLDDRW";

3)創(chuàng)建一個(gè)新的ModelDoc2的文檔用來(lái)存放打開(kāi)工程圖：

ModelDoc2 SwDrawDoc=swApp.OpenDoc6(filepath2,int)swDocumentTypes_e.swDocDRAWING,(int)swOpenDocOptions_e.swOpenDocOptions_LoadModel, "", ref IntError, ref IntWraning);

4)重新編輯工程圖：

SwDrawDoc.EditRebuild3();

在生成的基礎(chǔ)零件圖上，開(kāi)發(fā)者可以預(yù)先進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的參數(shù)標(biāo)注，標(biāo)注樣式如圖6所示。使用者還可以根據(jù)具體情況，在基礎(chǔ)零件圖上再增加或者刪除一些參數(shù)，以滿(mǎn)足自己的設(shè)計(jì)要求。

零件體工程圖的標(biāo)注包含了很多細(xì)節(jié)，如圖7所示是箱蓋零件體俯視圖的局部展示。

圖6 零件體三視工程圖

圖7 零件體工程圖局部展示

4 裝配體的配合驅(qū)動(dòng)與工程圖生成

4.1 預(yù)備工作

與3.1.1相同，步驟和代碼如下。

1)打開(kāi)文檔，判斷進(jìn)程：

open_swfile("", getProcesson("SLDWORKS"), "SldWorks.Application");

2)文件目錄賦值：

式中：GNOx為澳斯麥特爐產(chǎn)生的氮氧化合物質(zhì)量；B為消耗的粉煤量，暫定4 700 kg/h；β為燃料中氮的轉(zhuǎn)化率，25%；N為燃料中的含氮量，某冶煉廠(chǎng)燃煤中含氮量為1.29%。

int IntError=-1;

int IntWraning=-1;

string filepath1=ModleRoot+@"減速器.SLDASM";

3)創(chuàng)建一個(gè)新的ModelDoc2的文檔用來(lái)存放打開(kāi)裝配體：

ModelDoc2SwAssemDoc = swApp.OpenDoc6(filepath1,(int)swDocumentTypes_e.swDocASSEMBLY,(int)swOpenDocOptions_e.swOpenDocOptions_LoadModel, "", ref IntError, ref IntWraning);

4.2 配合驅(qū)動(dòng)法使用

以一組裝配基準(zhǔn)為例，說(shuō)明配合驅(qū)動(dòng)的方法，首先定義兩個(gè)零件體上需要配合的特征，然后選擇合適的裝配方法進(jìn)行裝配，步驟和代碼如下。

1)定義需要裝配的一組基準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的SelectByID2的字符串名稱(chēng)：

#region 裝配一對(duì)基準(zhǔn);

2)清空選擇集后，選中基準(zhǔn)面：

string MateBaseName2="RectangleWireConnectFace@PlugBottomBox-1@PowerStrip";

3)清空選擇集后，選中基準(zhǔn)面：

swAssemModleDoc.Extension.SelectByID2(MateBaseName1, "PLANE", 0, 0, 0, false, 1, null, 0);

4)在選擇集中附加選擇與之配對(duì)的基準(zhǔn)： swAssemModleDoc.Extension.SelectByID2(MateBaseName2, "PLANE", 0, 0, 0, true, 1, null, 0);

5)添加兩個(gè)基準(zhǔn)之間距離為20 mm的距離配合：

int x=-1;

Mate2 SwMate = SwAssem.AddMate5(5, 1, true, 0.02, 0.02, 0.02, 0, 0, 0, 0, 0, false, true, 0, out x);

6)配合也是特征，將其轉(zhuǎn)化為特征對(duì)象：

Feature swMateFeature=(Feature)SwMate;

7)配合特征重命名：

if (swMateFeature !=null)

{

swMateFeature.Name="測(cè)試距離配合";

}

#endregion

4.3 裝配體工程圖的生成與標(biāo)注方法

利用SolidWorks生成零件體工程圖并進(jìn)行修改，需要先打開(kāi)裝配體的工程圖，步驟和代碼如下。

1)打開(kāi)文檔，判斷進(jìn)程：

open_swfile("", getProcesson("SLDWORKS"),

"SldWorks.Application");

2)文件目錄賦值：

int IntError=-1;

int IntWraning=-1;

string filepath2=ModleRoot+@"減速器.SLDDRW";

3)創(chuàng)建一個(gè)新的ModelDoc2的文檔用來(lái)存放打開(kāi)的工程圖：

ModelDoc2 SwDrawDoc=swApp.OpenDoc6 (file path2, (int)swDocumentTypes_e.swDocDRAWING, (int)swOpenDocOptions_e.swOpenDocOptions_LoadModel, "", ref IntError, ref IntWraning);

4)重新編輯工程圖：

SwDrawDoc.EditRebuild3();

在生成的基礎(chǔ)裝配圖上，開(kāi)發(fā)者可以預(yù)先進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的參數(shù)標(biāo)注，標(biāo)注樣式如圖8所示。使用者也可以根據(jù)具體情況，在基礎(chǔ)裝配圖上再增加或者刪除一些參數(shù)，以滿(mǎn)足自己設(shè)計(jì)的要求。

圖8 裝配體三視工程圖

裝配體工程圖的標(biāo)注包含了很多細(xì)節(jié)，如圖9所示是減速器箱體主視圖的局部展示。

圖9 裝配體工程圖局部展示

5 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用C# 語(yǔ)言結(jié)合API函數(shù)對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了一款能在Windows系統(tǒng)中獨(dú)立運(yùn)行的減速器箱體設(shè)計(jì)軟件，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)減速器箱體零件的快速參數(shù)化建模和工程圖生成，并能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化裝配和生成裝配圖。本文的方法能夠大大提高減速器箱體的設(shè)計(jì)效率,并可為其他復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模與裝配提供具有參考意義的思路。