基于SolidWorks膨脹節(jié)參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模研究

李亮，王濤，盧衷正

（1.航天晨光股份有限公司，南京 211100; 2. 沈陽(yáng)晨光弗泰波紋管有限公司，沈陽(yáng) 110020）

0 引言

當(dāng)前，膨脹節(jié)產(chǎn)品工程圖的設(shè)計(jì)成為很多企業(yè)合同按時(shí)履約、提升設(shè)計(jì)質(zhì)量及效率的一種瓶頸或障礙，很多企業(yè)依然采用二維軟件進(jìn)行膨脹節(jié)設(shè)計(jì)，效率很低，并且還會(huì)面臨以下幾個(gè)問(wèn)題：首先，二維產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，很多產(chǎn)品的尺寸及零部件質(zhì)量需要手工進(jìn)行計(jì)算，這樣不僅工作繁雜并且容易出錯(cuò)，這樣的設(shè)計(jì)流程經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些干涉等情況。同時(shí)二維設(shè)計(jì)在修改圖樣時(shí)也非常不方便，造成了由于客戶(hù)需求對(duì)圖樣的頻繁修改所帶來(lái)的設(shè)計(jì)周期延長(zhǎng)，且易產(chǎn)生漏改和錯(cuò)改現(xiàn)象，給企業(yè)造成損失，延誤交貨日期。其次，二維產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法與PDM軟件結(jié)合，需在PDM軟件中搭建產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹(shù)，輸入各種零部件代號(hào)、質(zhì)量等屬性信息，是一種機(jī)械、重復(fù)性的低效工作。再次，二維產(chǎn)品設(shè)計(jì)不利于進(jìn)行有限元分析、動(dòng)力學(xué)仿真等較高層次的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)工作。最后，企業(yè)利用二維軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，很難實(shí)現(xiàn)整個(gè)企業(yè)的設(shè)計(jì)模式、管理模式和流程模式的統(tǒng)一。

因此，采用三維軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一種趨勢(shì)，利用SolidWorks及二次開(kāi)發(fā)的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，可以打破二維設(shè)計(jì)模式對(duì)企業(yè)造成的瓶頸約束，將膨脹節(jié)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制圖效率提升1倍以上，有利于實(shí)現(xiàn)整體設(shè)計(jì)模式的轉(zhuǎn)變。同時(shí)，膨脹節(jié)三維參數(shù)化設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、優(yōu)化后的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)固化到基礎(chǔ)模型中，能有效推進(jìn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的發(fā)展?；A(chǔ)模型包含可參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的三維模型及三維模型更新后只需一鍵更新及局部調(diào)整即可作為生產(chǎn)圖的工程圖母圖。

1 參數(shù)化驅(qū)動(dòng)模型（基礎(chǔ)模型）建模技術(shù)

1.1 利用關(guān)聯(lián)方程式實(shí)現(xiàn)零部件間的參數(shù)聯(lián)動(dòng)

SolidWorks三維制圖軟件允許利用建立方程的方式對(duì)零部件間建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，即自頂向下的設(shè)計(jì)路線[1]。自頂向下設(shè)計(jì)關(guān)注的是零部件間的約束關(guān)系，而不是零件的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)?；舅悸肥窃趨?shù)化零件的基礎(chǔ)上，引入零件裝配關(guān)系作為約束，合理地建立零件間的裝配約束關(guān)系，同時(shí)，建立零部件間的相對(duì)位置關(guān)系。如通過(guò)建立零部件間尺寸的關(guān)聯(lián)方程，設(shè)計(jì)人員只需輸入產(chǎn)品總長(zhǎng)、波紋管參數(shù)、零件壁厚等主動(dòng)尺寸，即可生成一種新的規(guī)格的膨脹節(jié)。

SolidWorks參數(shù)化驅(qū)動(dòng)方程式不僅僅是是簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)關(guān)系式，有些從動(dòng)尺寸（被方程式驅(qū)動(dòng)隨主動(dòng)尺寸變化而改變的尺寸）也需要做一定的處理，部分從動(dòng)尺寸需要做圓整處理，例如環(huán)板外徑、肋板高、雙頭螺柱長(zhǎng)度等宜設(shè)定為以0或5結(jié)尾的數(shù)值。

參數(shù)化驅(qū)動(dòng)關(guān)聯(lián)方程式的建立，減少了設(shè)計(jì)人員大量簡(jiǎn)單、重復(fù)的計(jì)算工作，同時(shí)也減少了設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)需要修改的尺寸數(shù)值的數(shù)量，更有利于實(shí)現(xiàn)三維模型參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模。

1.2 二次開(kāi)發(fā)專(zhuān)用產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊及用戶(hù)界面

在SolidWorks軟件中進(jìn)行模型驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)整體模型的變化時(shí)，可以通過(guò)逐一打開(kāi)裝配體中的零件后再更改相關(guān)主動(dòng)尺寸的方法進(jìn)行更改；也可以在三維模型裝配體中，雙擊主動(dòng)尺寸直接更改。但此兩種方法均效率不高。為方便用戶(hù)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，SolidWorks提供了幾百個(gè)自由、開(kāi)放和功能完整的API開(kāi)發(fā)函數(shù)，用戶(hù)可以使用VB、VBA和VC等高級(jí)語(yǔ)言進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立適合用戶(hù)需要和專(zhuān)用的功能模塊[1]。

基于上述SolidWorks軟件在建?；蚰Ｐ万?qū)動(dòng)方面的不足及適合于進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的特點(diǎn)，本文采用VB語(yǔ)言對(duì)SolidWorks軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，建立了適合膨脹節(jié)產(chǎn)品特點(diǎn)的專(zhuān)用的產(chǎn)品設(shè)計(jì)功能模塊——模型屬性管理模塊及參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊。

模型屬性管理模塊開(kāi)發(fā)的基本原理為利用SolidWorks軟件API開(kāi)發(fā)函數(shù)對(duì)產(chǎn)品三維模型結(jié)構(gòu)樹(shù)進(jìn)行尺寸信息遍歷和提取及零部件屬性提取，其用戶(hù)界面如圖1所示。該模塊可以將三維模型中的各級(jí)零部件的尺寸信息和代號(hào)、零部件代碼等屬性信息提取出來(lái)，方便用戶(hù)對(duì)這些信息進(jìn)行管理[2]。

圖1 模型屬性管理模塊用戶(hù)界面

產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員將上述模型屬性管理模塊提取的模型信息進(jìn)行處理，如刪除從動(dòng)尺寸、調(diào)整尺寸順序等，并將處理結(jié)果保存。然后將處理結(jié)果映射到參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊。該模塊用戶(hù)界面如圖2所示。產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員在界面中修改模型主動(dòng)尺寸，即可實(shí)現(xiàn)模型的快速參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模。

圖2 參數(shù)化設(shè)計(jì)模塊用戶(hù)界面

對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜的膨脹節(jié)，三維建模同樣具有優(yōu)勢(shì)。圖3所示膨脹節(jié)為大拉桿帶萬(wàn)向四連桿型膨脹節(jié)，若該模型采用二維制圖方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要從內(nèi)至外進(jìn)行各個(gè)部件的設(shè)計(jì)。無(wú)論是設(shè)計(jì)人員還是校核人員都要花相對(duì)較多的時(shí)間。如果采用三維尺寸聯(lián)動(dòng)的方法建模，則四連桿的的主動(dòng)參數(shù)只有板寬、板厚、連桿開(kāi)口角度等簡(jiǎn)單參數(shù)，四連桿的安裝長(zhǎng)度亦不需要手工計(jì)算，已經(jīng)由關(guān)聯(lián)方程式自動(dòng)計(jì)算出；內(nèi)保溫組件尺寸及形狀全部為隨接管內(nèi)徑、內(nèi)襯筒直徑及“內(nèi)保溫厚度”等參數(shù)自動(dòng)更新，省去了大量尺寸計(jì)算的時(shí)間。

圖3 大拉桿萬(wàn)向連桿型膨脹節(jié)模型

三維建模利用關(guān)聯(lián)方程式可以解決大量的尺寸計(jì)算問(wèn)題，而模型中大量的以號(hào)代圖件代號(hào)及非標(biāo)零部件屬性值的編寫(xiě)填充仍具有非常大的工作量，是影響工作效率的另一個(gè)短板，需要進(jìn)一步的二次開(kāi)發(fā)解決此問(wèn)題。

1.3 二次開(kāi)發(fā)自動(dòng)生成填充功能

以號(hào)代圖為一種利用零件或部件尺寸參數(shù)編寫(xiě)的代號(hào)來(lái)代替工程圖樣的快捷方法，該方法一定程度上減少了出圖量，但代號(hào)的編寫(xiě)輸入?yún)s也不是一件輕松的任務(wù)，且易出錯(cuò)。在SolidWorks軟件中則可以通過(guò)預(yù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)代號(hào)隨零部件尺寸參數(shù)自動(dòng)更新[3]。

按照規(guī)定，以號(hào)代圖件的代號(hào)后綴由零件名稱(chēng)及零件材料組合而成，如304材料的耳板，其代號(hào)后綴為“耳板_304”；非標(biāo)零部件的代號(hào)后綴、產(chǎn)品代號(hào)、合同號(hào)均與總成中的相應(yīng)屬性相同、零部件代碼也由其代號(hào)及代號(hào)后綴組合而成。因此開(kāi)發(fā)了零部件屬性自動(dòng)填充（映射）功能，利用一鍵映射功能實(shí)現(xiàn)：總成裝配體的代號(hào)、代號(hào)后綴、版本號(hào)、產(chǎn)品代號(hào)、項(xiàng)目名稱(chēng)、系統(tǒng)名稱(chēng)、設(shè)校審、日期等屬性向下屬所有非標(biāo)零部件相應(yīng)屬性的自動(dòng)映射填充；以號(hào)代圖件代號(hào)后綴及非標(biāo)零部件代碼的自動(dòng)生成。

設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，只需調(diào)用基礎(chǔ)模型庫(kù)中相應(yīng)模型，在參數(shù)化設(shè)計(jì)界面中更改主動(dòng)尺寸和零部件的材料及填寫(xiě)總成裝配體的代號(hào)、代號(hào)后綴等屬性，并利用映射功能實(shí)現(xiàn)總成裝配體所屬零部件屬性的自動(dòng)填充，不再需要為每一個(gè)零部件編寫(xiě)輸入代號(hào)、名稱(chēng)、質(zhì)量等屬性。

2 有效利用族零部件增強(qiáng)基礎(chǔ)模型的柔性和適用性

零部件尺寸或局部特征不同時(shí)，可以利用配置功能將不同尺寸或不同特征的零部件建在同一零部件中，稱(chēng)為零部件族或族零部件。如波紋管與接管的搭接處配合方式有內(nèi)搭接與外搭接。則相應(yīng)的接管的端部機(jī)加坡口就有外機(jī)加坡口與內(nèi)機(jī)加坡口兩種情況，這只是接管的其中一個(gè)特征分類(lèi)，其還有幾個(gè)其他的常用特征分類(lèi)。

許多其他的零件也同樣包含很多特征分類(lèi)。如果僅僅因?yàn)橐粋€(gè)接管的機(jī)加坡口位置，或某一個(gè)零部件的某個(gè)特征不同，就要重新建立一個(gè)總成裝配體，這樣的設(shè)計(jì)效率就低了。為了提高現(xiàn)有基礎(chǔ)三維模型的柔性和適用性，可有效地利用族零部件進(jìn)行裝配建模，在總成裝配體中可通過(guò)更改零部件配置屬性來(lái)選用所需特征零部件，如圖4所示，在總成裝配體中，通過(guò)更改接管配置將接管端部形式由內(nèi)機(jī)加改為外機(jī)加型式，既不需要重新替換零部件，也不需要對(duì)當(dāng)前的零件重新編輯特征，即可將大拉桿帶萬(wàn)向四連桿型膨脹節(jié)由圖3所示的波紋管內(nèi)搭接改為圖4所示的波紋管外搭接。

圖4 更改部件中的接管的配置

為進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)效率及實(shí)現(xiàn)規(guī)范性制圖，建立了包含大量以號(hào)代圖零件及以號(hào)代圖組件的以號(hào)代圖件模型庫(kù)。以號(hào)代圖件模型需以較優(yōu)化的方式建立三維模型，并將可能出現(xiàn)的各種特征零件的配置全部建入同一零部件中，模型除設(shè)置好名稱(chēng)、代號(hào)屬性外，也需將模型中的各尺寸名稱(chēng)定義好，方便后續(xù)總成裝配體模型中關(guān)聯(lián)方程式的編寫(xiě)及尺寸辨認(rèn)。

3 基礎(chǔ)模型中的標(biāo)準(zhǔn)件

膨脹節(jié)中法蘭、三通、彎頭、封頭等標(biāo)準(zhǔn)件及螺栓、螺母、墊圈等緊固件為膨脹節(jié)產(chǎn)品常用的標(biāo)準(zhǔn)件[4]。每一種標(biāo)準(zhǔn)件都有特定的規(guī)格，這種零件更適宜用上述建立多配置的方法將標(biāo)準(zhǔn)件的所有規(guī)格匯總在一個(gè)族零件中，并將零件名稱(chēng)及每種規(guī)格對(duì)應(yīng)的配置代號(hào)設(shè)置好。

設(shè)計(jì)人員只需在總成模型中，利用更改配置的方法，選用所需規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件即可。省去了查標(biāo)準(zhǔn)確定尺寸及質(zhì)量的時(shí)間及輸入標(biāo)準(zhǔn)件名稱(chēng)、代號(hào)的時(shí)間。同時(shí)，利用此種標(biāo)準(zhǔn)件建立的模型的柔性及適用性亦得到增強(qiáng)。

4 基礎(chǔ)模型對(duì)應(yīng)的工程圖

SolidWorks等三維繪圖軟件的優(yōu)勢(shì)不僅體現(xiàn)在對(duì)三維模型的處理上，其工程圖模塊亦體現(xiàn)出極大優(yōu)勢(shì)。二維圖樣無(wú)法實(shí)現(xiàn)圖樣的重復(fù)利用，而三維工程圖與三維模型相關(guān)聯(lián)，三維模型無(wú)論是結(jié)構(gòu)的還是尺寸的改變，都會(huì)真實(shí)反映在工程圖中。

鑒于SolidWorks工程圖與三維模型相關(guān)聯(lián)，基礎(chǔ)模型庫(kù)中的基礎(chǔ)模型必須配有符合生產(chǎn)圖標(biāo)準(zhǔn)（如不作改動(dòng)可直接用于生產(chǎn)），并符合基礎(chǔ)模型設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的工程圖。工程圖視圖（剖視圖、局部剖視圖、輔助視圖、局部放大圖、裁剪視圖、斷裂視圖）的父草圖（細(xì)節(jié)草圖）必須根據(jù)制圖需要完全定義。對(duì)草圖的定義，可利用與視圖輪廓線共線、標(biāo)注尺寸等方法。用標(biāo)注尺寸的方式完全定義父草圖，需對(duì)標(biāo)注的尺寸進(jìn)行隱藏。這樣，無(wú)論產(chǎn)品尺寸如何變化，其工程圖中的各個(gè)視圖始終存在。

SolidWorks軟件自身提供了一些三維模型模板、圖樣模板、圖幅模板、明細(xì)表模板等制圖模板，但這些模板功能不夠全面，另外模板的一些內(nèi)部設(shè)定不符合國(guó)家制圖標(biāo)準(zhǔn)、圖幅格式也不符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?；诖?，可以設(shè)計(jì)制作各種圖樣及圖幅模板及明細(xì)表模板，設(shè)計(jì)人員繪制新工程圖時(shí)，可自由選取調(diào)用所需圖樣及圖幅模板，亦可調(diào)用明細(xì)表模板自動(dòng)生成符合標(biāo)準(zhǔn)的明細(xì)表。

設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，首先在基礎(chǔ)模型庫(kù)中根據(jù)產(chǎn)品特征檢索調(diào)用自己需要的基礎(chǔ)模型，然后對(duì)三維模型進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動(dòng)并設(shè)置好零件材料，最后對(duì)工程圖進(jìn)行一鍵更新并對(duì)其布局、焊縫標(biāo)注及其他細(xì)節(jié)部分進(jìn)行局部調(diào)整，即可完成一套產(chǎn)品的生產(chǎn)圖。無(wú)需重新生成明細(xì)表及進(jìn)行尺寸標(biāo)注[5]。

校核人員需要做的工作也只有：對(duì)與合同具體相關(guān)的設(shè)計(jì)方案及設(shè)計(jì)條件進(jìn)行校核，對(duì)焊腳大小、零件材料進(jìn)行校核，通過(guò)三維模型檢查是否存在結(jié)構(gòu)件干涉等，而無(wú)需再對(duì)零件代號(hào)、零件數(shù)量等具體的地方校核。

5 三維模型及工程圖的入庫(kù)（PDM）

設(shè)計(jì)人員選取調(diào)用基礎(chǔ)模型，對(duì)其三維模型進(jìn)行快速參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，并利用映射功能實(shí)現(xiàn)零部件屬性自動(dòng)填充，然后對(duì)其相應(yīng)的工程圖進(jìn)行更新及局部調(diào)整后，即可將三維模型及對(duì)應(yīng)工程圖一鍵入庫(kù)（PDM），不僅操作簡(jiǎn)單，而且節(jié)省了很多時(shí)間。

6 利用基礎(chǔ)模型進(jìn)行快速報(bào)價(jià)

在進(jìn)行產(chǎn)品報(bào)價(jià)時(shí)，如果產(chǎn)品規(guī)格比較多，時(shí)間比較緊急，就會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)部門(mén)比較被動(dòng)，報(bào)出的價(jià)格也往往不一定很精確。基于上述問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了產(chǎn)品快速報(bào)價(jià)功能模塊。將SolidWorks模型結(jié)構(gòu)樹(shù)中的所有零件及相應(yīng)的零件材料提取至圖5所示用戶(hù)界面，或進(jìn)一步導(dǎo)出為EXCEL表格，即可快速地計(jì)算出產(chǎn)品價(jià)格。設(shè)計(jì)人員接到報(bào)價(jià)任務(wù)后，在基礎(chǔ)模型庫(kù)中檢索調(diào)用相應(yīng)基礎(chǔ)模型，對(duì)其參數(shù)化驅(qū)動(dòng)并設(shè)置零件材料后，即可實(shí)現(xiàn)快速地產(chǎn)品報(bào)價(jià)，然后對(duì)相應(yīng)工程圖進(jìn)行局部調(diào)整，即可生成高質(zhì)量的報(bào)價(jià)協(xié)調(diào)圖或生產(chǎn)圖。這樣，實(shí)際上在產(chǎn)品報(bào)價(jià)階段，設(shè)計(jì)人員就已經(jīng)順帶完成了出生產(chǎn)圖的大部分工作。

圖5 產(chǎn)品報(bào)價(jià)模塊

7 結(jié)論

SolidWorks參數(shù)化驅(qū)動(dòng)建模有利于將企業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、成熟的設(shè)計(jì)原則、優(yōu)化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)固化到基礎(chǔ)模型中，有利于產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化及產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)建模。同時(shí)也能有效地提升設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)失誤率、提升繪圖質(zhì)量。隨著基礎(chǔ)模型庫(kù)的不斷充實(shí)完善，設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率也將不斷提高，徹底將設(shè)計(jì)人員從機(jī)械、重復(fù)性的繪圖工作中解脫出來(lái)。此外，基于基礎(chǔ)模型的快速報(bào)價(jià)功能，幫助設(shè)計(jì)人員快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，可以快速、精準(zhǔn)地產(chǎn)品報(bào)價(jià)及出協(xié)調(diào)圖或生產(chǎn)圖。