基于CATIA的圓柱凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

張聚濤

基于CATIA的圓柱凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

張聚濤

（唐山學(xué)院 教務(wù)處，河北 唐山 063000）

文章以建立凸輪輪廓曲線參數(shù)方程為理論基礎(chǔ)，通過CATIA的曲線功能生成凸輪輪廓曲線，結(jié)合CATIA零件設(shè)計(jì)工作臺建立凸輪的工作廓面，利用CATIA的宏錄制命令記錄空間凸輪的設(shè)計(jì)過程，并提取宏程序，以CATIA作為參數(shù)化設(shè)計(jì)的平臺，使用VB語言結(jié)合提取的宏程序代碼設(shè)計(jì)不同的功能模塊對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，建立了圓柱凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，開發(fā)的系統(tǒng)可在不啟動CATIA的情況下對圓柱凸輪進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，不僅提高了設(shè)計(jì)的精度還提高了設(shè)計(jì)效率。

圓柱凸輪；輪廓曲線；宏錄制；參數(shù)化設(shè)計(jì)；CATIA；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與平面凸輪機(jī)構(gòu)相比，圓柱凸輪機(jī)構(gòu)具有傳力性能好、運(yùn)動精度高，相比平面凸輪機(jī)構(gòu)其工作輪廓面是空間曲面，如果采用設(shè)計(jì)平面凸輪輪廓的方法，把圓柱凸輪廓面展成矩形平面，用平面凸輪廓線的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，此種方法設(shè)計(jì)的凸輪廓面不僅精度較低，而且計(jì)算工作量大，不能自動生成廓面，圓柱凸輪廓面的空間坐標(biāo)的計(jì)算也比較困難。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展，為了降低圓柱凸輪廓面的設(shè)計(jì)難度，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)也由原先的平面設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向基于特征的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)，通過改變模型中的一個或幾個設(shè)計(jì)參數(shù)的約束量，可以自動改變模型中的關(guān)聯(lián)變量，生成新的模型。基于參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法，不僅提高了設(shè)計(jì)精度，還縮短了設(shè)計(jì)周期[1]。當(dāng)前人們對UG、Solidworks、Proe等[1-3]三維軟件進(jìn)行參數(shù)化建模研究較多，二次開發(fā)較少，CATIA與其它三維軟件相比是集設(shè)計(jì)、組裝、運(yùn)動仿真、加工仿真、有限元分析為一體的三維設(shè)計(jì)軟件，對CATIA的二次開發(fā)可充分發(fā)揮其設(shè)計(jì)到加工制造的一體化功能，提高設(shè)計(jì)制造的精度，此軟件的開發(fā)對凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過CATIA的宏錄制命令記錄空間凸輪的設(shè)計(jì)過程，再對宏程序的變量進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)空間圓柱凸輪的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

本文以單滾子直動從動件空間圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)為例進(jìn)行說明，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是如何生成圓柱凸輪的輪廓曲線。先建立輪廓曲線的參數(shù)化方程，通過參數(shù)方程求得輪廓曲線的坐標(biāo)，再通過CATIA的曲線功能生成凸輪輪廓曲線，利用CATIA零件設(shè)計(jì)工作臺的掃掠、開槽等操作在圓柱表面建立凹槽或者凸緣作為凸輪的工作廓面，在凸輪繪制的同時啟用CATIA的宏錄制命令，錄制凸輪繪制的宏指令，最后通過修改宏指令完成對CATIA的二次開發(fā)。

1 凸輪輪廓曲線參數(shù)方程的建立

建立如圖1所示的柱面坐標(biāo)系[4]，從動件做與凸輪軸線同方向的上下往復(fù)運(yùn)動，根據(jù)從動件的運(yùn)動規(guī)律確定從動件的行程、推程角0、遠(yuǎn)休止角01、回程角0、近休止角02，設(shè)凸輪的轉(zhuǎn)角為，可得從動件的行程方程()，設(shè)凸輪外徑，推程的起始位置與凸輪底面的距離為，從動件滾子外端面中心點(diǎn)為，在平面內(nèi)投影的極坐標(biāo)為R和φ，點(diǎn)到軸的距離為，那么點(diǎn)的柱面坐標(biāo)為

將此方程轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)參數(shù)方程為

此方程即為凸輪輪廓曲線的參數(shù)化方程，根據(jù)已知的基礎(chǔ)參數(shù)通過此方程可求得輪廓曲線各點(diǎn)的坐標(biāo)。

圖1 柱狀坐標(biāo)系

2 凸輪的建模過程

在凸輪建模前，先啟用CATIA軟件，在工具菜單下啟動宏錄制命令，然后在CATIA零件設(shè)計(jì)工作臺建立圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的實(shí)體操作，點(diǎn)擊全部更新和停止錄制即完成建模過程及模型特征順序和關(guān)系的所有程序代碼的錄制。

以設(shè)計(jì)一個從動件運(yùn)動規(guī)律為余弦加速度的圓柱凸輪，設(shè)基圓半徑為80 mm，高180 mm從動件行程80 mm，槽寬24 mm，槽深20 mm，推程角60°，遠(yuǎn)休止角01160°，回程角060°、近休止角0280°，為例進(jìn)行說明，凸輪各階段的行程公式為[3][4]

推程：

遠(yuǎn)休：=+（4）

回程：

近休：=（6）

2.1 凸輪實(shí)體的建立

在CATIA開始菜單下選擇機(jī)械設(shè)計(jì)模塊—零件設(shè)計(jì)工作臺——凸臺命令，輸入長180 mm，在輪廓工具欄草圖命令中建立半徑為80 mm的圓，點(diǎn)擊確定即可建立半徑為=80 mm，高度= 180 mm的凸輪實(shí)體，如圖2所示。通過輸入不同的值和值，就可得到不同的凸輪實(shí)體。

圖2 凸輪實(shí)體

2.2 輪廓曲線的建立

凸輪實(shí)體建立后，需要建立包絡(luò)凸輪實(shí)體的輪廓曲線，首先根據(jù)設(shè)計(jì)的行程值、推程值、遠(yuǎn)休角、近休角、回程值，在凸輪不同轉(zhuǎn)角下利用式（2）—（6）來計(jì)算輪廓曲線上某一點(diǎn)的坐標(biāo)，根據(jù)轉(zhuǎn)角值的不同可得到相應(yīng)的坐標(biāo)值。編制計(jì)算凸輪輪廓曲線上點(diǎn)的坐標(biāo)程序，把不同的點(diǎn)坐標(biāo)值寫入CATIA安裝文件Dassault Systemes B21intel_acodecommand下自帶excel宏文件GSD_PointSplineLoftFromExcel中，如圖3所示。

圖3 excel宏文件

圖3中startcurve和endcurve之間的每組數(shù)值是點(diǎn)的坐標(biāo)值，每一組點(diǎn)可連成一條樣條曲線。當(dāng)把excel中的點(diǎn)坐標(biāo)換成輪廓曲線的點(diǎn)坐標(biāo)值后，打開CATIA，在excel中運(yùn)行宏，在顯示的對話框中運(yùn)行宏Feuill.Mail，根據(jù)提示選擇2運(yùn)行如圖4所示，此曲線即為生成的凸輪輪廓曲線。

圖4 凸輪輪廓曲線

2.3 圓柱凸輪的建立

根據(jù)已建立的凸輪輪廓曲線，使用CATIA機(jī)械設(shè)計(jì)模塊下零件設(shè)計(jì)工作臺的開槽命令，在開槽命令中繪制槽寬24 mm和槽深20 mm矩形作為開槽輪廓，以輪廓曲線為中心曲線，在圖4的凸輪實(shí)體上開槽，生成圓柱凸輪，如圖5所示。

圖5 圓柱凸輪

至此圓柱凸輪的設(shè)計(jì)過程已完成，點(diǎn)擊CATIA工具菜單下宏命令的停止錄制，即完成錄制圓柱凸輪設(shè)計(jì)過程的程序代碼，在CUsers ThinkAppdataLocalemp可找到已命名保存的宏程序，提取程序代碼以備后用。

3 圓柱凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的建立

使用VB語言對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，能對CATIA 進(jìn)行操作及數(shù)據(jù)的共享和面向?qū)ο缶幊?，采用Automation技術(shù)面向?qū)ο缶幊趟_發(fā)的應(yīng)用程序可在不啟動 CATIA 的情況下對圓柱凸輪進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，不僅提高了設(shè)計(jì)的精度，還提高了設(shè)計(jì)效率[6]。

3.1 編程的基本流程

對CATIA進(jìn)行操作先要連接CATIA的COM接口，程序如下：

Dim CATIA As Object

On Error Resume Next

Set CATIA=GetObject(,”CATIA.Application”)

IF Err.Number<>0 Then

Set CATIA=CreateObject(“CATIA.Application”)

CATIA.Visible=True

End If

On Error GoTo 0

在獲取 Application 對象后就可以對文檔進(jìn)行相應(yīng)的操作。一般通過add加一個文檔，使用add添加文件可以分別對應(yīng)零件文檔、產(chǎn)品文檔和工程圖文檔，程序如下：

Dim oPartDoc As Document

Set oPartDoc=CATIA.Documents.Add(“Part”)

不同類型的文檔具有不同的屬性和操作方法，空間凸輪是實(shí)體和線框曲面組成，是創(chuàng)建混合元素，基本操作流程如圖6所示。

圖6 編程流程圖

3.2 功能模塊設(shè)計(jì)

運(yùn)用VB對CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，對系統(tǒng)的功能進(jìn)行分析，根據(jù)需求對界面、菜單、模塊數(shù)量進(jìn)行設(shè)定，從最基本的模塊進(jìn)行編程，其結(jié)構(gòu)如圖7所示[7-8]。

圖7 編程模塊圖

根據(jù)結(jié)構(gòu)圖，對系統(tǒng)的功能進(jìn)行開發(fā)：

（1）為了讓系統(tǒng)運(yùn)行簡便，我們需要在VB中建立一個“標(biāo)準(zhǔn)EXE”文件；

（2）為了直接調(diào)用CATIA類型庫的文件，并預(yù)防后續(xù)編程引用類型庫錯誤，我們需要打開在VB界面菜單中的引用對話框，選中所有CATIA開頭的庫，如圖8所示，通過編寫VB鏈接CATIA的啟動代碼，就可以使用VB代碼自動啟動CATIA軟件。

（3）為了使用方便，根據(jù)設(shè)計(jì)的功能模塊，我們需要對界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，將空間凸輪機(jī)構(gòu)分為圓柱凸輪和圓錐凸輪，再對圓柱凸輪進(jìn)行更詳細(xì)的模塊劃分，如圖8所示，其設(shè)計(jì)的模塊簡潔易操作。

圖8 凸輪系統(tǒng)模塊圖

打開VB編譯功能模塊，在窗體上添加標(biāo)簽和文本框，編寫VB的源文件與CATIA的類型庫建立數(shù)據(jù)通訊、輸入、輸出，通過調(diào)用 CATIA 中的 API 函數(shù)，與 CATIA 進(jìn)行交互，建立的人機(jī)交互界面如圖9所示。

圖9 空間凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)

（4）工程文件的調(diào)試。文件的程序是VBScript語言編寫的程序，VBScript是VB語言的一個子集，API對象、屬性及API對象的方法在宏文件中都以實(shí)例形式存在，使用VB對已錄制的宏程序文件的腳本代碼進(jìn)行重新定義，刪除冗余代碼，把修改后的腳本代碼放到VB查看代碼中，使界面模塊與相應(yīng)程序建立正確的對應(yīng)關(guān)系，點(diǎn)擊“開始生成”按鈕，通過運(yùn)行宏程序在CATIA中可直接生成零部件，最終設(shè)計(jì)界面如圖10所示，通過在系統(tǒng)中輸入不同的數(shù)值，即可生成相應(yīng)的圓柱凸輪。

圖10 圓柱凸輪設(shè)計(jì)操作界面

（5）不同參數(shù)圓柱凸輪的設(shè)計(jì)，可在不打開 CATIA 程序的情況下通過 VB 編寫的窗口輸入預(yù)設(shè)計(jì)的數(shù)值，再次點(diǎn)擊“開始生成”，即可完成凸輪的設(shè)計(jì)。

用 VB修改該零件尺寸的程序如下：

Dim partDoc as PartDocument

Dim pa as Part

Dim paras as Parameters

Dim para As Parameter

Set partDoc =CATIA.ActiveDocument

Set pa =partDoc.Part

Set paras=pa.Parameters

Set para=paras.Item(“r”)

Para.ValuateformeString(r)

Set para=paras.Item(“H”)

Para.ValuateformeString(H)

Set para=paras.Item(“h”)

Para.ValuateformeString(h)

Set para=paras.Item(“a”)

Para.ValuateformeString(a)

Set para=paras.Item(“b”)

Para.ValuateformeString(b)

Set para=paras.Item(“δ0”)

Para.ValuateformeString(δ0)

Set para=paras.Item(“δ01”)

Para.ValuateformeString(δ01)

Set para=paras.Item(“δ'0”)

Para.ValuateformeString(δ'0)

Set para=paras.Item(“δ02”)

Para.ValuateformeString(δ02)

Set para=paras.Item(“”)

Para.ValuateformeString()

4 實(shí)例驗(yàn)證

利用空間凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)一個滾子直動件圓柱凹槽凸輪，基圓直徑120 mm，高度140 mm，滾子的形成=30 mm，凸輪的凹槽深 20 mm、寬25 mm，從動件為余弦加速度運(yùn)動，推程角60o、回程角60o、遠(yuǎn)休止角160o、近休止角80o，把上述數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中，點(diǎn)擊開始生成，可得到如圖11所示的圓柱凸輪。

圖11 空間圓柱凸輪

5 結(jié)束語

通過建立圓柱凸輪輪廓曲線的理論公式，結(jié)合CATIA的曲線、零件建模和宏錄制功能，利用VB對CATIA二次開發(fā)的空間凸輪參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過實(shí)例驗(yàn)證可知，對于不同凸輪的設(shè)計(jì)只需更改相應(yīng)參數(shù)便可生成三維模型，節(jié)省了設(shè)計(jì)的步驟，提高了設(shè)計(jì)精度，保證了設(shè)計(jì)的精確性，具有實(shí)際的應(yīng)用價值，為后期空間凸輪機(jī)構(gòu)的運(yùn)動仿真、加工制造、有限元分析奠定了基礎(chǔ)。

[1] 高東強(qiáng),黎忠炎,毛志云.基于UG的圓柱凸輪參數(shù)化建模與仿真加工[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造.2010(10)207- 209.

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Design and Realize of Cylindrical Cam Parametric Design System Based on CATIA

ZHANG Jutao

( Academic Affairs Office, Tangshan University, Tangshan 063000, China )

Based on the theory of establishing the parameter equation of cam profile curve, this paper re-developedCATIA, with the object-oriented program of Automation technology and the cam profile curve generated by the CATIA curve function. The re-development adopted a variety of function modules of VB language and used CATIA as parameter design platform with the design process of macro recording command to record the design process of spacecam and extracting macro program. The developed system can carry out parametric design of parts without starting CATIA, it can improveboth the design precision and the design efficiency.

Ylindrical Cam; Cam profile curve; Macro recording; Parametric design; CATIA; System design

TH122

A

1671-7988(2022)21-53-06

TH122

A

1671-7988(2022)21-53-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.021.010

張聚濤（1980—），男，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械工程教學(xué)與科研工作。

河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目：空間凸輪機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)及數(shù)控加工研究（Z2020239），主持人：張聚濤。