基于Pro/E異步的圓柱滾子軸承CAD系統(tǒng)的研究與開發(fā)

鄭繼旭

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，各制造部門對(duì)不同種類的滾動(dòng)軸承需求量不斷增加。在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈的當(dāng)今，以最快的速度設(shè)計(jì)出與需求配套的滾動(dòng)軸承，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期是眾企業(yè)所追求的目標(biāo)，因此滾動(dòng)軸承參數(shù)化設(shè)計(jì)一直得到業(yè)界重視。而圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)形狀由幾個(gè)主要尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)，這些參數(shù)與結(jié)構(gòu)的控制尺寸有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，只要對(duì)這幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改，就可以得到新的產(chǎn)品，因而參數(shù)化的設(shè)計(jì)方法非常適用于圓柱滾子軸承的設(shè)計(jì)。而開發(fā)圓柱滾子軸承CAD系統(tǒng)，無疑將促進(jìn)軸承設(shè)計(jì)自動(dòng)化，提高軸承生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展速度。

Pro/E軟件是目前三維CAD軟件中最具有代表性的一種，它是基于單一數(shù)據(jù)庫(整個(gè)Pro/ENGINEER系統(tǒng)建立在單一的數(shù)據(jù)庫上，具有完整而統(tǒng)一的模型，提供了雙向關(guān)聯(lián)性的功能)的參數(shù)化通用CAD軟件，它提出了真正的全相關(guān)性(任何地方的修改都會(huì)自動(dòng)反映到所有相關(guān)地方)、基于特征的參數(shù)化造型等概念。因此，以Pro/E軟件為平臺(tái)進(jìn)行滾子軸承CAD系統(tǒng)的二次開發(fā)，使之適合國內(nèi)企業(yè)設(shè)計(jì)的要求，對(duì)于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率并滿足更高層次的要求也有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 滾子軸承CAD系統(tǒng)開發(fā)方案

開發(fā)的圓柱滾子軸承三維CAD系統(tǒng)，建立了常用的圓柱滾子軸承基本參數(shù)數(shù)據(jù)庫，利用VC++創(chuàng)建的交互式界面，用戶可通過對(duì)話框輸入基本參數(shù)或選擇軸承型號(hào)，自動(dòng)查找并計(jì)算出軸承各零件的詳細(xì)尺寸，并根據(jù)尺寸值檢索相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，查出相應(yīng)尺寸公差、形位公差，再通過Pro/Toolkit的底層函數(shù)將這些參數(shù)傳遞到調(diào)用的Pro/E參數(shù)模型中，驅(qū)動(dòng)并生成新的圓柱滾子軸承零件與裝配體的三維模型，以及相應(yīng)的二維工程圖與設(shè)計(jì)文件。整個(gè)CAD系統(tǒng)主要包括：圓柱滾子軸承數(shù)據(jù)庫、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和三維、二維工程圖建模三大模塊。

1. 1 圓柱滾子軸承數(shù)據(jù)庫模塊

系統(tǒng)采用Microsoft Access數(shù)據(jù)庫，參照最新滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)手冊(cè)與滾動(dòng)軸承設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中圓柱滾子軸承的有關(guān)資料，建立了標(biāo)準(zhǔn)軸承型號(hào)、外型尺寸、參數(shù)選擇及尺寸公差、形位公差等資料的產(chǎn)品設(shè)計(jì)表。系統(tǒng)程序依靠數(shù)據(jù)庫訪問對(duì)象(DAO)來實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)、查詢、檢索等操作，同時(shí)增加了軟件維護(hù)認(rèn)證口令。

1. 2 參數(shù)優(yōu)化模塊

該模塊利用CAD系統(tǒng)與滾子軸承的數(shù)據(jù)庫接口，從數(shù)據(jù)庫中檢索出軸承主要外形結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，同時(shí)對(duì)軸承主參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以獲得軸承零件的詳細(xì)參數(shù)，并根據(jù)優(yōu)化后的參數(shù)選取數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)的尺寸公差和形位公差等工程圖所需參數(shù)。

1. 3 三維圖形建模模塊

建立不同類型的圓柱滾子軸承零件、裝配體三維模型及二維工程圖的基準(zhǔn)圖形，并設(shè)置各基準(zhǔn)圖形中的所要驅(qū)動(dòng)的參數(shù)（如三維尺寸、結(jié)構(gòu)、裝配體中各零件間的關(guān)系及工程圖名稱，明細(xì)表，標(biāo)注符號(hào)，公差等）。然后將VC++檢索數(shù)據(jù)庫優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的各參數(shù)，賦值給調(diào)用的參數(shù)化的基準(zhǔn)圖形，來生成新的軸承零件、三維裝配模型及相應(yīng)的二維工程圖。

2 CAD系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素

2.1 VC++與Pro/TOOLKIT的編譯設(shè)置

2.1.1 添加頭文件和庫文件路徑

利用Pro/TOOLKIT進(jìn)行三維參數(shù)化建模，必須利用Pro/TOOLKIT提供的用于底層資源調(diào)用的C語言函數(shù)庫和頭文件以及Visual C++提供的MFC類庫來共同完成，所以要在Visual C++環(huán)境中添加頭文件和庫文件路徑。

選擇VC++主菜單命令TOOLS | OPTIONS，在OPTIONS對(duì)話框中選擇DIRECTORIES選項(xiàng)，在Include Files項(xiàng)下添加～protoolkitincludes等項(xiàng)，同樣在Library Files項(xiàng)下添加～protoolkiti486 ntobj等項(xiàng)（其中“～”是指Pro/ENGINEER野火版的安裝目錄）。

2.1.2 設(shè)置Project/Settings選項(xiàng)

1）添加庫文件：選擇VC++主菜單命令PROJECT| SETTING，在SETTING對(duì)話框中選擇LINK選項(xiàng)卡，在Category選項(xiàng)卡里選擇General，在Object/library modules域內(nèi)添加下列庫文件：protoolkit.lib pt_asynchronous.lib wsock32.lib mpr.lib protkmd.lib。

2）設(shè)置強(qiáng)制輸出：選擇VC++主菜單命令PROJECT| SETTING，在SETTING對(duì)話框中選擇LINK選項(xiàng)卡，在Category選項(xiàng)卡里選擇Customize，選中Force files output選項(xiàng)，設(shè)置該工程為強(qiáng)制輸出狀態(tài)。

2.1.3 設(shè)置環(huán)境變量

采用Pro/TOOLKIT異步開發(fā)模式，必須預(yù)先設(shè)置環(huán)境變量，環(huán)境變量設(shè)置的內(nèi)容為：

變量名：PRO_COMM_MSG_EXE

變量值：～ i486_ntobjpro_comm_msg.exe

//“～”是指Pro/ENGINEER野火版的安裝目錄。

2.2 參數(shù)化模型的創(chuàng)建及相關(guān)要求

在CAD中要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，參數(shù)化模型的創(chuàng)建是關(guān)鍵。

參數(shù)化模型是在零件圖形中加入一定的幾何約束和工程約束。幾何約束包括結(jié)構(gòu)約束(指幾何元素之間的拓?fù)浼s束關(guān)系，如平行、垂直、相切、對(duì)稱等)和尺寸約束(通過尺寸標(biāo)注表示的約束，如距離、角度、半徑等)。工程約束是指尺寸之間的約束關(guān)系，通過定義尺寸變量及它們之間在數(shù)值上和邏輯上的關(guān)系來表示。

圓柱滾子軸承零件參數(shù)化模型的創(chuàng)建，首先要按設(shè)計(jì)要求建立圓柱滾子軸承各零件模型，通過Pro/E工具下拉菜單中的參數(shù)選項(xiàng)，增加模型的全約束參數(shù)，并通過關(guān)系選項(xiàng)將系統(tǒng)變量與定義的參數(shù)連接起來，系統(tǒng)程序通過控制這些變量以實(shí)現(xiàn)零件的參數(shù)化再生。

裝配體中，需要定義好各個(gè)零件間的裝配關(guān)系，才能順利使再生完成。

而工程圖的參數(shù)化開發(fā)較三維模型困難，1）要通過環(huán)境配置文件config.pro來定制窗口形式及一些重要文件的路徑 ，如繪圖設(shè)置文件、 跟蹤文件、 符號(hào)庫、 標(biāo)準(zhǔn)件庫、 格式庫等 ，以及模型單位、公差模式、圖層設(shè)定、映射鍵設(shè)置等，再通過繪圖設(shè)置文件prodetail.dtl來設(shè)置尺寸高度、文本注釋、文本方向、幾何公差標(biāo)準(zhǔn)、字體屬性、箭頭樣式等選項(xiàng)的特性；2）要?jiǎng)?chuàng)建標(biāo)題欄、參數(shù)化的表格內(nèi)容、軸承行業(yè)所用的特殊符號(hào)庫及美觀的二維工程圖模板；再次，將定義的各項(xiàng)工程圖符號(hào)，以一定關(guān)系與對(duì)應(yīng)的尺寸線相關(guān)聯(lián)；3）模板調(diào)用時(shí)要注意三維模型與其對(duì)應(yīng)的二維工程圖模板要逐一匹配，匹配錯(cuò)誤將導(dǎo)致模板調(diào)用錯(cuò)誤。

2.3 數(shù)據(jù)的查詢與幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)

DAO是用于和微軟的Access數(shù)據(jù)庫接口。在數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序僅需與Access數(shù)據(jù)庫接口時(shí)，使用DAO編程方便易行。通過打開相關(guān)數(shù)據(jù)庫表，遍歷選擇出對(duì)應(yīng)的參數(shù)，并對(duì)其進(jìn)行操作，便可獲得需要的數(shù)據(jù)。

用戶可通過對(duì)話框輸入基本參數(shù)（即軸承的內(nèi)徑d、外徑D、寬度B等）或選擇軸承型號(hào)，自動(dòng)查找并計(jì)算出軸承各零件的詳細(xì)尺寸并根據(jù)尺寸值檢索相應(yīng)數(shù)據(jù)庫，查出相應(yīng)尺寸公差、形位公差。計(jì)算過程中，先通過優(yōu)化設(shè)計(jì)過程確定高速圓柱滾子軸承的結(jié)構(gòu)主參數(shù)（如滾子中心圓直徑Dm，滾子直徑Dw，滾子長度Lw，滾子數(shù)量Z，徑向游隙Pa等），然后按照?qǐng)A柱滾子軸承設(shè)計(jì)主導(dǎo)文件編程計(jì)算出其余常規(guī)幾何參數(shù)。

2.4 滾子軸承CAD參數(shù)的傳遞

Pro/TOOLKIT提供有專門對(duì)特征進(jìn)行訪問和處理的各類函數(shù)，主要包括特征對(duì)象、訪問特征、特征查詢、處理特征等，通過這些函數(shù)，可以很方便的查詢、修改三維實(shí)體的尺寸。三維實(shí)體的每個(gè)尺寸在Pro/TOOLKIT中用一個(gè)整形標(biāo)識(shí)符進(jìn)行識(shí)別，稱之為尺寸的ID，通過尺寸的ID，可以方便的查詢、顯示和修改與之對(duì)應(yīng)的尺寸值。

利用系統(tǒng)程序優(yōu)化計(jì)算得到的變量，傳遞給參數(shù)化模型中的各參數(shù)，便可得到新的三維零件、裝配體及工程圖模型。

以外圈模型為例，來講述系統(tǒng)二次開發(fā)中參數(shù)的傳遞過程。外圈模型的樣板模型建立主要是草繪封閉鏈繞軸旋轉(zhuǎn)而成，是Pro/E的基本操作，不再贅述，注意擋邊與油溝的連接部分應(yīng)光滑連接即可，而其參數(shù)化驅(qū)動(dòng)主要程序代碼如下：

…

UpdateData(true);

double oradius,iradius,D,W,width…; //定義變量

…

ProModelitem feature;

…

oradius=m_oradius; //參數(shù)變量賦值

…

ProMdl part;

ProMdlRetrieve(L"～outer.prt.1", PRO_MDL_PART, &part); //將外圈模型調(diào)入內(nèi)存

ProMdlDisplay(part) ; //顯示外圈模型

ProMdlIdGet(part,&i); //獲取外圈尺寸的ID

ProModelitemInit(part,i,PRO_PART,&feature);//初始化模型

ProParameterInit(&feature,L"ORADIUS",¶m1); //初始化外圈模型參數(shù)

…

value1.type=PRO_PARAM_DOUBLE;

value1.value.d_val=oradius; //參數(shù)變量賦值—外圈外徑

…

ProParameterValueSet(¶m1,&value1); //設(shè)置外圈外徑參數(shù)值

…

ProSolidRegenerate((ProSolid)part, PRO_B_TRUE); //再生外圈模型UpdateData(false);

…

要注意的是，變量均由參數(shù)化模型中的參數(shù)在關(guān)系中賦予；另外，在裝配體模型調(diào)入內(nèi)存中采用的是PRO_MDL_ASSEMBLY變量，而工程圖調(diào)入內(nèi)存采用的是PRO_MDL_DRAWING變量，若寫錯(cuò)的話，將無法調(diào)出參數(shù)化模型。

3 滾子軸承CAD系統(tǒng)的運(yùn)行

以NU208E型軸承的設(shè)計(jì)為例介紹該系統(tǒng)的應(yīng)用。首先，點(diǎn)程序運(yùn)行圖標(biāo)，彈出系統(tǒng)菜單對(duì)話框如圖1所示，通過下拉菜單選擇NU型號(hào)軸承中的02系列按鈕，彈出如圖2所示的主參數(shù)調(diào)入界面；接著，通過相應(yīng)的組合下拉框，選擇208E型號(hào)，及滾子與保持架類型，點(diǎn)檢索按鈕，基本尺寸便顯示在右邊相應(yīng)的文本框中，再點(diǎn)設(shè)計(jì)按鈕，系統(tǒng)通過優(yōu)化程序?qū)緟?shù)進(jìn)行優(yōu)化，之后彈出優(yōu)化設(shè)計(jì)的參數(shù)結(jié)果，如圖3所示；最后點(diǎn)擊其上的出圖按鈕，調(diào)用繪圖對(duì)話框如圖4所示，點(diǎn)啟動(dòng)pro/e后，再點(diǎn)相應(yīng)的零件，裝配，及工程圖，便可將所得的各項(xiàng)參數(shù)傳遞給調(diào)用的各參數(shù)模型，同時(shí)繪制出滿足生產(chǎn)要求的新圖形。其中，裝配圖與外圈工程圖分別如圖5、6所示，其它略。

圖1 系統(tǒng)菜單對(duì)話框按鈕

4 結(jié)束語

利用Pro/E三維繪圖軟件與VC++語言編程相結(jié)合的方法，提出了一種可視化交互設(shè)計(jì)的參數(shù)化繪圖方法。解決了MFC與 Pro/Toolkit的接口連接，數(shù)據(jù)庫的調(diào)用，Pro/E參數(shù)化模板的調(diào)用及參數(shù)驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵問題。用戶可通過對(duì)話框輸入基本參數(shù)或選擇軸承型號(hào)，來完成產(chǎn)品參數(shù)設(shè)計(jì)，同時(shí)自動(dòng)繪制出三維模型及二維工程圖，從而提高了設(shè)計(jì)效率，大大節(jié)省了設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)、建模和裝配時(shí)花費(fèi)的時(shí)間和精力, 具有很大的實(shí)際意義；同時(shí)，也為企業(yè)產(chǎn)品走參數(shù)化之路提供了廣泛的參考價(jià)值。

圖2 參數(shù)調(diào)入界面

圖3 滾子軸承參數(shù)設(shè)計(jì)顯示

圖4 繪制圓柱滾子軸承三維模型及工程圖

圖5 圓柱滾子軸承裝配圖的三維模型

圖6 圓柱滾子軸承外圈工程圖

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