PDM環(huán)境下基于Solidworks的齒輪CAD關(guān)鍵技術(shù)的研究

黃文華，王文波，王美英

（江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電系，南昌 330032）

0 引言

齒輪類零件作為機(jī)械傳動(dòng)的一大類重要零件，其設(shè)計(jì)與制造水平直接影響到機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，齒輪的設(shè)計(jì)制造水平也是一個(gè)國(guó)家機(jī)械工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。企業(yè)在面臨激烈競(jìng)爭(zhēng)的情況下，如何快速生產(chǎn)出滿足市場(chǎng)要求的零部件是齒輪生產(chǎn)廠家競(jìng)爭(zhēng)獲勝的關(guān)鍵，而一個(gè)有效的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵所在。

PDM系統(tǒng)作為企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)信息集成的平臺(tái)，通過(guò)集成來(lái)自不同應(yīng)用系統(tǒng)的信息，達(dá)到對(duì)產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中各種軟件所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和文檔進(jìn)行有效管理，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件之間的信息共享。Solidworks作為三維CAD軟件，具有零件的三維造型、三維部件的組裝以及將三維實(shí)體模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換成二維工程圖等功能，在企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用比較廣泛。為了能夠把設(shè)計(jì)資料提供給PDM集中管理，需要針對(duì)企業(yè)中的Solidworks用戶，實(shí)現(xiàn)Solidworks與PDM的集成，使用戶的設(shè)計(jì)信息能及時(shí)、統(tǒng)一地與PDM端發(fā)生聯(lián)系。

1 齒輪類零件的特征造型

1.1 齒輪類零件的特征模型及其建立

解決CAD 與PDM之間的信息集成的難點(diǎn)在于如何準(zhǔn)確、有效地從 CAD系統(tǒng)中獲取后續(xù)加工、裝配所需要的各種產(chǎn)品信息。產(chǎn)品信息是用于描述或表示與產(chǎn)品有關(guān)的屬性對(duì)象（如物料編號(hào)、產(chǎn)品名稱、型號(hào)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等）符號(hào)的集合，在整個(gè)面向產(chǎn)品的制造過(guò)程中，產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型占據(jù)著基礎(chǔ)的地位。在集成化條件下，應(yīng)該使產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型在CAD和PDM系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)有唯一和相同的解釋，數(shù)據(jù)模型全局一致，這樣在數(shù)據(jù)交換過(guò)程中可以避免各自解釋數(shù)據(jù)，消除誤解和分歧，避免數(shù)據(jù)的冗余和不一致，為動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的管理成為可能。產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型包括面向結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型、面向幾何的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型、面向特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型和基于知識(shí)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型。面向特征的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型使幾何設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與制造數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，并且允許用一個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同時(shí)滿足設(shè)計(jì)和制造的需要，從而可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在CAD 與PDM之間的傳遞。

齒輪類零件特征分為形狀特征，精度特征，裝配特征和總體特征。齒輪類零件形狀特征是齒輪零件上一系列幾何元素按照一定的拓?fù)潢P(guān)系形成的具有特定幾何形狀、特定功能的基本形體單元。根據(jù)構(gòu)造零件幾何形狀、滿足零件功能要求所起的作用不同，可將齒輪類零件形狀特征分為主要特征，次要特征和輔助特征。齒輪類零件的主要特征是指用于描述零件的基本幾何形體，并相應(yīng)對(duì)零件的工藝路線起主要作用的特征。它是一個(gè)獨(dú)立的幾何形狀描述，由幾何要素按一定的拓?fù)湫畔?gòu)成，如圓柱體，圓錐體等簡(jiǎn)單的幾何形體。齒輪類零件次要特征是指在位置上從屬于某一主要特征，并具有特殊加工要求的形狀特征，如齒輪上的鍵槽。齒輪類零件輔助特征是指對(duì)其所從屬的主要特征、次要特征進(jìn)行局部修飾和說(shuō)明，起輔助作用的特征，如輪齒特征中的齒廓曲線和齒形就是附加的輔助特征。齒輪類零件精度特征是用于描述齒輪的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度的信息集合。精度特征是工藝信息的主要內(nèi)容，它的描述要與主要特征，次要特征和輔助特征的相關(guān)幾何要素聯(lián)系起來(lái)，不能離開幾何要素而獨(dú)立存在。齒輪類零件總體特征是對(duì)齒輪零件整體特點(diǎn)進(jìn)行描述的一組信息，包括零件號(hào)、零件名稱、毛坯型式、總體尺寸、材料熱處理等信息，其中零件號(hào)是零件信息和工藝信息管理的關(guān)鍵；毛坯型式、總體尺寸、材料熱處理等對(duì)工藝路線都有不同程度的影響。齒輪類零件特征的分類如圖1所示。

1.2 構(gòu)造齒輪零件參數(shù)化的特征庫(kù)

目前的 CAD 軟件，特征模型的建立是在三維造型基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。其特征造型的出發(fā)點(diǎn)是幾何模型，特征本身不攜帶加工工藝信息（如尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等）。這給零件的后道工序提供的信息量很有限，不利于并行環(huán)境下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。本文中的齒輪 CAD 系統(tǒng)，使用參數(shù)化與特征映射相結(jié)合的集成方法來(lái)實(shí)現(xiàn)CAD與PDM的系統(tǒng)集成。通過(guò)構(gòu)造用戶自定義特征，用戶可以根據(jù)自己的需要將某些模型特征和工藝信息集成到參數(shù)化零件中，從而構(gòu)造出一個(gè)用戶自定義特征，再將構(gòu)造的特征按類別存放在圖庫(kù)中，就構(gòu)成了一個(gè)特征庫(kù)。

根據(jù)對(duì)齒輪類零件的分析可知，對(duì)于同一類齒輪來(lái)說(shuō)，只是個(gè)別參數(shù)的調(diào)整和特征變換。把齒輪依據(jù)一定的原則分解為若干個(gè)圖形單元，并將與此圖形單元有關(guān)的設(shè)計(jì)知識(shí)附加在圖形單元上，形成一種以圖形單元為載體并附加了特征參數(shù)的CAD信息模型。參數(shù)化特征庫(kù)構(gòu)造完成后，就可以以此為基礎(chǔ)進(jìn)行特征參數(shù)化的設(shè)計(jì)。特征參數(shù)化設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)者所使用的對(duì)象不再是簡(jiǎn)單的幾何圖素，而是具有功能要素和攜帶工藝信息的特征。齒輪類零件的參數(shù)化特征建模流程如圖2所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)

2.1 PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)的集成

PDM系統(tǒng)與CAD系統(tǒng)的集成模式包括基于STEP標(biāo)準(zhǔn)的信息集成、基于中間件技術(shù)的信息集成和基于集成數(shù)據(jù)模型的信息集成?；诩蓴?shù)據(jù)模型的信息集成是把一個(gè)系統(tǒng)需要共享的數(shù)據(jù)模型通過(guò)應(yīng)用系統(tǒng)提供的API函數(shù)和開發(fā)工具接口提取出來(lái)，提供給另一個(gè)系統(tǒng)。集成數(shù)據(jù)模型是CAD和 PDM系統(tǒng)中數(shù)據(jù)組織的邏輯結(jié)構(gòu)表示，它是經(jīng)過(guò)對(duì)企業(yè)信息進(jìn)行合理組織后抽象出來(lái)的。通過(guò)該模型，可訪問(wèn)到CAD 和PDM系統(tǒng)中的所需要信息。使用集成數(shù)據(jù)模型的信息集成方法如圖3所示。

2.2 Teamcenter二次開發(fā)

本文中PDM選用Siemens公司的Teamcenter平臺(tái)，CAD選用三維造型軟件Solidworks。Teamcenter的二次開發(fā)是指利用Teamcenter本身提供的集成開發(fā)工具包ITK和C語(yǔ)言訪問(wèn)Teamcenter系統(tǒng)的界面、內(nèi)部對(duì)象及其結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)行客戶化。根據(jù)前述對(duì)產(chǎn)品特性的定制內(nèi)容，需要編寫定義、繼承或重載各種類、屬性、消息、流程、權(quán)限的描述圖表及說(shuō)明文本等。由于篇幅所限，這里只能列舉齒輪類零件的基本屬性信息，圖4描述了齒輪類零件的基本屬性定義。

生成定制的齒輪類零件屬性表部分代碼如下所示。

基于特征生成的齒輪模型和自定義齒輪類零件屬性表分別如圖5和圖6所示。

3 結(jié)論

本文在Solidworks軟件平臺(tái)上開發(fā)并實(shí)現(xiàn)了通過(guò)更改齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)生成基于特征的齒輪模型的齒輪 CAD 系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)齒輪零件CAD系統(tǒng)與Teamcenter系統(tǒng)的集成：使用Solidworks軟件與Teamcenter系統(tǒng)提供的二次開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)齒輪CAD系統(tǒng)與Teamcenter間的數(shù)據(jù)交換與共享。齒輪的加工工藝規(guī)劃過(guò)程中所需的基本加工參數(shù)儲(chǔ)存在企業(yè)PDM產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)中，并且PDM產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)中的齒輪參數(shù)與CAD系統(tǒng)中的相應(yīng)參數(shù)始終保持一致，為齒輪的加工工藝規(guī)劃過(guò)程自動(dòng)化和CAPP與PDM的集成打下良好的基礎(chǔ)。

[1] 文福安. 最新計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)—參數(shù)化設(shè)計(jì)和基于特征的實(shí)體造型[M]. 北京郵電大學(xué)出版社, 2001. 5: 69-73.

[2] 張領(lǐng). 基于特征的參數(shù)化的齒輪系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì).碩士學(xué)位論文, 2001. 5.

[3] 王建濤 基于PDM平臺(tái)企業(yè)產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)的系統(tǒng)集成研究. 碩士學(xué)位論文, 2002.

[4] 朱宇濤 基于PDM系統(tǒng)的CAD集成 碩士學(xué)位論文 2001

[5] 王文波, 涂海寧. SolidWorks 2008二次開發(fā)基礎(chǔ)與實(shí)例.北京: 清華大學(xué)出版社, 2009.

[6] Teamcenter Engineering Portal Customization Programmer’s Guide V9.0 December 2003.