基于Pro/E二次開(kāi)發(fā)的船舶軸系參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

李全超，李志恒

（中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，武漢 430064）

1 引言

軸系是船舶推進(jìn)系統(tǒng)的重要組成部分，用于將主機(jī)發(fā)出的功率傳遞給推進(jìn)器，并將推進(jìn)器產(chǎn)生的推力傳給船體，使船舶獲得前進(jìn)、后退的動(dòng)力［1］。船舶軸系傳動(dòng)部件主要包括艉軸、聯(lián)軸節(jié)、中間軸、推力軸、齒輪軸等，軸段結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則，各軸段之間具有很大的相似性，軸系結(jié)構(gòu)特征明顯。因此，船舶軸系易于以特征建模的方式進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。

Pro/E是一套大型三維參數(shù)化軟件，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當(dāng)今世界機(jī)械CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣［2］。Pro/E具有較強(qiáng)的模型參數(shù)化能力，通過(guò)對(duì)Pro/E 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，采用參數(shù)驅(qū)動(dòng)的方式可達(dá)到快速設(shè)計(jì)的目的。

為提高軸系的設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，本文研究以特征創(chuàng)建的方式進(jìn)行船舶軸系的參數(shù)化設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上以Pro/E 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)MFC和Pro/Toolkit 開(kāi)發(fā)工具相結(jié)合的方法，構(gòu)建船舶軸系零件的特征數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)船舶軸系的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2 船舶軸系特征分類(lèi)

特征是一種具有特定形狀、特定功能和特定工藝屬性的基本信息單元，用于系統(tǒng)地連接CAD和CAPP，實(shí)現(xiàn)CAD/CAPP的有效集成［3］。零件即為各種特征按照一定規(guī)則的組合體。特征在不同領(lǐng)域中的分類(lèi)不同，如Pro/E 零件設(shè)計(jì)需要用到拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、倒角、圓角等特征，本文稱(chēng)其為基本特征。機(jī)械領(lǐng)域的特征分類(lèi)一般以零件或體素的幾何相似性，兼顧各要素的功能和形狀進(jìn)行分類(lèi)，可以是多個(gè)基本特征的組合。船舶軸系零件均為圓柱類(lèi)結(jié)構(gòu)，幾何外形相似性較強(qiáng)，同時(shí)軸段常設(shè)計(jì)有倒角、圓角、鍵槽、退刀槽、螺紋、齒輪等明顯結(jié)構(gòu)特征。因此，以特征的方式進(jìn)行軸系建模是快速實(shí)現(xiàn)軸系零件參數(shù)化的有效途徑。

根據(jù)船舶軸系的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將船舶軸系分為基本特征和輔助特征兩類(lèi)特征。基本特征為軸系零件參數(shù)化建模的主特征，是軸系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，主要包括圓柱軸、圓錐軸、鍵槽軸、花鍵軸、齒輪軸、法蘭等；輔助特征主要用于對(duì)基本特征的局部修飾和完善，輔助特征需依附于主特征，主要有鍵槽、退刀槽、倒角、圓角、修飾螺紋、孔特征、齒輪等。軸系特征分類(lèi)如圖1所示。Pro/E 二次開(kāi)發(fā)可以構(gòu)建軸系特征數(shù)據(jù)庫(kù)，若將這些特征按照一定方式組合，完成軸段拼接、編輯、修飾和修改，即可快速獲得船舶軸系參數(shù)化模型。

圖1 船舶軸系特征分類(lèi)圖

3 軸系特征參數(shù)化設(shè)計(jì)

Pro/E 中特征參數(shù)化設(shè)計(jì)的方法有很多，如通過(guò)定義特征元素樹(shù)（Feature Element Tree）產(chǎn)生基本特征，進(jìn)而構(gòu)建產(chǎn)品特征組的方法；利用族表（Family Table）建立樣板模型文件，通過(guò)控制族表中定義的各個(gè)參數(shù)更新模型的形狀和尺寸的方法；利用程序（Pro/Program）控制設(shè)計(jì)步驟和參數(shù)進(jìn)行零件參數(shù)化的方法；根據(jù)需要組合數(shù)個(gè)基本特征，建立并調(diào)用用戶(hù)自定義特征UDF（User Defined Feature）的方法等［4］。其中，用戶(hù)自定義特征可以將數(shù)個(gè)基本特征組合起來(lái)，形成一個(gè)新的自己定義的特征，可根據(jù)用戶(hù)需要將外形相同或相近的特征組合起來(lái)，建立完善的UDF 數(shù)據(jù)庫(kù)，以供隨時(shí)調(diào)用。調(diào)用時(shí)可以通過(guò)控制選定的特征、所有相關(guān)尺寸、特征之間的關(guān)系以及特征放置等參數(shù)進(jìn)行自定義特征的參數(shù)化。該方法可以根據(jù)用戶(hù)實(shí)際需要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)特征組和常用特征組的重復(fù)使用，提高建模工作效率，特別適合于軸系特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)。因此，本文采用建立UDF 數(shù)據(jù)庫(kù)的方法進(jìn)行軸系特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)，現(xiàn)以圓錐軸為例說(shuō)明設(shè)計(jì)步驟。

3.1 創(chuàng)建UDF 數(shù)據(jù)庫(kù)

（1）通過(guò)旋轉(zhuǎn)命令創(chuàng)建一個(gè)圓錐軸段特征，為UDF的創(chuàng)建創(chuàng)造依托；（2）通過(guò)“工具”→“UDF 庫(kù)”，打開(kāi)UDF 菜單管理器，點(diǎn)擊“創(chuàng)建”按鈕開(kāi)始UDF 創(chuàng)建，根據(jù)系統(tǒng)提示依次輸入U(xiǎn)DF 名稱(chēng)、設(shè)置特征從屬性、選擇需定義基本特征（組），完成特征對(duì)象的選取；（3）根據(jù)系統(tǒng)提示為UDF創(chuàng)建必需的參考特征（如曲面、邊、軸線(xiàn)等）創(chuàng)建提示文字；（4）點(diǎn)擊定義可變尺寸，選擇UDF 中需要參數(shù)化的尺寸，并輸入尺寸提示，完成UDF的定義。按此方式進(jìn)行軸系基本特征和輔助特征UDF 庫(kù)的創(chuàng)建。

3.2 UDF 數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用

Pro/E 二次開(kāi)發(fā)時(shí)通過(guò)程序調(diào)用UDF 庫(kù)，可實(shí)現(xiàn)軸系參數(shù)化特征的快速創(chuàng)建。該過(guò)程和手動(dòng)調(diào)用類(lèi)似：（1）調(diào)入U(xiǎn)DF 對(duì)象文件，設(shè)置特征從屬、縮放等屬性；（2）選取并設(shè)置UDF 放置參考；（3）獲取特征參數(shù)化尺寸，并通過(guò)交互界面更新尺寸數(shù)值，最后創(chuàng)建用戶(hù)自定義特征并更新當(dāng)前模型，即完成UDF 特征的參數(shù)化生成。Pro/Toolkit 中調(diào)用UDF 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行特征參數(shù)化的關(guān)鍵步驟代碼如下：

4 船舶軸系參數(shù)化設(shè)計(jì)程序的開(kāi)發(fā)

在軸系特征實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的基礎(chǔ)上，對(duì)Pro/E 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，進(jìn)行船舶軸系參數(shù)化設(shè)計(jì)程序的編寫(xiě)，程序主要包含用戶(hù)菜單設(shè)計(jì)、應(yīng)用程序的初始化和中止、MFC 對(duì)話(huà)框與Pro/E 之間的鏈接和程序注冊(cè)等部分內(nèi)容。

4.1 用戶(hù)菜單設(shè)計(jì)

用戶(hù)菜單是應(yīng)用程序與Pro/E 軟件集成的主要方式，程序設(shè)計(jì)之初需根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計(jì)菜單，并給每個(gè)菜單按鈕設(shè)計(jì)動(dòng)作函數(shù)。用戶(hù)菜單的顯示需要調(diào)用信息文件，信息文件是用來(lái)定義菜單項(xiàng)、菜單項(xiàng)提示等信息的具有一定格式要求的ASCII 碼文件。本文添加的船舶軸系參數(shù)化設(shè)計(jì)程序自定義菜單代碼如下:

生成的系統(tǒng)菜單如圖2所示。添加菜單的程序和函數(shù)菜單關(guān)鍵字所對(duì)應(yīng)的信息資源文件如下：

MarineShaft

MarineShaft

船舶軸系參數(shù)化設(shè)計(jì)（&S）

#

InsertShaft

Insert a Shaft

軸系基本特征創(chuàng)建

#

圖2 用戶(hù)自定義菜單

MenuButton1

activate Menu button1

光軸段

#

……

InsertOther

Insert Other Feature

插入軸系輔助特征

#

InsertKey Insert a Key

鍵槽

#

……

4.2 應(yīng)用程序的初始化和中止

應(yīng)用程序在Pro/E 環(huán)境中以同步模式運(yùn)行首先要求設(shè)計(jì)初始化函數(shù)和終止函數(shù)。初始化函數(shù)user_initializ（）主要用于設(shè)置用戶(hù)的交互接口，如菜單、調(diào)用對(duì)話(huà)框及其它初始設(shè)置；終止函數(shù)user_terminate（）則用于應(yīng)用程序中止或退出，可以不執(zhí)行任何動(dòng)作［2］。用戶(hù)自定義菜單代碼放置于初始化函數(shù)之內(nèi)，初始化和終止函數(shù)代碼如下：

4.3 MFC 對(duì)話(huà)框與Pro/E 之間的鏈接

圖3 圓錐軸參數(shù)輸入對(duì)話(huà)框

本文通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL） 實(shí) 現(xiàn) Pro/Toolkit 與MFC的通信，利用MFC 強(qiáng)大的編制用戶(hù)界面能力生成程序的人機(jī)交互界面［5］。通過(guò)用戶(hù)自定義菜單按鈕完成對(duì)用戶(hù)界面的鏈接，在Pro/E 環(huán)境中生成MFC 對(duì)話(huà)框，方便、自然、快捷地進(jìn)行人機(jī)交互。

4.4 應(yīng)用程序編譯與運(yùn)行

根據(jù)Pro/E 二次開(kāi)發(fā)要求進(jìn)行VC++環(huán)境設(shè)置，包括所需的包含文件、庫(kù)文件及其路徑，程序編寫(xiě)完畢后即可進(jìn)行應(yīng)用程序編譯。應(yīng)用程序在Pro/E 中的運(yùn)行需要編寫(xiě)注冊(cè)文件，通過(guò)注冊(cè)文件向系統(tǒng)傳遞應(yīng)用程序的信息，確定各種資源所存放的位置，注冊(cè)文件如圖4所示。

圖4 注冊(cè)文件

該應(yīng)用程序可根據(jù)需要進(jìn)行船舶軸系特征的參數(shù)化建模，通過(guò)各軸系特征的放置關(guān)系進(jìn)行特征拼接，實(shí)現(xiàn)船舶軸系的參數(shù)化設(shè)計(jì)。程序使用時(shí)僅需通過(guò)互交界面輸入特征尺寸，選擇特征放置參考，直接由程序控制模型創(chuàng)建和拼接，并實(shí)時(shí)可視化顯示，裝配后的船舶軸系如圖5所示。該程序也可用于其他行業(yè)軸類(lèi)零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。

圖5 船舶軸系示意圖

5 結(jié)論

本文結(jié)合船舶軸系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了船舶軸系零件特征的劃分。以Pro/E 為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，通過(guò)MFC和Pro/Toolkit開(kāi)發(fā)工具相結(jié)合的方法，構(gòu)建了船舶軸系零件的特征數(shù)據(jù)庫(kù)，編寫(xiě)了船舶軸系參數(shù)化設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)了船舶軸系的參數(shù)化設(shè)計(jì)。該基于特征的船舶軸系參數(shù)化設(shè)計(jì)可快速建立船舶軸系三維模型，大幅提高船舶軸系的設(shè)計(jì)效率。同時(shí)，該參數(shù)化模型還可以直接導(dǎo)入ANSYS 等有限元分析軟件，進(jìn)一步進(jìn)行船舶軸系的運(yùn)動(dòng)仿真、靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)特性分析等工作。

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