基于Solid Edge變量化技術的卷筒快速設計系統研究

田 源，張翠霞

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

引言

變量化設計既保持了參數化設計的特點，如某一特征和結構尺寸的變化會引起其他特征和尺寸的改變以形成目標圖形，又避免了許多參數化的不足，使設計人員在大體結構不變的情況下不必進行重復設計，從而形成符合生產要求的圖紙[1]。國外對于變量化設計的研究比較成熟，但在實際應用過程中仍存在算法上的問題，需要通過快速求解來滿足不同行業上設計者的要求[2]。 國內關于變量化技術的研究，基本有以下兩個方面[3-5]：第一，利用現有CAD、CAE工具進行結構變量化分析設計，或進行二次開發。第二，理論、算法的研究，主要是研究有效的算法。但當前變量化設計技術只局限于零部件結構的變量化，未實現自動化裝配，且通常是一種形式的零部件對應一個快速設計系統，設計效率低，不能方便地輸入。

Solid Edge軟件有著廣泛的用戶群和應用基礎，有非常強大的零部件設計功能，而且在它的裝配環境及零件設計中集合了一個基于結構特征的尺寸變量表，且每個變量均可由設計者進行編輯，以生成不同的設計方案和設計圖紙來滿足其不同的要求。本文采用Solid Edge的這一設計功能，對卷筒進行模塊劃分，并根據模塊中的結構特征和尺寸驅動關系劃分了變量類型，建立變量間的關聯關系和驅動關系，并利用它們的關聯關系和驅動關系，應用單變量求值的方法使主動變量從部件到零件來驅動被動變量，實現了卷筒的快速設計。

1 Solid Edge中變量化技術實現方法的研究

1.1 利用Solid Edge的變量表實現變量化設計

由于Solid Edge集成了強大的變量表設計功能，如下頁圖1所示，其零部件的所有尺寸變量都可在“變量表”中體現，包括“變量”和“同級變量”。在“實體零件”的環境下，只有“變量”可用，而在“裝配”的環境下，二者均可用，“變量表”類似于數字表格，用戶可以自己來定義各種類型的變量，并與被動變量以公式或函數來建立關系，通過改變用戶自定義的變量來驅動零件或裝配體模型。

使用變量表可以實現以下功能：

1）定義變量，如下頁圖1中，Dim CL_L8為 25 mm；

2）用公式或函數驅動尺寸，如圖1中，Dim V690為CL_L5-CL_S3-CL_h3*2-20；

3）通過使用“復制鏈接”與“粘貼鏈接”，建立零部件間的尺寸變量鏈接關系。

圖1 Solid Edge變量表

利用Solid Edge變量化方法，用戶只需改變某些關鍵尺寸，便可形成目標零件，從而達到快速設計的目的。

1.2 利用Solid Edge程序實現變量化設計

利用Solid Edge程序實現變量化設計，即利用Solid Edge二次開發的接口，利用Solid Edge的內部層次對象結構，在外部開發程序中來對零部件的結構和尺寸變量進行驅動，由程序控制零部件的尺寸及特征。零件模型改變時，只需對所編程序稍加修改。可以通過“變量集合對象”和“變量對象”實現對自定義變量的創建和編輯。變量集合對象提供了Edit、GetFormula、GetName、PutName、Query和Traslation等方法，變量的對象層次結構如圖2所示[6]。

圖2 變量的對象層次結構

1.3 利用Excel驅動Solid Edge實現變量化設計

利用Excel驅動Solid Edge實現變量化設計，首先在Solid Edge中建立零部件的三維模型并確定變量關系，然后利用外部程序和Excel自身的數據鏈接功能將Excel中的數據與Solid Edge變量表中的數據關聯起來，通過獲取用戶輸入的值來修改Excel中相應的數據來驅動變量表，實現在不改變零部件結構的情況下，修改其尺寸變量。由于每種類型的卷筒各零部件結構和計算方法有所差異，故這里將不同類型卷筒的變量編制到不同的Excel表中，每個Excel都包括了完整的變量驅動和校核計算內容。

在Solid Edge中利用變量表實現變量化設計，用戶只需通過零部件內部的變量表來修改變量，便可控制零件模型的形狀和尺寸，但是這種方法只適用于結構比較簡單的小部件，在結構比較復雜的情況下，這種操作較為復雜，設計效率低。

采用Solid Edge二次開發程序進行零件設計，這是一種完全依靠后臺程序進行的變量化設計，但要完全應用二次開發來驅動零部件的特征和尺寸，編程工作量大，驅動速度慢，且程序適用范圍窄。

在Solid Edge環境下，通過在三維環境中建立模型，并利用Excel VBA驅動Solid Edge進行三維變量化設計，既避免了修改零部件變量表的繁瑣操作，而且編程量也不大，且通用性強，不同的零部件都可用一種程序框架來進行驅動。

2 變量化技術在卷筒快速設計中的應用

本文將三種設計方法相結合，將復雜的設計計算利用程序來實現，使得界面清晰、操作方便，達到卷筒組快速設計的目的。

2.1 變量化設計在卷筒組零部件建模中的應用

在卷筒組的零件設計中，基于Solid Edge變量化建模流程如圖3所示，其過程是通過建立用戶界面，由用戶在界面中輸入全局參數，利用Excel數據表及零部件變量表建立參數間的關聯關系，由全局參數和主動變量來驅動被動變量，從而來驅動零部件的尺寸數據，生成目標模型。

圖3 基于Solid Edge變量化建模流程圖

2.2 變量化設計在卷筒組裝配中的應用

在Solid Edge裝配環境中，提供了10種裝配關系，它們分別是：匹配、連接、面對齊、角度、軸對齊、相切、插入、平行、快速裝配、符合坐標系等。用戶可以利用裝配命令，方便地實現零件之間的裝配。在Solid Edge中，多層裝配體下零件間的裝配關系如圖4所示。

圖4 多層裝配體下零件間裝配過程

在裝配過程中，僅用零部件的基準面來進行裝配是不夠的，有時需建立基準面的平行面，其位置是根據卷筒組零部件的幾何關系來確定的，所以建立平行面時產生的尺寸變量也需與用戶變量建立關系，使其平行面的位置隨著卷筒組零部件的幾何關系的變化而變化。

2.3 變量化設計在卷筒組二維工程圖中的應用

雖然目前國內外部分企業可以使用電腦繪制的三維模型來直接進行生產指導，但對于大部分企業來說，二維工程圖仍然是設計人員與車間加工工人之間的重要交流資料，因此，二維工程圖的自動生成功能是必不可少的。在卷筒組設計中，需要的二維圖紙既有零件的二維圖，也有部件和整體裝配的二維圖。

變量化工程圖開發流程如圖5所示，其主要過程為：第一，對零部件的三維模型進行變量化設計，并最終完成符合生產要求的三維模型，并形成更新后的模型信息文檔。第二，建立符合企業的工程圖模板，并進行視圖投影和局部視圖、放大視圖、剖面視圖的表達。第三，利用變量化技術更新原始的零部件工程圖，形成正確的零件工程圖。第四，對三維裝配體的模型圖進行投圖，并利用工程圖處理器，生成正確的裝配體工程圖。

其中標注的坐標點是從外部數據文件2來獲取的，外部數據文件2的編寫是依據卷筒組零部件的幾何關系來確定的，所以需與圖5中的外部數據文件1建立鏈接關系。

圖5 變量化工程圖開發流程

3 卷筒快速設計系統的研究與開發

這里所述卷筒組是卷繞起升或牽引用單層卷繞鋼板卷焊標準繩槽的卷筒組。目前經常使用的各種卷筒組，按照與減速器的連接形式可分為如下5種類型：球面滾子聯軸器卷筒組、球鉸聯軸器卷筒組、開式齒輪卷筒組、鼓形齒聯軸器卷筒組、套轉軸卷筒組，其模塊規劃具體如圖6所示。各種類型卷筒組的區別主要是集中體現在與減速器連接組件的構造形式不同，故結構形式比較固定，適合變量化設計。

圖6 卷筒模塊劃分形式

開發本系統的目的是在卷筒組設計中利用變量化思想縮短卷筒組的設計周期，提高工作效率。系統在設計時，首先考慮用戶的操作流程，并確定系統方案，完成系統的開發。用戶操作流程如圖7所示。

圖7 用戶操作流程圖

圖8 為結構選擇界面，用戶可分別對卷筒出繩形式、聯軸器形式、法蘭板形式、軸承座形式、右半軸形式、軸端件形式、鋼絲繩壓板的形式進行選擇，選擇完成后，點擊“產品樹”顯示，則通過讀取卷筒組結構XML文件生成一個樹狀結構，樹中的每個節點都代表一種模塊，鼠標選中后，可以顯示其下屬結構等信息，并在結構示意圖預覽欄自動顯示出相應的二維與三維結構示意圖，方便用戶及時查看。

在圖8中結構選擇完畢后，點擊“下一步”，進入變量顯示界面，如圖9所示。在此界面中，顯示出設計卷筒組時需要的關鍵參數，雙擊想要修改的參數，進入變量修改界面，如圖10所示，可對關鍵參數進行修改，參數修改完成后，點擊“驗算尺寸”，驗算合格后，便可對聯軸器的型號進行選擇。

圖8 結構選擇界面

圖9 變量顯示界面

圖10 變量修改界面

下頁圖11為聯軸器選擇界面，選擇卷筒的工作級別后，自動顯示出符合條件的聯軸器型號，用戶可選擇需要的聯軸器。完成后，點擊圖9中“更新模型”按鈕，生成用戶需要的零部件三維模型，如下頁圖12所示。

圖11 聯軸器選擇界面

圖12 卷筒組三維模型

圖13 卷筒組二維工程圖

確定三維模型正確后，點擊圖9中的“二維轉換”按鈕，用戶選擇對應的三維模型，系統會自動投圖和對二維圖進行尺寸標注等，生成用戶需要的零件二維圖，如圖13所示。

在卷筒組快速設計系統中，用戶可以根據自己的需要改變輸入的變量值，生成所需規格的卷筒組二維圖與三維圖，可以提高設計效率，使設計人員投入到新產品開發當中。

4 結語

本文結合VB.NET技術開發了卷筒快速設計系統，在Solid Edge環境下，利用變量化設計思想，將分析校核計算與零部件的設計有機結合起來，并實現了模型裝配變量化與二維工程圖變量化，從而有效解決了參數變化時模型重建的問題，提高了設計者的設計效率，縮短了產品的生產周期。但基于Solid Edge的二次開發作為一個新興的研究與實踐領域，還有許多問題要探索，在后續的工作中將以各種工程機械為研究對象，將變量化技術應用到更廣闊的機械領域中。

[1] 貢智兵.基于產品平臺的快速設計關鍵技術研究及實現[J].南京理工大學,2006(10).

[2] Roller D. An approach to computer aided parametric design[J]. Computer-Aided Design,1991(5):385~391.

[3] 徐千理.基于結構模板參數化設計與變量化分析的液壓機主機模塊化設計研究[D].天津大學,2002(1).

[4] 陳永亮,徐燕申,徐千理,等.變量化分析的原理及其在機械產品快速設計中的應用[J].機械設計.2002(3):6-8.

[5] 賈寶璽,黃毓瑜.組合式變量化設計的研究及應用[J].機械設計.2004(7):22-23.

[6] 李啟炎.Solid Edge二次開發高級指南[M].上海:同濟大學出版社,2000(9).