基于VB的鋼球自動檢測系統參數化設計

趙彥玲 王崎宇 鮑玉冬 潘承怡 趙志強

摘 要：為實現不同規格鋼球自動檢測系統系列化應用以滿足軸承用鋼球表面缺陷檢測生產需求，實現不同規格鋼球自動檢測系統的系列化應用。首先，建立鋼球自動檢測系統模板模型庫，通過對檢測系統的功能結構分析，將其分為固定參數零部件模型庫和關鍵零部件設計庫，利用SolidWorks的零件設計表功能實現關鍵零部件的參數化設計;調用模型庫，建立檢測系統虛擬裝配模型，利用SolidWorks的宏功能編寫并調試關鍵零部件及裝配模型的驅動程序，并通過VB建立參數化系統交互界面，最后通過仿真技術對鋼球展開過程進行模擬分析，利用物理樣機驗證理論分析結果的正確性，最終提出鋼球自動檢測系統的參數化設計方法。

關鍵詞：鋼球;表面缺陷;參數化設計;模型庫;交互界面

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.017

中圖分類號： TH122

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2020）05-0120-07

Abstract：In order to meet the production requirements of surface defects detection of the steel ball used in bearings， the method of SolidWorks parametric modeling based on VB is applied to realize the serial application of automatic detection system of steel ball. Firstly， establishing the template model library of steel ball automatic detection system， and the library is divided into general parts model library and key parts design library through analyzing the function structure， using SolidWorks part design table function realizes parametric design of key components; Calling the model library to complete the establishment of detection system virtual assembly model， and using SolidWorks macro function to make the driver program of key parts and assembly model，Finally， the simulation technology is used to simulate the process of steel ball， and the correctness of the theoretical analysis results is verified. Finally， the parametric design method of automatic detection system of steel ball is put forward.

Keywords：steel ball; surface defects; parametric design; model base; interactive interface

0 引 言

在《中國制造2025》中，“強基工程”將高速高精密軸承列為重點發展項目[1]。鋼球作為基本零件影響著軸承壽命[2]，為保證鋼球表面質量無缺陷，鋼球需被全部檢測，因此，如何實現球面全表面檢測及鋼球檢測系統系列化應用，成為亟待解決難題[3-4]。針對上述問題，在理論分析基礎上[5-6]，根據實際檢測需要，設計鋼球自動檢測參數化系統以滿足不同尺寸鋼球檢測的生產需要。

目前，Mun Duhwan等[7]為縮短設計周期，提高工作效率，實現設計自動化，對參數化設計進行了研究[8];Edwin等[9]將三維設計軟件Pro/Engineer和有限元分析軟件ANSYS進行結合，武漢理工大學的尹鋒等[10]，以VC作為開發工具建立了臂橋架起重機結構的參數化系統，西安交通大學的盧杰等[11]基于VC與ANSYS的二次開發APDL（ANSYS parametric design language）技術對車輪進行參數化設計，建立了人機交互界面，完成三維模型的重建與生成;哈爾濱理工大學劉保臣[12]利用VB對SolidWorks進行二次開發，應用VB和Access開發夾具實例數據庫管理系統，基于參數驅動技術實現夾具數據庫參數化設計。

綜上所述，參數化技術雖然已經廣泛應用于機械設計過程中，在提高產品設計效率和企業競爭力、發展信息智能化設計等方面具有重要意義[13-14]。但是，參數化設計在鋼球自動檢測系統中的應用還處于初級階段，因此本文開展鋼球自動檢測系統的參數化設計方法研究，分析參數化設計方法與步驟，結合仿真技術與物理樣機實驗驗證參數化設計的可行性，實現不同尺寸、種類鋼球檢測，為鋼球自動檢測系統系列化應用提供技術方法。

1 鋼球自動檢測系統結構功能分析

鋼球全表面自動檢測不同于常規的平面幾何測量或字符測量，它是一個全球體鏡面反射的檢測物，因此在檢測過程中需要將鋼球表面全展開，根據結構功能要求，該檢測系統主要分為3部分：進球篩選裝置、展開裝置、出球分選裝置，如圖1所示。

進球篩選裝置主要功能是初步對不同尺寸鋼球進行篩選，完成特定尺寸范圍內鋼球的甄選，并規劃合理運動路徑，減少鋼球在運動過程中產生的碰撞，將檢測過程中造成的細微二次損傷降低至最小，提高檢測精度與效率;展開裝置是實現鋼球全表面展開及圖像信息采集的核心裝置，是參數化過程中要重點設計的機構，如圖2所示，在展開模塊、支撐模塊和驅動模塊的共同作用下，實現鋼球的全表面展開，完成檢測過程，計算機將鋼球表面的圖像信息進行處理并發送至下一控制單元;出球分選裝置的功能是通過自動控制技術，接收反饋的信號，完成不同表面質量鋼球的分選收集工作。

2 展開裝置位置關系模型建立

在鋼球自動檢測系統參數化過程中，當鋼球直徑范圍為發生變化時，驅動體需要有多種匹配尺寸來適應直徑范圍為15～25mm的鋼球，與驅動體相關的支撐雙頭螺栓、支撐架、驅動輪、支撐桿、支撐輪等展開裝置的尺寸位置也隨之改變，因此，通過建立展開裝置位置關系模型，可減少與驅動體相關其它零部件改動，以此提高模型修改的速度，為鋼球自動檢測系統的參數化設計提供理論基礎。

鋼球展開裝置機構位置關系如圖3所示，以鋼球球心為原點建立如圖所示的坐標系，在xoz平面內，球心O與驅動體中心O1的連線OO1、與支撐輪中心O2的連線OO2、與驅動輪中心O3的連線OO3與x軸的夾角分別為α、δ、β，O1O2、O2O3、O1O3長度分別用l1、l2、l3來表示，鋼球半徑為r1，支撐輪半徑為r2，驅動輪半徑為r3，且球心O與驅動體回轉中心O1、支撐輪回轉中心O2、驅動輪回轉中心O3位于同一平面xoz平面內，如圖3（b）所示;當驅動體圓錐曲面軸線與回轉軸線在水平面的投影邊界重合時，鋼球與驅動體處于極限接觸位置，驅動體兩側圓錐母線在yoz平面內的投影線互相垂直，如圖3（a）所示，AB與OB互相垂直，其中，A為驅動體中心點，B為與鋼球接觸點[15]。

3 鋼球自動檢測系統參數化設計

3.1 參數化關鍵技術及參數化系統研究

本參數化設計系統采用基于VB的程序驅動法和尺寸驅動法相結合的方式[16]，應用SolidWorks中系列零件設計表功能對關鍵零部件進行參數化設計，建立設計庫來減少程序的編寫調試工作。建立參數化系統的實施流程如圖4所示。

3.2 零部件模板模型庫建立

模板模型庫的建立即將鋼球自動檢測系統中的每一個零部件進行三維建模，通過對系統的零部件進行結構特征分析，可以分為固定參數零部件和關鍵零部件，固定參數零部件是不經過任何更改直接調用裝配的零件，關鍵零部件是指需要經過尺寸參數以及特征的更改變化，重新進行建模的零件。以核心零部件——驅動體為例，首先，對驅動體進行結構分析，結構尺寸與系列鋼球相對應，其結構如圖5所示。

根據鋼球全表面展開原理，驅動體主要參數為：錐面回轉軸線AA1、BB1與水平軸線AB的夾角θ，回轉軸線與水平軸線AB的交點到驅動體中心點的距離值為a，以及錐面夾角為δ，其中θ取值為1°，δ取值為90°。驅動體兩端軸徑為D1，與軸承采用基孔制配合，軸徑D2起定位作用，未標注倒角為0.5mm～1mm。為簡化驅動體的更換，將驅動體按尺寸參數進行分組，同一組中的總長L相同，因對應的鋼球直徑變化引起內外距變化，可通過改變l2的大小，保證總長L不變，主要參數如表1所示。

選取表1中數據，建立驅動體三維模型，完成模板模型的構建。整理其他零部件并建立如圖6所示的模板模型庫。

3.3 關鍵零部件參數化設計及設計庫建立

為減少零件建模程序的編寫調試工作，利用SolidWorks中系列零件設計表功能，以模板模型庫中關鍵零部件模型為基體，提取幾何尺寸，初次賦值于Excel零件設計表中，保留參數尺寸，結合模型參數設計表，再次賦值于Excel零件設計表中，建立零部件設計庫，創建過程如圖7所示。

零件設計表在系統完成初次賦值后，需要將表格屬性設置為“常規”，并將尺寸名稱與模型驅動尺寸進行對應。結合表1中數據進行整理，在模板模型的基礎上，配置系列零件設計表，完成驅動體的尺寸參數化設計，并將其保存至設計庫中，便于調用并重新建模生成新的零件，如圖8所示。

3.4 檢測系統虛擬裝配模型建立及干涉分析

在自下而上建模方法的基礎上，按照零部件之間的結構關系添加約束類型，通過SolidWorks裝配干涉分析功能對裝配體模型進行干涉分析，針對干涉檢查結果對檢測系統虛擬裝配進行修改完善。如圖10所示，為檢測系統完整裝配模型及干涉檢查。

3.5 參數化系統驅動程序制作與交互界面設計

鋼球自動檢測系統參數化設計中采用SolidWorks和VB相結合的方法，通過VB建立獨立的外部人機交互界面，控制SolidWorks的建模與裝配，利用SolidWorks的宏文件錄制功能錄制關鍵零部件以及裝配模型的模型修改過程，如圖11所示，讀取宏文件中的程序代碼，結合SolidWorks的API函數和VB的語言規則對主要參數代碼重新賦值便可實現關鍵零部件模型修改，實現檢測系統參數化設計[17]。

為提高參數化系統的實用性，在人機交互界面輸入關鍵零部件及裝配模型的尺寸約束信息，調用驅動模型重建。如圖12所示，首先對關鍵零部件進行參數設置并重建，選取模型序號為1-15.0812和12-23.8125兩組模型重新建模，因關鍵零部件已經添加系列零件設計表，具有系列化屬性，直接選擇模型序號直接生成調用。

4 參數化系統仿真及驗證

為驗證本文參數化設計方法的正確性與可行性，對展開機構的參數化模型進行仿真驗證，選取1-15.0812、12-23.8125兩組模型，在ADAMS軟件中，對鋼球表面任意標記一點，追蹤標記點的運動軌跡曲線，連續選取標記點3個不同時刻位置，如圖14所示，兩組模型中標記點在鋼球展開過程均由位置1運動至位置3，其運動軌跡覆蓋了鋼球全表面，完成了全表面螺旋線展開運動。驗證鋼球自動檢測系統參數化設計的正確性。

5 結 論

1）本文建立鋼球自動檢測系統模板模型庫如圖6所示。應用SolidWorks中系列零件設計表功能對關鍵零部件進行參數化設計，并建立關鍵零部件設計庫，采用自下而上裝配建模方法，建立鋼球檢測系統模板模型。

2）利用SolidWorks宏文件錄制功能錄制關鍵零部件和裝配模型的修改過程，讀取宏文件中程序代碼，結合API函數和VB語言規則進行調試，并通過VB 建立獨立外部程序，設計參數化系統交互界面，在界面中選擇模型序號，完成關鍵零部件和自動檢測系統裝配模型的重建。

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（編輯：王 萍）