面向交互功能的螺紋CATIA二次開發方法研究

馬奎，石若潼，黃德，郭濤，陳奇

(合肥工業大學 機械工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

CATIA是法國達索公司開發的CAD/CAE/CAM一體化軟件，在世界CAD/CAE/CAM領域中處于領先地位[1]。螺紋是機械零件的典型結構，主要用于傳動和連接。螺紋在機械裝置中必不可少，而CATIA手動繪制顯示螺紋步驟繁瑣，過程艱難。本文介紹了面向交互功能的螺紋快速建模。

目前，關于螺紋二次開發的相關研究較多，但基于CATIA的螺紋二次開發卻很少。戶曉磊等[2]在基于 SolidWorks 的榨螺參數化建模系統的研究中，實現空余體積的自動計算與榨螺的參數化建模，提高了榨螺的設計效率，縮短螺旋榨油機的開發周期。張信群等[3]以Visual Basic 6.0作為開發工具創建螺紋緊固件類標準件庫的方法，實現了標準件的調用。劉超等[4]實現了Pro/E系統集成的變螺距分件送料螺桿零件參數化設計系統的二次開發，通過參數化設計程序變量來控制零部件三維模型的生成。程結結等[5]闡述了在Pro/E平臺上建立三維模型標準件庫以及二次開發的方法和步驟。楊海飛等[6]在基于SolidWorks螺紋聯接標準庫的開發中實現了包括螺栓、螺釘、螺母以及墊圈五大類多個標準件的二次開發，建立了螺紋連接標準件庫系統，能夠在SolidWorks的實體零件造型環境和裝配環境中正常運行，提高了設計效率。李銳[7]通過UG二次開發建立花鍵、螺紋冷壓成型自動建模與仿真系統，成功地預測了生產中的問題。高大威等[8]基于有限元法對螺紋進行參數化建模研究，并針對有效性進行分析驗證。以上研究做了大量的零件參數化建模，但都只能建立一個指定參數的新零件，不能在已有零件上生成螺紋，即不具備“交互功能”。由上分析可知，目前對于UG、Pro/E、SolidWorks等三維建模軟件的螺紋二次開發工作已比較成熟，但是大多是標準件庫螺紋的二次開發，且只有普通三角形螺紋，種類單一，不適用于在不規則零件上創建螺紋。市面上，還沒有一套特別完備的關于CATIA二次開發螺紋建模的系統。本文面向交互功能的螺紋快速建模CATIA二次開發方法，可以在裝配體中或者復雜零件需要創建螺紋的位置上加工4種不同種類牙型的內外螺紋，大大節省了設計人員的時間和精力，對實現CATIA螺紋的快速、高效建模設計具有一定的工程指導意義。

1 常用螺紋簡介

螺紋是一種在固體外表面或內表面的截面上，有均勻螺旋線凸起的形狀。在通過螺紋軸線的剖面區域上，螺紋的輪廓形狀稱為牙型。按照螺紋的牙型分類，可分為以下幾種：三角形螺紋、梯形螺紋、矩形螺紋和鋸齒形螺紋。三角形螺紋主要用于連接，矩形、梯形和鋸齒形螺紋主要用于傳動[9-10]。

圖1是4種螺紋結構示意圖。圖中P為螺距；D、D1分別為內螺紋大徑、小徑；d、d1分別為外螺紋大徑、小徑。

牙型角是60°三角形的螺紋叫三角形螺紋，結構示意圖如圖1(a)所示。牙型為等腰梯形，牙型角為30°的螺紋叫梯形螺紋，結構示意圖如圖1(b)所示。矩形螺紋的牙型為正方形，螺紋牙厚等于螺距的一半，結構示意圖如圖 1(c)所示。鋸齒形螺紋的工作面牙側角3°，非工作面牙側角為30°，結構示意圖如圖1(d)所示。

圖1 螺紋結構示意圖

2 系統設計

2.1 系統開發原理

CATIA通過宏錄制可以記錄零件建模、裝配等部分用戶操作過程，生成的代碼語言屬于VBA(visual basic for application)，其語法完全符合Visual Basic。本文采用宏錄制的方法得到螺紋建模的宏代碼，根據設計需求對系統代碼進行修改，為系統添加所需要的功能，完成系統的開發過程。系統開發原理圖如圖2所示。

圖2 系統開發原理圖

2.2 建模方法

螺紋的建模過程是系統的重點，主要包括交互功能的實現和模型的創建。

系統交互功能的實現：利用CATIA安裝目錄下自帶的V5Automation中Documents Object 的Selection模塊，通過函數SelectElement2和過濾器Filter實現交互功能參考面的選擇。

模型的創建：通過VBA代碼指令實現，1)在用戶選擇的參考面上創建螺旋線起始點以及支持面中心點，以中心點為參考創建參考軸線；2)以螺旋線起始點和參考軸線為參考創建螺旋線；3)以螺旋線起點和螺旋線為參考創建草圖參考面；4)根據4種螺紋的結構示意圖以及相關參數繪制草圖；5)利用開槽命令，以草圖為參考輪廓，螺旋線為中心曲線創建螺紋。圖3為建模過程示意圖。

1—參考軸線；2—螺旋線；3—草圖繪制的螺紋牙型；4—草圖參考面。

2.3 系統設計

面向交互功能的螺紋快速建模系統主要功能是根據設計要求選取參考面，生成4種常見螺紋。基于此系統分為兩個模塊：系統主界面模塊和模型創建模塊。

系統主界面模塊：該模塊為人機交互窗口，窗口包括螺紋參數區、繪圖控制及螺紋結構示意圖區和螺紋選型區。系統顯示界面如圖4所示。用戶從螺紋選型區選擇需要創建的螺紋類型，在對應的螺紋結構示意圖區就會顯示相應類型螺紋的結構示意圖，起到提示用戶操作系統的作用。接著點擊箭頭選擇需要創建螺紋的支持面，選擇相應的螺紋旋向以及內螺紋或外螺紋。在螺紋參數區輸入相應的參數，包括內螺紋或外螺紋大徑D、d，選擇螺距P，輸入螺紋長度L。最后通過繪圖控制區按鈕控制螺紋三維模型的創建。

圖4 系統顯示界面

模型創建模塊：當點擊“確定”按鈕時，程序聯接CATIA軟件，根據螺紋參數區輸入和選擇的特征尺寸進行螺紋的三維建模。

3 實例演示

本系統包括普通三角形螺紋、梯形螺紋、鋸齒形螺紋、矩形螺紋4種。以三角形螺紋外螺紋和梯形螺紋內螺紋為例，說明整個系統的運行情況。

三角形螺紋的參數如表1所示。

表1 三角形螺紋參數 單位：mm

圖5為已有軸類零件，通過在選定支持面、螺紋的類型、螺紋大徑、螺距、螺紋長度、螺紋旋向等，即可自動生成用戶指定的螺紋，如圖6所示。

圖5 參考軸1

圖6 三角形螺紋軸

梯形螺紋的參數如表2所示。

表2 梯形螺紋參數 單位：mm

圖7為已有軸類零件，通過在選定支持面、螺紋的類型、螺紋大徑、螺距、螺紋長度、螺紋旋向等，即可自動生成用戶指定的螺紋，如圖8所示。

圖7 參考軸2

圖8 梯形螺紋軸

4 結語

本文所述的面向交互功能的螺紋快速建模CATIA二次開發方法，能夠根據用戶的需求，在CATIA的零件設計模塊和裝配模塊任何位置選定的支持面上創建螺紋，大量地節省了設計人員的時間和精力，提高了設計效率，對CATIA二次開發有一定的借鑒作用。主要功能如下。

1)實現交互功能，通過Selection模塊的SelectElement2函數和過濾器Filter實現交互功能參考面的選擇。

2)實現參數化結構設計，給定螺紋大徑、螺距、螺紋長度等參數就可自動生成螺紋。

3)完成三角形螺紋、梯形螺紋、矩形螺紋和鋸齒形螺紋4種典型螺紋的快速建模實例。