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基于SolidWorks机械工程师论坛的蝶阀参数化设计

参数化设计过程是指从功能分析到创建参数化模型的整个过程。参数化设计方法作为一种全新的设计方法现在已广泛被工业界所采用。它所具有的高效性、实用性等特点使其成为设计工作的发展方向。蝶阀产品绝大多数为定型产品,这些产品的系列化、通用化和标准化程度很高,这就为蝶阀产品的参数化设计提供了可靠的依据。随着国外成熟三维CAD软件在产品开发和设计领域的普及,本文基于南京东岱solidworks对阀门的参数化设计进行了研究,旨在提高我国的阀门自动化设计水平,推广现代CAD技术的应用。

本文的主要内容是以南京东岱solidworks API函数及Visual Basic高级语言为工具,以动态链接库的形式,对南京东岱solidworks进行二次开发。建立了两类常用蝶阀模型库,开发了蝶阀参数化建模程序,并在程序中集成了参数数据库,最后把程序封装生成*.dll动态链接库。针对蝶阀开发的参数化设计系统对提高我国阀门设计水平有一定的现实意义,对三偏心蝶阀在我国的研究发展也起到了一定的推进作用,有效的提高了企业的生产效率。

第一章 蝶阀三维模型库的建立

系统开发的第一步是建立标准蝶阀三维模型库包括所有零件模型和装配体模型。本文根据蝶阀生产企业提供的蝶阀产品目录选择了两种常用的蝶阀模型在南京东岱solidworks中进行三维建模,具体要求如下:

(1)模型草图必须完全定义,即模型的每一张草图尺寸标注必须完整;

(2)建模操作名称尽量根据模型结构命名,这样编写参数化设计代码时就会很清晰明了;

(3)避免在一张草图中尺寸过繁,如有需要可以多建几张草图,尺寸过多就会导致参数化出错;

(4)模型库中应该包括蝶阀所有零部件及装配体,保证模型库的完整。

蝶阀种类中除三偏心蝶阀外其它蝶阀结构都是对称的,三偏心蝶阀的密封副是斜圆锥面,下面介绍一下三偏心蝶阀密封副(蝶板和阀体密封圈)的建模方法。

(1)三偏心蝶板建模

三偏心蝶阀的蝶板是一个正圆锥体被两平行平面斜截所得,其截面是椭圆,两平行平面之间的距离是蝶板厚度,两平行平面与X轴的夹角是三偏心蝶阀的角偏心。蝶板结构可分为三部分:蝶板组件1、蝶板密封圈和蝶板组件2。蝶板组件1是蝶板的背部,蝶板组件2是蝶板的正面,蝶板密封圈夹在组件1和组件2之间,三部分通过销和螺钉固定,如图1所示。

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图1 蝶板模型图

(2)阀体密封圈建模

阀体密封圈是直接与蝶板密封圈接触起密封作用的部分,三偏心蝶阀的蝶板截面是随着厚度变化的椭圆,直接建模会造成密封副干涉或密封副之间有间隙,根本不可行。这里我们可以先建一个圆柱体,其高度是阀体密封圈厚度,直径是阀体的密封圈卡槽直径,其定位尺寸和蝶板密封圈在坐标系中的位置保持一致。然后建一个蝶板锥体,直接对圆柱和蝶板椎体做布尔减操作,这样一个阀体密封圈就完成了。

第二章 蝶阀参数化建模

参数化是指对零件上各种特征施加各种约束形式,各个特征的几何形状与尺寸大小用变量参数的方式来表示,这个变量参数不仅可以是常数,而且可以是某种代数式,通过控制各种参数,即可达到控制零件几何形体的目的。如果定义某个特征的变量参数发生了变化,则零件的这个特征的几何形状或尺寸大小将随着参数的改变而改变,软件会随之重新生成该特征及其相关的各个特征,而不需要用户重新绘制。

虽然参数化的目的是在重新输入一组数据后,模型能够重新生成,但事实上不是说随便输入一组数据就能重新构成模型,必须是一组合理的数据,而即使是一组合理的数据，模型的重建也未必成功,这其中的原因在于参数化的合理性。对一个模型进行参数化需要用若干组数据对模型进行重建,在重建的过程中来完善参数化的数据及赋值过程。因此,参数是模型重建的基础,模型重建是参数化过程中不可缺少的合理性验证步骤。

要得到合理的数据进行参数化建模,就必须在参数化的过程中遵循以下原则:首先,不同部件中同一个参数只须定义一次。例如,蝶阀的偏心参数在建模的许多草图中出现,我们不用逐一地对其进行定义,只在参数化管理器中定义一个参数,而其它的关系在赋值关系中体现就可以了;其次,尽可能的使用赋值关系来对参数进行定义从而减少被参数化数据的数量。例如,模型的生成过程中有很多尺寸是等值的,并且随着模型同等变化的,或者有些尺寸之间不是等值的而是存在着某种关系能用己参数化的数据进行表示的,这些都选择在赋值关系中进行;最后,为了说明某些尺寸之间的关系还可以适当地引入一些在建模的草图中体现不出来而在二维图纸中出现的参量。基于南京东岱solidworks的参数化二次开发流程图具体见图2所示。

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图2 南京东岱solidworks参数化建模二次开发流程图

1)首先建立符合要求的蝶阀零部件实例模型,蝶阀的主要零部件有蝶板、阀体、阀杆、阀体密封圈、填料函、填料箱压板、轴套等。

2)利用VB语言结合南京东岱solidworks API函数对蝶阀各个零部件按照一定的顺序编写参数化建模代码,即对蝶阀零部件标准模型进行尺寸驱动。

3)在VB代码中利用外界程序管理建立蝶阀参数数据库,并将数据库与程序连接,在参数化建模中可以直接导入。

4)将参数化建模代码及建模过程中的所有VB窗体集成封装生成*.dll动态链接库,启动南京东岱solidworks应用程序,直接打开按钮加载*.dll插件。

5)利用编写的参数化建模程序绘制双偏心蝶阀和三偏心蝶阀零件三维模型,绘制完毕即可生成指定型号的蝶阀装配体,并进行装配体的干涉检查。

1)建立初始模型是参数化绘图的前提,通常根据设计要求,以完整准确的产品图为样板。模型一经建立,将相对稳定,以后模型都是以模型为模板而生成的。

2)初始模型中,所有草图都必须完全定义。如果有欠定义的草图或者过定义的草图存在,即几何关系或尺寸关系没有完全约束或者过约束的草图,则可能导致后来的参数化建模过程出现未知的错误,无法达到预期效果。

3)进行参数化是定义在几何模型的基础上,需要分析模型的结构特点和控制尺寸,从而确定将哪些参数定义为参数化的变量参数。

4)推导参数表达式模型中的参数之间并非都是相互独立的,通常会有某些关联关系,有的参数是随着其它参数的变化而变化的,这就需要找出这种关系,推导出参数间的关系式。一般来说,在添加尺寸间的方程式关系时,关键尺寸为自变量,而且应避免出现相互干涉的情况发生。

5)参数输入时应有合适的约束和报错机制,因为模型是一个整体,尺寸相互间都有一定的约束关系,比如蝶板的筋板长度必须比蝶板的直径要小,所以必须对所有尺寸进行范围约束,如果输入参数超过此范围则应该报错,否则会导致参数化建模失败。

6)不同零件之间的参数具有相关性,例如阀轴的直径和蝶板的内孔径必须相等,所以参数在不同零部件间应有延续性和传递性,这样才能保证零部件间的装配关系和装配体的顺利生成。

第三章 蝶阀参数化建模实例

下面以蝶阀的核心零部件蝶板为例介绍基于南京东岱solidworks的参数化建模过程。

1.首先必须建立蝶板的模板模型,以满足生产要求和符合工程实际要求为标准,必须做到结构合理,草图完全定义以及尺寸完全约束和命名,模板模型是参数化建模的关键和核心,后续模型都是以此为模板生成的。

2.提取相关参数,在蝶板模型中,作为参数提取出来的主要参数有蝶板直径、蝶板厚度、筋板厚度、轴孔直径等,次要参数为吊耳厚度、定位孔孔径、定位孔孔距等。无论是成为主要参数还是次要参数,蝶板的所有尺寸都必须成为参数,或者独立或者是一个参数表达式或者与其他参数成一定的关系,可以通过方程式方式建立关系。

3.通过Visual Basic和南京东岱solidworksAPI语-目'编程,主要实现将参数提取出来,通过程序将参数赋以新的数值,达到通过修改参数的数值获得新的三维蝶板模型的目的。具体方法是按照南京东岱solidworks中蝶板建模操作主要包括特征操作和草图绘制,在VB窗体代码页面对每一个尺寸名称进行参数赋值、运算。

通过程序就可以实现蝶板模型参数公称通径和角偏心的更新,运行程序后,这两个几何参数会更新成以上字符所代表的数值,即从蝶板参数数据库导入到设计界面的参数数值,从而得到新的蝶板模型。以此类推,蝶板所有特征依次更新以后,就能得到结构大体相同,几何尺寸变化了的新蝶板三维模型图,从而实现参数化建模。

4.利用VB外接程序管理功能建立蝶板参数Access数据库,在蝶板设计窗体建立与数据库的连接,并完善蝶阀设计窗体代码比如参数传递、参数保存、零件保存等,如图2所示。

通过以上4步操作就能大致完成蝶板的参数化建模,对蝶阀的每个零件都进行相同的操作就可以完成整个蝶阀的参数化设计。另外可以将不同规格的蝶板尺寸保存起来,以后使用时可以直接调用,这样大大提高设计效率。

1.生成蝶阀装配体

装配是按照一定的精度标准和技术要求,将一组离散的零件(子装配体)按合理的工艺流程,用各种必要的方式连接起来,使之成为产品的过程。将若干个零件结合成部件,称为部件装配;将若干个零件和部件结合成产品的过程,称为总装配。

由上节的参数化建模过程己经生成了包括蝶板、阀体、闻轴、填料函、填料箱压盖等零部件,接下来就可以将以上零部件在南京东岱solidworks中进行装配。南京东岱solidworks提供由下而上和由上而下两种装配体设计方法。

由下而上的设计:首先绘制零件,然后将它们插入装配体中,并把这些零件按设计目的结合,完成装配。

由上而下的设计:先从装配体开始,边装配边绘制零件。由一个零件的几何参数来定义其他零件,或者产生在装配零件之后才加入的加工特征。也可以从草图开始,定义固定零件的位置、基准面等,然后参考这些定义来设计零件。

在由下而上的设计中,由于零部件皆为独立的设计,所以其间的关系和重新产生零件的操作比由上而下简单直接,本系统的蝶阀装配体就是采用此方法。

本系统涉及的蝶阔装配体,其各组成零部件间的主要装配关系固定,只需按照装配要求变化某些配合的距离或角度,不须考虑其他装配关系。因此釆用读取蝶阀装配体的模板文件,将各个组成零件的尺寸进行更新后,系统重新生成装配体,自动更新原有的零部件,但保留了原有的装配关系,这样能大大提高工作效率,也能避免重新装配时产生的错误。

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图3 三偏心蝶阀装配体

2.装配体的干涉检查

在一个复杂的装配体中,如果想用视觉来检查零部件之间是否有干涉的情况是件困难的亊。使用装配体的干涉检查可以方便的检出干涉发生的位置、干涉区域的大小、互相干涉的相关零部件。为装配体的运动分析和有限元边界条件的处理奠定了基础。

操作方法:打开更新生成新的蝶阀装配体后,点击【工具】》【干涉检查】,选择计算可以检查整个装配体的干涉情况,包括以高亮红色在装配体中显示,干涉的零件,干涉区域的大小等信息。也可以选择部分零件进行干涉检查,缩小检查的范围。对于干涉情况的处理,区域较小的干涉可作忽略处理。

第四章 本章小结

本章主要论述参数化技术的内涵,参数化设计的基本形式及实现方法,并用VB语言及南京东岱solidworks软件平台从蝶阀产品入手对参数化设计流程进行了详细的论述,总结了蝶阀参数化设计会遇到的问题,最后以蝶板为例具体介绍了参数化程序代码的编写过程,及在蝶板设计过程中对参数数据库的应用。