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基于SolidWorks的汽车同步器三维参数化CAD系统的研究与开发

  本文针对汽车零配件企业的特点和需求,对三维参数化技术的应用进行了研究,讨论了开发环境和开发工具的选用,并以SolidWorks 2003为设计平台、VisualBasic 6.0为开发工具,研究开发了汽车同步器三维参数化CAD系统,为进一步实现CAD/CAPP/CAM/CAE的集成创造了前提。
  一、引言
  我国汽车工业的迅速发展给汽车零配件企业带来了新的挑战和更多的机遇,同时对企业竞争力提出了更高的要求。降低成本、提高质量和快速响应市场是企业提高竞争力的重要途径。企业出于自身生存和发展的需要,越来越多地采用CAD技术,以使其能低成本、高效率地开发、设计出新产品,全面提高企业对市场的快速响应能力。这种趋势客观上为商用CAD软件提供了巨大的市场需求,推动了整个CAD技术的发展和普及,各类CAD软件在设计和制造中得到了广泛应用。现阶段,基于特征技术的商用CAD软件得到了广大用户的一致认可,如Pro/ENGINEER、I-Deas等都拥有庞大的用户群。作为通用的CAD软件平台,这些软件在通用性上非常出色,覆盖了众多的产品设计领域,也考虑了一般性的设计规范。但是就汽车零配件企业而言,其产品特点主要表现为产品种类系列多、相似性强等,使用这类通用CAD系统很难一次性满足企业产品设计要求。如果企业能够研发出自己产品的参数化CAD系统,利用该系统,设计人员只需根据提示输入一些必要参数,系统在极短的时间内自动生成优化的变型设计结果,将极大地提高产品的设计效率,缩短产品的设计周期。当然,对于结构复杂的产品,要开发出完备的参数化CAD系统既费时又费力,很可能还难以达到预期的效果。不过,如果将复杂产品分解成一些关键零件及部件,研发出这些零部件的参数化设计系统,而后再与其他零件装配则是一个十分简捷有效的折中办法。本文以某汽车同步器产品为例,研究开发了汽车同步器三维参数化CAD系统,利用它可以进行汽车同步器系列零部件的三维参数化设计,设计者只需根据系统要求输入相关参数,系统即可快速生成该零部件的三维模型,并自动生成二维工程图,运行结果良好。
  二、开发环境与开发工具的选用
  1.开发环境的选用
  正确地选用开发环境是编程工作的基础,使用合适的开发工具可起到事半功倍的效果。三维CAD系统是实现产品三维设计的基础,从高端的I-DEAS、Pro/ENGINEER、NX、CATIA到普及型的SolidWorks、Solid Edge、MDT(Mechanical Desktop)和CAXA实体设计XP等商品化软件,都为企业提供了不同层次和满足不同需求的选择余地。SolidWorks作为普及型的三维CAD软件,是美国SolidWorks公司研制开发的一种功能强大的三维机械设计软件,具有全参数化的零部件特征造型、三维实体模型到二维工程图的双向关联性的自动转换、产品模拟装配及干涉检查等功能,基本能够满足机械产品设计的需要。尤其是操作简单、易学易用,非常适合在我国中小型企业推广。因此,本系统选用SolidWorks 2003为开发环境。
  2.开发工具的选用
  目前流行的开发工具是VisualBasic 6.0及VisualC++6.0,SolidWorks系统对这两种环境都支持。二者各有优点及不足,Visual C++功能强大,适合于开发大型的软件,但操作起来难度较大,对编程人员有较高的要求;VisualBasic功能较为强大,相对Visual C++而言操作较为容易,更为重要的是:SolidWorks提供的宏录制功能的程序编制均采用VB编程,采用宏录制的方法编制的程序不需要专门的VB窗口,SolidWorks自带的VBA(Microsoft Visual Basic for Applications)可以方便地与SolidWorks进行转换操作,而且所编制的宏程序可以直接嵌入到SoildWorks的菜单下,再加上宏录制功能,编制者可以尽可能少地编写代码,十分方便。因此,本文选用VisualBasic 6.0作为二次开发的编程语言。
  此外,对于零部件参数数据的管理采用SQLServer 2000数据库。当然,如果零部件不是太复杂,也可不用数据库。
  三、三维参数化CAD系统的开发过程
  参数化的概念是随着CAD技术中约束概念的引入而出现的。所谓参数化造型,其主体思想是用几何约束、数学方程与关系来说明产品模型的形状特征,从而达到一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。参数化造型有助于加快产品的设计过程:用户对零件的特征定形(形状参数化)和定位(位置参数化)后,通过改变参数的值,系统就可以立即得到新的零件,而不需要用户重新一步步再来。因此,把参数化设计同SolidWorks中基于特征的三维造型结合起来对于提高设计效率具有重要意义。
  下面以某汽车同步器产品中的结合齿圈为例,说明本系统的开发过程。
  1.三维实体建模
  零部件的三维实体建模是参数化CAD系统中最关键的一步,它的设计依据是产品的零件图。具体设计过程有以下几个步骤。
  (1)特征分析。
  三维实体建模特征分析是高效地使用SolidWorks的重要步骤,首先要对零件的整体有所了解,在头脑中将其分解为多个特征,分析特征之间的相互关联关系,然后再考虑如何生成这些特征,从简单的几何形状入手,经过特征的不断组合从而形成一个较复杂的零件,在造型中常常需要修改设计,设计过程的任何修改立即更新。经分析,结合齿圈的实体模型是由基体圆柱、左/右圆柱凸台、左/右圆柱凹槽、外齿、内齿、均布通孔、倒角和圆角等特征组合而成,如图1所示。
  (2)特征创建。
  利用SolidWorks的特征造型功能,先绘制二维草图,再用拉伸、旋转及扫描等方法形成三维基本形体,然后直接用阵列、圆角、倒角、抽壳和拨模等特征生成最终模型。
  2.定义设计变量
  对每一个未确定的几何尺寸均需定义成不同的设计变量。但是对于一个零件组来说,为了提高其标准化程度,一般将主要设计变量定义成自变量,而有些设计变量则可通过建模时赋值。
  3.编写驱动程序
  (1)用户界面设计。
  用于参数输入,可以编写数据库文件,从数据库中直接读取,或以人机交互的方式输入参数,以确定自变量的值。为了增强其交互性,本系统采用后一种方法。图2所示为结合齿圈参数化设计的用户界面。
  (2)参数化驱动。
  针对某一目的首先用宏录制功能录制出相应的宏程序,在此基础上,通过修改及添加代码使其满足要求,利用So1idWorks中相关的API(Application Programming Interface)函数及数据库知识,对变量进行用户交互赋值和自动搜寻数据库并自动赋值,再按照相关数值进行模型重建,从而实现零部件的参数化设计。
  以上是开发汽车同步器三维参数化CAD系统的基本过程。在实际操作中,设计者只需执行驱动程序,在用户界面中输入变量的值,便可得到相应的零部件三维模型。
  四、结语
  现代企业要想在激烈的市场竞争中立于不败之地,必须降低成本、提高产品质量、提高市场响应能力,而这些的实现需要多方面的努力,实现企业的信息化是现代企业的发展方向。CAD技术是企业信息化工程的一个重要组成部分,而实现产品的参数化设计又是CAD追求的重要目标。为了能更充分地利用软、硬件资源,本文采用通用软件为平台,建立适合本企业产品发展特点的参数化CAD系统,从而使产品设计进一步规范化和简捷化,是产品设计系列化的重要环节。对于同类型产品的开发设计,参数化三维建模较之传统的二维造型可以大大提高设计效率,降低设计成本,更重要的是能从根本上改变在设计与制造之间利用图样来传递产品信息的传统方法,从而达到CAD/CAPP/CAM/CAE的完全集成。


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