CAXA實體設計環境下的滾動軸承參數化設計

黑留民，馬 偉，劉紅彬，張天舉

(河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003)

軸承的設計質量和設計效率直接影響其可靠性、壽命以及整個軸承生產周期。通過研制基于三維CAD的軸承設計專用系統，可提高軸承設計的準確性和工作效率，促進軸承設計水平的提升，因而有助于提升軸承企業的核心競爭力。CAXA實體設計是目前國內使用較為廣泛的CAD軟件，其二次開發平臺能夠方便地調用和修改系統的已有功能，并具有開放式的體系結構[1]。在CAXA實體設計二次開發平臺上開發軸承參數化設計專用系統，不僅可以拓展CAXA實體設計功能，還可以大大提高軸承的設計效率，進而達到針對性強、效率高、響應速度快的設計效果。

1 二次開發環境

二次開發平臺是三維數字化設計軟件的重要組成部分，CAXA實體設計的開放式體系結構允許其與各類型數據以及第3方軟件以不同的形式集成[2]，從而拓展系統的功能和使用范圍。

1.1 集成方案的選擇

CAXA實體設計的集成方案從集成的耦合程度劃分，如圖1所示。其中第1，2層次都屬于松耦合方式；第3個層次是在封裝算法之后，再通過ICAPI(IronCAD Application Programming Interface)接口使DLL與CAXA實體設計連接；而第4個層次則是直接利用ICAPI提供的大量接口函數進行用戶程序的編寫，將第3層次集成進行了推廣，是用戶程序和數據與CAXA實體設計耦合程度最高的一種集成方式，也是最有效的專用化開發方式[3]。

圖1 CAXA實體設計的集成方案

本系統選用基于COM組件的集成方案，使用CAXA實體設計提供的二次開發接口(ICAPI)，通過COM組件加載接口集成應用系統。使用戶可以根據需要訪問系統的各項功能和底層數據，并利用第3方開發工具來擴展其功能，達到用戶程序與CAXA實體設計的無縫集成。

1.2 參數化設計方法的確定

CAXA實體設計主要提供了3種參數化設計功能[4]，如圖2所示。

圖2 CAXA實體設計的參數化設計方法

系統利用ICAPI來實現零件的參數化設計。首先構建軸承零部件的三維模型，并定義其參數構成和關聯約束；然后，利用VC++ 語言構建由軸承設計流程導航的設計過程環境，按零部件生成順序并從預建的數據庫中調用設計參數驅動三維模型。

系統采用編程方式構建軸承零部件的實體模型，CAXA實體設計的ICAPI創建實體是采用自上而下的設計方法。其創建零件三維模型時根據不同零件的特征采用不同的方式：如軸承內、外圈和滾動體等零件，其三維模型是在其二維草繪(IZProfile)基礎上繞回轉軸線旋轉(IZSpinFeature)而創建，而保持架等復雜零件的三維模型是三維實體(IZPart)通過面域拉伸(IZExtrudeFeature)、旋轉陣列等方法創建。

裝配體生成使用ICAPI的坐標轉換機制[5]，通過獲得子坐標系相對于其父坐標系的變換矩陣，在獲取零部件的錨點坐標后，依據裝配關聯關系改變零件的位置完成裝配。

1.3 應用程序接口(ICAPI)

作為CAXA實體設計與外部應用程序之間的接口，ICAPI是一系列函數的集合，這些函數提供了程序員直接訪問CAXA實體設計的能力。通過調用這些函數，用戶可以建立模型，查詢模型對象，遍歷裝配體，創建工程圖，在主界面中創建交互式程序界面，創建并管理用戶定義對象等。

CAXA實體設計的三維設計和二維繪圖文檔分別對應著ZIronCADSceneDoc對象和ZTDDrawingDoc對象，而這些對象則包含在ICAPI對象的基類ZIronCADApp中。ICAPI的每個對象都支持一系列的接口，這些接口包含了一組用來操作、查詢和創建它們包含的對象的函數。

2 軸承主參數的優化

下面以深溝球軸承為例，介紹優化設計的過程。

2.1 優化設計的數學模型

當軸承以疲勞壽命來考核時，以軸承的基本額定動載荷Cr最大為優化目標。目標函數為：

(1)

式中：Dpw為球組節圓直徑；Z為球數；Dw為球徑;bm為材料系數，此處取bm=1.3；fc為載荷系數，其與Dw/Dpw值有關；Cr的大小由Dw，Dpw和Z的取值決定，因此將Dw，Dpw和Z作為軸承優化設計主參數，即設計變量X=[x1，x2，x3]T=[Dw，Dpw，Z]T。

則其目標函數變為：

F(X)=F(x1，x2，x3)

2.2 約束條件

(1)球徑

Kwmin(D-d)≤Dw≤Kwmax(D-d)

即，g1(x)=x1-Kwmin(D-d)≥0

(2)

g2(x)=Kwmax(D-d)-x1≥0

(3)

式中：D為軸承外徑；d為軸承內徑；Kwmin，Kwmax分別為球徑系數的最小值和最大值，由試驗或經驗獲得。

(2)球組節圓直徑

0.5(D+d)≤Dpw≤0.515(D+d)

即，g3(x)=x2-0.5(D+d)≥0

(4)

g4(x)=0.515(D+d)-x2≥0

(5)

(3)填球角

180°≤Φ=2(Z-1)arcsin (Dw/Dpw)≤186°

(4)球數

即，g5(x)=x3-180Kzmin-1≥0

(6)

g6(x)=ΦmaxKzmax-x3+1≥0

(7)

(5)外圈最小壁厚

0.5(D-Dpw-Dw)-ξ(D-d)≥0

即,g7(x)=0.5(D-x2-x1)-ξ(D-d)≥0

(8)

式中：ξ為深溝球軸承外圈最小壁厚系數，取值應小于0.1。

2.3 求解

采用綜合約束函數雙下降(SCDD)法[6]，首先將目標函數轉化成f(X)=1/F(X)，變為求最小值問題，即尋找一組最優解向量X=[x1，x2，x3]T，使f(X)達到最小。

將以上約束函數構造一個綜合約束函數：

(9)

這樣，目標函數的可行域就可表示為：

G={X|X∈E，S(X)=0}

(10)

3 參數化設計系統的實現

3.1 系統功能模塊劃分和程序流程圖

系統目標要求在輸入D,d及寬度B和軸承型號等的情況下，由系統檢索或計算出優化設計的主參數，然后按照軸承設計文件編程，計算出各零件的詳細尺寸，并根據尺寸值檢索數據庫，查出相應尺寸公差、形位公差的參數，以生成三維零件模型、裝配模型和二維工程圖。圖3所示為系統流程圖。

圖3 系統流程圖

根據軟件開發需要實現的功能要求，軟件的結構分為以下5個模塊：

(1)優化設計模塊。按照建立的軸承優化計算數學模型及其求解方法編寫相應的計算程序，使系統能在獲得軸承外形參數和優化算法計算系數后，經過程序直接得到優化計算結果。然后，通過對計算結果的檢驗、修改后，獲得滿足用戶需求的最佳結果并存入數據庫中。

(2)檢索模塊。根據設計的軸承型號或給定的外形參數，通過不同的檢索方法，對數據庫中所有的型號和相應數據項進行檢索，得到優化設計主參數及其他設計參數。

(3)軸承標準設計模塊。根據公式或者設計人員的經驗編寫軸承結構尺寸計算程序，將優化設計計算或檢索得到的主參數輸入其中，得出結果。

(4)數據庫及接口模塊。系統中采用Access數據庫。在數據庫之上有數據庫訪問模塊，系統其他模塊與數據庫之間的操作都通過該模塊進行, 接口模塊采用ODBC技術實現。

(5)輸出模塊。在CAXA實體設計軟件下進行開發，利用計算模塊的輸出結果作為輸入數據，通過圖形軟件接口開發，將數據轉化為三維模型和二維工程圖輸出。

3.2 系統實現

將CAXA實體設計安裝目錄下的ICAddinAppWizard.awx文件拷貝至VC++ 安裝目錄下指定文件夾，利用新生成的“ICAPI Add-in AppWizard”向導創建新的DLL工程。然后，為工程添加對話框及類并完成相應程序的編寫，以實現各系統模塊的創建及界面設計。編譯成功后，在CAXA實體設計中加載該工程后，系統最終實現。

圖4和圖5分別為深溝球軸承三維模型輸出界面及生成的球的三維模型。系統通過調用數據庫對零件所有設計參數以變量的形式向CAXA實體設計傳遞，利用ICAPI接口向CAXA實體設計發送繪圖指令生成模型，或對已有的模型參數進行修改，從而完成創建軸承零件的實體模型，球模型生成的部分程序如下：

圖4 深溝球軸承三維模型輸出界面

圖5 球模型輸出

……

StrSql.Format("SELECT * FROM 參數表 WHERE d=%d AND DD=%d ",intNEIJING,intWAIJING,strXINGHAO); //數據庫查詢程序

……

r= data.m_r; dm= data.m_dm；… //參數傳遞

IZPartPtr bePart;

IZSceneDocPtr beSceneDoc;

HRESULT hr;

hr=beSceneDoc->CreatePart(&bePart); //定義零件對象，創建零件

……

hr=beSceneDoc->CreateProfile(&beProfile); //創建草繪

……

IZPartFeatureMgrPtr beNewPartFeatureMgr = bePart;

IZSpinFeaturePtr beSpinFeature; //旋轉特征

……

圖6為深溝球軸承裝配后的三維模型輸出。軸承各零件設計完成后，點擊“生成裝配體”按鈕自動完成軸承裝配。系統運用VC++ 程序獲得軸承各零件錨點坐標，通過坐標轉換后，完成裝配體三維模型的創建。

圖6 深溝球軸承三維模型輸出

4 結束語

使用CAXA實體設計軟件與VC++ 語言編程相結合的方法來構建通用軸承CAD參數化設計系統，與軸承制造業的信息化要求相適應，并可以滿足軸承產品系列化設計的要求。本系統的實現，可提高軸承設計的可靠度及效率。