基于空氣壓縮機(jī)箱體的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)

萬靈 仲梁維 孫文龍

摘 要：為了改善空氣壓縮機(jī)箱體結(jié)構(gòu)對箱體內(nèi)氣體壓力及其它零件密封性的影響，以活塞往復(fù)式空壓機(jī)箱體為例，利用VB.NET編程語言，調(diào)用SolidWorks的API函數(shù)，生成動態(tài)鏈接庫DLL插件，并結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)創(chuàng)建了空壓機(jī)箱體參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了箱體的自動裝配。該系統(tǒng)大大提高了設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，并為之后的性能試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：空壓機(jī)箱體;智能設(shè)計(jì);自動裝配;二次開發(fā);SolidWorks

DOI：10. 11907/rjdk. 182336

中圖分類號：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2019）002-0084-04

Abstract： In order to improve the influence of the air-pressure chassis structure on the gas pressure in the box and the sealing of other parts， we take the piston reciprocating air compressor case as an example， use VB.NET programming language and call the SolidWorks API function to generate a dynamic link library. The DLL plug-in， combined with the SQL Server data management system， creates a parametric design system for the air compressor enclosure and automates the assembly of the enclosure. It is concluded that the system greatly improves the design efficiency and quality， which lays the foundation for the subsequent performance test.

Key Words： air compressor chassis;intelligent design;automatic assembly;secondary development; SolidWorks

0 引言

隨著工業(yè)發(fā)展，空氣壓縮機(jī)（以下簡稱空壓機(jī)）得到廣泛應(yīng)用，主要應(yīng)用于各種風(fēng)動機(jī)械設(shè)備與充氣、制冷、氣體輸送設(shè)備等[1]。目前國內(nèi)外對空壓機(jī)的研究多為動態(tài)特性分析[2-3]、虛擬仿真分析[4-5]、能源效率[6-7]、換熱計(jì)算[8-9]等方面，而對空壓機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究很少。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是根據(jù)設(shè)計(jì)需求，參考同類產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，憑借一定理論判斷以選定設(shè)計(jì)參數(shù)，然后進(jìn)行校核計(jì)算，如果不滿足設(shè)計(jì)要求則需要調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)再校核[10]。如此反復(fù)使得工作量變大，工作效率降低。

活塞往復(fù)式空壓機(jī)是目前使用最多的空壓機(jī)種類，它的箱體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜[11]。故本文以活塞往復(fù)式空壓機(jī)為例，利用參數(shù)化思想，完成其箱體結(jié)構(gòu)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并基于于洋等[12]提出的自動裝配思想，實(shí)現(xiàn)了該箱體的自動裝配。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具

1.1 OLE與COM技術(shù)

SolidWorks的二次開發(fā)主要有兩種：一種是基于自動化技術(shù)而生成的EXE可執(zhí)行文件，另一種是基于COM開發(fā)SolidWorks Add-in，生成一個(gè)DLL插件[13]。其中SolidWorks Add-in和SolidWorks程序運(yùn)行于同一個(gè)進(jìn)程空間，Add-in比主程序有更大的控制力，菜單、工具欄及屬性控制頁都可以插件形式在SolidWorks中實(shí)現(xiàn)，而創(chuàng)建獨(dú)立運(yùn)行程序時(shí)所有SolidWorks API調(diào)用必須越過進(jìn)程邊界。其中，第二種技術(shù)運(yùn)用非常廣泛，生成的DLL插件可以融合在SolidWorks設(shè)計(jì)環(huán)境中，增加工具欄的功能，更加便于設(shè)計(jì)者進(jìn)行設(shè)計(jì)操作[14]。本文采用COM技術(shù)，生成DLL插件，使得智能設(shè)計(jì)的交互界面能夠與SolidWorks靈活通訊，更好地實(shí)現(xiàn)智能化。

1.2 編程語言

任何支持COM和OLE的編程語言都可以成為SolidWorks的開發(fā)工具，用戶可以根據(jù)自身?xiàng)l件及工具特點(diǎn)，選擇任意一種適合自己的開發(fā)工具，主要工具有：Delphi、Visual C++、Visual Basic、VBA、VB.NET等[15]。相比而言，VB.NET不僅僅可以開發(fā)Web應(yīng)用程序，還可以開發(fā)Windows 應(yīng)用程序、PDA程序等，功能強(qiáng)大，簡單易用，為廣大工程設(shè)計(jì)人員所接受。

2 系統(tǒng)參數(shù)化處理

2.1 參數(shù)化過程

參數(shù)化設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，首先根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)完成參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程中需要考慮到單位問題，SolidWorks默認(rèn)的單位為米，而宏中的單位應(yīng)為毫米，故需要進(jìn)行單位轉(zhuǎn)換。三維模型的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。完成三維模型建立后，系統(tǒng)需要進(jìn)行自動裝配，自動裝配流程如圖2所示。用戶只需選擇相應(yīng)的零件，即可完成空壓機(jī)箱體自動裝配。

本文以空壓機(jī)箱體的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)為例，詳細(xì)介紹了參數(shù)化建模過程。利用SolidWorks軟件繪制零部件的模型，定義各零件中的參數(shù)關(guān)系。

空壓機(jī)通過曲軸旋轉(zhuǎn)帶動曲拐、連桿、活塞銷、活塞組成曲柄連桿結(jié)構(gòu)，帶動活塞往復(fù)運(yùn)動，從而使汽缸的行程容積產(chǎn)生周期性變化[16]。所以汽缸是其它零部件建模的基礎(chǔ)，在零部件建模之前，應(yīng)充分考慮汽缸與其它零部件的參數(shù)關(guān)系，在掌握曲柄連桿結(jié)構(gòu)以及機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)情況下，通過熱力計(jì)算、動力計(jì)算等確定汽缸合適的高度、寬度等。建模時(shí)，為了能夠形成完美的配合關(guān)系，可利用各零件之間的尺寸關(guān)聯(lián)建立方程式。部分方程式的建立如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)庫建立與連接

在設(shè)計(jì)過程中，通常需要對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，工作繁瑣，如何高效獲取所需數(shù)據(jù)顯得相當(dāng)重要。此時(shí)，數(shù)據(jù)庫發(fā)揮了很大作用，可對一些固定的尺寸參數(shù)進(jìn)行存儲，當(dāng)用戶需要時(shí)，可通過代碼將其調(diào)用出來。操作時(shí)，用戶只需根據(jù)需求選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)件型號即可[17]。箱體之間通過螺栓、螺母和墊圈等連接，故可將各個(gè)型號的尺寸存儲在數(shù)據(jù)庫中，方便調(diào)用。六角螺栓的基本參數(shù)如表1所示。

在Visual Studio環(huán)境下，利用VB.NET語言實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的連接。它提供了大量數(shù)據(jù)庫連接工具，完成連接的主要對象是ADO.NET。以下是數(shù)據(jù)庫連接代碼：

3 智能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 DLL插件生成及交互界面創(chuàng)建

首先需要安裝SolidWorks公司提供的SolidWorks API SDK，然后啟動Visual Studio 2010，新建一個(gè)項(xiàng)目，選擇SwVBAddin，即可創(chuàng)建一個(gè)SwVBAddin對象，該對象被插入到項(xiàng)目之中，一個(gè)DLL程序也就建立了[18]。用戶可以通過該DLL程序自定義SolidWorks的菜單、工具欄、屬性管理頁面等，從而實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目界面與SolidWorks的無縫對接。以下為生成DLL插件的代碼：

啟動調(diào)試后，插件安裝到SolidWorks中。點(diǎn)擊工具可發(fā)現(xiàn)插件按鈕，點(diǎn)擊進(jìn)入系統(tǒng)會出現(xiàn)創(chuàng)建的交互界面，如圖5所示。這時(shí)，輸入相應(yīng)參數(shù)，如排氣量、排氣壓力、額定功率等，可自動獲得空壓機(jī)箱體的長、寬、高，接下來再通過氣缸體、氣缸蓋的設(shè)計(jì)，就可以實(shí)現(xiàn)空壓機(jī)箱體自動化建模[19]。

3.2 參數(shù)化建模實(shí)現(xiàn)

以汽缸體參數(shù)化建模為例，參數(shù)化設(shè)計(jì)界面如圖6所示。代碼需要實(shí)現(xiàn)的功能主要是打開之前建立的模型模板，然后對尺寸進(jìn)行讀取，將尺寸保存到數(shù)據(jù)庫后，再一一調(diào)用，通過之前建立的方程式關(guān)系完成尺寸驅(qū)動。用戶只需在TextBox控件框中輸入對應(yīng)的尺寸參數(shù)，就可以完成汽缸體的參數(shù)化建模。零件模型如圖7、圖8所示。

參數(shù)設(shè)置功能開發(fā)變量：

3.3 自動裝配實(shí)現(xiàn)

以往裝配都是由CAD軟件完成的，首先導(dǎo)入零部件，然后通過配合關(guān)系手動完成每一個(gè)部件的裝配，這樣不僅耗時(shí)耗力，而且也與設(shè)計(jì)人員的軟件使用熟練程度有很大關(guān)系。智能裝配的實(shí)現(xiàn)，不僅節(jié)省了大量時(shí)間成本，而且易于操作，智能裝配交互界面如圖9所示。

裝配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）通過代碼驅(qū)動，打開自動化裝配的環(huán)境，然后獲得裝配所需零件，此處主要通過OpenDoc6、AddComponent5函數(shù)實(shí)現(xiàn)。

（2）SolidWorks中的配合關(guān)系主要有重合、平行、同心、垂直等，對于外形規(guī)則的零件，可以通過重合、距離等定位，而對于孔、圓柱特征等，可以通過同心定位[20]。為了配合正確，需要選擇相應(yīng)的點(diǎn)、線、面，此時(shí)就需要先遍歷特征樹，獲取各個(gè)零件及其特征，通過特征名獲得需要進(jìn)行配合的特征面，再遍歷特征面獲得所需特征線。

（3）通過AddMate2函數(shù)實(shí)現(xiàn)零件的智能裝配。裝配完成模型如圖10所示。

自動裝配部分代碼如下：

4 結(jié)語

本文以工程思想為指導(dǎo)，將參數(shù)化設(shè)計(jì)、自動裝配運(yùn)用到空壓機(jī)箱體智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，結(jié)合Visual Studio、SQL、SolidWorks軟件，利用VB.NET語言開發(fā)一套完整的空壓機(jī)箱體設(shè)計(jì)系統(tǒng)，不僅提高了設(shè)計(jì)效率，節(jié)約了時(shí)間成本，還為產(chǎn)品之后的性能研究、試驗(yàn)以及有限元分析等奠定了基礎(chǔ)，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)也存在不足之處，如只針對箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了智能設(shè)計(jì)，而沒有涉及空壓機(jī)中的曲軸、連桿等結(jié)構(gòu)，故下一步研究可考慮實(shí)現(xiàn)往復(fù)活塞式空壓機(jī)的智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

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（責(zé)任編輯：何 麗）