CAXA实体设计环境下的滚动轴承参数化设计

2010-07-26黑留民刘红彬张天举

轴承 2010年5期

黑留民，马伟，刘红彬，张天举

(河南科技大学机电工程学院，河南洛阳 471003)

轴承的设计质量和设计效率直接影响其可靠性、寿命以及整个轴承生产周期。通过研制基于三维CAD的轴承设计专用系统，可提高轴承设计的准确性和工作效率，促进轴承设计水平的提升，因而有助于提升轴承企业的核心竞争力。CAXA实体设计是目前国内使用较为广泛的CAD软件，其二次开发平台能够方便地调用和修改系统的已有功能，并具有开放式的体系结构[1]。在CAXA实体设计二次开发平台上开发轴承参数化设计专用系统，不仅可以拓展CAXA实体设计功能，还可以大大提高轴承的设计效率，进而达到针对性强、效率高、响应速度快的设计效果。

1 二次开发环境

二次开发平台是三维数字化设计软件的重要组成部分，CAXA实体设计的开放式体系结构允许其与各类型数据以及第3方软件以不同的形式集成[2]，从而拓展系统的功能和使用范围。

1.1 集成方案的选择

CAXA实体设计的集成方案从集成的耦合程度划分，如图1所示。其中第1，2层次都属于松耦合方式；第3个层次是在封装算法之后，再通过ICAPI(IronCAD Application Programming Interface)接口使DLL与CAXA实体设计连接；而第4个层次则是直接利用ICAPI提供的大量接口函数进行用户程序的编写，将第3层次集成进行了推广，是用户程序和数据与CAXA实体设计耦合程度最高的一种集成方式，也是最有效的专用化开发方式[3]。

图1 CAXA实体设计的集成方案

本系统选用基于COM组件的集成方案，使用CAXA实体设计提供的二次开发接口(ICAPI)，通过COM组件加载接口集成应用系统。使用户可以根据需要访问系统的各项功能和底层数据，并利用第3方开发工具来扩展其功能，达到用户程序与CAXA实体设计的无缝集成。

1.2 参数化设计方法的确定

CAXA实体设计主要提供了3种参数化设计功能[4]，如图2所示。

图2 CAXA实体设计的参数化设计方法

系统利用ICAPI来实现零件的参数化设计。首先构建轴承零部件的三维模型，并定义其参数构成和关联约束；然后，利用VC++ 语言构建由轴承设计流程导航的设计过程环境，按零部件生成顺序并从预建的数据库中调用设计参数驱动三维模型。

系统采用编程方式构建轴承零部件的实体模型，CAXA实体设计的ICAPI创建实体是采用自上而下的设计方法。其创建零件三维模型时根据不同零件的特征采用不同的方式：如轴承内、外圈和滚动体等零件，其三维模型是在其二维草绘(IZProfile)基础上绕回转轴线旋转(IZSpinFeature)而创建，而保持架等复杂零件的三维模型是三维实体(IZPart)通过面域拉伸(IZExtrudeFeature)、旋转阵列等方法创建。

装配体生成使用ICAPI的坐标转换机制[5]，通过获得子坐标系相对于其父坐标系的变换矩阵，在获取零部件的锚点坐标后，依据装配关联关系改变零件的位置完成装配。

1.3 应用程序接口(ICAPI)

作为CAXA实体设计与外部应用程序之间的接口，ICAPI是一系列函数的集合，这些函数提供了程序员直接访问CAXA实体设计的能力。通过调用这些函数，用户可以建立模型，查询模型对象，遍历装配体，创建工程图，在主界面中创建交互式程序界面，创建并管理用户定义对象等。

CAXA实体设计的三维设计和二维绘图文档分别对应着ZIronCADSceneDoc对象和ZTDDrawingDoc对象，而这些对象则包含在ICAPI对象的基类ZIronCADApp中。ICAPI的每个对象都支持一系列的接口，这些接口包含了一组用来操作、查询和创建它们包含的对象的函数。

2 轴承主参数的优化

下面以深沟球轴承为例，介绍优化设计的过程。

2.1 优化设计的数学模型

当轴承以疲劳寿命来考核时，以轴承的基本额定动载荷Cr最大为优化目标。目标函数为：

(1)

式中：Dpw为球组节圆直径；Z为球数；Dw为球径;bm为材料系数，此处取bm=1.3；fc为载荷系数，其与Dw/Dpw值有关；Cr的大小由Dw，Dpw和Z的取值决定，因此将Dw，Dpw和Z作为轴承优化设计主参数，即设计变量X=[x1，x2，x3]T=[Dw，Dpw，Z]T。

则其目标函数变为：

F(X)=F(x1，x2，x3)

2.2 约束条件

(1)球径

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为轴承外径；d为轴承内径；Kwmin，Kwmax分别为球径系数的最小值和最大值，由试验或经验获得。

(2)球组节圆直径

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)球数

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为深沟球轴承外圈最小壁厚系数，取值应小于0.1。

2.3 求解

采用综合约束函数双下降(SCDD)法[6]，首先将目标函数转化成f(X)=1/F(X)，变为求最小值问题，即寻找一组最优解向量X=[x1，x2，x3]T，使f(X)达到最小。

将以上约束函数构造一个综合约束函数：

(9)

这样，目标函数的可行域就可表示为：

G={X|X∈E，S(X)=0}

(10)

3 参数化设计系统的实现

3.1 系统功能模块划分和程序流程图

系统目标要求在输入D,d及宽度B和轴承型号等的情况下，由系统检索或计算出优化设计的主参数，然后按照轴承设计文件编程，计算出各零件的详细尺寸，并根据尺寸值检索数据库，查出相应尺寸公差、形位公差的参数，以生成三维零件模型、装配模型和二维工程图。图3所示为系统流程图。

图3 系统流程图

根据软件开发需要实现的功能要求，软件的结构分为以下5个模块：

(1)优化设计模块。按照建立的轴承优化计算数学模型及其求解方法编写相应的计算程序，使系统能在获得轴承外形参数和优化算法计算系数后，经过程序直接得到优化计算结果。然后，通过对计算结果的检验、修改后，获得满足用户需求的最佳结果并存入数据库中。

(2)检索模块。根据设计的轴承型号或给定的外形参数，通过不同的检索方法，对数据库中所有的型号和相应数据项进行检索，得到优化设计主参数及其他设计参数。

(3)轴承标准设计模块。根据公式或者设计人员的经验编写轴承结构尺寸计算程序，将优化设计计算或检索得到的主参数输入其中，得出结果。

(4)数据库及接口模块。系统中采用Access数据库。在数据库之上有数据库访问模块，系统其他模块与数据库之间的操作都通过该模块进行, 接口模块采用ODBC技术实现。

(5)输出模块。在CAXA实体设计软件下进行开发，利用计算模块的输出结果作为输入数据，通过图形软件接口开发，将数据转化为三维模型和二维工程图输出。

3.2 系统实现

将CAXA实体设计安装目录下的ICAddinAppWizard.awx文件拷贝至VC++ 安装目录下指定文件夹，利用新生成的“ICAPI Add-in AppWizard”向导创建新的DLL工程。然后，为工程添加对话框及类并完成相应程序的编写，以实现各系统模块的创建及界面设计。编译成功后，在CAXA实体设计中加载该工程后，系统最终实现。

图4和图5分别为深沟球轴承三维模型输出界面及生成的球的三维模型。系统通过调用数据库对零件所有设计参数以变量的形式向CAXA实体设计传递，利用ICAPI接口向CAXA实体设计发送绘图指令生成模型，或对已有的模型参数进行修改，从而完成创建轴承零件的实体模型，球模型生成的部分程序如下：