PDM环境下基于Solidworks的齿轮CAD关键技术的研究

2011-05-10黄文华王文波王美英

制造业自动化 2011年16期

黄文华，王文波，王美英

（江西电力职业技术学院机电系，南昌 330032）

0 引言

齿轮类零件作为机械传动的一大类重要零件，其设计与制造水平直接影响到机械产品的性能和质量，齿轮的设计制造水平也是一个国家机械工业发展水平的重要标志之一。企业在面临激烈竞争的情况下，如何快速生产出满足市场要求的零部件是齿轮生产厂家竞争获胜的关键，而一个有效的计算机辅助设计系统是实现这一目标的关键所在。

PDM系统作为企业产品开发信息集成的平台，通过集成来自不同应用系统的信息，达到对产品开发过程中各种软件所产生的数据和文档进行有效管理，实现应用软件之间的信息共享。Solidworks作为三维CAD软件，具有零件的三维造型、三维部件的组装以及将三维实体模型自动转换成二维工程图等功能，在企业产品设计中应用比较广泛。为了能够把设计资料提供给PDM集中管理，需要针对企业中的Solidworks用户，实现Solidworks与PDM的集成，使用户的设计信息能及时、统一地与PDM端发生联系。

1 齿轮类零件的特征造型

1.1 齿轮类零件的特征模型及其建立

解决CAD 与PDM之间的信息集成的难点在于如何准确、有效地从 CAD系统中获取后续加工、装配所需要的各种产品信息。产品信息是用于描述或表示与产品有关的属性对象（如物料编号、产品名称、型号、产品结构等）符号的集合，在整个面向产品的制造过程中，产品数据模型占据着基础的地位。在集成化条件下，应该使产品数据模型在CAD和PDM系统中的数据有唯一和相同的解释，数据模型全局一致，这样在数据交换过程中可以避免各自解释数据，消除误解和分歧，避免数据的冗余和不一致，为动态数据的管理成为可能。产品数据模型包括面向结构的产品数据模型、面向几何的产品数据模型、面向特征的产品数据模型和基于知识的产品数据模型。面向特征的产品数据模型使几何设计数据与制造数据相关联，并且允许用一个数据结构同时满足设计和制造的需要，从而可以方便地实现数据在CAD 与PDM之间的传递。

齿轮类零件特征分为形状特征，精度特征，装配特征和总体特征。齿轮类零件形状特征是齿轮零件上一系列几何元素按照一定的拓扑关系形成的具有特定几何形状、特定功能的基本形体单元。根据构造零件几何形状、满足零件功能要求所起的作用不同，可将齿轮类零件形状特征分为主要特征，次要特征和辅助特征。齿轮类零件的主要特征是指用于描述零件的基本几何形体，并相应对零件的工艺路线起主要作用的特征。它是一个独立的几何形状描述，由几何要素按一定的拓扑信息构成，如圆柱体，圆锥体等简单的几何形体。齿轮类零件次要特征是指在位置上从属于某一主要特征，并具有特殊加工要求的形状特征，如齿轮上的键槽。齿轮类零件辅助特征是指对其所从属的主要特征、次要特征进行局部修饰和说明，起辅助作用的特征，如轮齿特征中的齿廓曲线和齿形就是附加的辅助特征。齿轮类零件精度特征是用于描述齿轮的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度的信息集合。精度特征是工艺信息的主要内容，它的描述要与主要特征，次要特征和辅助特征的相关几何要素联系起来，不能离开几何要素而独立存在。齿轮类零件总体特征是对齿轮零件整体特点进行描述的一组信息，包括零件号、零件名称、毛坯型式、总体尺寸、材料热处理等信息，其中零件号是零件信息和工艺信息管理的关键；毛坯型式、总体尺寸、材料热处理等对工艺路线都有不同程度的影响。齿轮类零件特征的分类如图1所示。

1.2 构造齿轮零件参数化的特征库

目前的 CAD 软件，特征模型的建立是在三维造型基础上实现的。其特征造型的出发点是几何模型，特征本身不携带加工工艺信息（如尺寸精度、形位精度、表面粗糙度等）。这给零件的后道工序提供的信息量很有限，不利于并行环境下的产品设计。本文中的齿轮 CAD 系统，使用参数化与特征映射相结合的集成方法来实现CAD与PDM的系统集成。通过构造用户自定义特征，用户可以根据自己的需要将某些模型特征和工艺信息集成到参数化零件中，从而构造出一个用户自定义特征，再将构造的特征按类别存放在图库中，就构成了一个特征库。

根据对齿轮类零件的分析可知，对于同一类齿轮来说，只是个别参数的调整和特征变换。把齿轮依据一定的原则分解为若干个图形单元，并将与此图形单元有关的设计知识附加在图形单元上，形成一种以图形单元为载体并附加了特征参数的CAD信息模型。参数化特征库构造完成后，就可以以此为基础进行特征参数化的设计。特征参数化设计使设计者所使用的对象不再是简单的几何图素，而是具有功能要素和携带工艺信息的特征。齿轮类零件的参数化特征建模流程如图2所示。

2 关键技术及其实现

2.1 PDM系统与CAD系统的集成

PDM系统与CAD系统的集成模式包括基于STEP标准的信息集成、基于中间件技术的信息集成和基于集成数据模型的信息集成。基于集成数据模型的信息集成是把一个系统需要共享的数据模型通过应用系统提供的API函数和开发工具接口提取出来，提供给另一个系统。集成数据模型是CAD和 PDM系统中数据组织的逻辑结构表示，它是经过对企业信息进行合理组织后抽象出来的。通过该模型，可访问到CAD 和PDM系统中的所需要信息。使用集成数据模型的信息集成方法如图3所示。

2.2 Teamcenter二次开发

本文中PDM选用Siemens公司的Teamcenter平台，CAD选用三维造型软件Solidworks。Teamcenter的二次开发是指利用Teamcenter本身提供的集成开发工具包ITK和C语言访问Teamcenter系统的界面、内部对象及其结构关系进行客户化。根据前述对产品特性的定制内容，需要编写定义、继承或重载各种类、属性、消息、流程、权限的描述图表及说明文本等。由于篇幅所限，这里只能列举齿轮类零件的基本属性信息，图4描述了齿轮类零件的基本属性定义。

生成定制的齿轮类零件属性表部分代码如下所示。

基于特征生成的齿轮模型和自定义齿轮类零件属性表分别如图5和图6所示。

3 结论

本文在Solidworks软件平台上开发并实现了通过更改齿轮的设计参数生成基于特征的齿轮模型的齿轮 CAD 系统；实现齿轮零件CAD系统与Teamcenter系统的集成：使用Solidworks软件与Teamcenter系统提供的二次开发工具，实现齿轮CAD系统与Teamcenter间的数据交换与共享。齿轮的加工工艺规划过程中所需的基本加工参数储存在企业PDM产品数据库中，并且PDM产品数据库中的齿轮参数与CAD系统中的相应参数始终保持一致，为齿轮的加工工艺规划过程自动化和CAPP与PDM的集成打下良好的基础。