基于SolidWorks 的砻谷机零部件CAD/CAM 系统研究

武照云，张海红，阮竞兰，秦 锋，刘楠嶓

（河南工业大学 机电工程学院，河南 郑州 450007）

0 引言

多年来，我国的粮食机械制造企业为粮食加工行业提供了很多性能优良的产品，为该行业的发展和满足人民生活需要做出了巨大贡献.但是，随着科学技术的发展和市场竞争的加剧，我国粮机行业的整体实力和水平与世界发达国家的差距越来越大，主要表现在粮机装备制造成本高、研发效率低、功能质量差等方面.究其原因，主要是目前大多数粮机企业普遍存在着技术含量低、设计手段落后、信息化程度不高等问题.因此，提高粮机企业的现代化设计水平是解决问题的关键.为此，很多科研人员在该方面做出了探索与努力，取得了很多成果，如在产品设计过程中应用了CAD/CAM、Pro/E、有限元等现代设计手段[1-3].

砻谷机是碾米工艺中的一种重要设备，主要用于稻谷脱壳加工[4].经调研发现，目前在砻谷机的设计工作中，手段依然比较落后，缺乏先进的设计方法与设计工具，科学化与现代化水平有待提高[5].本文以胶辊砻谷机为对象，研究其关键零部件的数字化设计方法，以SolidWorks 为平台，开发砻谷机零部件CAD/CAM 系统，实现砻谷机零部件的计算机辅助设计与制造，提升设计水平.

1 系统体系结构设计

砻谷机主要由主体机身、进料机构、胶辊装置、辊压调节装置、传动装置和风选装置等组成[6].针对以上零部件，设计了系统的主要功能，包括零件参数化设计、三维虚拟装配与干涉检验、有限元分析、零件CAM 等模块.系统的体系结构分为3个层次，即数据层、应用层与用户层.该系统体系结构如图1 所示.

（1）数据层.该层是系统的基础数据存储层，运用数据库管理系统存储相关数据与文件，主要包括系统基础数据库、三维参数化零件库、CAM/NC 代码库等.

（2）应用层.该层是系统的核心关键层，遵循面向接口设计的思想，对各项业务逻辑与处理流程进行封装，主要完成零件模型重建与机械性能仿真分析等功能.

（3）用户层.该层主要采用图形用户界面技术，以友好的界面形式将结果呈现给终端用户，为用户提供数据输入与结果输出功能.

图1 系统体系结构图

2 三维参数化零件库设计

在砻谷机零部件的设计与造型过程中，对于外形复杂且结构参数较多的非标准件，其三维模型的建模时间相对较长.对于不同型号和不同系列的胶辊砻谷机而言，大多数零部件的结构形状基本相同，因此，可以针对砻谷机专用件和常用件，建立三维参数化零件库，进而避免设计人员将大量时间花费在重复建模上，减轻工作负担，提高设计速度和效率.零件库设计方法如下：（1）首先在SolidWorks 中对零件进行三维建模，然后根据实际需要，将模型中的结构尺寸变量分别定义成固定尺寸参数变量和可变尺寸参数变量.（2）将建好的模型文件存储在零件库中，将模型索引信息存储在数据库中.（3）运用C# 设计一个零件库调用开发包ModelLibToolkit，根据.NET 体系思想，Model－LibToolkit 按命名空间对不同功能类进行划分.在实体对象命名空间中，每个零件模型都对应一个模型类，并将该模型的所有可变尺寸参数变量都设计为类的公共属性，将尺寸修改和模型重建等操作都设计为类的公共方法.ModelLibToolkit 的设计为系统调用零件库提供了方便.

3 系统关键技术

3.1 零件模型参数化设计

参数化设计是快速生成砻谷机零件模型的重要技术，按照实现原理的不同，分为程序驱动法建模和参数驱动法建模，本文选取后者.运用方法为：首先选取要设计的零件对象，采用C# 调用零件库开发包ModelLibToolkit，在ModelClass 中访问零件库中的零件模型，动态修改结构尺寸参数，再利用SolidWorks API 对.NET 封装类的支持（如类库SldWorks、SwConst、SwPublished）来 驱 动Solid－Works 进行模型重建，即可快速准确地生成同一形状不同大小的零件模型.该方法不涉及过多的SolidWorks API 函数，降低了程序的复杂性.在胶辊装置的参数化设计模块中，包括胶辊轴、胶辊、连接法兰、带轮、轴承座及压盖、底部托板、拉臂等常用件的设计.以底部托板为例，其参数化设计界面及生成的三维模型如图2—图3 所示.

图2 胶辊底部托板参数化设计界面

图3 生成的底部托板三维模型

3.2 三维虚拟装配与干涉检验

零部件装配是砻谷机设计工作的一个重要环节，该环节工作量大，耗时费力.针对该问题，研究了砻谷机零部件三维虚拟自动装配技术.根据砻谷机各部件的组成特点，基于分层装配的思想，按照“零件-小部件-大部件-整机”的原则来规划装配路径[7]，定义各零件之间的定位基准和装配关系，然后由C# 调用SolidWorks 的API 函数来完成砻谷机的自动化虚拟装配.干涉检验是虚拟装配的关键技术之一，根据砻谷机的特性，对各零件尺寸约束进行定义，利用SolidWorks 中的干涉检查功能可以快速地对各装置进行干涉检验.该方法有利于快速发现零件装配相互干涉的情况，以便及时进行修改.装配后的砻谷机胶辊装置三维模型和干涉检验结果如图4—图5 所示.

图4 砻谷机胶辊装置三维装配体

图5 干涉检验结果

3.3 基于Simulation 的有限元分析

从SolidWorks 2009 版本开始，其FEA 软件COSMOSWorks 正式改名为SolidWorks Simulation，并将仿真界面和仿真流程集成到SolidWorks 软件中.利用SolidWorks Simulation 对参数化设计中生成的零件模型进行有限元分析，按照如下步骤进行：①建立零件数学模型；②建立有限元模型；③求解运算；④分析结果处理与显示.在砻谷机的各个零件模型中，主要针对关键零件进行受载后的有限元分析与仿真.例如，由于胶辊轴的性能优劣直接影响了机器的脱壳效果，所以经参数化设计得到的胶辊轴必须进行相关力学性能分析，避免实际运行中可能出现的刚度低或强度不足等问题.胶辊轴受载后的von mises 等效应力分析结果如图6 所示.

图6 胶辊轴von mises 等效应力分布

3.4 基于NC 代码库的CAM 模块

针对砻谷机中板壳类零件数控加工与激光切割的需要，根据三维零件库与参数化建模的设计思想，设计了参数化的NC 代码库.在NC 代码库中，建立了各种板壳类零件数控加工的NC 代码文件，然后将各个可变参数作为可替换变量对外发布.在系统的CAM 模块中，采用OLE 自动化技术调用NC 代码库中的NC 模板，再用实际参数值对变量进行赋值即可快速生成符合要求的NC 代码.

4 结论

针对目前砻谷机设计水平与设计手段落后的问题，研究了砻谷机零部件的数字化设计方法.以SolidWorks 为平台，设计并开发了砻谷机零部件CAD/CAM 系统.该系统不仅实现了砻谷机零部件的参数化设计和有限元分析，而且为其他粮食机械的专用设计系统开发打下了良好的基础，在粮食机械设计与研发领域具有广阔的应用前景.

［1］姬耀锋，党培，沈胜利，等.CAD/CAM 技术在粮食机械设计制造中的应用研究［J］.包装与食品机械，2011，29（2）:64-66.

［2］刘国锋，常兴.三维设计软件Solidworks 在粉丝机设计中的应用［J］.河南工业大学学报：自然科学版，2005，26（1）:65-67.

［3］曹宪周，孙磊，邱放.有限元在粮食机械Pro/E 设计中的扩展应用［J］.粮食科技与经济，2008（2）:39-40，52.

［4］向光波，阮竞兰.国内外胶辊砻谷机现状及发展概述［J］.粮食加工，2009，34（5）:60-62，65.

［5］程相法，阮竞兰.基于Visual Basic 的辊筒砻谷机参数程序化设计［J］.包装与食品机械，2011，29（3）:60-62，52.

［6］秦锋.基于参数化原理胶辊砻谷机设计系统的研究［D］.郑州：河南工业大学，2012.

［7］周凯旋.创新设计中的起重机可互换性虚拟装配及干涉检查［D］.武汉：武汉科技大学，2006.