闸阀参数化设计系统开发*

周 航，千学明

(西安工业大学机电工程学院，陕西西安 710021)

闸阀参数化设计系统开发*

周 航，千学明

(西安工业大学机电工程学院，陕西西安 710021)

综合应用尺寸驱动法等参数化方法对闸阀进行高效设计，基于SolidWorks平台，建立了完整的参数化闸阀设计系统。该系统能够完成闸阀装配体和零部件结构的设计，并自动生成三维模型，实现了闸阀参数化设计，降低了设计难度，缩短了设计周期。通过实例进行验证，证明系统可应用于实际的工程设计中。

闸阀;参数化设计;系统框架;SolidWorks

1 引言

CAD技术经过深入地研究，已经被广泛地应用到各种机械行业。而三维CAD技术的应用加快了设计速度，缩短了在设计环节上的周期，提高了产品设计质量。

闸阀作为阀门中的一种，其作用主要是切断流动地介质。闸阀已经被应用到航天、航海、核工业等重要领域中。闸阀结构复杂，设计难度高，建模工作量大。

目前，采用CAD技术中参数化方法对闸阀进行设计，能提高设计效率。为了能够降低参数化的难度，提高参数化效率，确保闸阀三维模型准确度，笔者通过对参数化方法研究，提出了多种方法混合进行参数化的方法，并且分析了确保闸阀三维模型准确性的关键点，最后提出了基于VB的SolidWorks软件二次开发，建立了闸阀参数化设计系统的方法。

2 闸阀基本结构及工作原理

闸阀主体部分包含阀体、阀盖;启闭装置包括阀板、阀座;密封装置包括密封座、填料、填料压板等;驱动装置包括阀杆、手轮部件等，紧固装置包括螺母、垫片、螺栓。一般闸阀开启时，流体从阀体一端通过阀体从另一端流出。当需要截止流体流动时，依靠外力转动手轮，通过阀杆上的螺纹传动，强制使阀板与密封座连接，关闭通道。

3 参数化方法

将三维参数化CAD技术快速应用到闸阀的设计中，能使其自动化设计，有效地降底产品设计成本、提高产品质量。

根据三维参数化原理不同，三维参数化方法分为尺寸驱动法与编程法两种［1－2］。尺寸驱动法是通过修改模型尺寸，实现对模型的参数化。程序法是应用画直线、曲线等绘制草图函数以及拉伸、切除等创建特征函数生成三维图形。这种参数化方法生成的模型准确可靠，但在创建设计系统时费时费力。经过闸阀分析，发现闸阀零部件数量庞大且零件外形复杂等特点，故更适合采用尺寸驱动法完成参数化设计。

4 设计系统整体开发过程

4.1 功能结构模块

闸阀设计过程包括设计、建模和装配。根据闸阀基本结构零件的设计过程特点，闸阀设计系统功能包括挑选设计模板、辅助结构设计、生成虚拟建模、进行装配。

按照上述功能结构，创建闸阀参数化设计系统。其结构如图1所示。系统分为三层。最低层是支撑整个系统的平台，包括硬件平台、操作系统平台、应用软件平台。中层是硬件系统由个人计算机和外围设备组成。根据SolidWorks2012绘图软件安装要求，个人计算机硬件配置内存至少1GB以上，具有光驱驱动器或者U盘等其他储存介质。

图1 系统结构

闸阀专用CAD/CAM系统的应用对象为设计人员，所以对系统软件提出设计要求:①系统被大多数人使用;②熟悉的操作环境操③简单、易学。因此，必须选用合适开发平台与三维建模软件［3］。

微软公司的Windows是一款被广泛使用的操作系统，而且具有面向用户界面和易开发等特点。所以将Windows作为闸阀参数化设计系统的操作平台。

SolidWorks软件是以Windows为平台，全参数化绘图软件，且可利用创建的模型直接在SolidWorks软件环境下进行有限元分析、流体分析，为零件后续处理提供模型。所以选用SolidWorks软件作为闸阀系统软件平台。

闸阀参数化设计系统应用软件采用CAD软件二次开发的方式来完成。二次开发是在CAD软件提供的接口上，根据需求创造新功能的技术。经研究，应用SolidWorks的API接口，建立起了参数化闸阀设计系统。

(1)模板 即从一族或一类事物中抽象出其共同特征，组成一个具有各种信息的、可重用的、参数化的功能结构单元，其也可以被定义为一种标准或规范［4］。

闸阀零件参数化模板包含了对闸阀的设计思想、零件的几何拓扑，约束关系、零件之间的装配关系等知识。

(2)零件库 由于系统采用尺寸驱动法的参数化设计方法。而尺寸驱动法基于模板，在已经设计出的三维模型基础之上，通过调用程序改变尺寸值，生成新的零件。所以需要创建零件库，用来存放尺寸驱动法所需要的基础模板。

零件库的闸阀零件模板采用SolidWorks软件进行设计。闸阀设计零部件包括阀座、阀体、阀杆、阀板、填料、手轮、挡圈、螺钉、螺母、垫片等。设计完成的零件模型如图2所示。

(3)数据库 数据库中存储了尺寸驱动法进行参数化时所需要的尺寸值，通过程序访问数据库，就可以调用参数化所需要的尺寸。

图2 功能结构

Access是一款数据库管理系统，是Office办公软件中极为重要的组成部分，能满足多用户，多线程的访问。在系统访问量及数据量不是很大的情况下，在桌面数据库系统的开发中很有优势。系统采用采用Access2003数据库［5］，并且对系统中的材料属性表、计算结果数据进行管理。

实现Access2003数据库与系统之间数据通讯的方法很多。为了降低创建系统的工作量，通过对VB编程软件研究，采用Data数据控件与Access2003数据库连接。其主要程序如下:

图3 闸阀装配体

(4)创建装配体库 闸阀零部件完成参数化设计完成之后，必须进行装配，才能形成闸阀产品。当形成装配体之后，才能应用SolidWorks软件对产品进行干涉、碰撞检查，而闸阀手工装配难度大，工作量大，难以保证装配精度。如何实现快速生成装配体是一个难题。

通过对装配体参数化研究，提出一种间接办法实现自动装配。首先人工进行装配，即确定闸阀零件之间装配关系，将具有装配关系的装配体模板保存在装配库中。当闸阀零件完成参数化之后，通过VB程序调用SolidWorksAPI打开装配体文件函数OpenDoc()，SolidWorks软件会自动实现装配体更新，生成新的装配体。经过验证，这种方法能快速地实现装配。闸阀装配体模板如图3所示。

5 闸阀参数化设计实现

用户从SolidWorks软甲中进入闸阀参数化设计系统，通过人机界面选择设计模板。参数化模块通过接口从零件库和数据库中调取参数化基础模型和参数化尺寸，生成三维模型。最后保存且程序调用其它零件，自动更新生成装配体。参数化过程如图4所示。

图4 参数化过程

6 参数化关键技术

6.1 闸阀参数化分析

(1)闸阀设计模板分析 应用SolidWorks软件建立阀体三维模型，其中包括了阀体、阀杆、锁紧螺母垫片、阀板、阀体、填料压盖、填料、法兰垫片、阀盖、螺栓、销、手轮、键、阀杆螺母、阀座等。

保证模型准确性，是一个设计难题。经过对闸阀零件研究，从闸阀工作原理中得出闸阀外形结构。而模型准确度主要在于设计参数。因此，为了提高三维模型准确性与可靠性，以闸阀零件关键设计尺寸作为主要参数化对象。

阀体参数化尺寸对象包括通道公称直径、法兰外径、法兰螺栓孔直径、法兰密封面直径、法兰厚度、内腔长度、阀体壁厚。

阀板参数化尺寸包括阀板大径、阀板宽度、阀板长度、阀板厚度、密封面厚度、T型槽厚度、密封面宽度。

阀杆参数化尺寸包括阀杆直径、阀杆长、阀杆、端部尺寸。

压盖参数化尺寸包括压盖厚度、外径、内径。

手轮参数化尺寸包括轮毂孔直径、轮毂外径、轮毂厚度、手轮外径、键槽宽度、键槽长度、轮幅数、轮幅界面尺寸、轮缘外径、内径。

阀座参数化尺寸包括密封面长度、阀座外径、内径、深度、厚度。

螺母参数化尺寸包括螺母公称直径、螺母厚度。

螺栓参数化尺寸包括螺栓公称直径、长度、厚度、螺栓头部尺寸。

垫片参数化尺寸包括公称直径、厚度、外圆直径。而参数化模板中非参数化尺寸值采用标准尺寸。(2)闸阀零件特征中包含大量倒角、圆角以及尺寸之间相关尺寸。如果通过编程进行参数化，造成增加工作量。通过对参数化研究，提出了将尺寸驱动法与SolidWorks方程式结合进行参数化的方法。尺寸驱动法针对零件外形主要尺寸，方程式针对倒角、圆角、尺寸之间相对关系进行参数化。经过验证，这种方法能提高编程的效率。

6.2 建立闸阀人机界面

人机界面是用户选择参数化对象、查询数据库、进行参数化的窗口。应用VB编程软件设计出符合SolidWorks风格的人机交互界面，其中包括阀体、阀杆、锁紧螺母垫片、阀板、阀体、填料压盖、填料、法兰垫片、阀盖、螺栓、销、手轮、键、阀杆螺母、阀座等人机界面。其界面如图5所示。

图5 阀体、阀板、垫片、垫片参数化界面

6.3 制作插件

(1)在VB环境下将工程文件生成exe五金件可执行文件。

(2)在VB中新建Active DLL文件，在“工程”菜单下引用 SolidWorks 2012 Type Library，SolidWorks 2012 Commands Library，SolidWorks 2012 Constant Library;向新建文件里类模块中写入创建菜单那程序，加载五金件窗体，启动运行程序五金件可执行文件exe。最后，在“文件”菜单下选择生成DLL文件，最终得到五金件DLL文件。

7 系统实例应用

系统可以形成exe可执行文件和SolidWorks软件DLL插件［6］。SolidWorks软件在加载插件之后，进入设计系统。如图6所示，列出了闸阀参数化设计工作流程。

图6 阀体和阀座参数化界面

8 结论

通过详细研究了闸阀的参数化方法。对闸阀的研究现状进行分析之后，指出了参数化设计的必要性。又将参数化技术与闸阀设计相结合，在 Solid-Works软件平台下开发出参数化闸阀的设计平台。相对于普通的系统，闸阀平台具有了以下特色:

(1)应用多种参数化设计方法，创建的闸阀设计模板、零件库、数据库、装配体库，并对模型准确度进行分析，减少了设计工作量，降低了设计成本。

(2)该参数化系统为阀门专用CAD系统研发提供了依据，同时也为其它阀体的设计提供新思路，对阀门设计方法转变具有十分重要意义。

［1］ 刘 永.用VB对SolidWorks进行二次开发方法［J］.湖北汽车工业学院学报，2009，23(2):62－65.

［2］ 徐国权，黄志超.基于SolidWorks的参数化设计二次开发研究［J］.机械设计与研究，2007，23(1):68－71.

［3］ 赵万生，吴 湘，迟关心.基于SolidWorks平台的涡轮盘专用CAD/CAM系统开发［J］.计算机集成制造系统—CIMS，2003，9 (10):900－905.

［4］ 周 伟.基于SolidWorks阀门参数化CAD系统的研究［J］.机械设计与制造，2010(6):180－182.

［5］ 朱修传，潘地林，刘文娟.利用VB开发SolidWorks标准件库［J］.煤矿机械，2005(7):80－82.

［6］ 程 芬，王万建，膝 爽.基于VB.NET的SolidWorks型钢库的二次开发［J］.机械研究与应用，2013(1):72－73，79.

Development and Study of Parametric Design System for Gate Valve

ZHOU hang，QIAN Xue－ming
(College of Mechanical＆Electrical Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an Shanχi 710021，China)

A gate valve design system is established based on parameterized technology and the platform of Solidworks，which can aid to complete the task of design，assembly and 3D modeling.The gate valve parametric design is realized which makes design procedure easy and shorten the designing cycle.Finally，a prototype is set up，which verifies the effectivity of the method above.

gate valve;parametric design;frame;SolidWorks

TP391;TH12

A

1007－4414(2013)05－0061－04

2013－07－27

国家新闻出版总署“制造业信息化数字出版工程”(OO20102381)

周 航(1987－)，男，陕西西安人，在读研究生，主要从事机械设计理论方面的研究。