基于CARD和Pro／E 二次开发的轧机零件参数化设计✳

曾庆芦，李铂涛，刘 昊，帅美荣，

（1.太原科技大学 材料科学与工程学院，山西 太原 030024；2.山西省冶金设备设计理论与技术重点实验室，山西 太原 030024）

0 引言

目前，国内多数企业生产加工制造的产品通常都是系列化、标准化的，80%以上的新规格产品的设计是在现有产品基础上作少量的修改得到的。借助于计算机实现这一设计过程时，只要输入几个基本参数，由程序对参数作相应的处理即可迅速生成图形，这就是参数化设计理念［1-2］。Pro／E参数化是指零件或组件通过被赋予的特征值来控制其形状或拓扑关系，且特征值之间互相关联，该技术在齿轮、轴等结构比较简单的产品设计方面得到了应用和推广［3-4］。三辊Y型轧机3个轧辊呈Y型分布，互成120°，高度对称分布［5］，适合参数化设计。本文将三辊Y型轧机连轧棒材孔型设计系统（CARD系统）和Pro／E二次开发参数化设计系统相结合，从而实现了孔型与轧机零部件的快速生成。

1 计算机辅助孔型设计软件

该计算机辅助孔型设计（CARD）软件适用于Y型轧机连轧直径Φ10mm～Φ30mm棒线材的孔型计算，其基本功能为：利用优化算法，以能耗最低为目标函数，以延伸率为决策参数，获得优化后的孔型延伸系数后，配合MATLAB计算功能，实现与AutoCAD的连接，自动完成孔型设计过程的参数计算、绘图及孔型自动输出。计算机辅助孔型设计流程如图1所示。

1.1 孔型设计工艺参数输入

棒材连轧工艺参数输入界面如图2所示，输入参数包括道次、孔型类型、孔型形状要素、辊缝、填充系数和延伸系数等。

图1 计算机辅助孔型设计流程

图2 棒材连轧工艺参数输入界面

1.2 孔型设计计算参数输出

孔型设计的数学模型，主要包括尺寸几何参数数学模型和力能参数数学模型。该孔型几何参数主要包括延伸系数、孔型内切圆直径、孔型面积、压下量、宽展、轧件面积、轧制速度和接触面积等。该孔型设计力能参数主要包括轧制压力、轧制力矩等。图3为棒材连轧第一道次、第二道次的孔型尺寸几何参数和力能参数。这些计算参数为进一步的零部件参数化设计提供了数据。

图3 计算参数输出界面

2 参数化设计原理

与传统二维参数化设计不同，本文是通过交互模式，应用Pro／E软件建立三维模型；通过添加若干组设计参数或关系式建立数据库；利用Pro／Toolkit工具箱提供的相关函数对模型进行控制［6］。即对零部件的几何参数编写程序，通过查找、赋值过程，起到控制并改变其几何参数的目的。参数化设计流程如图4所示。

图4 参数化设计的基本流程

3 参数化设计应用实例

在本系统的开发过程中，将计算机辅助孔型设计系统（CARD）与Pro／E参数化设计相结合。即CARD系统负责计算力能参数，通过全局变量传递并由数据库系统进行比较和筛选，最终获得零件的主要结构参数。Pro／E负责参数化设计，通过Pro／Toolkit函数进行尺寸控制。这样二者结合便可获得理想的三维模型。

3.1 主动轴数学模型的设计

（1）确定最小轴径。三辊轧机机架和传动轴具有通用性，所以为保证强度要求，在确定最小轴径时，必须选取最大轧制力和轧制力矩作为轴径设计参数，按下式初步估算轴的最小直径：

其中：P为传动轴的功率，kW；n为传动轴的转速，r／min；A0为取决于轴的材料和受载情况的系数，对于调质处理的45钢，A0=126［7］。

根据上式初算得到了最小轴径后，再考虑键传动对强度的影响，一般来说每增加一个键槽，轴径增加5%［8］。

（2）设计主动轴装配结构。主动轴装配简图如图5所示，包括轧辊、滚动轴承、锥齿轮和联轴器等。

图5 主动轴装配简图

（3）传动轴参数化设计。通过对Pro／E进行二次开发，实现对传动轴的参数化设计。图6为传动轴参数化设计界面。在型号选择框内选择相应型号，对应轴的“直径”、“长度”数据便会初始化各参数输入框，三维图示也随之变化。然后点击“校核”按钮，对轴进行校核。

图6 传动轴参数化设计界面

3.2 Y型轧机装配技术

在Y型轧机装配之前，要求设定好各零部件的具体尺寸，以及零部件之间的装配关系。在装配过程中，调用装配程序进行装配。图7为最终Y型轧机的三维图。

4 结论

（1）借助 MATLAB、Excel和 AutoCAD开发了棒材连轧计算机辅助孔型设计软件，实现了孔型参数、轧辊参数、力能参数、校核参数的Excel输出及孔型系统的AutoCAD自动输出，此CARD设计软件操作简便，界面友好，可显著缩短孔型设计周期。

（2）本文以三辊Y型轧机关键零件主传动轴为例，通过确定轴的最小直径以及轴的结构等，借助Pro／Toolkit二次开发工具包和CARD系统计算获取的轧制力能参数，开发了轧机主传动轴的参数化设计系统。并通过调用装配程序，实现了Y型轧机装配，从而提高了轧机的设计效率。

图7 Y型轧机三维图

［1］ 张继春.Pro／Engineer二次开发实用教程［M］.北京：北京大学出版社，2003.

［2］ 吴文根，王天虎，王三武，等.基于SolidWorks的部件参数化设计方法的研究［J］.现代机械，2007（1）：90-92.

［3］ GuntherSchnell.钛及特殊合金棒线材生产技术的创新［G］／／钛锆铪分会2009年年会论文集.北京：中国有色金属工业协会，2009：271-277.

［4］ 姚俊，唐广波，刘正东，等.KOCKS轧机轧件横截面积及力能参数模型［J］.塑性工程学报，2010，17（2）：90-94.

［5］ Jonathan Byrne，Philip Cardiff，Anthony Brabazon，et al.Evolving parametric aircraft models for design exploration and optimization［J］.Neurocomputing，2014（4）：1-9.

［6］ 杨青，陈东祥，胡冬梅.基于Pro／Engineer的三维零件模型的参数化设计［J］.机械设计，2006，23（9）：53-56.

［7］ 鞠彦忠.材料力学［M］.武汉：华中科技大学出版社，2008.

［8］ 蒋秀珍.机械设计基础教程［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2008.