基于VB的钢球自动检测系统参数化设计

赵彦玲 王崎宇 鲍玉冬 潘承怡 赵志强

摘 要：为实现不同规格钢球自动检测系统系列化应用以满足轴承用钢球表面缺陷检测生产需求，实现不同规格钢球自动检测系统的系列化应用。首先，建立钢球自动检测系统模板模型库，通过对检测系统的功能结构分析，将其分为固定参数零部件模型库和关键零部件设计库，利用SolidWorks的零件设计表功能实现关键零部件的参数化设计;调用模型库，建立检测系统虚拟装配模型，利用SolidWorks的宏功能编写并调试关键零部件及装配模型的驱动程序，并通过VB建立参数化系统交互界面，最后通过仿真技术对钢球展开过程进行模拟分析，利用物理样机验证理论分析结果的正确性，最终提出钢球自动检测系统的参数化设计方法。

关键词：钢球;表面缺陷;参数化设计;模型库;交互界面

DOI：10.15938/j.jhust.2020.05.017

中图分类号： TH122

文献标志码： A

文章编号： 1007-2683（2020）05-0120-07

Abstract：In order to meet the production requirements of surface defects detection of the steel ball used in bearings， the method of SolidWorks parametric modeling based on VB is applied to realize the serial application of automatic detection system of steel ball. Firstly， establishing the template model library of steel ball automatic detection system， and the library is divided into general parts model library and key parts design library through analyzing the function structure， using SolidWorks part design table function realizes parametric design of key components; Calling the model library to complete the establishment of detection system virtual assembly model， and using SolidWorks macro function to make the driver program of key parts and assembly model，Finally， the simulation technology is used to simulate the process of steel ball， and the correctness of the theoretical analysis results is verified. Finally， the parametric design method of automatic detection system of steel ball is put forward.

Keywords：steel ball; surface defects; parametric design; model base; interactive interface

0 引 言

在《中國制造2025》中，“强基工程”将高速高精密轴承列为重点发展项目[1]。钢球作为基本零件影响着轴承寿命[2]，为保证钢球表面质量无缺陷，钢球需被全部检测，因此，如何实现球面全表面检测及钢球检测系统系列化应用，成为亟待解决难题[3-4]。针对上述问题，在理论分析基础上[5-6]，根据实际检测需要，设计钢球自动检测参数化系统以满足不同尺寸钢球检测的生产需要。

目前，Mun Duhwan等[7]为缩短设计周期，提高工作效率，实现设计自动化，对参数化设计进行了研究[8];Edwin等[9]将三维设计软件Pro/Engineer和有限元分析软件ANSYS进行结合，武汉理工大学的尹锋等[10]，以VC作为开发工具建立了臂桥架起重机结构的参数化系统，西安交通大学的卢杰等[11]基于VC与ANSYS的二次开发APDL（ANSYS parametric design language）技术对车轮进行参数化设计，建立了人机交互界面，完成三维模型的重建与生成;哈尔滨理工大学刘保臣[12]利用VB对SolidWorks进行二次开发，应用VB和Access开发夹具实例数据库管理系统，基于参数驱动技术实现夹具数据库参数化设计。

综上所述，参数化技术虽然已经广泛应用于机械设计过程中，在提高产品设计效率和企业竞争力、发展信息智能化设计等方面具有重要意义[13-14]。但是，参数化设计在钢球自动检测系统中的应用还处于初级阶段，因此本文开展钢球自动检测系统的参数化设计方法研究，分析参数化设计方法与步骤，结合仿真技术与物理样机实验验证参数化设计的可行性，实现不同尺寸、种类钢球检测，为钢球自动检测系统系列化应用提供技术方法。

1 钢球自动检测系统结构功能分析

钢球全表面自动检测不同于常规的平面几何测量或字符测量，它是一个全球体镜面反射的检测物，因此在检测过程中需要将钢球表面全展开，根据结构功能要求，该检测系统主要分为3部分：进球筛选装置、展开装置、出球分选装置，如图1所示。

进球筛选装置主要功能是初步对不同尺寸钢球进行筛选，完成特定尺寸范围内钢球的甄选，并规划合理运动路径，减少钢球在运动过程中产生的碰撞，将检测过程中造成的细微二次损伤降低至最小，提高检测精度与效率;展开装置是实现钢球全表面展开及图像信息采集的核心装置，是参数化过程中要重点设计的机构，如图2所示，在展开模块、支撑模块和驱动模块的共同作用下，实现钢球的全表面展开，完成检测过程，计算机将钢球表面的图像信息进行处理并发送至下一控制单元;出球分选装置的功能是通过自动控制技术，接收反馈的信号，完成不同表面质量钢球的分选收集工作。

2 展开装置位置关系模型建立

在钢球自动检测系统参数化过程中，当钢球直径范围为发生变化时，驱动体需要有多种匹配尺寸来适应直径范围为15～25mm的钢球，与驱动体相关的支撑双头螺栓、支撑架、驱动轮、支撑杆、支撑轮等展开装置的尺寸位置也随之改变，因此，通过建立展开装置位置关系模型，可减少与驱动体相关其它零部件改动，以此提高模型修改的速度，为钢球自动检测系统的参数化设计提供理论基础。

钢球展开装置机构位置关系如图3所示，以钢球球心为原点建立如图所示的坐标系，在xoz平面内，球心O与驱动体中心O1的连线OO1、与支撑轮中心O2的连线OO2、与驱动轮中心O3的连线OO3与x轴的夹角分别为α、δ、β，O1O2、O2O3、O1O3长度分别用l1、l2、l3来表示，钢球半径为r1，支撑轮半径为r2，驱动轮半径为r3，且球心O与驱动体回转中心O1、支撑轮回转中心O2、驱动轮回转中心O3位于同一平面xoz平面内，如图3（b）所示;当驱动体圆锥曲面轴线与回转轴线在水平面的投影边界重合时，钢球与驱动体处于极限接触位置，驱动体两侧圆锥母线在yoz平面内的投影线互相垂直，如图3（a）所示，AB与OB互相垂直，其中，A为驱动体中心点，B为与钢球接触点[15]。

3 钢球自动检测系统参数化设计

3.1 参数化关键技术及参数化系统研究

本参数化设计系统采用基于VB的程序驱动法和尺寸驱动法相结合的方式[16]，应用SolidWorks中系列零件设计表功能对关键零部件进行参数化设计，建立设计库来减少程序的编写调试工作。建立参数化系统的实施流程如图4所示。

3.2 零部件模板模型库建立

模板模型库的建立即将钢球自动检测系统中的每一个零部件进行三维建模，通过对系统的零部件进行结构特征分析，可以分为固定参数零部件和关键零部件，固定参数零部件是不经过任何更改直接调用装配的零件，关键零部件是指需要经过尺寸参数以及特征的更改变化，重新进行建模的零件。以核心零部件——驱动体为例，首先，对驱动体进行结构分析，结构尺寸与系列钢球相对应，其结构如图5所示。

根据钢球全表面展开原理，驱动体主要参数为：锥面回转轴线AA1、BB1与水平轴线AB的夹角θ，回转轴线与水平轴线AB的交点到驱动体中心点的距离值为a，以及锥面夹角为δ，其中θ取值为1°，δ取值为90°。驱动体两端轴径为D1，与轴承采用基孔制配合，轴径D2起定位作用，未标注倒角为0.5mm～1mm。为简化驱动体的更换，将驱动体按尺寸参数进行分组，同一组中的总长L相同，因对应的钢球直径变化引起内外距变化，可通过改变l2的大小，保证总长L不变，主要参数如表1所示。

选取表1中数据，建立驱动体三维模型，完成模板模型的构建。整理其他零部件并建立如图6所示的模板模型库。

3.3 关键零部件参数化设计及设计库建立

为减少零件建模程序的编写调试工作，利用SolidWorks中系列零件设计表功能，以模板模型库中关键零部件模型为基体，提取几何尺寸，初次赋值于Excel零件设计表中，保留参数尺寸，结合模型参数设计表，再次赋值于Excel零件设计表中，建立零部件设计库，创建过程如图7所示。

零件设计表在系统完成初次赋值后，需要将表格属性设置为“常规”，并将尺寸名称与模型驅动尺寸进行对应。结合表1中数据进行整理，在模板模型的基础上，配置系列零件设计表，完成驱动体的尺寸参数化设计，并将其保存至设计库中，便于调用并重新建模生成新的零件，如图8所示。

3.4 检测系统虚拟装配模型建立及干涉分析

在自下而上建模方法的基础上，按照零部件之间的结构关系添加约束类型，通过SolidWorks装配干涉分析功能对装配体模型进行干涉分析，针对干涉检查结果对检测系统虚拟装配进行修改完善。如图10所示，为检测系统完整装配模型及干涉检查。

3.5 参数化系统驱动程序制作与交互界面设计

钢球自动检测系统参数化设计中采用SolidWorks和VB相结合的方法，通过VB建立独立的外部人机交互界面，控制SolidWorks的建模与装配，利用SolidWorks的宏文件录制功能录制关键零部件以及装配模型的模型修改过程，如图11所示，读取宏文件中的程序代码，结合SolidWorks的API函数和VB的语言规则对主要参数代码重新赋值便可实现关键零部件模型修改，实现检测系统参数化设计[17]。

为提高参数化系统的实用性，在人机交互界面输入关键零部件及装配模型的尺寸约束信息，调用驱动模型重建。如图12所示，首先对关键零部件进行参数设置并重建，选取模型序号为1-15.0812和12-23.8125两组模型重新建模，因关键零部件已经添加系列零件设计表，具有系列化属性，直接选择模型序号直接生成调用。

4 参数化系统仿真及验证

为验证本文参数化设计方法的正确性与可行性，对展开机构的参数化模型进行仿真验证，选取1-15.0812、12-23.8125两组模型，在ADAMS软件中，对钢球表面任意标记一点，追踪标记点的运动轨迹曲线，连续选取标记点3个不同时刻位置，如图14所示，两组模型中标记点在钢球展开过程均由位置1运动至位置3，其运动轨迹覆盖了钢球全表面，完成了全表面螺旋线展开运动。验证钢球自动检测系统参数化设计的正确性。

5 结 论

1）本文建立钢球自动检测系统模板模型库如图6所示。应用SolidWorks中系列零件设计表功能对关键零部件进行参数化设计，并建立关键零部件设计库，采用自下而上装配建模方法，建立钢球检测系统模板模型。

2）利用SolidWorks宏文件录制功能录制关键零部件和装配模型的修改过程，读取宏文件中程序代码，结合API函数和VB语言规则进行调试，并通过VB 建立独立外部程序，设计参数化系统交互界面，在界面中选择模型序号，完成关键零部件和自动检测系统装配模型的重建。

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（编辑：王 萍）