基于CATIA的深松铲参数化设计系统开发.doc

基于CATIA的深松铲参数化设计系统开发 0  引言    参数化设计在农业机械的设计中正得到越来越多的应用。对于结构形状较为确定的机械零件来说，通过改变约束条件，得到不同结构形状尺寸和受力状态的产品三维模型，在此基础上完成虚拟装配，并自动生成工程图，从而缩短了设计周期，降低了设计成本3-4。    深松机作为保护性耕作的重要机具，在现代化农业中发挥着重要作用。但不同地区土壤条件（如犁底层深度和犁耕土壤比阻等）、植被条件和耕作要求的不同，导致同一种深松机不能满足不同地区的需要。通过对深松机的参数化设计，可以针对特定地区和特定的土壤条件进行深松铲的设计与生产。所以，本文进行了深松铲的参数化设计。    1  研究思路    运用Visual basic编程语言对CATIAV5 R17进行二次开发，通过对深松铲的铲柄和铲尖进行初步建模，再由人机交互界面对各个尺寸参数进行修改，进而建立深松铲零件和装配件的三维模型，并最终生成装配件的工程图形，实现深松铲参数化设计，并形成设计系统。    2设计系统的构成    设计系统主要由零件选型、尺寸修改、三维造型、虚拟装配和生成工程图等部分构成，如图1所示。    CATIA作为OLE自动化服务器，将由VB通过COM接口来访问其内部对象。程序启动以后，首先选择铲尖和铲柄的型式。各个尺寸在未经修改以前都是符合JB/T 7988 - 1999标准的，若用户需要按照行业推荐标准进行生产，只需要直接运行程序即可。但如果用户对产品的要求超出了标准的范围，则可以根据自己的要求进行数据输入，然后依次生成深松铲柄、铲尖和连结铲柄铲尖的螺纹紧固件三维模型。用户根据需要，可以对二维模型进行装配，并生成产品的装配图和零件图。    3参数化设计由于CATIA软件包含一系列的API对象模型，每个API又包含若干参数，如果采用直接编程的方法，将有很大的难度。本设计采用建立模型录制宏的方法获得API函数，在对录制的宏进行分析和研究之后，编译并调试程序；Visual basic通过COM接口，将CATIA作为一个外部服务器来对CATIA进行访问。3.1  构建三维模型    由于深松铲总体形状大同小异，本文以二维工程图样较为完整日性能良好的某型深松铲为模板，建立深松铲柄和3种不同形式的深松铲尖模型，并录制宏。铲柄和3种不同铲尖的三维模型如图2所示。    3.2  建立人机交互界面    建立良好的界面有助于人机交互工作的顺利完成，使程序运行过程减少出错的机会，提高程序操作的效率。本设汁运用可视化编程语言Visual Basic进行人机交互界面的开发：考虑到多数深松铲及铲柄的设计都是围绕已经执行的中华人民共和国机械行业标准JB/T 7988-1999深松铲和深松铲柄来进行的，本设计在人机交互界面各个文本框中的初始数字都是机械标准所规定的尺寸，标准轻型、中型深松铲柄及3种标准铲尖的参数不需要修改，只需选取铲柄类型即可，如图3所示，    经过综合考虑，系统确定的可变参数有以下几项：一是深松铲柄的可变参数，有铲柄总长、宽度、厚度、人土深度、入土角和连结螺孔的直径；二是深松铲尖，包括深松铲型式、铲尖宽度、铲尖长度、铲尖厚度、尖端角度、铲脊角度和铲脊圆弧半径。由于铲尖型式不同，所需要的参数也不同（如选择铲尖型式为凿形铲），则铲脊角度和铲脊圆弧半径的文本框将显示为灰色，数据无效。    3.3编辑录制的宏    在对深松铲及铲柄进行三维建模的过程开始之前，点击工具栏中Tools- Macro- Start Recording工具，进行宏的录制。录制后打开宏，点击Edit按钮对宏进行编辑修改，使相关可变参数的原始值与交互界面的初始值相符合，通过人机交互界面界面对深松铲及深松铲柄的各项参数进行修改。    由于本设计中的铲尖、铲柄和紧固件等是分别进行建模并录制宏，所以对程序进行编辑时需要注意各部分尺寸的关联。如铲柄的厚度与箭形铲、双翼铲底部接触面的宽度需要具有相同的尺寸，铲柄、铲尖二者的安装孔直径和安装孔的中心距相同，紧固件的直径须与安装孔的直径相适应等。    4虚拟装配和工程图打印    通过上述过程实现了可变参数的修改及三维模型的生成。但是在实际应用中，三维模型只能够用于直观呈现产品的外观，并不能够对设计进行检验或指导生产。因此，本系统开发了虚拟装配模块和工程图模块，使得本系统具有实际使用价值。    4.1  虚拟装配    虚拟装配可以直观呈现产品的整体外观，检验尺寸关联，提前发现实际装配过程中将要碰到的问题，以降低样机制造成本。CATIA的虚拟装配是由装配件设计模块(Start- Machanical Dsign-Assembly De-sign)完成的。装配时，运用相合约束(CoincidenceConstraint)对深松铲、深松铲柄的接触面和安装孔的中心轴进行约束定位，对紧固件的轴心和与铲尖及铲柄的接触面进行定位。    在通过外部程序调用CATIA进行虚拟装配时，也沿用上述过程，只是在装配前需要选定铲柄和铲尖的型式，确定其参数尺寸，在生成铲柄、铲尖及紧固件的三维模型后，将各部分进行保存并关闭，然后进入CATIA软件装配环境，并按实际装配中的定位特征进行定位。图4为3种型式铲尖进行装配后的效果图。    4.2打印工程图    在生产企业进行产品的加工制造时，必须以工程图为蓝本。因此，该系统设计开发了用于生成二维工程图的工程图模块。在零件或装配件的三维模型生成以后，系统进入工程图模块，通过“主视图”工具，选取合适的主视图方向，在图纸上进行放置，生成零件的主视图，并根据需要生成特定方向的视图和局部剖视图。    需要指出的是，由于CATIA软件的标准库中没有我国的国标，所以生成的图形是不符合国家标准的；因此在实际应用中，尚需要在生成工程图纸后，再把图形导入到其他绘图软件进行一定的修改。此外，通过程序调用，不能够对生成的二维图形尺寸进行标注，而CATIA软件自带的“自动标注尺寸”工具生成的尺寸通常比较乱，很难使用。所以，本设计所生成的二维图形尺寸的标注需要设计者手动标注。    图5是通过本设计自动生成的工程图和经笔者标注尺寸后双翼铲的二维图形。5结束语    1)参数化设计为外形较为固定但尺寸变动较大零件的设计工作提供了一种简便的方法，能够在一次设计的进程中完成一系列零件的设计工作，大大缩短了设计时间，降低了设计人员的工作量，提高了设计效率，节省了设计成本。所以，参数化设计是今后农业机械设计领域的一个重要发展方向。    2)该深松铲参数化设计系统能够根据用户不同需求，通过人性化的人机交互界面完成不同类型铲柄和铲尖的参数化设计，并在不修改尺寸的情况下可直接生成符合机械行业标准的零件。该系统的尺寸关联设计能够实现各接触面及螺栓联接处尺寸的关联，不会因某部分尺寸的改变而造成无法装配的情况。3)由于CATIA软件的工程图标准库中没有我国的国标，导致生成的工程图不能够直接用于实际生产，所以该模块有进一步改进完善的必要。希望改进后的系统能够一次性完成各向视图的生成、尺寸的标注和标题栏的自动生成。   付乾坤，朱瑞祥，王  毅，徐  莎（西北农林科技大学机械与电子工程学院）