作 者： 靳江艷 方憶湘 劉恩福
摘 要： 利用CAXA實體設(shè)計的自定義參數(shù)化零件功能構(gòu)造三維模型并定義相關(guān)變量，通過CAXA實體設(shè)計提供的與Excel表格的動態(tài)鏈接，由預(yù)建在Excel環(huán)境下的表格數(shù)據(jù)驅(qū)動三維模型，實現(xiàn)蝶閥產(chǎn)品零部件的參數(shù)化設(shè)計。

    閥門是各種流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有導(dǎo)流、截止、調(diào)節(jié)、節(jié)流以及防止逆流、分流或溢流卸壓等功能，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力和礦山等工業(yè)領(lǐng)域，按結(jié)構(gòu)原理可分為蝶閥、球閥、閘閥、旋塞閥、截止閥、節(jié)流閥、止回閥、安全閥、減壓閥、蒸氣疏水閥、隔膜閥、調(diào)節(jié)閥等[1]。其中，蝶閥是閥門行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品之一，也是近年來發(fā)展非常快的閥門品種之一。工業(yè)閥門產(chǎn)品具有較高的系列化程度，在三維環(huán)境下采用參數(shù)驅(qū)動設(shè)計可以顯著提高設(shè)計工作效率。

    1 蝶閥產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點

    蝶閥采用圓盤式啟閉件往復(fù)回轉(zhuǎn)90°左右來開啟、關(guān)閉或調(diào)節(jié)流體通道，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、用料省、安裝尺寸小，且驅(qū)動力矩小，操作簡便、迅速，具有良好的流量調(diào)節(jié)功能和關(guān)閉密封特性，通常按結(jié)構(gòu)形式分為中線、單偏心、雙偏心和三偏心蝶閥[1，2]。

    以雙偏心蝶閥為例，蝶閥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)主要由閥體、蝶板、密封結(jié)構(gòu)、閥桿、連接支架、上下支承填料等組成的主體結(jié)構(gòu)與驅(qū)動裝置組成，見圖1。其中，蝶閥主體結(jié)構(gòu)提供了不同公稱通徑和公稱壓力的管路系統(tǒng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)系列，通過施加不同的驅(qū)動裝置得到不同驅(qū)動方式驅(qū)動的蝶閥產(chǎn)品。

通過對各類蝶閥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的研究分析和總結(jié)歸納，依據(jù)蝶閥產(chǎn)品設(shè)計過程中零部件的生成順序，將蝶閥產(chǎn)品結(jié)構(gòu)按裝配和設(shè)計關(guān)聯(lián)關(guān)系進行零部件層次結(jié)構(gòu)劃分，見圖2。依據(jù)該層次結(jié)構(gòu)，對蝶閥的各個零部件進行研究分析，構(gòu)建設(shè)計流程導(dǎo)航機制中的設(shè)計任務(wù)節(jié)點和所需的相關(guān)設(shè)計知識，將零部件設(shè)計的相關(guān)知識與三維模型相結(jié)合。在不同的設(shè)計層次上，通過調(diào)用不同的三維模型及其相關(guān)的驅(qū)動參數(shù)，可以完成不同類型蝶閥產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2 CAXA實體設(shè)計環(huán)境下的參數(shù)驅(qū)動設(shè)計

    CAXA實體設(shè)計提供了多種參數(shù)化設(shè)計功能[3]，由常規(guī)意義上的參數(shù)化繪圖到以協(xié)同設(shè)計的方式完成的參數(shù)化設(shè)計，系統(tǒng)用戶可以根據(jù)設(shè)計工作的不同需要，采用不同的參數(shù)化設(shè)計模式。

    2.1 實現(xiàn)方式

    CAXA實體設(shè)計環(huán)境下的參數(shù)化設(shè)計，主要通過以下3種方式來實現(xiàn)。
　
    1）基于二維輪廓圖形或圖素特征尺寸的參數(shù)化設(shè)計方法[4]

    在CAXA實體設(shè)計環(huán)境下構(gòu)建零部件的三維模型，定義模型的參數(shù)名和參數(shù)值，并把模型存入用戶自定義的零件庫中，方便以后使用。這種方法主要用于常用結(jié)構(gòu)零部件的參數(shù)化設(shè)計，由設(shè)計人員根據(jù)設(shè)計需要直接在參數(shù)模型上對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行修正，或在參數(shù)表中逐個輸入或修改設(shè)計參數(shù)，盡管實現(xiàn)了幾何模型的參數(shù)驅(qū)動，但設(shè)計過程較為繁瑣。

    2）基于應(yīng)用程序接口的參數(shù)化設(shè)計方法

    在CAXA實體設(shè)計提供的二次開發(fā)環(huán)境下，利用CAXA應(yīng)用程序接口（ICAPI）實現(xiàn)零件的參數(shù)化設(shè)計。采用該方法，首先構(gòu)建零部件的三維模型，并定義其參數(shù)構(gòu)成和關(guān)聯(lián)約束，然后利用開發(fā)語言構(gòu)建由產(chǎn)品設(shè)計流程導(dǎo)航的設(shè)計過程環(huán)境，按零部件生成順序并從預(yù)建的數(shù)據(jù)庫中調(diào)用設(shè)計參數(shù)驅(qū)動三維模型，設(shè)計過程直觀、簡潔，但要求CAXA用戶具有較高的應(yīng)用軟件開發(fā)水平，開發(fā)難度較大。

    3）基于CAXA實體設(shè)計與Excel表格動態(tài)鏈接的參數(shù)化設(shè)計方法

    CAXA實體設(shè)計提供了與Excel表格的動態(tài)鏈接，可以由預(yù)建在Excel環(huán)境下的表格數(shù)據(jù)驅(qū)動三維模型，實現(xiàn)零件的參數(shù)化設(shè)計[5]。采用該設(shè)計方法，CAXA用戶可以在熟悉的Excel環(huán)境下，根據(jù)預(yù)建的三維模型及其參數(shù)構(gòu)成，將各種零部件設(shè)計的常用或標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)構(gòu)建在Excel表格中，由該表格數(shù)據(jù)驅(qū)動三維參數(shù)模型，且該表格數(shù)據(jù)易于管理和擴充，便于設(shè)計人員以zui少的編程工作量甚至不需編程，構(gòu)建所需要的參數(shù)化設(shè)計環(huán)境。

    因此，結(jié)合蝶閥產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和設(shè)計特點，采用CAXA實體設(shè)計與Excel表格動態(tài)鏈接的參數(shù)化設(shè)計方法，以蝶閥產(chǎn)品設(shè)計的領(lǐng)域設(shè)計知識構(gòu)造參數(shù)驅(qū)動數(shù)據(jù)，形成其參數(shù)化設(shè)計環(huán)境。

    2.2 三維模型構(gòu)建與Excel表格數(shù)據(jù)驅(qū)動

    CAXA實體設(shè)計環(huán)境下，基于Excel表格動態(tài)鏈接的參數(shù)化設(shè)計，通常采用基于二維輪廓圖形或圖素特征尺寸的參數(shù)化設(shè)計方法構(gòu)建三維參數(shù)模型并將其嵌入到Excel表格中，通過編輯零件參數(shù)表達式或智能圖素包圍盒尺寸建立模型和Excel相關(guān)單元格的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在Excel環(huán)境下通過修改或調(diào)用數(shù)據(jù)對幾何模型進行參數(shù)驅(qū)動。

    蝶閥產(chǎn)品的零部件大部分為回轉(zhuǎn)件，且結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，除簡單的零件如加強筋板等采用基于圖素特征尺寸的參數(shù)化設(shè)計方法構(gòu)造零部件的三維模型外，其他結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件均采用基于二維輪廓圖形的參數(shù)化設(shè)計方法構(gòu)建零件的三維模型。以蝶閥產(chǎn)品的主要部件筒身為例，筒身組合件由2個法蘭和1個筒壁組成，首先構(gòu)建每個零件的三維模型，然后把它們進行裝配，形成筒身組件，增加裝配參數(shù)，將裝配參數(shù)的表達式與相應(yīng)的Excel單元格對應(yīng)，在進行參數(shù)驅(qū)動時，直接驅(qū)動筒身組件。模型的構(gòu)建及在Excel環(huán)境下的參數(shù)驅(qū)動見圖3a）和圖3b）。

3 蝶閥產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計實現(xiàn)

    基于CAXA實體設(shè)計與Excel表格動態(tài)鏈接的參數(shù)化設(shè)計方法，采用VB6.0構(gòu)建了適用于公稱通徑為100～2200mm、公稱壓力為0.25～2.5MPa的蝶閥產(chǎn)品三維參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)，在集成設(shè)計環(huán)境下統(tǒng)一驅(qū)動相關(guān)的CAXA實體設(shè)計和Excel應(yīng)用。系統(tǒng)構(gòu)建結(jié)合蝶閥產(chǎn)品的零部件生成順序和結(jié)構(gòu)層次劃分，在設(shè)計流程的各個導(dǎo)航節(jié)點上，對蝶閥產(chǎn)品設(shè)計的零部件、件和結(jié)構(gòu)件等的設(shè)計流程進行規(guī)范，構(gòu)建了系統(tǒng)的零部件庫及其參數(shù)庫。

    在設(shè)計流程中以其零部件自身的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)（主要結(jié)構(gòu)參數(shù)及由父節(jié)點繼承的設(shè)計約束）引導(dǎo)設(shè)計人員，將與設(shè)計對象相關(guān)的設(shè)計知識和經(jīng)驗構(gòu)建于知識庫中，并集成于設(shè)計流程向?qū)Чぞ咧衃6]，形成的零部件、件設(shè)計向?qū)?。使產(chǎn)品設(shè)計在設(shè)計流程向?qū)У闹敢?，按順序分步驟進行。如圖4所示產(chǎn)品設(shè)計流程導(dǎo)航的系統(tǒng)主界面，右側(cè)為產(chǎn)品的設(shè)計流程導(dǎo)航；左側(cè)的產(chǎn)品設(shè)計樹與設(shè)計流程導(dǎo)航模型對應(yīng)，顯示當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計進程。

    在進行蝶閥設(shè)計時，在設(shè)計流程向?qū)У囊龑?dǎo)下，依次點擊各個設(shè)計節(jié)點，打開Excel設(shè)計環(huán)境，如圖3b）所示。零部件的相關(guān)參數(shù)根據(jù)設(shè)計流程向?qū)в蓴?shù)據(jù)庫讀入或者由用戶輸入，零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定以后，雙擊Excel設(shè)計環(huán)境下的CAXA實體設(shè)計的圖片，即完成零部件的參數(shù)驅(qū)動造型。所有零部件設(shè)計完成之后，由用戶在CAXA實體設(shè)計的環(huán)境下完成零部件的裝配。

4 結(jié)語

    中國閥門生產(chǎn)企業(yè)的計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)應(yīng)用，目前主要以二維應(yīng)用為主，設(shè)計效率較低[7，8]；個別企業(yè)雖然引進了一些三維設(shè)計軟件，但由于未能在領(lǐng)域設(shè)計知識支持下有效應(yīng)用軟件系統(tǒng)提供的各種造型功能，限制了系統(tǒng)三維設(shè)計能力的發(fā)揮。

    采用三維設(shè)計環(huán)境與Excel的動態(tài)鏈接進行零部件的參數(shù)化設(shè)計，是CAXA實體設(shè)計提供的一種實用和的參數(shù)化設(shè)計處理方式，目前尚未見相關(guān)文獻報道。對于蝶閥產(chǎn)品設(shè)計來講，采用該方法減少了重復(fù)性的三維造型工作，規(guī)范了設(shè)計數(shù)據(jù)，提高了設(shè)計人員的設(shè)計效率。此種方法除用于蝶閥產(chǎn)品的設(shè)計以外，還可以應(yīng)用于其他閥門產(chǎn)品或通用機械產(chǎn)品的設(shè)計。

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