田 源，张翠霞

（太原重工股份有限公司，山西 太原 030024）

引言

变量化设计既保持了参数化设计的特点，如某一特征和结构尺寸的变化会引起其他特征和尺寸的改变以形成目标图形，又避免了许多参数化的不足，使设计人员在大体结构不变的情况下不必进行重复设计，从而形成符合生产要求的图纸[1]。国外对于变量化设计的研究比较成熟，但在实际应用过程中仍存在算法上的问题，需要通过快速求解来满足不同行业上设计者的要求[2]。 国内关于变量化技术的研究，基本有以下两个方面[3-5]：第一，利用现有CAD、CAE工具进行结构变量化分析设计，或进行二次开发。第二，理论、算法的研究，主要是研究有效的算法。但当前变量化设计技术只局限于零部件结构的变量化，未实现自动化装配，且通常是一种形式的零部件对应一个快速设计系统，设计效率低，不能方便地输入。

Solid Edge软件有着广泛的用户群和应用基础，有非常强大的零部件设计功能，而且在它的装配环境及零件设计中集合了一个基于结构特征的尺寸变量表，且每个变量均可由设计者进行编辑，以生成不同的设计方案和设计图纸来满足其不同的要求。本文采用Solid Edge的这一设计功能，对卷筒进行模块划分，并根据模块中的结构特征和尺寸驱动关系划分了变量类型，建立变量间的关联关系和驱动关系，并利用它们的关联关系和驱动关系，应用单变量求值的方法使主动变量从部件到零件来驱动被动变量，实现了卷筒的快速设计。

1 Solid Edge中变量化技术实现方法的研究

1.1 利用Solid Edge的变量表实现变量化设计

由于Solid Edge集成了强大的变量表设计功能，如下页图1所示，其零部件的所有尺寸变量都可在“变量表”中体现，包括“变量”和“同级变量”。在“实体零件”的环境下，只有“变量”可用，而在“装配”的环境下，二者均可用，“变量表”类似于数字表格，用户可以自己来定义各种类型的变量，并与被动变量以公式或函数来建立关系，通过改变用户自定义的变量来驱动零件或装配体模型。

使用变量表可以实现以下功能：

1）定义变量，如下页图1中，Dim CL_L8为 25 mm；

2）用公式或函数驱动尺寸，如图1中，Dim V690为CL_L5-CL_S3-CL_h3*2-20；

3）通过使用“复制链接”与“粘贴链接”，建立零部件间的尺寸变量链接关系。

图1 Solid Edge变量表

利用Solid Edge变量化方法，用户只需改变某些关键尺寸，便可形成目标零件，从而达到快速设计的目的。

1.2 利用Solid Edge程序实现变量化设计

利用Solid Edge程序实现变量化设计，即利用Solid Edge二次开发的接口，利用Solid Edge的内部层次对象结构，在外部开发程序中来对零部件的结构和尺寸变量进行驱动，由程序控制零部件的尺寸及特征。零件模型改变时，只需对所编程序稍加修改。可以通过“变量集合对象”和“变量对象”实现对自定义变量的创建和编辑。变量集合对象提供了Edit、GetFormula、GetName、PutName、Query和Traslation等方法，变量的对象层次结构如图2所示[6]。

图2 变量的对象层次结构

1.3 利用Excel驱动Solid Edge实现变量化设计

利用Excel驱动Solid Edge实现变量化设计，首先在Solid Edge中建立零部件的三维模型并确定变量关系，然后利用外部程序和Excel自身的数据链接功能将Excel中的数据与Solid Edge变量表中的数据关联起来，通过获取用户输入的值来修改Excel中相应的数据来驱动变量表，实现在不改变零部件结构的情况下，修改其尺寸变量。由于每种类型的卷筒各零部件结构和计算方法有所差异，故这里将不同类型卷筒的变量编制到不同的Excel表中，每个Excel都包括了完整的变量驱动和校核计算内容。

在Solid Edge中利用变量表实现变量化设计，用户只需通过零部件内部的变量表来修改变量，便可控制零件模型的形状和尺寸，但是这种方法只适用于结构比较简单的小部件，在结构比较复杂的情况下，这种操作较为复杂，设计效率低。

采用Solid Edge二次开发程序进行零件设计，这是一种完全依靠后台程序进行的变量化设计，但要完全应用二次开发来驱动零部件的特征和尺寸，编程工作量大，驱动速度慢，且程序适用范围窄。

在Solid Edge环境下，通过在三维环境中建立模型，并利用Excel VBA驱动Solid Edge进行三维变量化设计，既避免了修改零部件变量表的繁琐操作，而且编程量也不大，且通用性强，不同的零部件都可用一种程序框架来进行驱动。

2 变量化技术在卷筒快速设计中的应用

本文将三种设计方法相结合，将复杂的设计计算利用程序来实现，使得界面清晰、操作方便，达到卷筒组快速设计的目的。

2.1 变量化设计在卷筒组零部件建模中的应用

在卷筒组的零件设计中，基于Solid Edge变量化建模流程如图3所示，其过程是通过建立用户界面，由用户在界面中输入全局参数，利用Excel数据表及零部件变量表建立参数间的关联关系，由全局参数和主动变量来驱动被动变量，从而来驱动零部件的尺寸数据，生成目标模型。

图3 基于Solid Edge变量化建模流程图

2.2 变量化设计在卷筒组装配中的应用

在Solid Edge装配环境中，提供了10种装配关系，它们分别是：匹配、连接、面对齐、角度、轴对齐、相切、插入、平行、快速装配、符合坐标系等。用户可以利用装配命令，方便地实现零件之间的装配。在Solid Edge中，多层装配体下零件间的装配关系如图4所示。

图4 多层装配体下零件间装配过程

在装配过程中，仅用零部件的基准面来进行装配是不够的，有时需建立基准面的平行面，其位置是根据卷筒组零部件的几何关系来确定的，所以建立平行面时产生的尺寸变量也需与用户变量建立关系，使其平行面的位置随着卷筒组零部件的几何关系的变化而变化。

2.3 变量化设计在卷筒组二维工程图中的应用

虽然目前国内外部分企业可以使用电脑绘制的三维模型来直接进行生产指导，但对于大部分企业来说，二维工程图仍然是设计人员与车间加工工人之间的重要交流资料，因此，二维工程图的自动生成功能是必不可少的。在卷筒组设计中，需要的二维图纸既有零件的二维图，也有部件和整体装配的二维图。

变量化工程图开发流程如图5所示，其主要过程为：第一，对零部件的三维模型进行变量化设计，并最终完成符合生产要求的三维模型，并形成更新后的模型信息文档。第二，建立符合企业的工程图模板，并进行视图投影和局部视图、放大视图、剖面视图的表达。第三，利用变量化技术更新原始的零部件工程图，形成正确的零件工程图。第四，对三维装配体的模型图进行投图，并利用工程图处理器，生成正确的装配体工程图。

其中标注的坐标点是从外部数据文件2来获取的，外部数据文件2的编写是依据卷筒组零部件的几何关系来确定的，所以需与图5中的外部数据文件1建立链接关系。

图5 变量化工程图开发流程

3 卷筒快速设计系统的研究与开发

这里所述卷筒组是卷绕起升或牵引用单层卷绕钢板卷焊标准绳槽的卷筒组。目前经常使用的各种卷筒组，按照与减速器的连接形式可分为如下5种类型：球面滚子联轴器卷筒组、球铰联轴器卷筒组、开式齿轮卷筒组、鼓形齿联轴器卷筒组、套转轴卷筒组，其模块规划具体如图6所示。各种类型卷筒组的区别主要是集中体现在与减速器连接组件的构造形式不同，故结构形式比较固定，适合变量化设计。

图6 卷筒模块划分形式

开发本系统的目的是在卷筒组设计中利用变量化思想缩短卷筒组的设计周期，提高工作效率。系统在设计时，首先考虑用户的操作流程，并确定系统方案，完成系统的开发。用户操作流程如图7所示。

图7 用户操作流程图

图8 为结构选择界面，用户可分别对卷筒出绳形式、联轴器形式、法兰板形式、轴承座形式、右半轴形式、轴端件形式、钢丝绳压板的形式进行选择，选择完成后，点击“产品树”显示，则通过读取卷筒组结构XML文件生成一个树状结构，树中的每个节点都代表一种模块，鼠标选中后，可以显示其下属结构等信息，并在结构示意图预览栏自动显示出相应的二维与三维结构示意图，方便用户及时查看。

在图8中结构选择完毕后，点击“下一步”，进入变量显示界面，如图9所示。在此界面中，显示出设计卷筒组时需要的关键参数，双击想要修改的参数，进入变量修改界面，如图10所示，可对关键参数进行修改，参数修改完成后，点击“验算尺寸”，验算合格后，便可对联轴器的型号进行选择。

图8 结构选择界面

图9 变量显示界面

图10 变量修改界面

下页图11为联轴器选择界面，选择卷筒的工作级别后，自动显示出符合条件的联轴器型号，用户可选择需要的联轴器。完成后，点击图9中“更新模型”按钮，生成用户需要的零部件三维模型，如下页图12所示。

图11 联轴器选择界面

图12 卷筒组三维模型

图13 卷筒组二维工程图

确定三维模型正确后，点击图9中的“二维转换”按钮，用户选择对应的三维模型，系统会自动投图和对二维图进行尺寸标注等，生成用户需要的零件二维图，如图13所示。

在卷筒组快速设计系统中，用户可以根据自己的需要改变输入的变量值，生成所需规格的卷筒组二维图与三维图，可以提高设计效率，使设计人员投入到新产品开发当中。

4 结语

本文结合VB.NET技术开发了卷筒快速设计系统，在Solid Edge环境下，利用变量化设计思想，将分析校核计算与零部件的设计有机结合起来，并实现了模型装配变量化与二维工程图变量化，从而有效解决了参数变化时模型重建的问题，提高了设计者的设计效率，缩短了产品的生产周期。但基于Solid Edge的二次开发作为一个新兴的研究与实践领域，还有许多问题要探索，在后续的工作中将以各种工程机械为研究对象，将变量化技术应用到更广阔的机械领域中。

[1] 贡智兵.基于产品平台的快速设计关键技术研究及实现[J].南京理工大学,2006(10).

[2] Roller D. An approach to computer aided parametric design[J]. Computer-Aided Design,1991(5):385~391.

[3] 徐千理.基于结构模板参数化设计与变量化分析的液压机主机模块化设计研究[D].天津大学,2002(1).

[4] 陈永亮,徐燕申,徐千理,等.变量化分析的原理及其在机械产品快速设计中的应用[J].机械设计.2002(3):6-8.

[5] 贾宝玺,黄毓瑜.组合式变量化设计的研究及应用[J].机械设计.2004(7):22-23.

[6] 李启炎.Solid Edge二次开发高级指南[M].上海:同济大学出版社,2000(9).