天信儀表集團(tuán)有限公司 葉友意/章宦輝/王滔/侯畔畔/黃玉良
來源：《計(jì)量技術(shù)》2019年第6期
摘 要 介紹了參數(shù)化設(shè)計(jì)概念，根據(jù)雙腰輪氣體流量計(jì)基本原理結(jié)構(gòu)，對(duì)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行設(shè)置，例舉了零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)過程。基于Solidworks軟件的方程式、全局變量等功能，實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)互聯(lián)，配合裝配約束關(guān)系，進(jìn)行快速參數(shù)化設(shè)計(jì)開發(fā)，節(jié)約設(shè)計(jì)成本，提高研發(fā)效率。
關(guān)鍵詞 Solidworks；參數(shù)化設(shè)計(jì)；雙腰輪流量計(jì)；全局變量
引言
參數(shù)化設(shè)計(jì)是指參數(shù)化模型的尺寸用對(duì)應(yīng)的關(guān)系標(biāo)示，而不需要用確定的數(shù)值，通過調(diào)整參數(shù)的數(shù)值來實(shí)現(xiàn)改變模型的相關(guān)尺寸，通過調(diào)整參數(shù)來修改模型的幾何形狀，實(shí)現(xiàn)零件的造型。在現(xiàn)在的工程應(yīng)用中，一個(gè)機(jī)構(gòu)由多個(gè)零件組成，通過零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展到整個(gè)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)效率。
常用的參數(shù)化設(shè)計(jì)CAD軟件中，主流的應(yīng)用軟件有Pro/Engineer、UGNX、CATIA和Solidworks，Solidworks憑借功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點(diǎn)，成為全球裝機(jī)量最大、最好用的軟件。本文基于Solidworks軟件對(duì)雙腰輪氣體流量計(jì)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)研究，實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品的快速建模。
1 參數(shù)設(shè)定
在設(shè)計(jì)之前，我們首先要確定產(chǎn)品適用的流量范圍及轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍，不同的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的軸承也不相同。根據(jù)氣體腰輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)，需要確定的參數(shù)有：最大流量Vmax、最大轉(zhuǎn)速nmax、轉(zhuǎn)子中心距a、端板與轉(zhuǎn)子間隙δ1、轉(zhuǎn)子與殼體間隙δ2、轉(zhuǎn)子嚙合間隙δ3、漸開線基圓rb等。把這些參數(shù)設(shè)置為全局變量（有些變量可以用方程式來表達(dá)），為參數(shù)化設(shè)計(jì)提供快捷數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)確定后把全局變量鏈接至外部文件，為整個(gè)項(xiàng)目零部件設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。
2轉(zhuǎn)子參數(shù)化設(shè)計(jì)
根據(jù)轉(zhuǎn)子輪廓線特征，選擇采用多段漸開線和圓弧線段組成，該漸開線體現(xiàn)在圖1中的bc曲線上，漸開線方程如下：
（1）
式中：rb為實(shí)際基圓半徑，mm；
為滾動(dòng)角，rad；xk為第K點(diǎn)的x軸坐標(biāo)；yk為第K點(diǎn)y軸坐標(biāo)。
使用Solidworks中方程式驅(qū)動(dòng)曲線功能，
后面的方框中輸入對(duì)應(yīng)的方程式（在方程式曲線里面需要將角度制轉(zhuǎn)化為弧度制數(shù)值）。
為了方便快速地驗(yàn)證模型間隙的準(zhǔn)確性，這里采用CAD軟件中插值樣條曲線偏移功能來實(shí)現(xiàn)間隙的調(diào)整：
（2）rb= aK1-K2δ3
式中：a為轉(zhuǎn)子中心距，mm；K1為理論完全嚙合系數(shù)，對(duì)應(yīng)方程式（1）只有唯一解；K2為理論基圓和偏移后基圓的差值系數(shù)，需要通過模擬計(jì)算得出，不同的rb對(duì)應(yīng)的K2也會(huì)不同；δ3為轉(zhuǎn)子嚙合間隙，mm。
這種方式計(jì)算的好處是可以直接調(diào)整K2數(shù)值改變間隙，節(jié)省計(jì)算機(jī)計(jì)算時(shí)間，簡(jiǎn)化參數(shù)設(shè)計(jì)。然后用Solidworks軟件草圖功能畫出轉(zhuǎn)子輪廓，圖1中可以看出輪廓上下左右對(duì)稱，只需對(duì)方程曲線做鏡像操作即可完成。
圖1轉(zhuǎn)子輪廓草圖
由于兩個(gè)嚙合轉(zhuǎn)子成90°，所以圖1中L與R1可以用方程式關(guān)聯(lián)：
（3）R1=a-L-2
式中：R1為轉(zhuǎn)子最大轉(zhuǎn)動(dòng)半徑，mm；L為轉(zhuǎn)子凹進(jìn)去部分最小長(zhǎng)度，mm。
通過方程式關(guān)聯(lián)可保證R1不會(huì)干涉到L。轉(zhuǎn)子輪廓線完成后，用CAD軟件或三維軟件直接計(jì)算可以得出單個(gè)轉(zhuǎn)子與殼體形成的腔體截面積S，如圖2所示。
圖2轉(zhuǎn)子與殼體形成的截面積
由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)一圈有4個(gè)腔體體積排出，雙腰輪相當(dāng)于兩倍體積量，單位換算后可得：
（4）L1=Vmax×109 / ( 60×nmax×S×4×2 )
式中：L1為轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度，mm；Vmax為最大流量，m3/h，nmax為最大轉(zhuǎn)速，r/min，S為轉(zhuǎn)子與殼體形成的腔體截面積，mm2。
最后根據(jù)轉(zhuǎn)子輪廓及長(zhǎng)度，完成轉(zhuǎn)子的3D建模。根據(jù)已經(jīng)確定的中心距a及轉(zhuǎn)子的嚙合關(guān)系，調(diào)入2個(gè)轉(zhuǎn)子零件組建裝配體，分析計(jì)算兩個(gè)轉(zhuǎn)子的嚙合間隙，如需調(diào)整間隙只要微調(diào)K2數(shù)值即可改變整個(gè)輪廓曲線。
3殼體參數(shù)化設(shè)計(jì)
殼體的作用是裝載流量計(jì)所有部件，提供有效的計(jì)量腔體。殼體加工精度要求高，加工時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，在研發(fā)階段需考量如何有效、快速地設(shè)計(jì)及調(diào)整。
殼體的內(nèi)部腔體尺寸與轉(zhuǎn)子尺寸有直接關(guān)系，可以調(diào)用之前設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子時(shí)的全局變量參數(shù)：新建零件—工具—方程式選項(xiàng)，選擇鏈接至外部文件，在保存的TXT文本的全局變量處就可以看到之前的變量參數(shù)。殼體、腔體尺寸調(diào)用全局變量數(shù)值，完成繪制，如圖3、圖4所示。
圖3殼體拉伸建模
圖4殼體腔體切除草圖
（5）L2=L1×2+L3+δ1×4
（6）R2= R1+δ2
（7）L4=L1+δ1×2
式中：L2為殼體長(zhǎng)度，mm；L3為殼體中間軸承位寬度，mm；R2為殼體內(nèi)部腔體半徑，mm；L4為內(nèi)部腔體切除深度，mm。
對(duì)L4切除特征做鏡像處理，完成殼體腔體建模。零件尺寸調(diào)用外部全局變量數(shù)值后，外部鏈接文件的數(shù)值變動(dòng)，殼體、轉(zhuǎn)子等其它關(guān)聯(lián)零件尺寸都會(huì)改變，實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)互聯(lián)。
4 小結(jié)
本文舉例兩個(gè)關(guān)鍵零件參數(shù)化設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)零部件全局變量參數(shù)的統(tǒng)一。在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，引入零件裝配關(guān)系作為約束也是必不可少的，合理建立零件之間的裝配約束關(guān)系，確保零件之間的相對(duì)位置關(guān)系；同時(shí)建立零部件相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)之間的關(guān)系，保證參數(shù)之間可以聯(lián)動(dòng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)同步更新，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)。
參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員根據(jù)工程關(guān)系和幾何關(guān)系來指定設(shè)計(jì)要求。要滿足這些設(shè)計(jì)要求，不僅需要考慮尺寸或工程參數(shù)的初值，而且要在每次改變這些設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)來維護(hù)這些基本關(guān)系。參數(shù)化設(shè)計(jì)可以顯著提升設(shè)計(jì)效率，當(dāng)然設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)熟悉程度也極為重要，對(duì)設(shè)計(jì)師本身也提出了更高的要求。
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