基于PRO/E的非标刀具参数化设计

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1 引言

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PRO/E是美国PTC 公司开发的CAD/CAE/CAM软件。该软件先进的设计理念体现了机械设计自动化(Mechanical Design Automation，MDA)系列软件的最新发展方向，成为提供工业解决方案的有力工具，因而被广泛应用于机械、电子、航空、航天、军工、纺织等行业。

用PRO/E设计的每一实体模型均有对应的主要设计步骤及尺寸参数列表，通过修改此列表即可根据需要对设计内容进行全面修改，而该列表的修改可通过运行PRO/E中的PROGRAM程序来实现，即通过对PROGRAM程序的二次开发可实现零件的参数化设计。一个(或一类)零件可用一些概念化的特征参数来表示，通过运行经二次开发的PROGRAM程序即可通过修改零件模型参数来控制零件的结构尺寸。设计列表程序主要包括参数输入、关系定义、零件模型的所有参考面、几何体及执行声明等部分。 * S& L4 Q" o- j) z0 [

2 非标刀具的设计特点

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非标刀具的设计往往需要手工计算和绘图。每当刀具参数或设计要求发生变化时(尽管变化可能很微小)，都必须重新计算和绘图，十分繁琐。虽然各种非标刀具的参数不尽相同，但每种刀具的结构是基本固定的。以铰刀为例，当刀具尺寸发生变化(如孔径增大)时，铰刀的基本结构并未改变，只是部分尺寸参数发生了变化。利用这一特点，可在PRO/E 系统中为常见非标刀具中结构相同的刀具建立相应类型的三维实体结构模型(如铰刀类、圆孔拉刀类、花键拉刀类、齿轮滚刀类、蜗轮滚刀类等)，并用参数定义每种模型的结构尺寸，从而为利用PROGRAM模块进行参数化设计打下基础。建立非标刀具模型库和PROGRAM程序的工作不需由普通设计人员完成，他们只需根据需要输入各模型定义的相关参数并运行PROGRAM程序，系统就会自动生成相应的非标刀具零件图，从而可大大简化设计工作。

3 非标刀具参数化设计步骤

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1. 分析刀具结构，确定特征尺寸 ) F: z) }3 z% S+ J( z
   不同种类的非标刀具结构不同，需要分别建立各自的实体模型；对于同一种类但使用场合不同的非标刀具，也需考虑是否分别建立实体模型。建立每类实体模型之前，需要确定该类刀具的基本结构特征，并将这些特征典型化和概念化，使建立的模型尽量准确地反映此类刀具的基本特征。对于零件上一些不重要或不具有普遍性的细节(如倒角、退刀槽等)可以省去，以免增大参数化的工作量。最后需要确定各基本特征的尺寸。由于PRO/PROGRAM程序不仅可实现尺寸的驱动变化(即一个尺寸变化时，通过关系式会引起相关尺寸变化)，还可实现结构形状的局部变化(如齿数的变化、螺旋槽角度的变化等)，因此只有在分析各类非标刀具的结构特征后才能具体确定应建立何种实体模型、每类模型应建立哪些形状特征等。
2. 创建实体模型 ) W; h5 h1 k4 `* F2 m! c S7 l% \
   零件的特征主要通过参数和几何约束关系来相互关联。尺寸之间的关系分为两种：①自定义的各种外部参数与零件被约束尺寸之间的关系；②模型内部特征之间的内部约束关系，即零件几何元素之间的约束关系(如平行、垂直、相切、同心等)。由于在创建实体模型时这些几何约束关系被同时创建，因此当模型被修改时，这些关系自动保持不变。一个特征往往可以有多种创建方法，在设计时必须考虑如何表达该特征与其它特征之间的关系。理想的设计结果必须能准确表达固定的几何约束关系，且易于修改。设计非标刀具时，应在遵循PRO/E上述要求的前提下创建各类刀具的实体模型。
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3. 定义特征参数 7 y5 M4 F7 t- T- a# e2 M& W: Y
   建立模型后，PROGRAM设计列表将自动列出模型的所有元素，并按照创建的先后顺序命名为D1，D2，D3……等内部标识尺寸。对于较复杂的模型，按顺序排列的尺寸往往达数百个甚至更多，因此无法知道每个内部标识尺寸所对应的零件尺寸，这就需要找出两种对应关系：①内部标识尺寸与外部模型上各个数值之间的对应关系；②内部标识尺寸与将要命名的外部参数之间的关系。这两种关系综合起来即可体现出外部参数与零件上被约束尺寸之间的关系。在对这些参数命名时，参数名称应力求简单易懂，必要时可在PROGRAM程序中加入简单英文注释。
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   图1 VB程序界面

   图2 参数化设计程序框图

   图3 刀具三维图形

4. 输入特征参数 8 r' B9 U& J, |9 x% F9 e$ ~2 R
   将已定义好的参数输入零件设计列表的“输入部分”后，在“关系定义部分”定义参数与零件各部分尺寸之间的对应关系以及同一零件不同尺寸间的相互约束关系(如内径必须小于外径、螺旋角必须在某一范围内变化、齿数可取数值等)。同时，因同一零件的各部分尺寸需协同变化(如铰刀直径增大，其齿数、颈部尺寸等也会随之变化)，因此也需在此作出明确规定。
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5. 修改特征参数
   当外部加工条件发生变化时，非标刀具的结构尺寸也应作相应改变以满足新的加工条件。为实现这一要求，只需修改特征参数即可将前述实体模型转换为非标刀具零件图。修改特征参数的方法可有两种：①根据所附提示选择每项特征参数的名称，逐一修改；②将所有需要修改的参数生成数据文件，以PROGRAM读入文件方式读入，然后一次性全部修改。第一种方法速度较慢，可在调试程序和输入变量时使用；第二种方法效率较高，当程序编制完成，进入具体实用阶段时可优先采用。PRO/PROGRAM程序可以支持扩展名为DAT、TXT类型的数据文件，因此可利用WINDOWS 提供的记事本或写字板编写文件，或利用其它语言编制的应用程序来生成文件。但制作这种数据文件时，数据文件的格式必须按照零件设计列表所要求的固定格式编排，否则会因格式不正确而被PROGRAM程序忽略。
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6. 用VB建立透明用户界面 1 l, ?: G: r6 T1 v
   由于PROGRAM程序自动生成的零件列表不支持汉字，因此在命名参数时应尽量简单易懂。但由于零件参数繁多，很难记清参数与模型实体上各部位之间的对应关系，因此用户要建立满足固定格式要求的数据文件来修改特征参数往往比较困难。为解决这一问题，可将PRO/PROGRAM程序用VB开发的程序界面包装起来，VB程序界面如图1所示(后续窗口略)。通过VB程序将所有参数概念化，使PRO/PROGRAM程序部分对于用户变得透明起来。在VB程序界面上可出现以汉字表示的专业术语，并可按照零件特征进行分类编排，所有尺寸均以目录树形式排列，双击某一尺寸名称即可弹出其尺寸缺省值并图示出该尺寸在零件上的位置。参数修改完成后，VB程序会自动按照PRO/PROGRAM程序所要求的数据文件格式形成数据文件，由在VB界面上设置的接口直接调用PRO/E，用PROGRAM读入文件功能来调用数据文件，从而实现参数化设计，其程序框图如图2所示。

经上述处理后，PROGRAM程序的界面友好程度得到显著改善；同时，将设计要求与设计过程紧密结合起来，大大简化了设计过程，提高了参数设计的实用性。输出的设计结果可以是三维图形(如图3所示)，也可以是二维图形。

4 结语

利用PRO/E的PROGRAM模块进行二次开发，建立PROGRAM程序来修改实体模型的参数列表，即可获得满足要求的非标刀具模型，避免了每当外部条件改变时均需重新建模的重复繁琐劳动，可大大提高非标刀具的设计、生产效率。

为克服参数化列表尺寸参数过多造成的修改困难，利用VB建立了符合设计者习惯的参数输入界面，在该界面中，各参数已概念化并有相应中文提示。在输入框中填入参数后，VB程序可自动进行计算和转换，然后按固定格式自动生成数据文件，界面友好，操作方便。

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