基于SolidWorks的水平直元线犁体曲面参数化设计

　　引言

　　犁体是铧式犁中最重要的部件，而犁体的形状、结构、曲面式样对犁的作业质量和牵引阻力有很大影响。所以犁体曲面的设计就成为铧式犁设计中的核心问题。犁体曲面形状非常复杂，是一个扭曲的空间曲面。它不能用简单的常规曲面方程描述，亦不能通过常用的三视图表示。犁体曲面二维设计主要通过尺寸齐全的曲面正视图、俯视图和样板曲线图来表示，其俯视图、主视图和样板曲线图的绘制通常都是用作图法获得。这种设计方法，绘图工作量大.从条件到设计结果要进行多次变换.绘图误差和度量误差也较大。另外。犁体曲面的设计一般都要凭借经验和实践，设计结果需要经过反复的试验、修正、改进，以最终满足犁的工作要求。每一次参数的改动，都要重新绘制犁体曲面图纸。这样使得犁体曲面的设计任务繁重、设计周期长、费用高。近年来，CAD技术发展迅猛.但一般的CAD/CAM软件系统是通用性支撑平台.没有提供针对农机行业的专用CAD模块。因此借助功能强大的通用CAD平台.二次开发针对农机行业的专用模块CAD系统是一条可行之路。SolidWorks是美国SolidWorks公司开发的三维CAD产品.在操作平台上基于Windows.在技术内核上基于先进的Parasolid图形语言平台.采用VC++编程和面向对象的数据库来开发的三维CAD软件。便于用户的二次开发，设计过程简单、使用方便。利用SolidWorks强大的曲面造型功能.可以绘制出很逼真的犁体曲面，用于下一步的仿真、运动分析。但犁体曲面设计参数数量多.并且参数取值变动频繁.这就要求软件在设计过程以尺寸驱动。进行参数化设计。

　　不同类型的犁体曲面设计方法各不相同.主要设计方法有：在试修法的基础上测绘获得犁体曲面，这种方法主要用于改进已有的犁体曲面;用几何作图法和数学分析法设计犁体曲面。这种方法主要用来设计新的犁体曲面。本文涉及的是几何作图法。犁体曲面的作图法根据成型原理的不同而不同.常见的作图法有水平直元线法、倾斜直元线法和曲元线法。

　　1、水平直元线犁体曲面的形成原理

　　犁体曲面可以看作是由直线或曲线在空间按照一定规律运动而成。这些构成曲面的直线或曲线。称为"元线"。元线在空间的运动，可由直线、曲线或平面来控制。这些控制元线运动规律的几何要素称为导线或导面(在几何学上又称为"准线"或"准面")。目前国内外的铧式犁产品中.以用水平直元线或倾斜直元线所形成的犁体曲面为最多。由水平直元线构成的扭柱型曲面，其形成原理如图1所示。直元线在运动过程中始终保持水平.即以沟底平面作为导向面，同时直元线又始终与一条平面曲线(导曲线)相接触。导曲线位于与铧刃线相垂直的平面内。此外，元线在空间的位置还取决于它同沟墙平面的夹角的变化规律。由此可见，当导曲线的参数和元线角的变化规律确定之后.水平元线的运动即可唯一确定一个曲面。这种设计方法是在大量的实践的基础上形成的，在生产中得到了广泛的应用。

　　这种方法的优点是设计参数较容易控制.可以通过有规律地改变参数，得到不同的犁体曲面。

　　2水平直元线犁体曲面原始零件的绘制

　　根据前面所介绍的SolidWorks的产品参数化设计的思想.下面以BTU35型号的犁体曲面的数据为初始数据。根据直元线法形成原理绘制犁体曲面。在SolidWorks中新建一个零件，命名为"犁体曲面"。步骤如下：

　　2.1建立基准面

　　首先将"右视"面改名为"胫刃线面"，点击"草图绘制"，选择"中心线"，通过原点作出三条中心线，退出"草图绘制"。

　　选择"胫刃线面"和其中一条基准轴，再选择"生成基准面"，在"属性管理器"中，选择"角度"，输入"90"。"确定"，得到一个新的基准面，命名为"胫刃线面".因为铧刃线与胫刃线面的夹角为θ0(BTU35的θ0等于42°)，导曲线面与胫刃线面的夹角为(90-θ0)。同理在"生成基准面"的"属性管理器"的"角度"中输入"48"。得到一个新的基准面，命名为"导曲线面"。在"方程式"中添加"1"DI@导曲线面"=90-"元线…/48deg"。可知48°只是一个从动尺寸。对于犁体来说，设θ0至θmin之间的元线角为直线规律，根据经验值我们假设犁铧高度为75mm.把这一部分分为三个间隔(即在犁面上分成三个水平元线)。选择"铧刃线面"，选择"生成基准面"，在其"属性管理器"中的"距离"中输入"25".得到一个新的基准面，命名为"直元线面1";重复上述步骤，输入"50"，"75"，分别得到新的基准面，命名为"直元线面2"、"直元线面3"。在"方程式"中添加：

　　2"D1@直元线面1"=75/3 /25mm

　　3"DI@直元线面2"=75*2/3 /50mm驱动方程。

　　4"D1@直元线面3"=75 /75mm

　　在θmin至θmax之间的总距为：导曲线高-7.5=36-7.5=28.5cm。采用水平元线间距为5 cm.选择"直元线面3"。选择"生成基准面"，在"距离"中分别输入"50"，"100"，"150"，"200"，"250"，"285"。将新基准面分别命名为"直元线面4"等。

　　在方程式中添加：

　　5"D1@直元线面4"=50 /50mm

　　6"D1@直元线面5"=2*"D1@… /100mm

　　7"DI@直元线面6"=3*"D1@… /150mm

　　8"Dl@直元线面7"=4*"D1@… /200mm

　　9"D1@直元线面8"=5*"D1@… /250mm

　　驱动方程。到此为止，所有的基准面全部确定。

　　2.2导曲线的绘制

　　导曲线是由一段直线和一段抛物线构成。选择"导曲线面".选择"草图绘制"。先绘制一段直线和一段抛物线，然后选择"添加几何关系"，在其"属性管理器"中，选择该段直线和抛物线，添加"相切"关系;选择"尺寸标注"。添加如图所示的尺寸约束.可以确定导曲线;在"方程式"中添加：

　　10"DI@直元线面9"="导曲线高… /285mm

　　驱动方程。即可得到导曲线，如图2所示。

　　3常用型号水平直元线犁体曲面数据配置

　　为了方便用户的使用，将一些常用型号的犁体曲面数据直接保存在SolidWorks的配置中，在用户选择某一型号时，可以直接调用，大大地减少了程序数据的录入，同时提高了运行速度，能够较快地得到零件.这种方法适用于参数较多的复杂零件。图6所得到的犁体曲面是按照BTU35型号的立体参数所绘制的.为了得到相似形状的不同型号的犁体曲面，可采用系列零件表存放犁体的各个驱动参数.不同的参数值将会得到不同型号的犁体曲面，在使用时只需要在"配置管理器"中打开所需要的配置。"重新建模"即可。具体方法如下：

　　(1)在"特征管理器设计树"中，右键单击"注解"文件夹，选择"显示特征尺寸"，特征定义的一部分尺寸变为蓝色，将零件中的每一个驱动尺寸和特征尺寸重新命名，使之一目了然，便于查找对应。

　　(2)选择"插入"菜单中的"系列零件表"，新建一个Excel工作表，这时一个Excel工作表出现在零件文件窗口中.Excel工具栏取代了SolidWorks的工具栏，在默认情况下，第三行(A3)命名为第一实例列.标题单元格的(B2)是激活的。

　　(3)双击某一驱动尺寸数值，尺寸名称自动插入单元格(B2)，尺寸之自动插入单元格(B3)，相邻的列标题单元格C2自动激活，重复这一操作，将所有的驱动尺寸及特征尺寸全部添加在表格中。

　　(4)对应着同一参数，输入BT30和BT35的不同的数值，完成以后.点击表格以外的任一地点，就可以退出"系列零件表"。所建系列零件表如图7所示。

　　(5)这时在"配置管理器"中就添加了BT30和BT35两种配置。使用时只需要先选择所需型号的配置，再"建模"即可。为了方便用户的使用，我们将常用型号的犁体曲面的数值通过方程式、系列表等封装在配置中，在需要选取常用型号的犁体曲面时，只需通过组合框中的型号提取所对应的配置即可。

　　4水平直元线犁体曲面参数化流程

　　在前面创建了水平直元线犁体曲面模型的基础上.需要编写程序实现水平直元线犁体曲面的参数化驱动程序。

　　首先在"SolidWorks Add-in App Wizard"创建一个工程"OpenDoc".选择除"Overload WNDPROC of ModelView"外所有的复选框。

　　在OpenDocPage.h中定义所需要的组合框、数字框等，在OpenDocPage.cpp中，对COpenDocPage的构造函数COpenDocPage添加初始化代码.在COpenDocPage的析构函数～COpenDocPage中添加要释放的各种对话框。在Layout函数中添加各个对话框及描述.以犁体曲面为例。在组合框中选项的个数是通过常用犁体曲面型号的个数确定的，数字框的个数是通过犁体曲面的驱动尺寸的个数确定，程序流程图如图8所示。

　　5结束语

　　本文利用水平直元线法犁体曲面的形成原理，二次开发基于SolidWorks本身特点的属性管理器对话框，结合SolidWorks强大的三维造型功能开发了水平直元线犁体曲面参数化设计模块，并实现了所研发系统与SolidWorks系统的无缝集成，有效解决了水平直元线犁体曲面设计过程复杂、误差大，劳动强度高等一系列问题。使水平直元线犁体曲面的优化设计变得非常直观和方便.利于犁体产品进一步开发的系列化和标准化.达到了缩短设计周期、增加经济效益的目的。