农业机械变量化设计方法初探

副标题#e#      0引言
   
    农业机械的工作对象是土壤和作物等因素，其特点是种类繁多、作业复杂、工作环境较差、制造工艺要求高，因而传统的农业机械工程设计一般要在图纸上完成方案设计、技术设计和工艺设计，再试制样机，然后进行多点重复的田间试验，将试验结果反馈到图纸上进行修改设计。此法经过多次的反复试验和对样机的修改设计才能得到较满意的机型。这种方法存在以下缺点:在修改设计和系列化设计时，需要花大量的时间和精力手工绘图，设计手段落后、设计效率低;图形表达不直观，在制造之前无法看到零部件三维形状，许多问题只有在制造出产品后才能发现，产品设计周期长、成本高。随着科学技术的迅猛发展，计算机辅助设计(CAD)已广泛应用干机械设计的各个领域。CAD技术在经历了二维平面图形设计、三维线框模型设计、三维实体造型设计、自由曲面造型设计、参数化特征造型等发展过程后，近几年来又发展到了更高层次的变量化技术。变量化设计以变量为桥梁，将设计计算与三维模型设计有机地融合在一起，成为了目前三维CAD技术的重要发展方向。其主要应用有:变量化造型和变量化装配等。本文将变量化设计技术与SolidWorks相结合，提出了农业机械变量化设计的实现方法。
   
    1  SolidWorks简介
   
    SolidWorks是基于Windows的CAD/CAE/CAM桌面集成系统，是由美国SolidWork:公司在总结和继承了大型机械CAD软件的基础上，在Windows环境下实现的第一个机械三维CAD软件，于1995年11月研制成功。SolidWork。一贯倡导三维机械设计软件的"功能强大""易用性"和"高效性"。使用SolidWorks进行产品设计，设计人员不仅能够体会到SolidWorks强大的建模能力、装配能力以及灵活的工程图操作，而且可以感受到SolidWorks设计时所带来的轻松和效率。SolidWorks可直接以参数化、变量化、三维概念进行产品设计，具有现代设计方法的优越性。SolidWorks的设计输出是"所见即所得"的三维实体模型，可非常直观地表现产品的实际情况。SolidWorks还可以实现产品的虚拟装配，进行产品的结构验证、运动分析，从而提高设计的准确性。SolidWorks的零件、装配体、工程图的全相关性，可大大减轻设计修改的工作量，缩短产品研发周期。SolidWorks还提供了几百个API(应用程序接口)函数，这些API函数是SolidWorks的OLE(对象的嵌人与链接)或COM(组件对象模型)接口，用户可以使用VB /VBA/VC / Delphi等高级语言对SolidWorks进行二次开发，借助于SolidWorks本身丰富的数据接口在机械设计和制造方面进行产品的虚拟样机测试、仿真分析和快速制造，可大幅度缩短产品研发周期，降低开发成本。
   
    2变量化设计简介
   
    变量化设计技术是在参数化设计技术的基础上发展起来的。参数化设计是指对零件特征施加各种约束形式，该特征的几何形状与尺寸大小用参数的方式进行表示。这个参数不仅可以是常数，也可以是某种代数式。当设计人员改动图形的部分尺寸或修改已定义好的零件参数时，软件会自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。参数化造型与特征技术为机械CAD / CAM技术带来了革命性的变化。美国参数化技术公司(PTC)推出的PRO/E系统是参数化CAD软件的代表，在其推动下，20世纪90年代初，国际上许多著名的CAD软件都具备了参数化功能，如UG, I-DES, Catia, Solid Edge,SolidWorks等。参数化设计在技术上使用"顺序方法"对约束求解，以达到对数据相关、尺寸约束、尺寸驱动设计结果的修改。参数化设计方法用一种过程性的方式来表达几何元素的尺寸和位置，参数化造型记录建模过程、捕捉设计意图以及使用到的各种参数，整个记录过程按照顺序化的次序。同时，其利用一系列定义好的参数对模型进行顺序计算。参数化建模的优势在于速度非常快，缺点是用户必须提供集合元素的全部尺寸与位置信息，然后才能定义下一个元素。
   
    变量化设计方法将设计对象视为一个几何约束系统，这个几何约束系统由各种几何元素以及作用于这些几何元素之间的各种约束关系构成。变量化设计是以特征造型为基础，将相关变量链接，并形成若干个关键变量值，以驱动整个CA。模型。通过改变关键变量值，完成模型的更新，从而达到快速完成设计的目的。变量化设计以美国EDS公司I-DES为代表。变量化设计技术仍在不断发展，基于特征造型和变量驱动的设计方法将是CAD技术的前途所在。变量化设计允许对零件进行反复的编辑，设计者可以试探不同的设计方案或者生成不同的零件，从中获取满足要求的产品。对零件的编辑可以简单地通过改变其中的关系、数值来完成。变量化设计比参数化设计具有更大的自由度，可以充分发挥设计者的创造力和想象力，是CAD技术的又一次飞跃。以图1所示装配体为例，简要说明变量化设计过程。
   

    变量化设计时，定义若干个关键变量，其它变量通过一定的函数建立与关键变量的关系。关键变量修改后，其它相关变量重新计算，生成新的变量。图1所示装配体由零件"圆筒"和"销钉"组成，将圆筒的"内孔直径"设置为关键变量，销钉的"圆柱直径"设置为"圆筒内孔直径-1"。当圆筒"内孔直径"改变时，销钉的"圆柱直径"将随其改变。
   
    3变量化设计在农机设计中的实现方法
   
    在农业机械设计中，涉及到大量的产品零部件设计、装配设计等，以SolidWorks为例，提出基于SolidWorks的变量化设计方法。
   
    1)利用SolidWorks的方程式实现变量化设计。在SolidWorks的工具栏中提供一个可供用户操作的方程式，使用方程式可以给任何特征的草图尺寸或参数进行控制，实现变量化设计。如图1所示的装配体，假设圆筒的"外径"为"内孔直径+6"，销钉的"圆柱直径"为"内孔直径-1"。在SolidWorks中的变量化设计过程为:一是三维实体建模。利用SolidWorks的三维绘图功能.实现零件的三维实体建模，如图1所示。由于采用变量化功能设计模型.只需按常规方法绘制出零件模型，其尺寸不需要准确无误。二是标注尺寸添加方程式。对草图进行尺寸标注，添加如图2所示的方程式进行变量化设计。三是重建模型。改变圆筒的"内孔直径"，单击"重建模型"(所有的方程式在整个几何重建之前先全部求解出来)，就可以得到不同尺寸的新模型。
   

    在SolidWorks中应用方程式实现变量化设计，用户无需编程，直接在方程式列表中添加约束方程式就可以控制零件模型的形状和尺寸，既简单又方便;但是，该方法一般用于变量的数量较少，且各变量及尺寸之间的关系较为简单的场合，对于复杂的图形该方法较难处理。
   
    2)通过SolidWorks的二次开发实现变量化设计。通过SolidWorks的二次开发接口，将零件模型的结构和尺寸全部附以变量的形式，由程序控制零件模型的设计计算和特征构建。程序设计时无需考虑零件尺寸的大小，全部用变量表示，最后通过一个用户界面获得用户输入的数据，由程序驱动SolidWorks得到所需的三维模型。下面以VB6. 0二次开发SolidWorks为例，介绍变量化设计实现方法。