SolidWorks APl支持的无堵塞污油泵叶轮参数化设计与啮合仿真

2013/10/10 21:35:45      点击:
摘要
叶轮是的核心部件。在叶轮的型线方程进行数学描述的基础上,阐述了在SolidWorks三维CAD平台下,基于SolidWorks API的参数化设计方法。在此基础上,对叶轮三维实体参数化建模以及动态啮合仿真的步骤与流程进行了深入分析。以Visual Basic为开发工具,基于SolidWorks API,开发软件实现了叶轮三维实体模型的自动生成以及叶轮的动态啮合模拟,为叶轮的优化设计提供了CAD软件工具。
关键词
无堵塞转子泵;叶轮;SolidWorks;无堵塞污油泵

无堵塞污油泵是一种利用2个叶轮在气缸内作相对运动和输送气体的回转压缩机。由于其结构简单,使用维修方便,容积效率高,并具有输送介质不含油等特点,因此在多个工业领域得到了广泛应用。无堵塞转子泵的核心部件是叶轮,其设计较为复杂,叶轮设计的好坏关系到整机的工作性能及使用寿命。随着CAD技术的日益普及,叶轮的设计目前已开始在商用CAD支持下进行三维建模和设计。大都采用人工设计计算,人机交互三维建模的设计方式,使设计周期变长,计算工作量变大,难以达到理想的设计效果。因此,通过三维CAD软件的二次开发功能,实现叶轮的参数化设计,即在CAD环境下,由计算机自动完成叶轮设计分析计算,三维图形建模和啮合过程动态住址,可大大提高设计效率与质量。


1、叶轮型线的描述与表

1.1叶轮型线方程

污油泵叶轮型线是由多段不同的曲线段首尾相接组成的封闭曲线,典型的曲线类型包括:内摆线、外摆线、渐开线、圆弧。圆弧的方程较为普遍,在此不做具体说明。下面具体列出较为复杂的渐开线方程和摆线方程。
(1)渐开线方程
x=r(cost+tsint)
y=r(sint-tcost)
式中 r---基圆半径
t---型线参数,以逆时针为正。
(2)摆线方程
x=acos(t+Q)-bcos(ct+Q+A)
y=asin(t+Q)-bsin(ct+Q+A)
式中 b---摆径
         r---滚圆半径
         R---基圆半径
         t---滚圆中心相对基圆中心的角位移,以逆时针为正
         Q---滚圆起始点位置,OO1与O2轴的夹角,以逆时针为正
         A---滚圆在初始位置时,摆径与连心线OO1的夹角。
内摆线方程为 
x=acos(t+Q)+bcos(ct+Q+A)
y=asin(t+Q)+bsin(ct+Q+A)
其中a=R-r,其他符号的意义与外摆线相同。
1.2叶轮型线的表达 

污油泵叶轮的型线由若干个圆周向均布的齿型曲线构成,在叶轮齿数确定的情况下,叶轮的型线可由一个齿的齿型曲线表示。

 

2基于SolidWorks API的叶轮参数化设计方法分析
 (1)SolidWorks及其参数化设计 
SolidWorks是基于Windows的主流三维特征造型软件,已广泛应用于众多工业领域。为方便用户进行二次开发,SolidWorks提供了丰富的API函数,这些函数是SolidWorks的OLE(对象的链接与嵌入)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。 
基于SolidWorks API的零件参数化设计方法有2种:①利用SolidWorks的尺寸驱动机制,在内嵌的Excel工作表中指定参数,创建多个不同配置的零件;②利用编程语言作为开发工具,对SolidWorks进行二次开发,用程序实现参数化设计。第1种方法需要首先建立模板模型,通过调用API函数修改系列零件设计表的各个参数,来生成不同尺寸的零件模型,从而完成零件的参数化设计。但这种方法只适用于设计变量较少,结构形状比较定型的系列化、标准化产品。第2种方法编程虽然没有第1种方法简单,但其通用性好,不仅适用于简单零件,而且对于形状特征较复杂的零件也适用。
 (2)无堵塞污油泵叶轮参数化设计方法
无堵塞转子泵叶轮的模型是建立在复杂的数学模型基础上的,特征的创建较为复杂,尤其对于摆线、渐开线等不规则曲线,根本无法用尺寸驱动来完成曲线的绘制。因此,只能采用第2种参数化设计方法,用人机交互的方式输入合理的设计参数,通过调用相应的API函数来实现特征的创建,从而得到叶轮的三维实体模型。

3、基于SolidWorks API叶轮参数化建模与啮合仿真 
3.1 叶轮参数化设计基本流程分 
在得到叶轮端面型线的组成曲线参数后,为了实现在Solidworks环境下自动生成叶轮三维实体模型,需按照叶轮三维几何造型的基本步骤,利用Vis- ual Basic调用Solidworks API,实现Solidworks环境下叶轮三维实体模型的自动生成。要完成啮合仿真,就必须在装配体环境下建立好装配模型,设定好正确的装配关系,并设置必要的配合参数。通过调用Solidworks API,使零部件的配合参数以一定的 时间间隔有规律的变化,就能实现其动态仿真。主要步骤如下:
(1)建立一个草图平面,并在该草图平面上绘制渐开线、摆线、圆弧,生成端面草图;
(2)利用端面草图进行实体拉伸建立叶轮三维 。模型,生成叶轮三维实体模型;
(3)重复上述步骤,再生成一个同样的叶轮实体模型;
(4)将生成的两叶轮实体在装配体环境下进行 配合,生成叶轮装配体模型。
(5)在装配体环境下,对两叶轮进行动态啮合仿真,生成叶轮啮合动画。
3.2主要API函数调用分析

(1)叶轮三维参数化建模主要API函数调用分析

无堵塞转子泵叶轮三维参数化建模的关键是生成叶轮端面型线,而叶轮端面型线是由不同的曲线段组成,所以准确地生成端面型线各组成曲线段是 叶轮三维建模的前提。利用Visual Basic调用Solid-works API函数即可绘制叶轮端面型线。若组成曲线段是圆弧,则自动调用API进行绘制。如果是渐 .开线、摆线等不规则曲线,由于没有相应的函数直接绘制,则需要通过计算曲线上的加密点坐标,插入通过这些点的样条曲线来实现。当所有的组成曲线段绘制完成,即根据输入的叶轮厚度,以端面型线为草图进行实体拉伸,从而完成无堵塞转子泵叶轮三维实体建模。
 (2)叶轮动态啮合仿真主要API函数调用分析
建立叶轮装配体并设定好装配关系后,通过改变配合角度的数值以驱动叶轮位置变化。使叶轮旋转一定的角度,与此同时,另一叶轮按照传动比(1:1)也相应地旋转一定的角度,暂停一定时间后,重复上述操作,即可实现两叶轮的动态仿真。

4、叶轮三维参数化建模与啮合仿真实

按上述提供的思路和方法,以Visual Basic 6.0和SolidWorks API作为软件开发工具,开发软件实现了叶轮三维实体模型的自动生成以及啮合仿真。

如图l所示的无堵塞转子泵叶轮参数化设计与啮合仿真参数输人界面。当输入需要的参数后,点击 “生成叶轮三维实体图”按钮,就在SolidWorks中自动绘制出叶轮实体,并且在装配体环境下通过配合将两叶轮装配起来。在装配体环境下,通过点击“模拟开始”按钮,就可实现两叶轮的动态啮合仿真,点击“暂停”,可观察叶轮旋转到某角度时的啮合情况。以三叶渐开线叶型为例,叶轮型线中每个齿均由2段圆弧和l段渐开线组成,叶轮中心距为200 mm,外圆半径为150 nlln,叶轮厚度为200 nlln,由软件生成的叶轮三维实体模型以及两叶轮动态仿真某一瞬间的啮合情况如图2所示。

图1 叶轮参数化设计与啮合仿真参数输入界面

图2叶轮三维实体造型及啮合仿真 

5、结语 
本文在已知叶轮结构参数的基础上,采用SolidWorks APl支持的程序建模的参数化设计方法,以Visual Basic 6.0为开发工具,在S0lidWorks环境下,开发软件实现了无堵塞转子泵叶轮三维实体 模型的自动生成及叶轮的啮合仿真。利用Solid Works API的二次开发功能,使不同参数的叶轮几何建模变得简单、准确,提高了叶轮的设计质量。
采用交互式的人机界面,使操作更加方便,大大提高了工作效率。通过动态模拟两叶轮的啮合运动,无论在无堵塞转子泵的设计验证还是在性能评价方面都具有重要的实际意义。

参考文献

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[2]基于SolidWorks的塑料注射机螺杆的参数化设计.机械设计与制造,2008(3):33—35.
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[4]无堵塞转子泵圆弧形双叶轮参数化设计.企业技术开发,2006(11):6—8.
[5]cP型单螺杆压缩机的计算机辅助设计.上海理工大学学报.2004(4):368—371.
[6]螺杆转子啮合过程动态仿真.机床与液压.2003(5):59—60.


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