标准配置驱动的滚动轴承三维标准件图库开发＊

姚 慧，曹 岩，白 瑀，杜 江

（西安工业大学 机电工程学院，西安 710021）

在机械产品的设计与制造中，对于螺钉、弹簧、轴承等标准件的应用无处不在，具有关机械企业的所有零件调查统计报告显示标准件的使用约占零部件总数的50%，典型的变型零件占40%.生产实践证明标准件不但性能优良能够保证产品质量，且可有效降低企业生产成本［1-3］.随着计算机软硬件技术的迅猛发展，CAD系统已成为产品设计过程中必不可缺少的部分，它正逐步应用于由初始设计、配置设计、详细设计、制造和拆卸组成的产品设计全生命周期［4］.而应用CAD技术研究和开发标准件库方面，在国内外也逐渐受到重视发展起来，目前国内已经开发出基于Pro／E平台的冲模模具标准件库［5］、连接紧固件标准件库等［1］，国外如：韩国在模具自动化设计方面，已开发出模具标准件的重用和检索系统，该系统已应用于韩国知名企业现代重工，提高了模具设计效率，减少了设计错误［6］.

对于机械产品中频繁使用的轴承，设计人员有大量的绘图和建模工作于此相关，依靠传统方法设计人员需要反复查阅设计手册，寻找数据，工作量大且枯燥，因此，需要一种准确、直观、快捷的标准件绘图与建模的方法.当前，大部分CAD软件都具备良好的开放式的二次开发平台，为解决标准件的绘图与建模问题提供了技术支持，文中正是在SolidWorks软件中，研究开发了基于标准配置的通用滚动轴承三维标准件图库.

1 滚动轴承标准件库的结构设计

文中在研究与开发轴承三维标准件图库时，以通用滚动轴承的最新国家标准和行业标准为依据，来进行几何参数和基本结构的配置，以保证最大范围的满足国内机械行业产品设计与制造的要求.基于SolidWorks开发环境下的通用滚动轴承标准件图库系统结构如图1所示.

图1 轴承标准件库系统结构图Fig.1 The overall framework of the standard bearing library

系统由交互式管理界面、轴承关系数据库、参数化驱动程序和轴承参数化样板模型库4个模块组成.其中，轴承参数化样板模型库由所有类型或系列的滚动轴承三维样板模型构成，每个样板模型都是基于特征造型技术进行轴承建模，模型的几何尺寸并非具体数据而是变量，当用户通过管理界面操作系统时，通过轴承分类目录调用轴承关系数据库和轴承参数化样板模型库，分别检索相关轴承几何尺寸参数数据和特定的样板模型，最后通过参数化驱动程序进行对应变量赋值，进而形成对样板模型的尺寸约束和驱动，生成用户所需轴承三维模型.

2 系统开发关键技术

2.1 交互式管理界面设计

由于Visual C＋＋6.0强大的集成化开发环境、可视化编程方式以及MFC程序类库在设计Windows应用程序中的广泛应用，使得Visual C＋＋已成为广泛应用的软件开发工具，文中采用Visual C＋＋6.0开发用户管理界面，在Solid－Works软件的COM接口支持下，使用Visual C＋＋开发该标准件库系统的DLL程序，并在Solid－Works界面中添加用户菜单“滚动轴承标准件图库”，通过注册表注册成为SolidWorks插件［7］.文中系统界面由多个对话框窗体构成，形成层次关系，主界面的设计以直观、操作便捷为原则，在用对话框编辑器创建对话框模板资源和添加控件时，以图像、列表和按钮控件为主，将主界面划分为：通用滚动轴承分类目录、滚动轴承二／三维样板模型结构图和轴承关系数据三个主功能区域，如图2所示.再用Class Wizard为对话框生成CMainDlg，并加入所需成员变量［8］.当用户在进行轴承构型时，通过交互式操作，系统界面起到轴承关系数据库和轴承参数化样板模型库间的连接作用，引导用户逐步完成特定轴承的参数化建模.

图2 系统界面及深沟球轴承的选择Fig.2 Interface of the standard bearing library

2.2 系统数据库设计与访问

滚动轴承种类多、数量庞大，且不同类型或系列的滚动轴承其几何参数的个数和数值类型都各不相同，为了同时满足用户使用和系统开发的要求，系统以最新国家标准、机械行业标准、《最新轴承手册》和最新版《机械设计手册》为依据，对通用滚动轴承的类型和数量分别进行了详细和准确的划分与统计，将通用滚动轴承中最常用的轴承分为11大类，132小类，采用Microsoft Access 2003数据库创建滚动轴承关系数据库及其检索和查询功能，根据轴承类型划分，每个数据表存储一类轴承标准件的数据，系统数据库共计存储了8841个标准零件的详细技术参数.系统通过Visual C＋＋程序实现Access数据库与SolidWorks的连接，便于用户在SolidWorks下对数据库中数据的检索、修改、更新和删除等操作，系统对Access数据库的接口方案，如图3所示，在Visual C＋＋环境下，文中系统使用COM组件中用于存取数据源的ADO访问数据库［9］，具体实现方法为

1）引入ADO类型库中的msado15动态链接库.

2）应用msado15动态链接库中已定义的ADO接口对象访问Access数据库，包括：应用Connection对象实现数据库连接，应用Command对象实现数据库操作，应用Recordset对象实现查询结果保存等.

图3 轴承关系数据库接口方案Fig.3 The interface of bearing access database

由此，系统可根据用户的操作完成对数据库中某一元组属性的读取，形成对应滚动轴承参数化构型的外部参数文件.

此外，为了准确、高效的引导用户检索轴承数据和获得轴承模型，系统还专门设计了滚动轴承二维结构示意图库和滚动轴承三维模型图库.当用户在检索轴承几何参数时，系统通过并行检索程序，检索并显示出对应类型轴承的二维结构图、轴承安装图及轴承三维模型结构图，以帮助用户了解轴承结构，装配方式等专业知识，该系统中滚动轴承标准件信息检索流程如图4所示.

2.3 基于特征建模的滚动轴承自动化构型

图4 滚动轴承信息检索流程Fig.4 The inquiry flow of rolling bearing data

考虑到滚动轴承分类细，种类多，且在实际生产中几乎所有类型的滚动轴承都是由内圈、外圈、滚动体、保持架等零件装配而成的组件，因此，在构建轴承样板模型库时，对于每一类滚动轴承的结构都进行了详细的分析，将国标规定的轴承二维结构图表示形式、实际轴承零件以及目前行业领域中常用的轴承三维模型结构进行了对比分析，从而构建了既符合国标要求又满足行业使用的轴承三维模型样板模型.如：圆柱滚子轴承是由内圈、外圈、保持架和圆柱滚子组成，轴承内径d、外径D和宽度

B是其关键参数，在进行绘制二维结构图时，国标规定保持架不需绘制，但在文中系统中，构建轴承三维模型时包括了保持架，此时保持架几何参数则作为轴承模型的从属参数.其次，在构建轴承样板模型时，根据同系列轴承标准件相似性原理，确定能够完整表示该系列标准件所有零件特征的复合零件，分析其特征及特征的创建顺序［1］，利用SolidWorks强大的建模功能创建滚动轴承样板模型.基于特征建模的滚动轴承参数化建模流程如图5所示，关键步骤：① 为确保标准件库派生的轴承模型符合工程设计需要，对每一类轴承结构进行详细分析，确定符合标准要求的轴承样板模型结构，为确保轴承样板模型经参数驱动不会发生特征再生失败，分析轴承样板模型的建模方法，包括建模特征、特征创建顺序及由此形成的特征之间的“父子”关系，通常先创建变化程度小的特征，后创建变化程度大的特征；② 针对每一类或系列滚动轴承，利用SolidWorks的建模功能创建轴承样板模型，并在模型上定义约束参数，以及建立约束参数之间的函数关系；③ 利用外部参数文件和参数化驱动程序，系统建立轴承样板模型的约束参数与数据库中该类型轴承数据表中的设计参数之间的关联，以便进行轴承样板模型的参数化驱动，通过特征的布尔运算，派生子零件模型；④ 通过验证程序将派生的子零件模型的关键参数与其数据表中预先保存的数据进行对比验证，并将验证结果按数据表中“零件编号”属性所定义的零件名称进行记录，存入格式为＊.txt的文件，反馈给用户.

图5 基于特征建模的滚动轴承参数化建模流程Fig.5 Parametric modeling process of rolling bearing based on feature

3 系统应用

以深沟球轴承60000型为例，说明滚动轴承标准件库的应用.启动SolidWorks进入系统初始环境，单击菜单项“滚动轴承标准件图库”，进入文中系统主界面［10］，如图2所示，单击“滚动轴承分类”列表中的“深沟球轴承（GB／T 276－1994）”→“普通深沟球轴承”→“60000型”选项，系统界面可显示深沟球轴承的二维结构示意图和轴承数据，单击“三维渲染图”显示深沟球轴承的三维模型图，如图6所示.

图6 深沟球轴承的三维模型Fig.6 Three dimensional model of deep groove ball bearing

选择数据库中第一组数据，单击“打开”按钮，系统会派生深沟球轴承的零件模型，如图7（a）所示，单击 “详细数据”按钮，可显示关于该零件模型的所有参数数据，如图7（b）所示.

图7 编号GBT276－1994＿60000＿1的深沟球轴承零件模型Fig.7 GBT276－1994＿60000＿1deep groove ball bearing model

4 结论

利用SolidWorks软件建模功能和二次开发环境，研究并开发了滚动轴承标准件图库系统，用户界面直观、友好，操作便捷.系统数据库的构建以国标和机械标准为依据，数据准确、详细，数量大，能够覆盖机械行业应用领域.基于特征建模的轴承样板模型经过参数化驱动派生的轴承零件模型结构合理，结构参数准确，满足工程设计人员的要求.该系统能够帮助工程设计人员减少轴承选型工作中反复查阅手册，重复绘图和建模的工作量，有效提高产品设计效率，系统经测试和初步推广使用，效果良好.该系统的设计方法也可推广至UG、Pro／E等软件环境中开发通用滚动轴承或其他标准件的三维图库.

［1］曹岩，杨艳丽，白瑀，等.面向机械设计手册的基于Pro／TOOLKIT的三维标准件库开发［J］.制造技术与机床，2011（9）：56.CAO Yan，YANG Yan－li，BAI Yu，et al.Machinery Design Handbook Oriented 3DStandard Parts Library Development Based on Pro／toolkit ［J］.Manufacturing Technology ＆ Machine Tool，2011（9）：56.（in Chinese）

［2］黄小龙，张子兵.基于Pro／E的三环减速器参数化设计系统开发与研究［J］.机械设计与制造，2007（4）：66.HUANG Xiao－long，ZHANG Zi－bing.The Research on Parametric Design System of Three－ring Gear Reducer Based on Pro／ENGINEER［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2007（4）：66.（in Chinese）

［3］贾承安，郝滨海，徐桂华.基于Pro／Family Table十字轴类冷挤压件三维零件库的开发［J］.锻压装备与制造技术，2007（5）：96.JIA Cheng－an，HAO Bin－hai，XU Gui－hua.Development of Three－dimensional Cross Shaft Cold Extruding Parts Database Based on Pro／Engineer Family Table ［J］.China Metal Forming Equipment ＆Manufacturing Technology，2007（5）：96.（in Chinese）

［4］SEHYM M，SOONHUNG H.Knowledge－Based Parametric Design of Mechanical Products Based on Configuration Design Method ［J］.Expert Systems with Applications，2001，21：99.

［5］FAN Q M，LIU G，WANG W.Development of Die Sets Standard Parts Library Based on Pro／E ［J］.Procedia Engineering，2011，15：3802.

［6］MOK H S，KIM C H，KIM C B.Automation of Mold Designs with the Reuse of Standard Parts［J］.Expert Systems with Applications，2011，38：12537.

［7］翟彤.基于SolidWorks二次开发的零件参数化设计［J］.武汉工业学院学报，2007，26（1）：49.ZHAI Tong.Development Technology of Component Parameterization Design Based on SolidWorks［J］.Journal of Wuhan Polytechnic University，2007，26（1）：49.（in Chinese）

［8］何岸杨.SolidWorks二次开发方法研究［J］.科技信息，2007（28）：69.HE An－yang.Research on the Second Development Method of SolidWorks［J］.Science ＆ Technology Information，2007（28）：69.（in Chinese）

［9］赵盼，张燕，薛峰，等.基于SolidWorks二次开发的零件三维参数化设计及装配［J］.科学技术与工程，2010，10（7）：1674.ZHAO Pan，ZHANG Yan，XUE Feng，et al.Component 3DParameterization Design and Assembly Based on SolidWorks Development［J］.Science Technology and Engineering，2010，10（7）：1674.（in Chinese）

［10］曹岩，白瑀.常用滚动轴承手册与三维图库（SolidWorks版）［M］.北京：化学工业出版社，2011.CAO Yan，BAI Yu.Common Rolling Bearing Manuals and 3DModel Library（SolidWorks）［M］.Beijing：Chemical Industry Press，2011.（in Chinese）