天信儀表集團有限公司 葉友意/章宦輝/王滔/侯畔畔/黃玉良

來源：《計量技術》2019年第6期

摘  要 介紹了參數化設計概念，根據雙腰輪氣體流量計基本原理結構，對關鍵尺寸進行設置，例舉了零部件參數化設計過程?；赟olidworks軟件的方程式、全局變量等功能，實現整個產品設計參數互聯，配合裝配約束關系，進行快速參數化設計開發，節約設計成本，提高研發效率。

關鍵詞 Solidworks；參數化設計；雙腰輪流量計；全局變量

引言

參數化設計是指參數化模型的尺寸用對應的關系標示，而不需要用確定的數值，通過調整參數的數值來實現改變模型的相關尺寸，通過調整參數來修改模型的幾何形狀，實現零件的造型。在現在的工程應用中，一個機構由多個零件組成，通過零件的參數化設計，擴展到整個機構，實現機構的參數化設計，提高設計效率。

常用的參數化設計CAD軟件中，主流的應用軟件有Pro/Engineer、UGNX、CATIA和Solidworks，Solidworks憑借功能強大、易學易用和技術創新三大特點，成為全球裝機量最大、最好用的軟件。本文基于Solidworks軟件對雙腰輪氣體流量計進行參數化設計研究，實現整個產品的快速建模。

1 參數設定

在設計之前，我們首先要確定產品適用的流量范圍及轉子的轉動速度范圍，不同的轉速對應的軸承也不相同。根據氣體腰輪流量計結構，需要確定的參數有：最大流量Vmax、最大轉速nmax、轉子中心距a、端板與轉子間隙δ1、轉子與殼體間隙δ2、轉子嚙合間隙δ3、漸開線基圓rb等。把這些參數設置為全局變量（有些變量可以用方程式來表達），為參數化設計提供快捷數據，數據確定后把全局變量鏈接至外部文件，為整個項目零部件設計做準備。

2轉子參數化設計

根據轉子輪廓線特征，選擇采用多段漸開線和圓弧線段組成，該漸開線體現在圖1中的bc曲線上，漸開線方程如下：

（1）

式中：rb為實際基圓半徑，mm；為滾動角，rad；xk為第K點的x軸坐標；yk為第K點y軸坐標。

使用Solidworks中方程式驅動曲線功能，后面的方框中輸入對應的方程式（在方程式曲線里面需要將角度制轉化為弧度制數值）。

為了方便快速地驗證模型間隙的準確性，這里采用CAD軟件中插值樣條曲線偏移功能來實現間隙的調整：

（2）rb= aK1-K2δ3                                                  

 式中：a為轉子中心距，mm；K1為理論完全嚙合系數，對應方程式（1）只有唯一解；K2為理論基圓和偏移后基圓的差值系數，需要通過模擬計算得出，不同的rb對應的K2也會不同；δ3為轉子嚙合間隙，mm。

這種方式計算的好處是可以直接調整K2數值改變間隙，節省計算機計算時間，簡化參數設計。然后用Solidworks軟件草圖功能畫出轉子輪廓，圖1中可以看出輪廓上下左右對稱，只需對方程曲線做鏡像操作即可完成。

圖1轉子輪廓草圖

由于兩個嚙合轉子成90°，所以圖1中L與R1可以用方程式關聯：

（3）R1=a-L-2                                  

式中：R1為轉子最大轉動半徑，mm；L為轉子凹進去部分最小長度，mm。

通過方程式關聯可保證R1不會干涉到L。轉子輪廓線完成后，用CAD軟件或三維軟件直接計算可以得出單個轉子與殼體形成的腔體截面積S，如圖2所示。

圖2轉子與殼體形成的截面積

由于轉子轉一圈有4個腔體體積排出，雙腰輪相當于兩倍體積量，單位換算后可得：

 （4）L1=Vmax×109 / ( 60×nmax×S×4×2 )                    

式中：L1為轉子長度，mm；Vmax為最大流量，m3/h，nmax為最大轉速，r/min，S為轉子與殼體形成的腔體截面積，mm2。

最后根據轉子輪廓及長度，完成轉子的3D建模。根據已經確定的中心距a及轉子的嚙合關系，調入2個轉子零件組建裝配體，分析計算兩個轉子的嚙合間隙，如需調整間隙只要微調K2數值即可改變整個輪廓曲線。

3殼體參數化設計

殼體的作用是裝載流量計所有部件，提供有效的計量腔體。殼體加工精度要求高，加工時間相對較長，在研發階段需考量如何有效、快速地設計及調整。

殼體的內部腔體尺寸與轉子尺寸有直接關系，可以調用之前設計轉子時的全局變量參數：新建零件—工具—方程式選項，選擇鏈接至外部文件，在保存的TXT文本的全局變量處就可以看到之前的變量參數。殼體、腔體尺寸調用全局變量數值，完成繪制，如圖3、圖4所示。

圖3殼體拉伸建模

圖4殼體腔體切除草圖

（5）L2=L1×2+L3+δ1×4                         

（6）R2= R1+δ2                                           

（7）L4=L1+δ1×2                              

式中：L2為殼體長度，mm；L3為殼體中間軸承位寬度，mm；R2為殼體內部腔體半徑，mm；L4為內部腔體切除深度，mm。

對L4切除特征做鏡像處理，完成殼體腔體建模。零件尺寸調用外部全局變量數值后，外部鏈接文件的數值變動，殼體、轉子等其它關聯零件尺寸都會改變，實現整個產品設計參數互聯。

4 小結

本文舉例兩個關鍵零件參數化設計過程，實現零部件全局變量參數的統一。在實際產品設計中，引入零件裝配關系作為約束也是必不可少的，合理建立零件之間的裝配約束關系，確保零件之間的相對位置關系；同時建立零部件相互關聯的參數之間的關系，保證參數之間可以聯動，這樣就可以實現同步更新，最終實現整個產品的參數化設計。

參數化設計系統中，設計人員根據工程關系和幾何關系來指定設計要求。要滿足這些設計要求，不僅需要考慮尺寸或工程參數的初值，而且要在每次改變這些設計參數時來維護這些基本關系。參數化設計可以顯著提升設計效率，當然設計師對產品結構熟悉程度也極為重要，對設計師本身也提出了更高的要求。

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