滚动轴承参数化设计关键技术研究

滚动轴承是一种应用非常广泛的标准零件。滚动轴承的多样化、结构、尺寸、公差等为设计者建模时带来大量繁重的工作。因此，需要建立轴承的参数化模型，来完成轴承的系列化产品建模。然而传统的轴承参数化设计都是采用自底向上的建模方法，这种方法的特点是首先建立所有不同尺寸的轴承子零件，然后再根据需要组装成不同尺寸的轴承组件。繁多的子零件操作严重的影响了这种方法的工作效率。为缩短轴承零件的开发周期，作者提出一种快速实现轴承参数化设计的方法。

1 产品结构定义及模型控制技术

产品结构的定义就是在创建或装配所有元件之前定义轴承组件的结构，在轴承参数化设计系统中，采用骨架模型进行产品结构定义和模型控制。产品骨架模型反映产品的功能需求和几何特征，并能实现不同层次抽象信息的统一表达，而且还含有构成产品的各个子模块之间的拓扑关系，它是整个产品自顶向下设计展开过程的核心，是各个子装配之间相互联系的中间桥梁和纽带，能够实现产品在设计过程中信息的传递、共享、继承和变更。

在产品设计中，可以把骨架文件理解为一个设计思路和参考标准，骨架是一些立体化的、有位置、有尺寸的点、线、面，这些点、线、面就像布局中的平面轴线一样为装配提供依据和基准。

骨架模型有如下优点：

（1）集中提供设计数据。

（2）零部件位置的自动变更因为零部件的装配都以骨架模型为参考基准，所以零部件的位置会随骨架模型的改变而自动变更。

（3）减少不必要的父子关系由于骨架为零部件的装配提供了关系依据，减少了不必要的参考。

（4）可以任意确定零部件的装配顺序只要以骨架为参考，即可没有必要规定零部件的装配顺序。

采用骨架模型进行产品开发的主要步骤：

（1）创建骨架曲线

骨架模型主要是确立产品中所包含的各个约束，这些约束包括确定零部件之间位置的装配约束关系、功能上运动行为的约束，以及对重要零部件的主要面的形状的约束。产品的骨架模型由约束产品位置的基准点、基准轴、基准线、基准面、基准坐标系和约束产品零件的形状的曲线、曲面所构成。产品的骨架模型是确定产品总装图中各部件及主要零件位置及整机的主要外形轮廓的依据。骨架模型使各零部件的具体结构的设计有章可循，也使零件间的能保证相互装配的细部结构的设计变得简单。

（2）实现骨架模型在三维空间中的映射，完成各零部件的详细设计实现骨架模型在三维空间中的映射即根据总骨架模型输出与各个零件部件相关的设计要求。具体说是通过复制机制完成以下几种复制过程。一种是内部复制几何参照是对于主装配的骨架模型而言，其几何参照的复制在系统内部产生。另一种是外部复制几何参照是对于子装配的骨架模型而言，其几何参照的复制在系统之间或零件之间产生。最后一种是基准参照的复制是构建骨架模型时，点、线、面及坐标系等的复制。即在与此零件相关的骨架的约束之下，通过具体的各种面及体的生成命令，把零部件的结构逐步细化。零件细节设计完成后不需再做额外的装配，因为这些零件及子装配件是在装配关系中以共同的基准和顶层骨架来完成的。

（3）变更骨架模型信息，实现产品的变型和系列设计

为了更好地适应市场个性化的要求，可以把某个零配件划分为一个可变模块。通过改变决定此模块的顶层基本骨架模型的有关约束来改变变型再设计，由于不再从基本的零件开始建模，只须改变顶层相关的骨架，在系统再生后，修改信息就会自动传递到有关的零件中，因此这种方法比用其它方法实现变型设计更加方便、有效、迅速。

2 自动化建模技术

在 Pro/ENGINEER 系统中，每建立一个模型，都会有一个宏文件记录模型的产生过程，如果能够对这个宏文件进行修改，则可以控制模型的建立过程，从而控制所生成的模型。Program就是这样的一个控制并修改该宏文件的工具。运用 Program，可以修改一切与模型建立过程相关的参数(包括尺寸参数、特征或零件参数等)，从而控制所要生成的零件或组件。修改好 Program 文件后，相应输入各参数变量，便可以自动再生成不同的模型，进而可以将这些模型实例化为独立的模型。

Program 是自动化产品设计的一项重要工具，用户可以通过非常简单的程序语言来控制特征的出现与否、尺寸的大小、零组件的出现与否、零组件的显示、零组件的个数等。当零件或组件的 Program设计完成后，再读取此零件或组件时，其各种变化情况即可以利用交互问答的方式得到不同的几何形状，以满足产品的设计要求。
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3 轴承设计实例

（1）在 Pro/ENGINEER 环境下首先新建一个装配体文件，然后在装配体中新建一个骨架文件，绘制骨架曲线，骨架文件是一个比较特殊的Pro/ENGINEER 零件，作者所建立的轴承骨架模型主要包括坐标系、基准曲线和基准轴，如图 1横断面所示。横断面中的所有基准曲线可以直接通过 Pro/ENGINEER 的草绘命令建立。其中上部的矩形曲线表示轴承外圈的横断面形状，其尺寸决定轴承外径和轴承的宽度；下部的矩形表示轴承内圈的横断面形状，其尺寸决定轴承内圈的直径；中间的圆形表示滚珠的形状，其尺寸决定滚珠的大小。因此，由此轴承的骨架模型可以对轴承的外圈、内圈以及滚珠的形状和尺寸进行控制，也就是控制整个轴承的形状。

图1 骨架模型

（2）在骨架模型中建立 Publish Geometry激活骨架文件，选择菜单 Insert→SharedData→Publish Geometry，出现 Publish Geometry对话框，单击对话框中的 Curve Refs 进行Define，选择所有曲线。这样骨架模型就将所绘制曲线进行发布，以便其它的零件可以参考骨架模型的曲线建模。

（3）通过 Copy Geometry 操作完成轴承外环、内环、滚珠（柱）的设计。在装配环境下，分别建立轴承外环、内环和滚珠零件。激活每个零件，然后在菜单选项中选择 Insert→SharedData→Copy Geometry，出现 Copy Geometry 对话框，选择 Publish Geom，单击 Define 按钮选择所需要的骨架曲线，在模型树中可以看到多了Copy Geometry 项，此时就完成了几何参考的复制，就是说零件以后的生成可以参考复制的骨架模型，于是所生成的模型必然受到骨架的控制，这样在新模型和骨架模型之间建立了父子关系。所建立的新零件自动完成装配，如图 2和图 3 所示。

图2、3 装配模型

（4）通过 Copy Geometry 操作和布尔操作完成保持架的设计。在装配环境下建立保持架零件，激活该零件。然后在菜单选项中选择Insert→Shared Data→Copy Geometry，出现 Copy Geometry对话框，选择Publish Geom，单击Define按钮选择经过圆心的那条线，以此为基准建立旋转特征。

激活装配体，单击菜单中的Edit→Component Operations，在出现的下拉菜单中单击 Cut Out，信息栏中提示选择要执行 Cut Out 操作的零件，选择图形中的保持架零件，然后选择滚珠阵列作为切除的参考零件，完成 Cut Out 操作。生成的保持架零件如图 4 所示。这时如果改变参考零件的大小，即改变滚珠的尺寸，重新再生，保持架零件中孔的尺寸也会随之改变。至此，整个轴承的设计完成，如图 5 所示。

图4、5

（5）利用 program 控制模型的生成。由于零件的形状及尺寸，所以通过改写轴承骨架文件的Program 即可以完成轴承组件的参数化控制。打开骨架模型文件，在 Tools 菜单中选择 Program，然后选择 Edit Design，在打开的 Program 编辑器进行相应的改写。作者改写的主要目的是完成轴承参数的提示输入以及参数之间的关系运算，从而生成不同形状和尺寸的轴承模型。可以在Program 的 Input 和 End Input 之间添加语句，随后使用 Regenerate 重新生成模型时，此语句将提示使用者输入数值。例如添加语句

"DIA_OUT NUMBER

"请输入外径尺寸：""

程序执行时 Pro/ENGINEER 会提示"请输入外径尺寸："的语句，输入数值后，便会将数值传给参数 DIA_OUT，这就完成了外径的参数输入。

整个参数输入部分如下：

INPUT
DIA_OUT NUMBER//定义外径参数
"请输入外径尺寸："
DIA_IN NUMBER //定义内径参数
"请输入内径尺寸："
B NUMBER //定义轴承宽度参数
"请输入轴承宽度："
N NUMBER //定义滚珠数目参数
"请输入滚珠数目"
END INPUT
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Program 的 Relations 和 End Relations 之间的区域用于定义参数之间的关系运算。例如D1=DIA_OUT是将参数DIA_OUT的数值赋给尺寸 D1。整个关系运算区域改写如下：

RELATIONS
D1=DIA_OUT //外径赋值
D2=DIA_IN //内径赋值
D6=B //轴承宽度赋值
D15=360/(N+1) //滚珠之间夹角赋值
D43=D15
D44=D15
P45=360/D15-1
END RELATIONS
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改好轴承骨架零件的 Program 后，便可以根据用户的不同输入生成不同的参数化轴承模型，如图6所示是生成的两种不同尺寸和滚珠数的轴承组件实例。

图6 设计实例

4 结论

作者采用自顶向下设计的重要手段--骨架模型进行轴承组件的产品定义和结构尺寸控制，采用 Program 控制轴承装配模型的自动化建模，完成轴承完整的参数化设计过程，可大大缩短轴承类零件产品的开发周期，增强企业的竞争力和市场应变能力

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