作 者： 靳江艷 方憶湘 劉恩福
摘 要： 利用CAXA實體設計的自定義參數化零件功能構造三維模型并定義相關變量，通過CAXA實體設計提供的與Excel表格的動態鏈接，由預建在Excel環境下的表格數據驅動三維模型，實現蝶閥產品零部件的參數化設計。

    閥門是各種流體輸送系統中的控制部件，具有導流、截止、調節、節流以及防止逆流、分流或溢流卸壓等功能，廣泛應用于石油、化工、冶金、電力和礦山等工業領域，按結構原理可分為蝶閥、球閥、閘閥、旋塞閥、截止閥、節流閥、止回閥、安全閥、減壓閥、蒸氣疏水閥、隔膜閥、調節閥等[1]。其中，蝶閥是閥門行業的主導產品之一，也是近年來發展非常快的閥門品種之一。工業閥門產品具有較高的系列化程度，在三維環境下采用參數驅動設計可以顯著提高設計工作效率。

    1 蝶閥產品的結構特點

    蝶閥采用圓盤式啟閉件往復回轉90°左右來開啟、關閉或調節流體通道，結構簡單、體積小、質量輕、用料省、安裝尺寸小，且驅動力矩小，操作簡便、迅速，具有良好的流量調節功能和關閉密封特性，通常按結構形式分為中線、單偏心、雙偏心和三偏心蝶閥[1，2]。

    以雙偏心蝶閥為例，蝶閥產品結構主要由閥體、蝶板、密封結構、閥桿、連接支架、上下支承填料等組成的主體結構與驅動裝置組成，見圖1。其中，蝶閥主體結構提供了不同公稱通徑和公稱壓力的管路系統的產品結構系列，通過施加不同的驅動裝置得到不同驅動方式驅動的蝶閥產品。

通過對各類蝶閥產品結構的研究分析和總結歸納，依據蝶閥產品設計過程中零部件的生成順序，將蝶閥產品結構按裝配和設計關聯關系進行零部件層次結構劃分，見圖2。依據該層次結構，對蝶閥的各個零部件進行研究分析，構建設計流程導航機制中的設計任務節點和所需的相關設計知識，將零部件設計的相關知識與三維模型相結合。在不同的設計層次上，通過調用不同的三維模型及其相關的驅動參數，可以完成不同類型蝶閥產品的結構設計。

2 CAXA實體設計環境下的參數驅動設計

    CAXA實體設計提供了多種參數化設計功能[3]，由常規意義上的參數化繪圖到以協同設計的方式完成的參數化設計，系統用戶可以根據設計工作的不同需要，采用不同的參數化設計模式。

    2.1 實現方式

    CAXA實體設計環境下的參數化設計，主要通過以下3種方式來實現。
　
    1）基于二維輪廓圖形或圖素特征尺寸的參數化設計方法[4]

    在CAXA實體設計環境下構建零部件的三維模型，定義模型的參數名和參數值，并把模型存入用戶自定義的零件庫中，方便以后使用。這種方法主要用于常用結構零部件的參數化設計，由設計人員根據設計需要直接在參數模型上對結構參數進行修正，或在參數表中逐個輸入或修改設計參數，盡管實現了幾何模型的參數驅動，但設計過程較為繁瑣。

    2）基于應用程序接口的參數化設計方法

    在CAXA實體設計提供的二次開發環境下，利用CAXA應用程序接口（ICAPI）實現零件的參數化設計。采用該方法，首先構建零部件的三維模型，并定義其參數構成和關聯約束，然后利用開發語言構建由產品設計流程導航的設計過程環境，按零部件生成順序并從預建的數據庫中調用設計參數驅動三維模型，設計過程直觀、簡潔，但要求CAXA用戶具有較高的應用軟件開發水平，開發難度較大。

    3）基于CAXA實體設計與Excel表格動態鏈接的參數化設計方法

    CAXA實體設計提供了與Excel表格的動態鏈接，可以由預建在Excel環境下的表格數據驅動三維模型，實現零件的參數化設計[5]。采用該設計方法，CAXA用戶可以在熟悉的Excel環境下，根據預建的三維模型及其參數構成，將各種零部件設計的常用或標準數據構建在Excel表格中，由該表格數據驅動三維參數模型，且該表格數據易于管理和擴充，便于設計人員以zui少的編程工作量甚至不需編程，構建所需要的參數化設計環境。

    因此，結合蝶閥產品的結構和設計特點，采用CAXA實體設計與Excel表格動態鏈接的參數化設計方法，以蝶閥產品設計的領域設計知識構造參數驅動數據，形成其參數化設計環境。

    2.2 三維模型構建與Excel表格數據驅動

    CAXA實體設計環境下，基于Excel表格動態鏈接的參數化設計，通常采用基于二維輪廓圖形或圖素特征尺寸的參數化設計方法構建三維參數模型并將其嵌入到Excel表格中，通過編輯零件參數表達式或智能圖素包圍盒尺寸建立模型和Excel相關單元格的關聯關系，在Excel環境下通過修改或調用數據對幾何模型進行參數驅動。

    蝶閥產品的零部件大部分為回轉件，且結構比較復雜，除簡單的零件如加強筋板等采用基于圖素特征尺寸的參數化設計方法構造零部件的三維模型外，其他結構復雜的零件均采用基于二維輪廓圖形的參數化設計方法構建零件的三維模型。以蝶閥產品的主要部件筒身為例，筒身組合件由2個法蘭和1個筒壁組成，首先構建每個零件的三維模型，然后把它們進行裝配，形成筒身組件，增加裝配參數，將裝配參數的表達式與相應的Excel單元格對應，在進行參數驅動時，直接驅動筒身組件。模型的構建及在Excel環境下的參數驅動見圖3a）和圖3b）。

3 蝶閥產品參數化設計實現

    基于CAXA實體設計與Excel表格動態鏈接的參數化設計方法，采用VB6.0構建了適用于公稱通徑為100～2200mm、公稱壓力為0.25～2.5MPa的蝶閥產品三維參數化設計系統，在集成設計環境下統一驅動相關的CAXA實體設計和Excel應用。系統構建結合蝶閥產品的零部件生成順序和結構層次劃分，在設計流程的各個導航節點上，對蝶閥產品設計的零部件、件和結構件等的設計流程進行規范，構建了系統的零部件庫及其參數庫。

    在設計流程中以其零部件自身的關鍵設計參數（主要結構參數及由父節點繼承的設計約束）引導設計人員，將與設計對象相關的設計知識和經驗構建于知識庫中，并集成于設計流程向導工具中[6]，形成的零部件、件設計向導。使產品設計在設計流程向導的指引下，按順序分步驟進行。如圖4所示產品設計流程導航的系統主界面，右側為產品的設計流程導航；左側的產品設計樹與設計流程導航模型對應，顯示當前產品設計進程。

    在進行蝶閥設計時，在設計流程向導的引導下，依次點擊各個設計節點，打開Excel設計環境，如圖3b）所示。零部件的相關參數根據設計流程向導由數據庫讀入或者由用戶輸入，零部件的結構參數確定以后，雙擊Excel設計環境下的CAXA實體設計的圖片，即完成零部件的參數驅動造型。所有零部件設計完成之后，由用戶在CAXA實體設計的環境下完成零部件的裝配。

4 結語

    中國閥門生產企業的計算機輔助設計（CAD）技術應用，目前主要以二維應用為主，設計效率較低[7，8]；個別企業雖然引進了一些三維設計軟件，但由于未能在領域設計知識支持下有效應用軟件系統提供的各種造型功能，限制了系統三維設計能力的發揮。

    采用三維設計環境與Excel的動態鏈接進行零部件的參數化設計，是CAXA實體設計提供的一種實用和的參數化設計處理方式，目前尚未見相關文獻報道。對于蝶閥產品設計來講，采用該方法減少了重復性的三維造型工作，規范了設計數據，提高了設計人員的設計效率。此種方法除用于蝶閥產品的設計以外，還可以應用于其他閥門產品或通用機械產品的設計。

    參考文獻：

    [1]　陸培文.實用閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.
    [2]　陸培文，孫曉霞，楊炯良.閥門選用手冊[M].北京：機械工業出版社，2001.
    [3]　李榮廷.CAXA制造工程師在盤形凸輪設計及加工中的應用[J]1河北工業科技，2004，21（4）：27229.
    [4]　陸曉春，楊亞琴，任　霞，等.CAXA實體設計XP———創新三維CAD標準案例教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.
    [5]　劉君妹，趙其明，姚桂芬，等.Excel統計函數在數據分析方面的應用技巧[J]1河北工業科技，2002，19（5）：54256.
    [6]　楊海成，廖文和.基于知識的三維CAD技術及應用[M].北京：科學出版社，2005.
    [7]　楊秀清，劉恩福.基于AutoCAD的CAD/CAPP集成系統研究[J].河北工業科技，2004，21（6）：20222.
    [8]　黃鳳山，錢惠芬，王　宣.ARX技術在AutoCAD應用程序開發中的應用[J]1河北科技大學學報，2004，25（1）：56260.