李全超，李志恒

（中國艦船研究設(shè)計中心，武漢 430064）

1 引言

軸系是船舶推進系統(tǒng)的重要組成部分，用于將主機發(fā)出的功率傳遞給推進器，并將推進器產(chǎn)生的推力傳給船體，使船舶獲得前進、后退的動力［1］。船舶軸系傳動部件主要包括艉軸、聯(lián)軸節(jié)、中間軸、推力軸、齒輪軸等，軸段結(jié)構(gòu)形狀規(guī)則，各軸段之間具有很大的相似性，軸系結(jié)構(gòu)特征明顯。因此，船舶軸系易于以特征建模的方式進行參數(shù)化設(shè)計。

Pro/E是一套大型三維參數(shù)化軟件，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當今世界機械CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標準而得到業(yè)界的認可和推廣［2］。Pro/E具有較強的模型參數(shù)化能力，通過對Pro/E 進行二次開發(fā)，采用參數(shù)驅(qū)動的方式可達到快速設(shè)計的目的。

為提高軸系的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率，本文研究以特征創(chuàng)建的方式進行船舶軸系的參數(shù)化設(shè)計，并在此基礎(chǔ)上以Pro/E 為開發(fā)平臺，通過MFC和Pro/Toolkit 開發(fā)工具相結(jié)合的方法，構(gòu)建船舶軸系零件的特征數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)船舶軸系的參數(shù)化設(shè)計。

2 船舶軸系特征分類

特征是一種具有特定形狀、特定功能和特定工藝屬性的基本信息單元，用于系統(tǒng)地連接CAD和CAPP，實現(xiàn)CAD/CAPP的有效集成［3］。零件即為各種特征按照一定規(guī)則的組合體。特征在不同領(lǐng)域中的分類不同，如Pro/E 零件設(shè)計需要用到拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描、倒角、圓角等特征，本文稱其為基本特征。機械領(lǐng)域的特征分類一般以零件或體素的幾何相似性，兼顧各要素的功能和形狀進行分類，可以是多個基本特征的組合。船舶軸系零件均為圓柱類結(jié)構(gòu)，幾何外形相似性較強，同時軸段常設(shè)計有倒角、圓角、鍵槽、退刀槽、螺紋、齒輪等明顯結(jié)構(gòu)特征。因此，以特征的方式進行軸系建模是快速實現(xiàn)軸系零件參數(shù)化的有效途徑。

根據(jù)船舶軸系的結(jié)構(gòu)特點，可將船舶軸系分為基本特征和輔助特征兩類特征?；咎卣鳛檩S系零件參數(shù)化建模的主特征，是軸系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，主要包括圓柱軸、圓錐軸、鍵槽軸、花鍵軸、齒輪軸、法蘭等；輔助特征主要用于對基本特征的局部修飾和完善，輔助特征需依附于主特征，主要有鍵槽、退刀槽、倒角、圓角、修飾螺紋、孔特征、齒輪等。軸系特征分類如圖1所示。Pro/E 二次開發(fā)可以構(gòu)建軸系特征數(shù)據(jù)庫，若將這些特征按照一定方式組合，完成軸段拼接、編輯、修飾和修改，即可快速獲得船舶軸系參數(shù)化模型。

圖1 船舶軸系特征分類圖

3 軸系特征參數(shù)化設(shè)計

Pro/E 中特征參數(shù)化設(shè)計的方法有很多，如通過定義特征元素樹（Feature Element Tree）產(chǎn)生基本特征，進而構(gòu)建產(chǎn)品特征組的方法；利用族表（Family Table）建立樣板模型文件，通過控制族表中定義的各個參數(shù)更新模型的形狀和尺寸的方法；利用程序（Pro/Program）控制設(shè)計步驟和參數(shù)進行零件參數(shù)化的方法；根據(jù)需要組合數(shù)個基本特征，建立并調(diào)用用戶自定義特征UDF（User Defined Feature）的方法等［4］。其中，用戶自定義特征可以將數(shù)個基本特征組合起來，形成一個新的自己定義的特征，可根據(jù)用戶需要將外形相同或相近的特征組合起來，建立完善的UDF 數(shù)據(jù)庫，以供隨時調(diào)用。調(diào)用時可以通過控制選定的特征、所有相關(guān)尺寸、特征之間的關(guān)系以及特征放置等參數(shù)進行自定義特征的參數(shù)化。該方法可以根據(jù)用戶實際需要實現(xiàn)標準特征組和常用特征組的重復使用，提高建模工作效率，特別適合于軸系特征的參數(shù)化設(shè)計。因此，本文采用建立UDF 數(shù)據(jù)庫的方法進行軸系特征的參數(shù)化設(shè)計，現(xiàn)以圓錐軸為例說明設(shè)計步驟。

3.1 創(chuàng)建UDF 數(shù)據(jù)庫

（1）通過旋轉(zhuǎn)命令創(chuàng)建一個圓錐軸段特征，為UDF的創(chuàng)建創(chuàng)造依托；（2）通過“工具”→“UDF 庫”，打開UDF 菜單管理器，點擊“創(chuàng)建”按鈕開始UDF 創(chuàng)建，根據(jù)系統(tǒng)提示依次輸入UDF 名稱、設(shè)置特征從屬性、選擇需定義基本特征（組），完成特征對象的選??；（3）根據(jù)系統(tǒng)提示為UDF創(chuàng)建必需的參考特征（如曲面、邊、軸線等）創(chuàng)建提示文字；（4）點擊定義可變尺寸，選擇UDF 中需要參數(shù)化的尺寸，并輸入尺寸提示，完成UDF的定義。按此方式進行軸系基本特征和輔助特征UDF 庫的創(chuàng)建。

3.2 UDF 數(shù)據(jù)庫的調(diào)用

Pro/E 二次開發(fā)時通過程序調(diào)用UDF 庫，可實現(xiàn)軸系參數(shù)化特征的快速創(chuàng)建。該過程和手動調(diào)用類似：（1）調(diào)入UDF 對象文件，設(shè)置特征從屬、縮放等屬性；（2）選取并設(shè)置UDF 放置參考；（3）獲取特征參數(shù)化尺寸，并通過交互界面更新尺寸數(shù)值，最后創(chuàng)建用戶自定義特征并更新當前模型，即完成UDF 特征的參數(shù)化生成。Pro/Toolkit 中調(diào)用UDF 數(shù)據(jù)庫進行特征參數(shù)化的關(guān)鍵步驟代碼如下：

4 船舶軸系參數(shù)化設(shè)計程序的開發(fā)

在軸系特征實現(xiàn)參數(shù)化的基礎(chǔ)上，對Pro/E 進行二次開發(fā)，進行船舶軸系參數(shù)化設(shè)計程序的編寫，程序主要包含用戶菜單設(shè)計、應用程序的初始化和中止、MFC 對話框與Pro/E 之間的鏈接和程序注冊等部分內(nèi)容。

4.1 用戶菜單設(shè)計

用戶菜單是應用程序與Pro/E 軟件集成的主要方式，程序設(shè)計之初需根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計菜單，并給每個菜單按鈕設(shè)計動作函數(shù)。用戶菜單的顯示需要調(diào)用信息文件，信息文件是用來定義菜單項、菜單項提示等信息的具有一定格式要求的ASCII 碼文件。本文添加的船舶軸系參數(shù)化設(shè)計程序自定義菜單代碼如下:

生成的系統(tǒng)菜單如圖2所示。添加菜單的程序和函數(shù)菜單關(guān)鍵字所對應的信息資源文件如下：

MarineShaft

MarineShaft

船舶軸系參數(shù)化設(shè)計（&S）

#

InsertShaft

Insert a Shaft

軸系基本特征創(chuàng)建

#

圖2 用戶自定義菜單

MenuButton1

activate Menu button1

光軸段

#

……

InsertOther

Insert Other Feature

插入軸系輔助特征

#

InsertKey Insert a Key

鍵槽

#

……

4.2 應用程序的初始化和中止

應用程序在Pro/E 環(huán)境中以同步模式運行首先要求設(shè)計初始化函數(shù)和終止函數(shù)。初始化函數(shù)user_initializ（）主要用于設(shè)置用戶的交互接口，如菜單、調(diào)用對話框及其它初始設(shè)置；終止函數(shù)user_terminate（）則用于應用程序中止或退出，可以不執(zhí)行任何動作［2］。用戶自定義菜單代碼放置于初始化函數(shù)之內(nèi)，初始化和終止函數(shù)代碼如下：

4.3 MFC 對話框與Pro/E 之間的鏈接

圖3 圓錐軸參數(shù)輸入對話框

本文通過動態(tài)鏈接庫（DLL） 實 現(xiàn) Pro/Toolkit 與MFC的通信，利用MFC 強大的編制用戶界面能力生成程序的人機交互界面［5］。通過用戶自定義菜單按鈕完成對用戶界面的鏈接，在Pro/E 環(huán)境中生成MFC 對話框，方便、自然、快捷地進行人機交互。

4.4 應用程序編譯與運行

根據(jù)Pro/E 二次開發(fā)要求進行VC++環(huán)境設(shè)置，包括所需的包含文件、庫文件及其路徑，程序編寫完畢后即可進行應用程序編譯。應用程序在Pro/E 中的運行需要編寫注冊文件，通過注冊文件向系統(tǒng)傳遞應用程序的信息，確定各種資源所存放的位置，注冊文件如圖4所示。

圖4 注冊文件

該應用程序可根據(jù)需要進行船舶軸系特征的參數(shù)化建模，通過各軸系特征的放置關(guān)系進行特征拼接，實現(xiàn)船舶軸系的參數(shù)化設(shè)計。程序使用時僅需通過互交界面輸入特征尺寸，選擇特征放置參考，直接由程序控制模型創(chuàng)建和拼接，并實時可視化顯示，裝配后的船舶軸系如圖5所示。該程序也可用于其他行業(yè)軸類零件的參數(shù)化設(shè)計。

圖5 船舶軸系示意圖

5 結(jié)論

本文結(jié)合船舶軸系結(jié)構(gòu)特點進行了船舶軸系零件特征的劃分。以Pro/E 為開發(fā)平臺，通過MFC和Pro/Toolkit開發(fā)工具相結(jié)合的方法，構(gòu)建了船舶軸系零件的特征數(shù)據(jù)庫，編寫了船舶軸系參數(shù)化設(shè)計程序，實現(xiàn)了船舶軸系的參數(shù)化設(shè)計。該基于特征的船舶軸系參數(shù)化設(shè)計可快速建立船舶軸系三維模型，大幅提高船舶軸系的設(shè)計效率。同時，該參數(shù)化模型還可以直接導入ANSYS 等有限元分析軟件，進一步進行船舶軸系的運動仿真、靜力學、動力學特性分析等工作。

［1］邵開文，馬運義.艦船技術(shù)與設(shè)計概論［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2005.

［2］吳立軍.Pro/ENGINEER 二次開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［3］羅志偉，陳亮，鄧靈，等.基于特征的軸類零件參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)［J］.機械設(shè)計與研究，2004，20（5）：58-60.

［4］Parametric Technology Corporation.Toolkit User's Guide［M］.USA：PTC 公司，1998.

［5］宋娥，李世國.Pro/E 二次開發(fā)中的界面設(shè)計技術(shù)［J］.機械設(shè)計與制造，2005（5）：56-58.

［6］衛(wèi)大為，李健康.Pro/E 二次開發(fā)的機械零件參數(shù)化設(shè)計［J］.機械制造與自動化，2004，33（6）：21-24.

［7］孔銳，鐘佩思，劉梅，等.基于Pro/E 二次開發(fā)的特征提取技術(shù)研究［J］.機械設(shè)計與制造，2012（4）：86-88.

［8］王彩英.基于特征的軸類零件參數(shù)化設(shè)計的研究［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008，21（5）：131-133.

［9］胡昊.基于Pro/E的汽車發(fā)動機曲軸飛輪組的三維參數(shù)化設(shè)計與研究［J］.機械設(shè)計與制造，2012（5）：113-115.