基于catia二次开发的制动盘摩擦半径计算技术研究-张辉.pdf

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1、74 第40卷 第2期 2018-02基于CATIA二次开发的制动盘摩擦半径计算技术研究Research on friction radius calculation of brake disc based on secondary development of CATIA张 辉 ， 李泷杲ZHANG Hui, LI Shuang-gao（ 南京航空航天大学 机电学院 ， 南京 210016 ）摘 要： 为实现在CATIA环境下对制动盘摩擦半径进行计算，提出一种基于CATIA二次开发的三角网格分割计算方法。该方法便于在CATIA软件中实现，系统复杂度及处理难度相对传统计算方法大为降低，实用性较

2、高。同时通过CATIA二次开发实现了对制动盘摩擦半径计算系统的搭建，并通过标准件进行该系统的验证。验证结果表明通过所述方法搭建的系统实现了正确计算摩擦半径的目的，达到了在CATIA环境下进行操作的目标。关键词： CATIA；二次开发；制动盘；摩擦半径中图分类号： TP391 文献标识码 ：A 文章编号： 1009-0134(2018)02-0074-03 收稿日期：2017-08-21作者简介：张辉（ 1992 -），男，江苏徐州人，硕士研究生，研究方向为机械制造及自动化、数字化测量、大型结构装配技术。0 引言CATIA作 为 一 款 集 CAD/CAM/CAE与 一 体 的 软 件 ，提 供

3、 产 品 设 计 、 机 械 加 工 、 分 析 和 模 拟 等 功 能 ， 已 广 泛应 用 于 汽 车1、 航 空 航 天2、 船 舶 制 造3及 水 利 水 电4等行 业 实 际 生 产 设 计 中 。 通 常 ， 我 们 可 以 依 托 其 自 身 强 大的 功 能 解 决 众 多 问 题 。 但 针 对 某 些 特 殊 问 题 ， CATIA原有 功 能 并 不 能 方 便 快 速 地 解 决 ， 造 成 实 际 生 产 设 计 效 率降 低 、 产 品 周 期 延 长 、 成 本 提 高 等 问 题 。 因 此 需 要 针 对指 定 用 户 需 求 进 行 软 件 二 次 开 发

4、， 以 满 足 特 殊 生 产 设 计需 求 ， 从 而 提 高 生 产 效 率 。 而 CATIA为 适 应 实 际 生 产 设计 需 求 ， 也 提 供 了 相 应 的 二 次 开 发 接 口 供 用 户 进 行 软 件功能的模块化定制。本 文 面 对 CATIA环 境 下 制 动 盘 摩 擦 半 径 采 用 传 统 计算 方 法 难 以 进 行 二 次 开 发 等 问 题 ， 提 出 一 种 针 对 CATIA环 境 的 三 角 网 格 分 割 计 算 摩 擦 半 径 法 ， 并 对 该 计 算 方 法做 出 详 细 介 绍 。 同 时 通 过 二 次 开 发 的 方 式 进 行 制 动

5、 盘 摩擦 半 径 计 算 系 统 搭 建 ， 并 通 过 标 准 件 数 模 进 行 仿 真 验 证实验，验证所述方法的可行性。1 CATIA二次开发技术为 满 足 用 户 对 软 件 功 能 和 性 能 的 要 求 和 软 件 本 地化 、 用 户 化 的 要 求 ， CATIA开 放 了 大 部 分 接 口 ， 提 供 了强 大 的 二 次 开 发 平 台 。 CATIA的 二 次 开 发 接 口 主 要 是 通过 进 程 内 和 进 程 外 两 种 方 式 与 外 部 程 序 通 信5。 CATIA软 件 与 脚 本 运 行 在 同 一 进 程 地 址 空 间 ， 即 为 进 程 内

6、应用 程 序 ； CATIA与 外 部 程 序 在 不 同 进 程 地 址 空 间 运 行为 进 程 外 应 用 程 序 。 具 体 来 说 ， CATIA主 要 有 两 种 二次 开 发 方 法 ： 一 种 是 使 用 宏 对 CATIA进 行 二 次 开 发 ，另 一 种 是 使 用 组 件 应 用 架 构6（ Components Application Architecture）对CATIA进行二次开发。相较而言，CAA方 法 具 有 强 大 的 交 互 、 集 成 功 能 ， 可 以 实 现 深 层 次 和 复杂 系 统 的 开 发 ， 有 良 好 的 开 放 性 和 稳 定 性 ，

7、 且 CAA方 法综 合 了 C+本 身 丰 富 的 库 ， 具 有 强 大 的 界 面 开 发 功 能 ，本文采用CAA方法对CATIA进行开发。2 传统制动盘摩擦半径计算模型2.1 计算模型简介摩 擦 半 径 （ Rm） 定 义 为 ： 闸 片 与 制 动 盘 接 触 面 积的 平 均 半 径 即 为 摩 擦 半 径 。 传 统 求 解 摩 擦 半 径 的 计 算 方法7如图1所示。图1 制动盘摩擦半径计算万方数据第40卷 第2期 2018-02 75设 ： 闸 片 与 制 动 盘 之 间 的 摩 擦 系 数 为 ， 单 位 面 积上的正压力为P。则单侧闸片对制动盘的制动力矩为：(1)单侧

8、闸片对于制动盘的总摩擦力记为：F。则：*mMRF= (2)(3)所以制动盘摩擦半径为：3212( )3( )mRMRF=(4)式 中 ， R1代 表 闸 片 与 制 动 盘 接 触 面 的 内 径 ， R2代表 闸 片 与 制 动 盘 接 触 面 的 外 径 。 该 方 法 通 常 应 用 于 标准 扇 形 衬 块 ， 对 于 形 状 复 杂 的 闸 片 （ 如 图 2所 示 ） ， 在CATIA环 境 下 通 过 扇 形 积 分 单 元 进 行 积 分 的 方 式 计 算 过程复杂，模型较难以建立。图2 复杂形状闸片2.2 计算模型缺点通 过 对 上 述 方 法 描 述 ， 可 以 得 出

9、该 方 法 具 有 以 下 缺点：1） 适 用 性 低 。 对 于 形 状 复 杂 的 闸 片 摩 擦 半 径 的 计算 ， 难 以 确 定 闸 片 内 外 半 径 ， 人 工 确 定 不 免 会 造 成 结 果失准；2） 求 解 复 杂 。 对 于 形 状 复 杂 的 闸 片 摩 擦 半 径 的 计算 ， 倘 若 闸 片 内 部 存 在 特 殊 形 状 及 形 状 大 小 不 定 的 孔 等特征，在计算时需要将孔等剔除，求解过程过于复杂；3） 不 利 于 软 件 自 动 化 实 现 。 通 过 上 述 1） 、 2） 可知 ， 若 进 行 软 件 自 动 化 实 现 ， 因 闸 片 形 状

10、和 对 称 度 无 法确 认 ， 同 时 闸 片 内 部 形 状 未 知 ， 使 得 该 方 法 在 CATIA环境 下 进 行 软 件 化 时 会 遇 到 计 算 量 大 ， 求 解 局 限 性 高 ， 难以 区 分 内 部 孔 ， 边 界 条 件 不 定 等 各 种 情 况 ， 进 而 造 成 所得结果不准的情况。3 基于CAA的计算模型3.1 计算模型简介通 过 传 统 计 算 方 法 ， 发 现 制 动 盘 摩 擦 半 径 基 于 积 分计 算 而 来 ， 即 只 需 将 所 求 区 域 划 分 成 相 应 的 积 分 单 元 再进 行 积 分 求 解 即 可 。 因 此 ， 想 到

11、将 区 域 划 分 为 有 限 元 三角网格，如图3所示。图3 三角网格划分通过式(5)计算图中第i个三角网格的面积：(5)式 中 ， Ai、 Bi、 Ci分 别 为 三 角 形 所 对 应 的 三 条边 长 。 同 时 记 第 i个 三 角 网 格 的 三 个 顶 点 坐 标 分 别 为（ Xi0， Yi0， Zi0） 、 （ Xi1， Yi1， Zi1） 、 （ Xi2， Yi2，Zi2） ， 再 通 过 式 (6)计 算 第 i个 三 角 网 格 的 质 心 坐 标（Xi，Yi，Zi）：012012( )/3( )/3( )/3iiiiXXXXYYYYZZZZ=+ =+(6)进 而 依

12、据 式 (7)计 算 到 所 对 应 制 动 盘 的 盘 心 距 离 作为 所 在 三 角 片 单 元 对 应 的 到 盘 心 的 半 径 Ri。 （ Xa， Ya，Za）为制动盘在所离散闸片对应平面上的圆心坐标。(7)通 过 上 文 所 述 公 式 求 得 的 三 角 面 片 面 积 Si和 三 角 面片 所 对 应 质 心 到 制 动 盘 圆 心 的 半 径 Ri， 最 后 依 据 公 式 (8)计算，即可得到所需计算的摩擦半径Rm：11*niim niiSRRS=(8)3.2 计算模型优点由上文可以得出本方法具有以下优点：1） 适 用 性 高 。 适 用 于 形 状 复 杂 且 不 对

13、称 的 闸 片 摩擦半径的计算，不需要获取R1和R2，不要求理想形状；2） 自 动 化 可 行 性 高 。 通 过 三 角 网 格 有 限 元 计 算 而来 的 摩 擦 半 径 和 传 统 积 分 计 算 得 来 的 结 果 本 质 上 具 有 一致 性 ， 都 是 采 用 微 元 积 分 的 思 想 。 且 现 如 今 有 限 元 软 件众 多 ， 本 文 所 介 绍 的 方 法 可 适 用 于 其 中 ， 方 便 相 关 处理，因而自动化可行性高。万方数据76 第40卷 第2期 2018-024 制动盘摩擦半径计算系统4.1 系统设计为 实 现 制 动 盘 摩 擦 半 径 计 算 功 能

14、， 在 CATIA环 境 下搭建相应计算系统，系统功能构成如图4所示。计算系统功能构成闸片特征提取闸片特征高散制动盘圆心提取摩擦半径计算特征提取 数据处理CATIA自身处理 CAA二次开发图4 制动盘摩擦半径计算系统构成4.2 系统搭建通 过 CAA技 术 进 行 系 统 搭 建 。 所 搭 建 制 动 盘 摩 擦半 径 计 算 系 统 的 工 具 条 界 面 如 图 5所 示 ， 从 左 到 右 依次 为 ： “Enter Mesh”、 “Triangular Mesh”、 “Exit Mesh”和“Calculation Friction Radius”这四个按钮。图5 工具条具体工作步骤

15、为：1） 点 击 “Enter Mesh”， CATIA从 Part模 块 进 入 到Mesh模 块 ， 默 认 选 择 第 一 个 类 型 “Static Analysis”，点击“确定”按钮。2） 点 击 “Triangular Mesh”， 在 结 构 树 上 选 中 所需 数 模 ， 本 系 统 一 般 为 制 动 器 “闸 片 ”在 制 动 盘 上 所 提取 的 对 应 数 模 。 在 Global下 设 置 相 应 离 散 参 数 ， 系 统 会根 据 所 设 置 的 阈 值 判 断 是 否 满 足 条 件 ， 从 而 进 行 离 散 。如 图 6所 示 。 点 击 界 面 上 的

16、 “应 用 ”按 钮 ， 软 件 对 所 选数模进行三角网格离散，点击“确定”完成离散。3） 在 离 散 完 成 后 ， 点 击 “Exit Mesh”， 系 统 再 次转 到 Part模 块 下 ， 离 散 所 生 成 的 三 角 网 格 相 关 数 据 均 存储在系统内部，待下一步运算使用。4） 点 击 “Calculation Friction Radius”， 系 统 弹 出如 图 7所 示 对 话 框 ， 选 中 所 创 建 的 制 动 盘 圆 心 点 ， 点 击“计 算 Rm”按 钮 ， 软 件 采 用 前 文 所 述 方 法 进 行 计 算 ， 并将 所 计 算 的 结 果 在

17、“计 算 Rm”按 钮 后 的 文 本 框 显 示 出来，单位为mm。图7 计算Rm4.3 系统可行性验证为 验 证 所 搭 建 系 统 的 可 行 性 ， 选 取 扇 形 标 准 件（ 如 图 8所 示 ） 进 行 测 试 。 已 知 标 准 件 内 外 径 分 别 为 ：161.5mm、 230mm， 通 过 式 (4)计 算 可 得 标 准 件 的 等 效摩 擦 半 径 为 ： 197.7476mm。 通 过 所 搭 建 的 计 算 系 统进 行 测 试 ， 设 置 离 散 网 格 尺 寸 为 1mm。 计 算 结 果 为 ：197.747mm， 如 图 8所 示 。 与 式 (4)得

18、到 的 结 果 相 比 ， 偏差 小 于 0.001mm， 认 为 结 果 一 致 。 从 而 验 证 了 所 述 方 法的可行性。图8 标准件Rm计算结果5 结束语本 文 阐 述 了 一 种 基 于 CATIA二 次 开 发 的 制 动 盘 摩 擦半 径 计 算 方 法 ， 给 出 了 计 算 模 型 ， 比 较 了 该 方 法 与 传 统计 算 方 法 的 优 缺 点 ， 得 出 所 提 方 法 在 CATIA环 境 下 更 方便 于 软 件 开 发 、 方 便 自 动 化 实 现 的 结 论 。 同 时 通 过 对 扇形 理 想 标 准 件 摩 擦 半 径 的 计 算 验 证 了 所 提

19、 出 方 法 的 合 理性及正确性。另 外 ， 当 制 动 盘 闸 片 外 径 内 径 之 比 过 大 即 径 向 宽 度图6 离散参数设置 下转第87页 万方数据第40卷 第2期 2018-02 87表 格 式 编 程 指 令 ， 而 后 台 程 序 指 令 格 式 可 描 述 为 ： 每 行的 程 序 使 用 字 母 加 数 值 的 方 式 组 成 指 令 字 、 指 令 字 间 有空 格 分 割 ， 每 行 由 换 行 符 号 分 割 ， 文 件 结 束 标 志 代 表 程序的结束。4 结束语本 文 设 计 的 弹 簧 机 控 制 器 ， 采 用 了 嵌 入 式 平 台 ， 经实 际 验

20、 证 ， 比 市 场 上 原 来 的 主 流 产 品 工 作 更 加 稳 定 ， 且成 本 更 低 ， 有 效 推 动 了 行 业 的 发 展 ， 使 得 国 内 弹 簧 加 工行 业 降 低 了 总 体 设 备 开 销 ， 更 具 竞 争 力 。 同 时 该 系 列 产品也为公司带来良好的经济效益。参考文献 ：1 周 永 强 .三 轴 数 控 弹 簧 机 电 气 控 制 系 统 的 设 计 J.机 电 工 程 技 术 2014(9):114-117.2 罗 文 彪 ,丘 雨 斌 .数 控 弹 簧 机 控 制 系 统 的 设 计 J.工 业 控 制 计 算机,2006(5):67-68.3 深

21、 圳 市 研 控 自 动 化 科 技 有 限 公 司 . 研 控 伺 服 驱 动 器 在 数 控 弹 簧机上的应用J.伺服控制,2012(3):37-38.4 常 跃 军 .基 于 一 种 新 型 数 控 热 卷 弹 簧 机 的 成 形 设 计 J.新 技 术 新工艺,2013(6):91-94.5 曹 辉 荣 ,谢 云 臣 .NC弹 簧 机 的 发 展 动 向 J.内 燃 机 燃 油 喷 射 和 控制,1996(3):5-8.表1 指令格式表类型意义指令字取值范围单位备注轴指令字X -360.00 360.00度凸轮开始位置默认为上一段的终点R -360.00 360.00度凸轮结束位置Y

22、-9999.99 9999.99毫米进线长度K -9999.99 9999.99毫米开始检测探针时的剩余距离Z-360.00 360.00度八爪机上作为转芯角度0 99.99毫米八型机上作为螺距轴距离速度比例F 1 300主动轴的速度百分比默认为100主动轴M 1 5设定哪个轴是主动轴（按显示排列）默认为1 （凸轮）行号N 0 999由系统自动生成做显示，可以不放在文件中汽缸D -8 8非0整数暂停时间T 0 99 0.1秒循环表示J 1、 9循环次数L 1 99必须和J1一起使用过 大 时8， 不 论 是 传 统 方 法 还 是 所 提 方 法 均 会 因 摩 擦 衬块 表 面 在 不 同

23、半 径 处 的 滑 摩 速 度 相 差 太 大 使 得 磨 损 不 均匀 ， 单 位 压 力 分 布 不 均 ， 从 而 导 致 计 算 方 法 失 效 ， 无 法准 确 计 算 摩 擦 半 径 。 理 论 上 本 文 所 提 的 方 法 可 在 后 续 研究 中 添 加 相 应 权 重 系 数 来 解 决 该 问 题 ， 本 文 暂 未 对 此 作出研究，有待后续跟进。参考文献 ：1 叶 鹏 .基 于 CATIA V5的 汽 车 制 动 器 零 件 库 研 究 与 开 发 D.武 汉理工大学,2011.2 张 俐 .CATIA平 台 下 的 机 身 数 字 化 对 接 测 量 软 件 开 发

24、 与 应 用 J. 制造业自动化,2017,39(2):129-133.3 曹 晶 .CATIA船 舶 结 构 设 计 模 型 与 有 限 元 模 型 数 据 转 换 D.大连理工大学,2010.4 郑 淞 午 .基 于 CATIA的 水 利 水 电 工 程 三 维 地 质 建 模 技 术 研 究D.中南大学,2014.5 李 自 胜 ,朱 莹 ,等 .基 于 CATIA软 件 的 二 次 开 发 技 术 J.四 川 工 业学院学报,2003,22(1):16-18.6 何 朝 良 ,杜 廷 娜 ,张 超 .基 于 CAA的 CATIA二 次 开 发 初 探 J.自 动化技术与应用,2006,25(9):37-40,49. 7 李 志 华 ,张 选 龙 ,郭 林 超 .汽 车 盘 式 制 动 器 优 化 设 计 J.机 械 设 计与研究,2009,25(2):83-85.8 刘 惟 信 .汽 车 制 动 系 的 结 构 分 析 与 设 计 计 算 M.清 华 大 学 出 版社,2004. 上接第76页 万方数据