随着各种形式的钻机在工程中得到广泛的应用，先进的钻机设计方法对钻机的跟进发展尤为重要。基于SolidWorks二次开发技术，提出了钻机零件参数化设计的思想；以岩心钻机卡盘为例，论述了岩心钻机关键零件结构参数化设计的具体步骤。该方法在Visual Basic程序生成的基本参数计算的用户界面上输入已知的参数，可以完成卡盘基本参数的自动计算，在卡盘参数化设计的用户界面上输入钻杆直径就能够在SolidWorks系统中生成卡盘的各零件结构图及其总装配图，实现钻机卡盘参数化设计的要求。此设计方法为钻机整体实现参数化设计奠定了基础。

随着钻探行业快速发展，各种形式的钻机在经济建设中的作用尤为突出，钻机的发展水平越来越受到来了人们的重视。为了推进钻机的快速发展，先进的钻机设计方法对钻探设备的发展就显得尤为重要。鉴于参数化设计思想在其他机械设计领域的广泛应用，本文基于SolidWorks二次开发技术提出了钻机零部件结构参数化设计的思想，并以岩心钻机卡盘设计为例对这种方法予以了详细的介绍，最终实现了卡盘零件的参数化设计和装配。结果表明这种方法是一种有效的钻机零件结构设计方法，提高了设计效率，节约了成本，对钻机其他部分的设计具有一定的参考意义。

1 参数化设计的方法

参数化设计是指在已有模型的基础上，通过修改模型参数得到所需的零件图或装配图。基于SolidWorks的二次开发的参数化设计方法有很多，最便捷的就是通过SolidWorks自带的录制宏工具获取操作码，将其复制添加到Visual Basic程序代码中，然后编辑修改以达到程序设计要求，再通过驱动设计变量尺寸以完成模型的创建和更新。本文卡盘的设计就采用这种方法，其实质是在利用可视化编程语言Visual Basic所编译的软件中传递SolidWorks系列零件设计表中的尺寸参数，将这些参数转换成SolidWorks三维实体建模的具体参数以构建对应的模型。

2 SolidWorks系列零件设计表应用概述

SolidWorks系列零件设计表广泛应用于结构相同而尺寸不同的零件的系列化设计。由于岩心钻机钻杆直径的不同，其卡盘各零件虽然具有相同的结构，但外形尺寸却具有明显的系列差异，可通过SolidWorks系列零件设计表的功能将这些结构相同而尺寸不同的零件构成零件库，利用零件设计表对零件模型进行驱动，从而实现系列零件的快速化设计。SolidWorks系列零件设计表，是与Office Excel软件相互连接的，通过对系列零件设计表的操作，可以实现对零件尺寸的操作，并联结零件尺寸间的关系。具体过程是首先在模型中插入一个新的、空白的系列零件设计表，然后直接在工作表中输入系列零件设计表信息，当完成输入系列零件设计表信息后，模型中会自动生成新配置。

2.1 插入新的系列零件设计表

单击工具栏上的插入、新系列零件设计表。一个嵌入的工作表出现在窗口中，而且Excel工具栏会替换SolidWorks工具栏。在PropertyManager中：首先在来源下，选择空白以插入一空白系列零件设计表。然后在编辑控制下，选择阻止将更新系列零件设计表的模型编辑，这样设置后，如果这些更改将更新系列零件设计表，将不被允许更改模型。最后在选项下，清除数和新配置，这样模型所作的任何更改将不更新系列零件设计表，此时Excel工具栏会替换SolidWorks工具栏。

2.2 编辑系列零件设计表

在打开系列零件表后，就要对其进行编辑。

a.尺寸在图形区域中双击某个尺寸插入新的系列零件设计表之前，确定所有必要的尺寸都已显示出来）。此时尺寸@特征或尺寸@草图参数插入到单元格中。

b.特征压缩  在特征的一个面上双击，此时$状态@特征参数插入到单元格中。

c.零部件压缩  在零部件的一个面上双击，此时$状态@零部件<实例>参数插入到单元格中。继续以这种方法增加参数时，相邻单元格(C2、D2等)会自动被激活。每个参数添加到标题行中，当前数值显示在第3行中（第一实例）。

d.在列A中输入想生成的配置名称，名称不能包含正斜线(/)或(@)字符。

e.在试算表单元格中输人参数值，以卡瓦为例，图1即为本文所设计的卡瓦系列零件表。

图1 卡瓦系列零件设计表

如需显示由系列零件设计表添加的配置，单击窗口底部的ConfigurationManager标签。双击该配置的名称，或者用右键单击该名称并选择显示配置，如图2所示。

图2 卡盘卡瓦配置图

3 钻机零件参数化设计实例一一卡盘参数化设计

卡盘是岩心钻机的一个独立的重要部件，一般由夹紧元件、中间传力机构和夹紧动力装置三部分组成，包括卡瓦、卡瓦座、卡圈、碟形弹簧、油泵环路体、外壳、上盖和底座等。本文对卡盘的各个零部件都进行了参数化设计，但主要以卡瓦、卡瓦座和卡盘装配体为例进行详细介绍。

3.1 卡盘基本参数自动计算

卡盘基本参数的计算是整个卡盘参数化设计的前提，卡盘基本参数主要包括最大载荷和等效夹紧力，根据卡盘基本参数的计算公式，利用Visual Basic编写卡盘基本参数自动计算的用户界面，在输入已知条件下，即可得到卡盘的基本参数。

3.1.1 最大载荷Pmax

强力起拔工况下，卡盘负荷为：

式中a为安全系数，取1.25～1.6；Psmax为进给机构最大上顶力。

正常工况下，卡盘负荷为：

式中Px为作用于钻杆上的轴向力，取最大加（减）压给进力；Py为作用在钻杆上的圆周力，Py=2Mn/d，其中Mn为回转器次低速输出转矩，d为钻杆直径。

将以上两个值比较，取其中大者为最大工作载荷Pmax，即Pmax=max{Pb，Pg}。

3.1.2 等效夹紧力

等效夹紧力Q是指卡盘承受最大载荷P所必需的夹紧力：

式中厂为卡瓦与钻杆间的摩擦系数，f=0.3～0.5。

结合以上各参数的相互关系，设计出卡盘的基本参数计算程序流程如图3所示，利用Visual Basic编写对应的可视化程序，在输入必要的已知条件下，即可得到卡盘的基本参数。

图3 卡盘的基本参数计算程序流程图

3.2 卡瓦结构参数化设计

岩心钻机中一般使用的是卡瓦式液压卡盘，卡瓦式液压卡盘是通过正压力作用下卡瓦与钻杆接触面产生的摩擦力来传递轴向力和转矩的，由于卡瓦尺寸与钻杆直径关系密切，故卡瓦尺寸的选择主要依靠钻杆直径，具体参数化设计步骤如下。

a.在SolidWorks中，依据卡盘卡瓦的结构特征，建立钻杆直径为51mm的卡瓦三维实体模型（图4）。

图4 卡盘卡瓦结构图

b.在创建卡瓦三维实体模型的同时，利用SolidWorks中的二次开发技术，即录制宏的方法，打开SolidWorks中的录制宏操作，获得宏操作代码。

c.依照卡瓦尺寸与钻杆直径的关系，应用SolidWorks零件设计表的方法，创建在不同钻杆直径条件下的卡瓦系列零件设计表，图1是标准钻杆直径为51mm、61mm、43mm、81.8mm、54mm、48mm情况下卡瓦系列零件设计表。

d.录制结束后，将宏操作代码复制添加到Visual Basic程序代码的相应部分，然后编辑修改调试以达到程序要求；同时利用Visual Basic编写卡瓦结构参数化设计程序，将利用Visual Basic编译的用户界面与SolidWorks建立链接。

整个卡瓦结构参数化设计流程如图5所示，运行卡瓦结构参数化程序，在可视化界面中输入不同钻杆直径时即可得到不同卡瓦结构图。

图5 卡瓦结构参数化流程图

3.3 卡瓦座结构参数化设计

卡瓦座是限制卡瓦径向移动的零部件，它的尺寸结构根据卡瓦的尺寸变化而变化，卡瓦座内径尺寸略大于钻杆直径，其他尺寸根据内径尺寸的变化而变化。与卡瓦参数化设计过程类似，先在SolidWorks中建立钻杆直径为51mm的卡瓦座三维模型（图6），同时操作录制宏获取宏代码，依照卡瓦座尺寸与钻杆直径和卡瓦尺寸的关系，应用SolidWorks零件设计表的方法，创建在标准钻杆直径为51mm、61mm、43mm、81.8mm、54mm和48mm情况下的卡瓦座系列零件设计表；然后将宏操作代码复制添加到Visual Basic程序代码的相应部分，编辑修改调试以达到程序要求；同时利用Visual Basic编写卡瓦座结构参数化设计程序，将Visual Basic编译的用户界面与SolidWorks建立链接，运行卡瓦座结构参数化程序，再在可视化界面中输入不同钻杆直径时即可得到不同卡瓦座结构图。

3.4 卡盘装配体参数化设计

卡盘装配体就是把卡瓦、卡瓦座等各种卡盘零件组合起来，使其能够形成一个整体，实现其夹紧功能。卡盘装配体参数化设计过程和基本零件参数化设计过程类似，具体如下。

a.以钻杆直径为43mm时卡瓦座系列设计表对应的卡瓦座型号为基准部件，对应的其他部件根据卡瓦座的位置，采取同轴心配合，各接合面之间采取面重合配合，对各部件一一装配。同时在装配之前，先打开SolidWorks中的录制宏操作，获得宏操作代码。

图6 卡瓦座结构图

b.宏录制结束后将宏操作代码复制添加到Visual Basic程序代码的相应部分，然后编辑修改调试以达到程序要求。

c.通过装配零件各自的系列零件设计表，生成不同钻杆直径下装配体配置。

d.利用Visual Basic编写卡瓦结构参数化设计程序，同时将Visual Basic生成的用户界面与SolidWorks建立链接，通过程序驱动设计变量实现卡盘装配体的创建和更新。

通过输入不同的钻杆直径，系统能够选择不同的零部件型号，进行配合，自动生成最后的装配图，如输入钻杆直径为43mm，并单击装配体按钮则可得到如图7所示的钻杆直径为43mm的钻机卡盘结构图。

图7 直径为43mm时的卡盘装配图

4 结论

本文在SolidWorks二次开发的基础上完成了岩心钻机关键零件的结构参数化设计，在用Visual Basic程序生成的基本参数计算的用户界面上输入已知参数的情况下，可以完成卡盘基本参数的自动计算，在卡盘参数化设计的用户界面上仅仅通过输入钻杆直径就能够在SolidWorks系统中生成卡盘的各零件结构图和其总装配图，实现了钻机卡盘的参数化设计要求，通过调试，系统具有一定的智能性，并且容易操作、界面友好。

本文将参数化设计的方法应用到钻机卡盘设计中只是一次新的尝试，为钻机其他零部件的结构参数化设计提供一个参考，也为钻机整体参数化设计奠定了的基础，从而大大减少了设计人员的设计时间，提高了设计效率，节约了设计成本。

发表时间： 2014/6/11 作者: 张旭东*文国军 来源: 万方数据

关键字: SolidWorks 钻机零件参数化设计 

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