基于廣義參數化的剪式升降平臺快速設計系統研究

魯康東，仲梁維，孫志洋

（上海理工大學機械工程學院，上海200093）

0 引 言

在全球經濟快速發展的今天，各企業之間的市場競爭主要圍繞著如何生產出新產品。在確保新產品質量的前提下，如何提高企業的創新能力和快速響應市場能力，以及降低企業的原料成本和提高設計效率，成為企業能否快速占領市場、提升自身核心競爭力的關鍵［1］。目前國內對升降平臺有一定的研究，但對重載升降平臺的研究是非常少的，傳統的剪式升降平臺生產方式存在著很多局限性，產品種類比較單一，缺乏多樣化，設計周期較長，產品數據管理不夠完善，不能及時滿足客戶需求。

因此，為了在短時間里滿足不同客戶要求的不同設計，同時還要確保產品的設計效率和質量，將廣義參數化的設計概念、快速設計技術應用到剪式升降平臺產品設計中，李戩、楊媛媛［2］針對傳統設計存在的不足，提出了機械產品廣義參數化設計技術，并詳細論述了設計內涵、流程和一些關鍵技術。參數化設計是計算機輔助設計中的一個重要手段，其目的可以減少產品開發過程中的重復性設計［3］，大大縮短新產品的開發過程，提高了企業的生產力和市場競爭力。

1 剪式升降平臺快速設計系統

1.1 系統內部結構

基于廣義參數化的剪式升降平臺快速設計系統采用Visual Basic.NET語言和ADO（Active Data Object，即 ActiveX數據對象）、OLE-DB（Object Linking and Embedding-Database，即對象連接與嵌入）技術相結合，以SolidWorks的API［4］為二次開發接口工具，VB.NET為開發環境，集成開發了基于SolidWorks軟件平臺的剪式升降平臺快速設計系統。

1.2 系統結構功能

基于廣義參數化的剪式升降平臺快速設計系統的體系結構，它可以劃分為若干結構功能。按照數據傳遞的先后順序可分為：分析匹配功能、力學特性分析功能、參數驅動功能、工程圖優化調整功能、數據導出功能。各個功能之間通過人機界面組成為一個整體，從而實現各功能之間的數據共享與傳遞。

1.3 系統總體設計流程

剪式升降平臺的總體設計流程如圖1所示。設計人員進入剪式升降平臺產品快速設計系統，客戶按照自己的產品需求條件，輸入對應的參數信息，然后對模型的整體驅動，三維模型驅動完畢后，輸出二維工程圖，包括零件、部件、總裝圖的二維工程圖，最后計算出各關鍵部位的強度剛度信息，在用戶界面中顯示給客戶。

圖1 剪式升降平臺的總體設計流程

2 基于廣義參數化的剪式升降平臺快速設計關鍵技術

廣義參數化設計技術是把機械產品分解成若干個相對獨立的模塊，對每一模塊都考慮其參數化設計過程中的三維零部件模型的驅動、關鍵部位的力學特性分析、二維工程圖的更新。廣義參數化是以拓撲約束、尺寸約束、力學分析約束和工程約束為技術基礎，將設計過程中涉及到的零件、部件、裝配體之間的信息關系進行關聯。由于廣義參數化中包含大量可重復利用的功能模塊［5］，因此利用參數化進行產品設計，可以使設計人員避免從頭開始，并且設計出的產品也是滿足設計標準與行業規范的。

2.1 模塊化技術在廣義參數化中的應用

模塊化設計是以功能結構分析為基礎的一種設計方法，以滿足客戶需求為基礎，采用分解模塊和組合模塊的方法，建立模塊體系［6］。這種設計方法是將若干具有相同或不同功能的模塊或者可以互換的、通用的模塊的條件選擇和條件組合，最終構成客戶個性化需求的產品。模塊化技術具有良好獨立性、便于新產品開發、提高驅動模型速度等優點。

對剪式升降平臺進行模塊劃分，可將剪式升降平臺劃分為4個一級模塊，分別為承載平臺模塊、滑動支撐模塊、固定支撐模塊、平臺底座模塊。每個一級模塊又可進一步向下劃分為若干子模塊，如圖2所示。

圖2 剪式升降平臺模塊劃分圖

2.2 數據庫訪問技術在廣義參數化中的應用

所謂數據庫（Database，DB），其實就是存儲在計算機中的相關數據的集合，可以形象地把它看作數據的“倉庫”，它是通過類似于文件之類的數據單位組織集中起來的。面向剪式升降平臺的快速設計過程就是將客戶需求轉化為產品數據的過程，在數據庫基礎上建立事物特性表對各零件的參數信息進行數據管理，經過特性分析提取零件參數，對零件進行準確驅動。

ADO.NET技術可以為不同的數據源提供數據交換，它為編程語言與數據源進行信息交流搭建了橋梁。利用ADO.NET，可以使用戶輕松地訪問不同的數據源［7］。ADO.NET中最常用的對象有三類，Connection對象、Command對象、DataReader對象。這些對象及其功能如表1。

表1 .NET數據提供程序提供的核心對象

在剪式升降平臺快速設計系統的開發過程中，運用數據庫技術對剪式升降平臺數據或參數進行管理，比如標準件的數據管理，其主要是將剪式升降平臺中的一些標準件模型進行數據保存，當客戶定制化設計剪式升降平臺時，通過程序代碼到數據庫中進行標準件的選型，然后進行模型驅動。其中標準件的數據管理主要包括：方管、支撐臂矩形鋼、六角螺母和導軌槽鋼等標準件。圖3為支撐臂矩形鋼的數據管理。

2.3 廣義參數化中的理論力學分析

力學特性分析是廣義參數化中不可避免的一步，因為設計出的產品能不能滿足工程有效性（即強度、剛度）直接關系到產品的質量，如果設計出的產品不能滿足客戶要求，那必然會給企業的利益造成相當大的影響。

剪式升降平臺主要組成部分有承載平臺、上滑動支撐、上固定支撐、下滑動支撐、下固定支撐以及平臺底座等，剪式升降平臺平面結構圖如圖4所示。

圖3 支撐臂矩形鋼的數據

圖4 剪式升降平臺平面結構圖

客戶要求只需輸入一些關鍵的參數，例如總高度H1（mm），承載平臺長度L1（mm），承載平臺寬度W1（mm），承載重量M（kg）等一系列關鍵參數，而不是所有零部件細節參數全由客戶輸入。所以對這些零部件的細節參數，需要對其進行力學特性分析計算，計算出來的參數能夠合理地滿足強度剛度要求。最后將計算出的公式寫入程序，計算出模型能夠滿足強度剛度的參數，進行模型驅動。由于本系統中的零件較多，現以圖4中的GE支撐臂矩形鋼為例，GE桿和AE桿受力分析圖如圖5所示。

圖5 GE桿和AE桿受力分析圖

對GE桿和AE桿綜合力學分析，這里的x取值為0≤x≤X1，因為程序計算方式是以x變量做為循環求出彎矩的最大值，根據方程聯立計算出GE桿F點的彎矩公式

計算出最大彎矩后，通過截面模數到數據庫中提取矩形鋼的參數，提取出的參數通過程序賦值給模型參數，進行參數驅動，模型更新。支撐臂矩形鋼的邏輯設計圖如圖6所示。

圖6 支撐臂矩形鋼的邏輯設計圖

3 設計實例

如圖7為本系統的參數設計界面，用戶只需點擊Solidworks菜單欄的剪式升降平臺下的進入系統即可。本系統主要針對不完全理解剪式升降平臺的用戶進行設計的，客戶輸入的參數非常少，只需要了解剪式升降平臺的大體參數即可。因為如果需要對每個零部件的參數進行需求輸入的話，對用戶的要求比較高，設計人員需要對每個零部件的尺寸參數進行經驗計算，而這樣必然浪費大量時間。本系統將計算的經驗公式寫入程序計算，提高了設計效率，降低了對設計者的要求。

圖7 剪式升降平臺參數設計界面

輸入關鍵參數，通過程序代碼里的力學計算和調用數據庫里各零件參數信息，然后賦值給模型各零、部件，點擊模型驅動按鈕，即可對模型進行參數驅動，各模塊自動進行裝配生成新產品。系統驅動后生成的新模型如圖8所示。

圖8 系統驅動后的剪式升降平臺三維模型

4 結束語

本文將基于廣義參數化的產品快速設計技術應用到剪式升降平臺設計過程中，通過研究基于廣義參數化基本結構框架的理論力學分析、數據庫訪問和模塊化等關鍵技術，實現了剪式升降平臺的二次開發，開發出剪式升降平臺快速設計系統。該系統經過設計實例應用，實現了客戶參數輸入、設計算法準確運用、生產圖紙快速生成、產品數據高效導出等一系列全新的設計功能，系統在縮短新產品開發周期、減少設計人員的工作量和提高一次性產品設計成功率等方面均有明顯成效。

［1］高 飛，潘雙夏，馮培恩.基于廣義有向圖的產品功能建模方法研究［J］.浙江大學學報（工學版），2005，39（5）：648-651.

［2］李 戩，楊媛媛.基于廣義參數化技術的機械產品設計方法研究［J］.礦山機械，2012，40（12）：104-106.

［3］張俊義.面向系列化產品的裝配與派生設計研究—以起重機電纜滑車為例［D］.銀川：寧夏大學，2010.

［4］葉修梓，陳超祥.SolidWorks高級教程：二次開發與API（2007版）［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［5］馬士良，王宗彥，吳淑芳.基于廣義參數化的集成產品設計研究［J］.起重運輸機械，2010，（1）：1-7.

［6］張鳳玲，朱小峰，高 儉，等.模塊化技術在產品設計中的應用［J］.陶瓷學報，2002，23（1）：86-88.

［7］童愛紅，劉 凱，余海英.VB.NET應用程序（第2版）［M］.北京：清華大學出版社，2011.