剪式升降平臺(tái)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與力學(xué)特性分析

顧國玉，仲梁維，葛 歡

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

目前，機(jī)械行業(yè)正在高速不斷發(fā)展，過去的機(jī)械產(chǎn)品是大批量少品種，目的是為了降低生產(chǎn)成本，現(xiàn)在的機(jī)械產(chǎn)品是以提高設(shè)計(jì)效率為主，目的是生產(chǎn)出能夠滿足客戶定制設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，企業(yè)不僅以大批量進(jìn)行生產(chǎn)為目的，也可以根據(jù)客戶的要求和需求而改變[1]為了滿足這些需求，可根據(jù)企業(yè)的原創(chuàng)產(chǎn)品，對產(chǎn)品基礎(chǔ)模型進(jìn)行快速設(shè)計(jì)。參數(shù)化設(shè)計(jì)是指根據(jù)客戶要求的理念，并確定參數(shù)信息，通過修改產(chǎn)品模型參數(shù)值，產(chǎn)生類似的零件、組件和裝配體。吳慶鳴等[2]通過分析復(fù)雜的模型和參數(shù)，研究了產(chǎn)品的的參數(shù)化設(shè)計(jì)和模型中參數(shù)的參數(shù)關(guān)聯(lián)和傳遞；Wilkes[3]等對產(chǎn)品模型參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的研究，目的是使設(shè)計(jì)的過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；匡兵等[4]研究零部件尺寸參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本思想，得到了關(guān)于尺寸變化的規(guī)律。

但當(dāng)前的參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是對三維產(chǎn)品模型的尺寸進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。但對模型驅(qū)動(dòng)后的工程有效性研究比較少，既滿足強(qiáng)度，剛度，穩(wěn)定性，又滿足材料使用量最少。

剪式升降平臺(tái)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是指不破壞原有設(shè)計(jì)的基本原理和基本結(jié)構(gòu)特征，而產(chǎn)生滿足工程有效性且和原有設(shè)計(jì)相似的新產(chǎn)品，本系統(tǒng)以SolidWorks2012為開發(fā)平臺(tái)，利用SoldWorks的應(yīng)用程序編程接口API為開發(fā)工具，以VB.net作為開發(fā)環(huán)境，用SQL Server數(shù)據(jù)庫建立零件事物特性表，開發(fā)了剪式升降平臺(tái)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)的原理

本文是將參數(shù)化設(shè)計(jì)、力學(xué)特性分析和模型尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想結(jié)合起來。首先利用SolidWorks建立三維基準(zhǔn)主模型，用參數(shù)化設(shè)計(jì)的思想對模型進(jìn)行力學(xué)特性分析和參數(shù)分析，最后將設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)合力學(xué)分析公式寫入程序驅(qū)動(dòng)三維產(chǎn)品模型，生成新的相似產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)變型設(shè)計(jì)。圖1為剪式升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 剪式升降平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

2 參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)的技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計(jì)的前提是三維產(chǎn)品主模型是參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品都是在主模型的基礎(chǔ)上修改后得到的，在SolidWorks平臺(tái)上設(shè)計(jì)出產(chǎn)品所有的零件及部件，然后按照一定的配合關(guān)系裝配成主模型。因此參數(shù)化設(shè)計(jì)的首要條件是建立好產(chǎn)品主模型。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的核心步驟，參數(shù)化設(shè)計(jì)包括總體參數(shù)分析、零件參數(shù)分析、非標(biāo)準(zhǔn)零件參數(shù)分析、標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)分析和關(guān)聯(lián)分析。

1）總體參數(shù)分析：目的是分析產(chǎn)品的主要功能參數(shù)，控制整個(gè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和合理性。剪式升降平臺(tái)的總體參數(shù)包括最大伸展高度H，承載平臺(tái)長度L，寬度W，距離x，承載重量G等，利用這些參數(shù)算出機(jī)構(gòu)的其他參數(shù)。

2）零件參數(shù)分析：目的是對零件和部件參數(shù)進(jìn)行分類，并提取出零件的主要參數(shù)作為驅(qū)動(dòng)參數(shù)[5]，可以將零件參數(shù)大致分為A、B、C三類，A類是是主動(dòng)參數(shù)，功能是直接驅(qū)動(dòng)的參數(shù)，B類是從動(dòng)參數(shù)，通過力學(xué)分析公式計(jì)算出來的，C類是不需要改變的參數(shù)。

3）關(guān)聯(lián)分析：目的是建立零部件參數(shù)間的關(guān)聯(lián)[6]，主要分為三類：零件與零件之間參數(shù)關(guān)聯(lián)、零件與部件之間參數(shù)關(guān)聯(lián)、部件與部件之間參數(shù)關(guān)聯(lián)，一部分通過Solidworks自帶的方程式定義關(guān)聯(lián)，另一部分通過VB.net編寫關(guān)聯(lián)。

2.2 力學(xué)特性分析及實(shí)現(xiàn)

為了使零部件能夠滿足工程有效性，參數(shù)驅(qū)動(dòng)之前需要對各個(gè)零部件進(jìn)行力學(xué)特性分析，計(jì)算出能夠滿足工程有效性的參數(shù)再進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)。計(jì)算的參數(shù)主要包括非標(biāo)準(zhǔn)零件參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)零件參數(shù)。圖2為零件參數(shù)更新流程圖。

圖2 零件參數(shù)更新流程圖

1）非標(biāo)準(zhǔn)零件參數(shù)分析：目的是使非標(biāo)準(zhǔn)零件能夠滿足強(qiáng)度，剛度。首先查詢非標(biāo)準(zhǔn)零件的許用應(yīng)力，再根據(jù)輸入的設(shè)計(jì)參數(shù)，結(jié)合受力分析公式，計(jì)算出能夠滿足強(qiáng)度、剛度的非標(biāo)零件的參數(shù)，最后進(jìn)行零件模型更新，例如計(jì)算K點(diǎn)的銷軸直徑，首先對DH桿和DB桿力學(xué)特性分析，計(jì)算出K點(diǎn)力學(xué)公式，然后將該公式寫入代碼計(jì)算出K點(diǎn)最大的力，最后結(jié)合該銷軸的許用切應(yīng)力 ][τ計(jì)算出該銷軸的直徑進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)，圖3為DH桿(a)和DB桿(b)受力分析圖。

圖3 GE桿(a)和AE桿(b)受力分析圖

60°為JM與BD的夾角，35°為KI與DH夾角。

2）標(biāo)準(zhǔn)零件參數(shù)分析：目的是使標(biāo)準(zhǔn)零件能夠滿足強(qiáng)度，剛度。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)、力學(xué)分析公式、許用應(yīng)力，計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)零件特性參數(shù)，根據(jù)特性參數(shù)到數(shù)據(jù)庫SQL Server提取零件參數(shù)，最后進(jìn)行零件模型更新，例如對DH桿進(jìn)行參數(shù)選取，首先對DH桿和DB桿力學(xué)特性分析，計(jì)算出DH桿K點(diǎn)和F點(diǎn)的彎矩公式，然后將該公式寫入代碼計(jì)算出DH桿的最大彎矩，最后結(jié)合該彎矩的許用彎曲應(yīng)力 ][σ及截面系數(shù)，提取出GE桿的參數(shù)進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)。

根據(jù)平衡方程計(jì)算出GE桿K點(diǎn)和F點(diǎn)彎矩：

2.3 零件事物特征表的數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)

建立SQL Server事物特性表數(shù)據(jù)庫是指對零件的幾何特性、功能特性等的信息幾何進(jìn)行分類，通過這些特性把零件中的參數(shù)提取出來，方便對零部件進(jìn)行精確的驅(qū)動(dòng)。

本系統(tǒng)建立了剪式升降平臺(tái)各零件、安全系數(shù)、數(shù)據(jù)管理的事物特性表，存放到數(shù)據(jù)庫中，矩形鋼的事物特性表如圖4所示。

圖4 矩形鋼事物特性表

3 參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

本案例選用SolidWorks作為三維CAD系統(tǒng)平臺(tái)，SQL Server作為數(shù)據(jù)庫，VB.net語言作為開發(fā)環(huán)境，SolidWorks API接口技術(shù)作為開發(fā)工具，SolidWorks API接口技術(shù)中主要對象有SldWorks，ModelDoc2，PartDoc，AssemblyDoc等，利用這些對象成員的屬性和方法，實(shí)現(xiàn)了了簡式升降平臺(tái)參數(shù)化快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1）用戶界面：方便設(shè)計(jì)人員能夠清楚、簡單地進(jìn)行模型設(shè)計(jì)，目的是設(shè)計(jì)的過程中能方便地對參數(shù)進(jìn)行輸入、計(jì)算、修改和保存。圖5為參數(shù)設(shè)計(jì)界面。

圖5 參數(shù)設(shè)計(jì)界面

圖6 模型結(jié)果圖

2）程序代碼：控制驅(qū)動(dòng)模型的主要方法，每個(gè)零件、部件中的參數(shù)以及零部件之間的參數(shù)都有相應(yīng)的程序代碼，程序代碼大致可以分為三大類：（1）根據(jù)輸入?yún)?shù)直接進(jìn)行驅(qū)動(dòng)；（2）根據(jù)輸入?yún)?shù)計(jì)算出零件的參數(shù)，然后進(jìn)行賦值驅(qū)動(dòng)；（3）根據(jù)輸入?yún)?shù)計(jì)算出零件特征參數(shù)，經(jīng)過力學(xué)特性分析，然后到數(shù)據(jù)庫提取零件的參數(shù)，最后進(jìn)行賦值驅(qū)動(dòng)。利用程序代碼可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)模型的目的。

根據(jù)上面的步驟，可以完成對簡式升降平臺(tái)進(jìn)行快速設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員輸入好相應(yīng)的參數(shù)，配置好安全系數(shù)和零件參數(shù)，點(diǎn)擊“模型驅(qū)動(dòng)”按鈕，系統(tǒng)自動(dòng)生成簡式升降平臺(tái)。圖6為驅(qū)動(dòng)后的模型結(jié)果圖。

4 結(jié)束語

通過剪式升降平臺(tái)的力學(xué)特性分析結(jié)合事物特性表技術(shù)建立主模型，同時(shí)利用VB.net編程語言、SQL Server數(shù)據(jù)庫表功能和SolidWorks API函數(shù)進(jìn)行聯(lián)合，構(gòu)建了剪式升降平臺(tái)參數(shù)化快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)，達(dá)到了對其進(jìn)行快速建模的目的。因此可得到如下結(jié)論：

1）剪式升降平臺(tái)參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)合力學(xué)特性分析證實(shí)了產(chǎn)品的實(shí)用性。2）該方法加速了建模的進(jìn)程，提高了該剪式升降平臺(tái)的設(shè)計(jì)效率。

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