輥筒輸送機快速響應設計系統研究

廉學勤，李俊源

(浙江工業大學 特種裝備制造和先進加工技術教育部重點實驗室，浙江 杭州 310014)

0 引言

隨著經濟全球化的加劇，市場競爭也變得更加劇烈，這就迫使我國企業需要極大地提高生產自動化程度和物流自動化程度來應對劇烈的市場競爭。尤其在飛速發展的今天，占據主導地位的工業化生產，伴隨著我國工業4.0 的提出，提高生產和物流自動化程度顯得尤為重要。不管是工廠中的生產線，現代倉儲物流還是快遞行業，都需要大量輸送線設備來進行物料運輸并且輸送設備需求越來越大，在今后幾十年中輸送線設備需求還將穩步增長。

目前，我國大多數輸送線設備設計都還處于傳統設計方法階段，并且每個客戶需求都不盡相同，使得個性化產品和定制化產品的需求大大的增加［1］。企業需要根據設計需求對輸送線產品進行重新設計，這樣就增加了設計成本、延長了設計周期，使得企業不能快速響應市場。而基于模塊化和參數化的快速響應設計可以很好的解決這一矛盾。由于輸送線設備設計制造技術已經相當成熟，并且工廠生產線、現代物流中的倉儲物流輸送設備和快遞行業的輸送分揀機構之間都具有很大的設計相似性，都是由驅動裝置、機架和輸送輥筒構成，另外還包括轉向裝置。這就為研究人員對輸送線設備進行模塊化和參數化的快速響應設計提供了很好的依據，從而達到提高企業核心競爭力，減少設計開發周期，進行產品的系列化設計的目的［2］。

本研究通過分析工廠生產線輥筒輸送設備和倉儲物流輥筒輸送線的設計方法和組成結構所具有的設計共性，將模塊化設計參數化設計方法運用到輸送線設備的設計中。

1 模塊化和參數化設計

模塊化設計是根據產品功能需要設計出滿足設計要求的功能模塊，并對各個設計模塊進行重組形成產品的一種設計方法。模塊化設計一般采用功能結構映射的方法來分解，它可以將一個復雜的產品設計分解成若干個較為簡單的子模塊，從而實現復雜產品的快速設計。模塊化設計的關鍵在于把每個模塊進行系列化和標準化，并且劃分的模塊易于拆分和重組［3-4］。在模塊劃分時要遵循以下規則:①模塊劃分應有相對統一的標準;②為了避免模塊本身的復雜程度和混亂，應該適量減少產品劃分的模塊數;③以有限的模塊數獲得盡可能多的產品組合方案，達到用戶的要求;④模塊本身具有一定的獨立功能且結構完整;⑤模塊劃分時應考慮制造工藝性和經濟性［5］。

根據上述模塊化設計原則和輥筒輸送機的特點，筆者以雙鏈輥筒輸送機為例把輸送機劃分為:直線型輸送機、彎道型輸送機、分合流型輸送機、頂升移栽、頂升轉臺和擺動式分路器6個部分。

雙鏈輥筒輸送機模塊劃分圖如圖1 所示。

圖1 雙鏈輥筒輸送機模塊劃分圖

參數化設計是產品設計規格化、系列化的一種簡單、高效和快速的方法。通過改變結構特征某一部分或者某幾部分的尺寸，基于參數化驅動技術，實現對特征中相關部分的自動改動。參數化設計的基本手段有程序驅動和尺寸驅動。程序驅動法是通過編寫驅動模型尺寸之間的數學關系式來生成所要求的模型，尺寸驅動法是驅動基本模型草圖中一系列尺寸來生成新的模型［6-7］。根據程序法和尺寸法的特點，該系統采用尺寸法。其部分零部件參數關系如下:

筆者根據參數化設計的概念、特點和方法，以及雙鏈輥筒輸送機的特點，確定雙鏈輥筒輸送機的主要參數有:運送貨物的長度、寬度和貨物的重量，輸送機輸送速度、高度，以及在彎道設計時彎道的內徑等。

在模塊化和參數化設計過程中需要數據庫的支撐。該系統利用數據管理軟件SQL Server 建立了雙鏈輥筒輸送機的數據庫，也就是建立模型的特征參數數據庫，當選取該模型時，也就可以得到該模型的特征參數。本研究利用VB6.0 中的數據存取技術(ADO)，通過編寫程序實現SolidWorks 模型特征參數與數據庫的連接，實現數據庫中參數的調用，并且該數據庫可以實現數據的添加、刪除和修改［8］。數據庫中某類型輥筒部分軸承的選型尺寸規格如表1 所示。

表1 某型號輥筒部分軸承選型尺寸表

2 快速響應設計系統的開發

2.1 系統總體設計

輥筒輸送機中各個模塊的參數化系統可以作為整體來進行設計，也可以根據設計需求對其進行單獨設計。首先筆者根據客戶輸送線設備的的設計需求進行分析并轉化產品定義時所需產品級參數;然后通過建立的人機交互界面輸入設計產品時所需要的設計參數;再次通過總裝體和子裝配體之間的參數傳遞關系對雙鏈輥筒輸送機的各個模塊進行參數驅動;再通過驅動零件級參數來生成三維模型和通過模塊間的重組形成產品［9］。最后筆者進行產品分析，若滿足全部設計要求，通過SolidWorks 三維圖和工程圖之間的信息傳遞的特點和建立的工程圖的模板，進行工程圖生成。若不滿足要求，則通過修改模型達到要求后，進行工程圖生成。系統數據傳遞過程圖如圖2 所示。

圖2 系統數據傳遞過程圖

2.2 系統的框架結構

通過對某物流企業提出的需求(①輸送機的快速設計;②用戶權限及信息管理;③實現設計與生產的聯接)進行分析，得到系統框架結構如圖3 所示。系統框架結構主要分為用戶層、功能層和基礎層。其中:用戶層是實現人機交互、易于操作;功能層主要是實現產品詳細設計;基礎層支持數據交換和系統功能實現。功能層包括系統界面模塊和系統程序結構模塊，程序結構模塊是系統的核心部分，程序編寫的條理性關系到后續的修改和維護［10］。系統界面模塊包括3個部分:①用戶信息管理模塊，實現用戶權限管理;②系統參數界面，具有較好的人機交互，實現快速的參數傳遞和轉化;③裝配體以及零部件設計模塊。系統的程序結構分為3個模塊:①調用數據庫模塊，完成對數據庫的操作，包括對數據庫查詢、修改、添加和刪除等;②三維模型驅動模塊，對模板庫中的模型進行更新;③工程圖驅動模塊，對工程圖模板庫中的模型進行更新，實現設計和生產的連接。

3 輸送機關鍵參數的確定

圖3 系統框架圖

由于輥筒輸送機在彎道設計時要采用錐形輥筒，并且貨物在彎道上行駛時有縱向滑移，故在彎道設計時要考慮到縱向滑移的量，然后通過綜合考慮來確定彎道的寬度，最終也就確定了直線型輸送機、分合流輸送機、頂升移栽、頂升轉臺、擺動式分路器的寬度［11-12］。其彎道型輸送機輥筒長度度如圖4 所示。其長度由公式確定:

式中:B—輥面的長度;R—彎道內半徑;A—輸送物體的寬度;L—輸送物體的長度;Δ—長度余量，一般取50 mm～150 mm。

圖4 彎道輥筒長度示意圖

在雙鏈輥筒輸送機的彎道設計時還要考慮到鏈條與鏈輪的嚙合的平行度誤差，當鏈傳動兩鏈輪軸線間的平行度誤差較大時，可能產生嚙合鏈條沿鏈輪齒爬高，而兩鏈輪之間的平行度誤差由彎道輸送機兩個輥筒之間的夾角來確定，根據滾子鏈嚙合誤差公式:

式中:Δx—平行度誤差，b—鏈輪齒寬，b1—嚙合鏈條內鏈節內寬，Δ—嚙合條內外鏈板間間隙，d2—鏈輪的分度圓直徑。

根據彎道型雙鏈輥筒輸送機可知，彎道中兩個輥筒之間的夾角α 與平行度誤差Δx具有以下關系:

4 快速響應設計系統的設計實例

本研究根據某企業提出的輸送線設計要求(輸送速度平穩、輸送機高度與出進料設備保持在同一個水平面、滿足物料的運輸效率)以及測量的物料參數(重量10 kg、長度和寬度都是500 mm)和輸送線的布局形式及長度進行分析并把這些設計要求轉化為雙鏈輸送機設計所需的參數，然后通過系統建立的人機交互界面(以直線型為例的界面如圖5 所示)輸入設計所需的設計參數，通過程序中的參數轉化公式和和建立的模型關系方程式對各個設計模塊進行參數驅動，然后再對各個模塊進行模塊重組，最終完成了某條雙鏈輥筒輸送機倉儲物流輸送線的快速響應設計。

通過重組生成的某條雙鏈輥筒輸送機倉儲物流輸送線三維裝配體圖如圖6 所示。

圖5 直線型輸送機人機交互界面

圖6 雙鏈輥筒輸送機三維裝配體圖

5 結束語

本研究基于SolidWorks 軟件平臺，通過運用模塊化設計理論、參數化設計技術，以及SolidWorks API 函數和Visual Basic 編程語言實現了輥筒輸送機的快速響應設計系統的開發，并且根據SolidWorks 三維模型和二維工程圖之間信息可以雙向傳遞的特點，實現了設計和生產之間聯接，大幅度提高了設計效率。通過對系統界面的人性化設計，用戶只需輸入幾個必要的參數和對模型進行局部的修改就可以得到滿足設計要求的產品，極大地提高了企業響應市場的能力，提高了企業的市場核心競爭力，縮短了設計周期和降低了設計成本。

目前，該系統已經經過測試使用，在實際的設計生產中得到了很好的應用。

［1］程賢福，蘭光英，朱啟航，等.面向可適應性的橋式起重機車輪組參數化產品族設計方法［J］.機械設計，2014，31(11):13-17.

［2］上官林建，張偉超，王宗領.基于SolidWorks 的混凝土攪拌站(樓)的三維快速設計［J］.華北水利水電大學學報:自然科學版，2015，36(1):61-65.

［3］高衛國，徐燕申，陳永亮，等.廣義模塊化設計原理及方法［J］.機械工程學報，2007，43(6):48-54.

［4］胡春裕，曹守啟，呂 超.基于廣義模塊化的破碎機械快速設計系統的開發［J］.機械設計，2013，30(5):82-84，88.

［5］王金剛，崔志成，劉立忠，等.基于廣義模塊化的半掛油罐車快速設計系統的開發研究［J］.制造業自動化，2011(3):76-80.

［6］司愛國，梁德義，李虎子.基于SolidWorks 二次開發的牙嵌式離合器參數化建模技術［J］.機電工程，2014，31(10):1254-1257.

［7］何仁財，萬筱軍，吳兆勝，等.基于Solid Works 虛擬設計飼料加工成套設備［J］.包裝與食品機械，2013，31(2):60-62.

［8］尹 超，仲梁維.橋式起重機車輪組參數化設計系統的研究［J］.現代制造工程，2014，36(5):37-40.

［9］REYNERSON C M.Developing an efficient Space System Rapid Design Center［J］.IEEE Aerospace Conference Proceedings，2001，7(1):3517-3522.

［10］李群力.橋式起重機整機三維參數化快速設計系統的研究與開發［D］.太原:中北大學機械與動力工程學院，2014.

［11］馬長友，翟慶宏.動力驅動式曲線輥子輸送機的設計［J］.煉油與化工，2009(3):50-51.

［12］肖 鵬，榮 亮，韓凌飛，等.鹽化行業輥子輸送機參數化設計與應用［J］.鹽業與化工，2014(5):29-32.