基于Python的多軸線連桿轉向系統數字化平臺設計＊

陳 俊 蘭 希 康紹鵬 強紅賓 劉凱磊

（①江蘇理工學院機械工程學院，江蘇 常州 213001；②中國機械工程學會，北京 100048）

連桿式多軸線運載裝備以其大載重、多模塊化組合以及高速運輸等特點在大型特種設備運輸中有著廣泛的應用。目前國外對連桿式軸線車的研究較為成熟，其設計軟件方面也在不斷完善，國內軸線車的研究起步較晚，相應的設計制造過程缺少重要的理論及軟件支撐，并且針對連桿式軸線車復雜使用工況，其設計過程低效且繁雜，難以實現高效設計制造。

國內許多學者對數字化設計進行了研究并取得了一定成果，孫智慧等基于VB設計了一種可以快速生成渦輪式攪拌器三維模型并使其參數化的系統[1]；許明輝等利用C#語言以及SolidWorks二次開發技術，建立了RV減速器參數優化設計的CAD系統平臺[2]；周璨等將基于智能制造的數字化方法引入到農機產品的設計上，并采用大數據云平臺技術為數字化虛擬設計和虛擬制造提供了存儲和計算平臺[3]；金輝等基于不規則三角網建模原理、三角形條帶法建模原理以及CAD軟件的二次開發，研發了海洋管道路由及結構數字化設計平臺[4]；易揚等基于數字孿生的復雜產品裝配精度預測方法總體流程，以某型衛星結構部裝為例搭建了復雜產品數字孿生裝配軟硬件系統平臺[5]。

因此，提出多軸線連桿轉向系統數字化設計平臺研究，包含應用界面與平臺架構開發、多軟件協同、目標參數化設計、自動化裝配和目標模型優化等，以滿足40軸線以內的連桿轉向系統數字化設計需求，提高設計精度和設計效率。

1 多軸線連桿轉向系統

1.1 多軸線連桿轉向系統的組成

以三軸線連桿轉向系統為例，如圖1a所示，車體共3個軸線，從左至右依次為第一軸線、第二軸線和第三軸線，每個軸線均有兩個轉向輪組，每個輪組均有4個輪胎。三軸線運輸車轉向通過鉸接在端梁上的轉向液壓缸將轉向力傳遞給蝴蝶板，通過蝴蝶板的轉動，并經第一軸線橫拉桿將轉向力傳遞至與輪組相固定的第一軸線轉向連接板，最終將轉向力傳遞到車輛中的第一軸線位，第二軸線轉向同理；第三軸線與第二軸線呈聯動狀態，當第二軸線轉動時，第三軸線經第三軸線橫拉桿帶動第三軸線轉向連接板，并最終實現車輛的轉向。每個轉向臂上有多個不同的轉向連接孔，根據車輛輪軸離轉向中心線距離，來選擇不同的轉向孔與橫拉桿進行連接。連桿式轉向機構的優點是結構簡單、維修方便，缺點是轉向角度受限制，需要不斷計算轉向角度的大小，來選擇不同的連接孔位與橫拉桿進行連接。三軸線連桿轉向軸線車二維圖及三維圖如圖1所示。

圖1 三軸線連桿轉向運輸車示意圖

1.2 運動學模型建立

三軸線連桿轉向系統通過各點和各連桿間的位置關系，等效簡化為如圖2所示的連桿機構簡圖。

圖2 連桿機構簡圖

將第一軸線的連桿機構拆分為如圖3所示的四連桿機構，各桿件之間的連接均為圓柱形鉸鏈，其中a、b、c均為各連桿長度，d為兩鉸鏈之間的直線距離，θ1為連桿a與X軸的夾角，θ2為連桿b與X軸的夾角，θ3為連桿c與X軸的夾角，φ1為AD與DE之間的夾角。以左側交接點為坐標系原點，建立如式（1）所示矢量方程。

圖3 第一軸線連桿機構簡圖

進而求解得

求得

最終求得轉向臂轉角為

且第一軸線外側輪胎轉角為

同理，可求得第二軸線轉角與轉向臂轉角之間的關系，以及第三軸線與第二軸線轉角之間的關系。

1.3 轉向孔位優化模型建立

軸線車實際運轉時，各軸線輪胎不能實現理論上的純滾動，優化的主要目標是將轉向連桿進行最優布置，減小輪胎滑動摩擦和轉角誤差。

連桿轉向系統以各軸線輪胎的理論轉角和實際轉角的加權偏差絕對值均值為優化對象，求出最小值以實現轉向連接板及蝴蝶板孔位布置的最優解。

任意軸線的目標函數式為：

式中：M為計算涉及軸線個數；fi(X) 為優化對象；λi為權函數，其中i=1, 2, ···, 2m-1，令λi=1；Δθi為第i個車輪的理論轉角與實際轉角的偏差量；ω(β1)為加權系數。

用整體坐標(xqi,yqi)和(xhi,yhi)分別表示第i根連桿的左端連接點和右端連接點的位置，整體坐標系如圖4所示，連桿坐標布置如圖5所示。

圖4 軸線車整體坐標布置圖

圖5 連桿坐標布置圖

坐標表達式為：

式中：φi為連桿與x軸的夾角；li為第i根連桿的長度。

為減少優化設計變量，并達到最終優化結果，設定連桿左端連接點的整體坐標及其與x軸夾角的局部坐標為優化設計變量，則有：

式中變化范圍為：

2 數字化設計平臺開發

數字化設計平臺以Python匯編語言為支撐，提供平臺框架整體以及圖形用戶界面，采用多軟件接口互聯技術，圖形用戶界面所收集得用戶所輸參數，可通過Python-MATLAB接口，將各項參數輸入至優化程序文件并進行優化計算，得出最優模型配置參數，再由Python主體程序，經Python-SolidWorks接口，輸入至SolidWorks三維模型中，進而實現零部件參數化設計、自動裝配和目標模型優化等功能[6-9]。

2.1 平臺架構設計

數字化設計平臺可分為應用層、功能層、工具層以及數據層[10]。平臺利用Python建立整體軟件框架，在應用層上為用戶提供各功能軟件接口以及圖形用戶界面，解決不同計算軟件數據孤立的問題。平臺在功能層面可為用戶提供數學模型計算和優化，進而對SolidWorks中三維模型進行參數化設計，對裝配體模型進行自動化裝配。平臺整體圍繞Python、SolidWorks以及MATLAB多軟件協同展開，基于Python主體程序，經優化算法程序，進而修改并重建SolidWorks三維模型，輸出各機構運動軌跡和誤差。數字化設計平臺框架如圖6所示。

圖6 數字化設計平臺軟件框架

2.2 多軟件協同接口設計

數字化設計平臺利用Python匯編語言編寫主體程序，由于SolidWorks未提供專門用于Python的開發工具包，采用第三方庫win32com操作com對象，以實現對SolidWorks的功能調用。

通過運行Python安裝目錄下子目錄“Libsitepackageswin32comclient”的 makepy.py 程序，選擇“Sldworks 2018 Type Library[1a.0]” 可 生 成 名 為“83A33D31-27C5-11CE-BFD4-00400513BB57x409x1 x0.py”的庫文件，即可實現與SolidWorks 的應用程序接口 ( application program interface，API)的組件對象模型 ( component objectmodel，COM) 實現實時連接。

SolidWorks API的網絡結構是多層次的自上而下的樹型。對于類對象的調用也是通過自上而下，SolidWorks是根目錄對象類，處于所有類對象的底層，是調用API宏文件的唯一入口[11-13]。即可通過Python與SolidWorks互聯接口，實現對SolidWorks草圖、零件及裝配體等進行編輯修改等操作。

接口關鍵代碼設計為：

數字化設計平臺通過圖形用戶界面，收集用戶所輸入數據，需通過Python與MATLAB接口，實現數據傳遞，為實現調用MATLAB中庫函數以及用戶自定的.m函數文件，需給Python安裝MATLAB的API程序，通過MATLAB提供的setup.py文件用于編譯與安裝MATLAB引擎。打開Window平臺的cmd命令，將操作文件夾位置轉移到MATLAB安裝文件夾下的Python腳本文件位置，最后利用Python setup.py install命令安裝 MATLAB 引擎。

待MATLAB引擎安裝完畢后，需在Python中添加調用命令，關鍵代碼設計為：

3 連桿轉向系統數字化平臺應用設計

3.1 程序開發流程

針對連桿式軸線車的多種使用工況，首先確定產品需求，明確設計思路及方案，對各連桿轉向系統各機構模塊建立模型庫，分析各零部件之間的裝配關系，在草圖繪制及特征建立的過程中減少不必要的尺寸，再保存至程序所指向的目錄。使用時由程序調用模型文件，通過圖形界面獲取用戶所需軸線車連桿轉向系統的各項參數，經優化算法對參數進行計算，得出最優轉向連桿尺寸和布置方式，再由主體程序文件，將連桿尺寸和孔位布置傳遞至三維模型，對其進行參數化設計、自動裝配以及目標模型優化，最后通過程序對模型的相關零部件進行重建和另存，得到用戶所需連桿轉向系統最優模型，同時可以生成各軸線機構運動軌跡、轉向角度、鉸接點約束力曲線和轉角誤差等。總體程序設計流程如圖7所示。

圖7 總體程序設計流程圖

3.2 參數化設計與裝配

連桿轉向系統數字化設計平臺對零部件設計、修改、優化和自動裝配采用的主要方式為參數化設計，主要有兩種方式：一種是通過SketchManager.InsertSketch(True)函數，直接進行草圖繪制，再通過Featuremanager.FeatureExtrusion3()函數對草圖進行建模操作；另一種是對零件的標注尺寸進行直接修改[14]。

針對軸線車連桿孔位配合多變的特性，相較于尺寸驅動法，第一種配置尺寸方法，將使內存占用量大大增多，且代碼量較大，故采用第二種尺寸驅動法，建立連桿零部件模型庫，將庫文件保存在程序指向位置，待用戶輸入所需軸線車的相關參數，通過Python-MATLAB接口傳輸對應數據，經程序優化算法計算，得到所需轉彎條件下最優連桿尺寸，通過選取連桿對應草圖名稱，將最優連桿尺寸傳遞至模型中，修改連桿草圖尺寸，以實現連桿參數化設計。該方法以約束為前提，程序量少，特征約束由模型自動產生，修改過程中模型拓撲結構基本保持不變，避免了文件占用內存過大的弊端[15]。

關鍵程序設計有：

連桿轉向系統機構尺寸修改完畢后，根據優化程序中的連桿尺寸配置，將系統裝配體中連桿依次進行裝配。由于在SolidWorks裝配體中，需手動對多個零部件配合進行修改，不利于提高設計效率，故采用自動裝配。裝配體修改配合關系主要有兩種方式：一種是通過ReplaceComponent2( )方法，一鍵替換所需零部件；另一種是通過AddMate3( )，對所選零部件特征進行配合[16-17]。

為了便于連桿轉向系統自動裝配的實現，在零部件設計階段建立好裝配所需的基準軸、基準面等特征，并且針對連桿、蝴蝶板及轉向連接板孔位間配合，對裝配體文件進行預處理，對連桿進行位置約束，使其存在一定的自由度，待配合孔位裝配完全，使其完全約束。通過API文件下Extension下的SelectByID2函數，分別選擇兩個或多個基準特征，再調用addmate3配合函數[12-13]，即可完成裝配。

關鍵代碼設計為：

3.3 圖形用戶界面設計

利用Python3.7作為匯編語言，采用sublime作為編譯軟件，實現對主體程序的快速修改，通過PysimpleGUI庫實現對數字化設計平臺圖形用戶界面的編輯修改，連桿轉向系統數字化設計平臺圖形用戶界面示意圖如圖8所示。

圖8 連桿轉向系統數字化設計平臺圖形用戶界面示意圖

部分圖形界面代碼設計為：

3.4 參數優化應用

以某公司三軸線連桿轉向系統需求為輸入，其中軸距L=1 500 mm，輪距B=1 775 mm，車速 60 km/h，整車尺寸8 m×2.5 m，轉向連桿材料采用Q345鋼，連桿鉸接處采用潤滑處理，摩擦系數取0.07，間隙配合選用H9/f9，各軸線內外側轉角誤差小于2.5°。其中轉向連接板以及蝴蝶板上的連桿孔位初始坐標如表1所示，可求得各軸線輪胎轉角的理論值與實際值，利用轉向孔位優化模型，可求得各孔位坐標變化和優化后角度變化，優化后坐標如表2所示，第一、二、三軸線轉角變化如圖9～11所示。

表1 轉向連接板及蝴蝶板上的孔位初始數據

表2 轉向連接板及蝴蝶板上的孔位優化后數據

由圖9～11可知，各軸線輪胎的實際轉角與理論轉角存在較大誤差。其中，第一軸線內外側輪胎轉角誤差分別為26.81°和31.74°，經優化后內外側轉角誤差控制在2.4°以內；第二軸線內外側輪胎理論轉角曲線相近，與實際轉角誤差分別為6.31°和12.38°，經優化后第二軸線外側轉角接近理論轉角，內側轉角仍存在一定誤差，約為2.3°；第三軸線內外側理論轉角與實際轉角誤差較小，分別約為1.81°和1.56°，經優化后內外側轉角誤差控制在1.8°以內。各軸線內外側轉角優化效果明顯，滿足設計需求，設計效率提高約45%。

圖9 第一軸線轉角優化對比圖

圖10 第二軸線轉角優化對比圖

圖11 第三軸線轉角優化對比圖

4 結語

（1）以Python為匯編語言，設計開發應用界面與平臺架構，實現SolidWorks和MATLAB軟件互聯，開發了多軸線連桿轉向系統數字化設計平臺。

（2）提出了一種可實現多軸線連桿轉向系統應用界面與平臺架構開發、多軟件協同、目標參數化設計、自動化裝配、目標模型優化的數字化設計平臺方法，設計效率提高約45%以上。

（3）基于數字化設計平臺，利用連桿轉向系統運動學模型和轉向孔位優化模型，對轉向機構各孔位進行參數化優化分析，將各軸線最大轉角誤差降低到2.4°以下。