胡智君

（安徽銅冠機(jī)械股份有限公司 安徽銅陵 244061）

剪式升降平臺(tái)具有結(jié)構(gòu)緊湊、承載量大、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操控性好等優(yōu)點(diǎn)，在礦山隧道的設(shè)備安裝與維修等場(chǎng)合中得到廣泛應(yīng)用。由于應(yīng)用場(chǎng)合及載重量不同，生產(chǎn)廠家需要按照客戶的要求設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)工作量較大，設(shè)計(jì)時(shí)間緊，容易出錯(cuò)，在這種情況下，需要一種快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)?？焖僭O(shè)計(jì)系統(tǒng)是指根據(jù)客戶要求的理念，將設(shè)計(jì)規(guī)則、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)專(zhuān)家的經(jīng)驗(yàn)集成到軟件系統(tǒng)中，形成設(shè)計(jì)平臺(tái)。在這個(gè)平臺(tái)上通過(guò)輸入產(chǎn)品主要參數(shù)，經(jīng)過(guò)推理和計(jì)算設(shè)計(jì)出產(chǎn)品。吳慶鳴等[1]通過(guò)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)與參數(shù)關(guān)聯(lián)和傳遞；Wilkes[2]等對(duì)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(guò)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。當(dāng)前的參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是對(duì)三維產(chǎn)品模型的尺寸進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，但對(duì)模型驅(qū)動(dòng)后的工程有效性研究比較少。本文以Solidworks為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，利用Solidworks的應(yīng)用程序編程接口API為開(kāi)發(fā)工具，以VB.net作為開(kāi)發(fā)環(huán)境，用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)建立零件事物特性表，提出了一種剪式升降平臺(tái)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)計(jì)算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、外購(gòu)件選型、自動(dòng)出圖、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)自動(dòng)生成等功能，大大提高了設(shè)計(jì)效率，避免了差錯(cuò)。

1 剪式升降平臺(tái)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)及功能

剪式升降平臺(tái)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一個(gè)集成的系統(tǒng)，具有良好的人機(jī)界面，設(shè)計(jì)人員通過(guò)與系統(tǒng)的交互輸入必須的設(shè)計(jì)參數(shù)后，系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。對(duì)不同的應(yīng)用條件，系統(tǒng)只需設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)的引導(dǎo)下輸入一定量的參數(shù)后能自動(dòng)確定升降平臺(tái)的結(jié)構(gòu)形式，自動(dòng)產(chǎn)生全部的裝配圖、零件圖、計(jì)算說(shuō)明書(shū)、BOM 匯總表等，在設(shè)計(jì)過(guò)程中用戶如果對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)果不滿意，可以通過(guò)交互界面部分或全部地進(jìn)行交互設(shè)計(jì)。系統(tǒng)具有很好地維護(hù)和擴(kuò)充功能，允許用戶對(duì)型材數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯和擴(kuò)充。本系統(tǒng)提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，圖1所示為整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)功能模塊。

圖1 系統(tǒng)功能模塊

1.1 初始參數(shù)輸入及知識(shí)庫(kù)

本系統(tǒng)初始參數(shù)只需要輸入起升重量Q、起升高度H及起升平臺(tái)的寬度W1即可，智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)知識(shí)庫(kù)的設(shè)計(jì)知識(shí)，進(jìn)行推理和計(jì)算，確定整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及所有零部件的尺寸。知識(shí)庫(kù)主要存儲(chǔ)了設(shè)計(jì)知識(shí)，例如零部件承受的應(yīng)力S,滿足條件s1max＜s＜s2max時(shí)，選擇 K2號(hào)型材等。設(shè)計(jì)界面如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)界面

1.2 強(qiáng)度剛度計(jì)算

強(qiáng)度剛度模塊主要根據(jù)載荷Q，分析每一個(gè)零部件的受力情況，各個(gè)零部件的受力及關(guān)鍵點(diǎn)的標(biāo)識(shí)如圖3所示。

圖3中L為平臺(tái)的長(zhǎng)度，x為動(dòng)態(tài)支撐點(diǎn)距左端的距離，q=Q/W1是線性均布載荷，式中 Q為起重載荷，A為起升平臺(tái)的面積，根據(jù)線性分布載荷q與鉸點(diǎn) A、B、G、H的平衡方程，可求解各鉸點(diǎn)力。

對(duì)GE桿和AE桿綜合力學(xué)分析[3-4]，這里的x取值為0≤x≤x1，因?yàn)槌绦蛴?jì)算方式是以x變量作為循環(huán)求出彎矩的最大值，根據(jù)方程聯(lián)立計(jì)算出G E桿F點(diǎn)的彎矩公式：

式中：L2為桿長(zhǎng)度，θ為桿在運(yùn)行過(guò)程中受力最大的角度，MF為桿主要受彎矩載荷，σmax為型材的最大許用應(yīng)力，WZ是型材的截面系數(shù)，根據(jù)式(5)得到WZ后，乘以安全系數(shù)K，然后從型材庫(kù)中選擇一種型材。

圖3 桿受力分析

1.3 干涉檢查

產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中有可能產(chǎn)生干涉的情況，干涉主要分為靜態(tài)干涉和運(yùn)動(dòng)干涉，靜態(tài)干涉主要是設(shè)計(jì)的尺寸錯(cuò)誤造成，動(dòng)態(tài)干涉主要是機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中某個(gè)位置產(chǎn)生干涉。靜態(tài)干涉檢查比較容易，在部件裝配好后，三維 CAD軟件都有靜態(tài)干涉檢查的功能。但是，動(dòng)態(tài)干涉因?yàn)椴恢啦考\(yùn)動(dòng)到什么位置發(fā)生干涉，所以必須進(jìn)行虛擬運(yùn)轉(zhuǎn)。本系統(tǒng)在SolidWorks中通過(guò)二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了零部件間動(dòng)態(tài)干涉的快速檢查，顯著地提升了設(shè)計(jì)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

升降平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)主要是上下運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)首先是通過(guò)二次開(kāi)發(fā)編程實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，并且能根據(jù)給定的控制參數(shù)在任意位置停止運(yùn)動(dòng)，其次在任意一個(gè)位置能進(jìn)行干涉檢查，干涉檢查是通過(guò)Soldworks的API函數(shù)庫(kù)中的swAssy. Tools Check Interference2函數(shù)實(shí)現(xiàn)。如果設(shè)定系統(tǒng)升降平臺(tái)升降間隔為1mm的話，那么系統(tǒng)就會(huì)每隔1mm就進(jìn)行一次干涉檢查，如果發(fā)生干涉系統(tǒng)會(huì)將干涉位置及干涉時(shí)的干涉尺寸存入數(shù)據(jù)庫(kù)，供修改參考。

1.4 型材庫(kù)的擴(kuò)充

系統(tǒng)中建立了國(guó)標(biāo)型材庫(kù)，國(guó)標(biāo)型材有時(shí)不能滿足要求，需要增加非標(biāo)的型材，系統(tǒng)建有用戶擴(kuò)充接口，用戶可以自由增加、修改或刪除自定義的型材數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖4 用戶自定義型鋼界面

1.5 計(jì)算說(shuō)明書(shū)的自動(dòng)產(chǎn)生

生成升降平臺(tái)計(jì)算說(shuō)明書(shū)是剪式升降平臺(tái)設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié) ，升降平臺(tái)的設(shè)計(jì)計(jì)算量較大，公式較多，自動(dòng)生成提高了設(shè)計(jì)效率，減少了誤差。本文采用 VB.NET語(yǔ)言通過(guò)添加Microsoft.Office.Interop.Word（12.0.0.0）引用，對(duì)Word進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了不同參數(shù)下的剪式升降平臺(tái)的說(shuō)明書(shū)大量公式和數(shù)據(jù)的自動(dòng)生成，從而實(shí)現(xiàn)完整計(jì)算說(shuō)明書(shū)的生成。

首先，建立一個(gè)Word的計(jì)算說(shuō)明書(shū)模板，在這個(gè)模板中將要體現(xiàn)計(jì)算結(jié)果的地方設(shè)置不同標(biāo)簽。其次，系統(tǒng)將計(jì)算的結(jié)果及數(shù)據(jù)庫(kù)的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)VB.net與Word的通訊替換模板中的標(biāo)簽，或在相關(guān)的位置增加相關(guān)條目。當(dāng)平臺(tái)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)完成，點(diǎn)擊初始界面上的“導(dǎo)出說(shuō)明書(shū)”按鈕，即把剪式升降平臺(tái)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)顯示在Word中保存。

2 剪式升降平臺(tái)的三維參數(shù)化建模

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。

總體參數(shù)分析：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(zhǎng)度L，寬度W，承載重量G，利用這些參數(shù)算出機(jī)構(gòu)的其他參數(shù)。

零件參數(shù)分析：對(duì)零件和部件參數(shù)進(jìn)行分類(lèi)，并提取出零件的主要參數(shù)作為驅(qū)動(dòng)參數(shù)[4]，可以將零件參數(shù)大致分為A、B、C三類(lèi)，A類(lèi)是主動(dòng)參數(shù)，功能是直接驅(qū)動(dòng)的參數(shù)，B類(lèi)是從動(dòng)參數(shù)，通過(guò)一定的方法計(jì)算出來(lái)的，C類(lèi)是不需要改變的參數(shù)。

關(guān)聯(lián)分析：建立零部件參數(shù)間的關(guān)聯(lián)[5]，主要分為三類(lèi)：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(guò)Solidworks自帶的方程式定義關(guān)聯(lián)，另一部分通過(guò)VB.net編寫(xiě)關(guān)聯(lián)。

3 工程圖的規(guī)范化

雖然三維設(shè)計(jì)軟件能很好地表達(dá)了設(shè)計(jì)意圖，但是二維工程圖仍然是大部分企業(yè)需要的，在加工過(guò)程中零件尺寸、檢驗(yàn)產(chǎn)品及技術(shù)交流不可缺少的技術(shù)資料。SolidWorks API函數(shù)將三維模型轉(zhuǎn)換為工程圖時(shí)有兩種方法。第一種是無(wú)模板的方法，這種方法得到三維模型三視圖沒(méi)有問(wèn)題，但是對(duì)模型的進(jìn)一步操作不盡人意；第二種方法是有模板的方法，在制作好工程圖模板后，只要驅(qū)動(dòng)其相關(guān)的三維模型，工程圖就會(huì)隨之改變。采用上述方法經(jīng)常碰到視圖比例、視圖位置、尺寸位置、尺寸精度、注解位置不符合國(guó)標(biāo)及美觀要求。

本系統(tǒng)通過(guò)二次開(kāi)發(fā)對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行了修正，達(dá)到了工程應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。其方法是在SolidWords API的對(duì)象關(guān)系中，首先用GetFirstView方法得到一個(gè)View對(duì)象，然后通過(guò)對(duì)象 view中的方法GetFirstDisplayDimension5獲得 DisplayDimension對(duì)象，該DisplayDimension對(duì)象為該視圖的第一個(gè)尺寸對(duì)象，如果要進(jìn)行整個(gè)視圖尺寸的遍歷工作，要用到DisplayDimension對(duì)象中的GetNext5方法[5]。判斷用GetNet5方法得到的對(duì)象是否為Nothing,如果 Nothing,說(shuō)明為該視圖的尺寸全部遍歷已經(jīng)完成。利用 Display Dimension對(duì)象中的 SetText ,GetAnnotation ,GetDimcnsion等屬性和方法，能得到該尺寸的所有屬性(如位置、箭頭大小、字體等)并可以設(shè)置他們。

4 應(yīng)用實(shí)例

現(xiàn)設(shè)計(jì)一個(gè)升降平臺(tái)，要求最大高度3 300 mm，長(zhǎng)度2 312 mm，寬度1 600 mm，承載重量3 000 kg，

輸入以上參數(shù)后，系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 三維設(shè)計(jì)結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

剪叉式升降平臺(tái)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)合了設(shè)計(jì)專(zhuān)家的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、出圖自動(dòng)化及設(shè)計(jì)參數(shù)管理。實(shí)例驗(yàn)證了本系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，相比較人工設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)速度提高了80倍，大大提高了企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)的速度，而且避免了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，為企業(yè)贏得了占領(lǐng)市場(chǎng)的先機(jī)。

[1]吳慶鳴,宗馳,張強(qiáng),等.復(fù)雜產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)及其參數(shù)傳遞方法研究[J].中國(guó)機(jī)械工程, 2008,19(22):2955-2960.

[2]WILKESJRLEONARDR.Variant design as a method of automating the design process[J].Computer- Aided Engineering Journal,1988,5(3):97-102.

[3]魯康東,仲梁維,孫志洋. 基于廣義參數(shù)化的剪式升降平臺(tái)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究[J].通信電源技術(shù),2015,32(6):89-91.

[4]顧國(guó)玉,仲梁維,葛歡. 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[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化,2015(7):139-140.

[5]尹建強(qiáng),仲梁維,馮強(qiáng). 基于SolidWorks二次開(kāi)發(fā)的剪式升降平臺(tái)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)[J].軟件導(dǎo)刊,2017,16(4):97-100.