基于廣義參數(shù)化的剪式升降平臺快速設(shè)計系統(tǒng)研究

魯康東，仲梁維，孫志洋

（上海理工大學(xué)機械工程學(xué)院，上海200093）

0 引 言

在全球經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的今天，各企業(yè)之間的市場競爭主要圍繞著如何生產(chǎn)出新產(chǎn)品。在確保新產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，如何提高企業(yè)的創(chuàng)新能力和快速響應(yīng)市場能力，以及降低企業(yè)的原料成本和提高設(shè)計效率，成為企業(yè)能否快速占領(lǐng)市場、提升自身核心競爭力的關(guān)鍵［1］。目前國內(nèi)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(tǒng)的剪式升降平臺生產(chǎn)方式存在著很多局限性，產(chǎn)品種類比較單一，缺乏多樣化，設(shè)計周期較長，產(chǎn)品數(shù)據(jù)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(shè)計，同時還要確保產(chǎn)品的設(shè)計效率和質(zhì)量，將廣義參數(shù)化的設(shè)計概念、快速設(shè)計技術(shù)應(yīng)用到剪式升降平臺產(chǎn)品設(shè)計中，李戩、楊媛媛［2］針對傳統(tǒng)設(shè)計存在的不足，提出了機械產(chǎn)品廣義參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，并詳細(xì)論述了設(shè)計內(nèi)涵、流程和一些關(guān)鍵技術(shù)。參數(shù)化設(shè)計是計算機輔助設(shè)計中的一個重要手段，其目的可以減少產(chǎn)品開發(fā)過程中的重復(fù)性設(shè)計［3］，大大縮短新產(chǎn)品的開發(fā)過程，提高了企業(yè)的生產(chǎn)力和市場競爭力。

1 剪式升降平臺快速設(shè)計系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)

基于廣義參數(shù)化的剪式升降平臺快速設(shè)計系統(tǒng)采用Visual Basic.NET語言和ADO（Active Data Object，即 ActiveX數(shù)據(jù)對象）、OLE-DB（Object Linking and Embedding-Database，即對象連接與嵌入）技術(shù)相結(jié)合，以SolidWorks的API［4］為二次開發(fā)接口工具，VB.NET為開發(fā)環(huán)境，集成開發(fā)了基于SolidWorks軟件平臺的剪式升降平臺快速設(shè)計系統(tǒng)。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

基于廣義參數(shù)化的剪式升降平臺快速設(shè)計系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，它可以劃分為若干結(jié)構(gòu)功能。按照數(shù)據(jù)傳遞的先后順序可分為：分析匹配功能、力學(xué)特性分析功能、參數(shù)驅(qū)動功能、工程圖優(yōu)化調(diào)整功能、數(shù)據(jù)導(dǎo)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(xiàn)各功能之間的數(shù)據(jù)共享與傳遞。

1.3 系統(tǒng)總體設(shè)計流程

剪式升降平臺的總體設(shè)計流程如圖1所示。設(shè)計人員進(jìn)入剪式升降平臺產(chǎn)品快速設(shè)計系統(tǒng)，客戶按照自己的產(chǎn)品需求條件，輸入對應(yīng)的參數(shù)信息，然后對模型的整體驅(qū)動，三維模型驅(qū)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(guān)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(shè)計流程

2 基于廣義參數(shù)化的剪式升降平臺快速設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)

廣義參數(shù)化設(shè)計技術(shù)是把機械產(chǎn)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(shù)化設(shè)計過程中的三維零部件模型的驅(qū)動、關(guān)鍵部位的力學(xué)特性分析、二維工程圖的更新。廣義參數(shù)化是以拓?fù)浼s束、尺寸約束、力學(xué)分析約束和工程約束為技術(shù)基礎(chǔ)，將設(shè)計過程中涉及到的零件、部件、裝配體之間的信息關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)。由于廣義參數(shù)化中包含大量可重復(fù)利用的功能模塊［5］，因此利用參數(shù)化進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，可以使設(shè)計人員避免從頭開始，并且設(shè)計出的產(chǎn)品也是滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)規(guī)范的。

2.1 模塊化技術(shù)在廣義參數(shù)化中的應(yīng)用

模塊化設(shè)計是以功能結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)的一種設(shè)計方法，以滿足客戶需求為基礎(chǔ)，采用分解模塊和組合模塊的方法，建立模塊體系［6］。這種設(shè)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(gòu)成客戶個性化需求的產(chǎn)品。模塊化技術(shù)具有良好獨立性、便于新產(chǎn)品開發(fā)、提高驅(qū)動模型速度等優(yōu)點。

對剪式升降平臺進(jìn)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(jìn)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(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)在廣義參數(shù)化中的應(yīng)用

所謂數(shù)據(jù)庫（Database，DB），其實就是存儲在計算機中的相關(guān)數(shù)據(jù)的集合，可以形象地把它看作數(shù)據(jù)的“倉庫”，它是通過類似于文件之類的數(shù)據(jù)單位組織集中起來的。面向剪式升降平臺的快速設(shè)計過程就是將客戶需求轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品數(shù)據(jù)的過程，在數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上建立事物特性表對各零件的參數(shù)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，經(jīng)過特性分析提取零件參數(shù)，對零件進(jìn)行準(zhǔn)確驅(qū)動。

ADO.NET技術(shù)可以為不同的數(shù)據(jù)源提供數(shù)據(jù)交換，它為編程語言與數(shù)據(jù)源進(jìn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)提供程序提供的核心對象

在剪式升降平臺快速設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)過程中，運用數(shù)據(jù)庫技術(shù)對剪式升降平臺數(shù)據(jù)或參數(shù)進(jìn)行管理，比如標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)管理，其主要是將剪式升降平臺中的一些標(biāo)準(zhǔn)件模型進(jìn)行數(shù)據(jù)保存，當(dāng)客戶定制化設(shè)計剪式升降平臺時，通過程序代碼到數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件的選型，然后進(jìn)行模型驅(qū)動。其中標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)管理主要包括：方管、支撐臂矩形鋼、六角螺母和導(dǎo)軌槽鋼等標(biāo)準(zhǔn)件。圖3為支撐臂矩形鋼的數(shù)據(jù)管理。

2.3 廣義參數(shù)化中的理論力學(xué)分析

力學(xué)特性分析是廣義參數(shù)化中不可避免的一步，因為設(shè)計出的產(chǎn)品能不能滿足工程有效性（即強度、剛度）直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量，如果設(shè)計出的產(chǎn)品不能滿足客戶要求，那必然會給企業(yè)的利益造成相當(dāng)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(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖3 支撐臂矩形鋼的數(shù)據(jù)

圖4 剪式升降平臺平面結(jié)構(gòu)圖

客戶要求只需輸入一些關(guān)鍵的參數(shù)，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(guān)鍵參數(shù)，而不是所有零部件細(xì)節(jié)參數(shù)全由客戶輸入。所以對這些零部件的細(xì)節(jié)參數(shù)，需要對其進(jìn)行力學(xué)特性分析計算，計算出來的參數(shù)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(shù)，進(jìn)行模型驅(qū)動。由于本系統(tǒng)中的零件較多，現(xiàn)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(xué)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(huán)求出彎矩的最大值，根據(jù)方程聯(lián)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(shù)到數(shù)據(jù)庫中提取矩形鋼的參數(shù)，提取出的參數(shù)通過程序賦值給模型參數(shù)，進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動，模型更新。支撐臂矩形鋼的邏輯設(shè)計圖如圖6所示。

圖6 支撐臂矩形鋼的邏輯設(shè)計圖

3 設(shè)計實例

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

圖7 剪式升降平臺參數(shù)設(shè)計界面

輸入關(guān)鍵參數(shù)，通過程序代碼里的力學(xué)計算和調(diào)用數(shù)據(jù)庫里各零件參數(shù)信息，然后賦值給模型各零、部件，點擊模型驅(qū)動按鈕，即可對模型進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動，各模塊自動進(jìn)行裝配生成新產(chǎn)品。系統(tǒng)驅(qū)動后生成的新模型如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)驅(qū)動后的剪式升降平臺三維模型

4 結(jié)束語

本文將基于廣義參數(shù)化的產(chǎn)品快速設(shè)計技術(shù)應(yīng)用到剪式升降平臺設(shè)計過程中，通過研究基于廣義參數(shù)化基本結(jié)構(gòu)框架的理論力學(xué)分析、數(shù)據(jù)庫訪問和模塊化等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了剪式升降平臺的二次開發(fā)，開發(fā)出剪式升降平臺快速設(shè)計系統(tǒng)。該系統(tǒng)經(jīng)過設(shè)計實例應(yīng)用，實現(xiàn)了客戶參數(shù)輸入、設(shè)計算法準(zhǔn)確運用、生產(chǎn)圖紙快速生成、產(chǎn)品數(shù)據(jù)高效導(dǎo)出等一系列全新的設(shè)計功能，系統(tǒng)在縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、減少設(shè)計人員的工作量和提高一次性產(chǎn)品設(shè)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(chǎn)品功能建模方法研究［J］.浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2005，39（5）：648-651.

［2］李 戩，楊媛媛.基于廣義參數(shù)化技術(shù)的機械產(chǎn)品設(shè)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(chǎn)品的裝配與派生設(shè)計研究—以起重機電纜滑車為例［D］.銀川：寧夏大學(xué)，2010.

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

［5］馬士良，王宗彥，吳淑芳.基于廣義參數(shù)化的集成產(chǎn)品設(shè)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(shù)在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用［J］.陶瓷學(xué)報，2002，23（1）：86-88.

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