基于裝配式的桁架臂標(biāo)準(zhǔn)節(jié)建模方法研究

李 末，王 欣，蔣春朗，考 輝

(1.大連益利亞工程機(jī)械有限公司，遼寧 大連 116021)

(2.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116023)

桁架臂架系統(tǒng)由于其具有自重小、運(yùn)輸拼接方便和抗風(fēng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于履帶起重機(jī)、塔式起重機(jī)、汽車起重機(jī)副臂和浮式起重機(jī)等高聳臂架系統(tǒng)以及風(fēng)力較大的場合[1]。標(biāo)準(zhǔn)節(jié)是桁架臂架系統(tǒng)的重要組成部分，在整個(gè)桁架臂架系統(tǒng)中使用頻率較高且數(shù)量所占比例較大。在桁架臂架系統(tǒng)設(shè)計(jì)建模過程中需要根據(jù)計(jì)算結(jié)果對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)尺寸及相應(yīng)的管件規(guī)格進(jìn)行反復(fù)調(diào)整，以使得桁架臂滿足強(qiáng)度與剛度要求。針對標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主結(jié)構(gòu)基本相似、尺寸規(guī)格及所含附件存在較大差異、建模效率低、模型重用困難等特點(diǎn)，本文提出了一種能夠快速創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)節(jié)三維實(shí)體模型的方法，可縮短設(shè)計(jì)周期，減少因人為疏忽造成的錯(cuò)誤，提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，并且能夠快速便捷地提供多種備選方案，從而提升企業(yè)的競爭力。

1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)體系

桁架臂架系統(tǒng)如圖1所示，主要由底節(jié)、卷揚(yáng)節(jié)、標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、頂節(jié)、臂頭、滑輪組、鵝頭、拉板、主臂防后傾等部件組成。其中標(biāo)準(zhǔn)節(jié)是臂架系統(tǒng)的重要組成部分，也是使用量最多的部件。根據(jù)不同工況下起重量及起升高度的不同，按長度劃分標(biāo)準(zhǔn)節(jié)可分為3 m、6 m、9 m、12 m標(biāo)準(zhǔn)節(jié)。根據(jù)承受載荷不同標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的截面尺寸及弦、腹桿截面尺寸也各不相同，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)所在位置不同其上所附零部件亦不相同。針對以上特點(diǎn)，將標(biāo)準(zhǔn)節(jié)分為主結(jié)構(gòu)和附件兩部分，主結(jié)構(gòu)包括弦桿、回轉(zhuǎn)平面腹桿、變幅平面腹桿、空間腹桿、鉸耳、吊裝耳，附件包含銷軸、擋板、梯子、走臺(tái)、拉板托架、拉板鉸耳、穿銷油桿托架、托繩支架、套裝尼龍輥?zhàn)又Ъ艿?，具體劃分如圖2所示。

圖1 桁架臂架系統(tǒng)

1.1 主結(jié)構(gòu)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知，無論何種形式的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)都是由弦桿和腹桿組成的，且弦桿、腹桿只在截面和長度尺寸上存在差異。因此，將弦桿、回轉(zhuǎn)平面腹桿、變幅平面腹桿作為主結(jié)構(gòu)的必選零部件，在建立參數(shù)化模型時(shí)，將其預(yù)先裝到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主結(jié)構(gòu)裝配體中。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)劃分

空間腹桿、鉸耳、吊裝耳這3個(gè)部件為選配部件，且每個(gè)部件形式、樣式有限，針對每種樣式的裝配參照關(guān)系相同但選取較復(fù)雜的情況，為提高參數(shù)化模型驅(qū)動(dòng)效率，將空間腹桿、鉸耳、吊裝耳這3種部件的各種形式全部預(yù)先裝到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主結(jié)構(gòu)裝配體中，通過隱含和恢復(fù)的方式實(shí)現(xiàn)不同樣式的選擇。

1.2 附件

由于各種附件自身的種類、形式較多，不同種類、形式的裝配參照關(guān)系各不相同，因此對于附件采用參數(shù)化裝配的方式進(jìn)行選配。銷軸是與鉸耳對應(yīng)進(jìn)行裝配的，其裝配過程為通過遍歷模型中的鉸耳，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的裝配參照關(guān)系將銷軸裝到對應(yīng)模型一端的4個(gè)鉸耳上。銷軸穿銷油缸托架是與銷軸對應(yīng)進(jìn)行裝配的，其裝配過程為通過遍歷模型中的銷軸，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的裝配參照關(guān)系將銷軸穿銷油缸托架裝到所有遍歷到的銷軸上。

對于梯子、走臺(tái)、拉板托架、拉板鉸耳等其他附件，由于樣式多變，安裝方式與安裝位置根據(jù)設(shè)計(jì)需求變化較大，因此對上述附件采用由用戶指定樣式、尺寸及裝配位置的方式進(jìn)行參數(shù)化裝配，并以驅(qū)動(dòng)參數(shù)的方式實(shí)現(xiàn)上述附件的正確安裝。

2 建模關(guān)鍵技術(shù)

2.1 模型尺寸驅(qū)動(dòng)

模型尺寸驅(qū)動(dòng)主要是將零件模型中的尺寸信息與預(yù)先設(shè)定的相關(guān)參數(shù)信息建立對應(yīng)關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)三維模型尺寸參數(shù)的更新。尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示。

圖3 尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)流程

模型尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)步驟主要包括：1)參數(shù)的建立，即根據(jù)模型結(jié)構(gòu)特征提取模型尺寸要素，確定模型中的主動(dòng)參數(shù)和從動(dòng)參數(shù)；2)參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立，即根據(jù)確定的主動(dòng)參數(shù)，將模型涉及的全部主動(dòng)參數(shù)如參數(shù)名稱、參數(shù)所屬部件名稱、參數(shù)類型及參數(shù)數(shù)值等信息匯總到數(shù)據(jù)庫中；3)參數(shù)間關(guān)系的建立，即根據(jù)模型結(jié)構(gòu)約束特點(diǎn)，將從動(dòng)參數(shù)與主動(dòng)參數(shù)相關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)從動(dòng)參數(shù)隨主動(dòng)參數(shù)的變化而變化。

2.2 實(shí)時(shí)裝配

模型零部件實(shí)時(shí)裝配主要是根據(jù)各零部件及組件結(jié)構(gòu)中的參照特征，結(jié)合數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的零部件與組件結(jié)構(gòu)的裝配關(guān)系將零部件組裝到組件結(jié)構(gòu)上的裝配過程。零部件裝配流程如圖4所示。

零部件裝配主要步驟：1)零部件及組件參照特征建立，即根據(jù)各零部件裝配特點(diǎn)，在組件中建立相應(yīng)零部件裝配參照特征，在零部件中建立與組件裝配時(shí)對應(yīng)的參照特征；2)建立裝配關(guān)系數(shù)據(jù)庫，即將組件的參照關(guān)系與零部件的參照關(guān)系存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，包含待裝配零件名稱、待裝配零件參照特征名、對應(yīng)組件參照特征名稱、裝配類型、裝配方向等信息。

圖4 零部件實(shí)時(shí)裝配實(shí)現(xiàn)流程

3 裝配式建模實(shí)現(xiàn)示例

Creo是具有特征化實(shí)體建模技術(shù)、參數(shù)化邊線設(shè)計(jì)的CAD應(yīng)用軟件，其操作簡單、易學(xué)[2]，因此被廣泛應(yīng)用于模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航天等領(lǐng)域。Creo提供了強(qiáng)大的二次開發(fā)工具包，用于軟件功能的拓展，開發(fā)人員可通過對其進(jìn)行二次開發(fā)來實(shí)現(xiàn)新功能，以滿足用戶的個(gè)性需求[3-5]。因此，本文基于Creo3.0軟件，采用上述建模技術(shù)，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)節(jié)的參數(shù)化建模。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主結(jié)構(gòu)尺寸驅(qū)動(dòng)

要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主結(jié)構(gòu)的尺寸驅(qū)動(dòng)，首先要在Creo中預(yù)先建立主結(jié)構(gòu)三維模型，使用Creo提供的參數(shù)功能模塊設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主結(jié)構(gòu)中各弦桿、腹桿截面尺寸及各腹桿排布間距和數(shù)量等參數(shù)，再使用Creo提供的關(guān)系功能模塊將三維模型中的尺寸數(shù)據(jù)與之前建立的對應(yīng)參數(shù)相關(guān)聯(lián)；其次通過程序?qū)崿F(xiàn)界面輸入?yún)?shù)和數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的主動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)；最后讀取數(shù)據(jù)庫中的主動(dòng)參數(shù)，對預(yù)先建立的模型中對應(yīng)參數(shù)值進(jìn)行更新，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主結(jié)構(gòu)的尺寸驅(qū)動(dòng)。

以弦桿為例，首先建立弦桿三維模型，并在參數(shù)模塊中添加弦桿外徑、弦桿壁厚、弦桿長度等參數(shù)，再將三維模型中的尺寸參數(shù)與之前建立的對應(yīng)參數(shù)相關(guān)聯(lián)；其次將用戶在界面輸入的參數(shù)值存入數(shù)據(jù)庫中；最后讀取數(shù)據(jù)庫相應(yīng)參數(shù)對三維模型中的對應(yīng)參數(shù)值進(jìn)行更新，從而實(shí)現(xiàn)弦桿三維模型的尺寸驅(qū)動(dòng)。具體實(shí)現(xiàn)過程如圖5所示。

圖5 尺寸驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)過程

3.2 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)附件實(shí)時(shí)裝配

要實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)附件的實(shí)時(shí)裝配，首先要預(yù)先建立附件的模型，其建立過程與3.1所述方法相同；其次將零部件裝配時(shí)與組件相匹配的參照特征信息預(yù)先存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中；然后在數(shù)據(jù)庫中提取與附件相對應(yīng)的參照約束信息；最后根據(jù)從數(shù)據(jù)庫中提取的信息將所選附件組裝到裝配體中。

以銷軸為例，首先建立附件銷軸的模型；其次將銷軸3個(gè)方向基準(zhǔn)面與標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組件之間的約束參照特征名稱、特征路徑ID、約束類型等信息錄入數(shù)據(jù)庫中；然后通過界面選擇添加銷軸到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組件中，在數(shù)據(jù)庫中提取銷軸的裝配關(guān)系約束信息；最后根據(jù)數(shù)據(jù)庫中提取的裝配信息，將銷軸裝配到標(biāo)準(zhǔn)節(jié)組件的鉸耳上。其實(shí)現(xiàn)過程如圖6所示。

圖6 實(shí)時(shí)裝配實(shí)現(xiàn)過程

對于安裝在銷軸上的彈簧卡和螺栓等依附在附件上的小零件，則需要通過遍歷模型樹中已安裝的相應(yīng)附件后，再進(jìn)行小零件的安裝。下面以銷軸上的彈簧卡為例進(jìn)行說明。首先遍歷模型樹中的模型特征，找到銷軸特征并記錄；其次在數(shù)據(jù)庫中提取彈簧卡裝配關(guān)系約束信息；最后根據(jù)從數(shù)據(jù)庫中提取的裝配信息，將彈簧卡裝配到每個(gè)銷軸上。其裝配實(shí)現(xiàn)過程如圖7所示。

圖7 彈簧卡實(shí)時(shí)裝配

3.3 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)建模

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主結(jié)構(gòu)尺寸驅(qū)動(dòng)及附件實(shí)時(shí)裝配方法，編寫標(biāo)準(zhǔn)節(jié)建模程序。用戶通過如圖8所示的界面輸入標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)、鉸耳類型及其尺寸后，點(diǎn)擊“確定”，程序通過尺寸驅(qū)動(dòng)方式即可快速創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體模型，如圖9所示。

圖8 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)建模

圖9 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)主結(jié)構(gòu)三維模型

在附件選項(xiàng)中選擇要添加的附件，并輸入該附件的相關(guān)參數(shù)以及組裝該附件所需的小配件的型號，例如選擇添加鉸耳上銷軸和擋板兩個(gè)附件，如圖10所示。當(dāng)在列表框中添加完所需附件，并完成參數(shù)輸入后，點(diǎn)擊生成三維模型按鈕，程序通過實(shí)時(shí)裝配方式即可創(chuàng)建帶有附件的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)三維實(shí)體模型，如圖11所示。

4 結(jié)束語

本文對桁架臂標(biāo)準(zhǔn)節(jié)結(jié)構(gòu)類型及零部件裝配特點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)裝配式快速建模，對已創(chuàng)建模型可進(jìn)行快速修改及實(shí)時(shí)更新，大大縮短了設(shè)計(jì)建模及修改周期, 有效提高了標(biāo)準(zhǔn)節(jié)建模效率。同時(shí)，通過規(guī)范建模，提高了模型質(zhì)量，避免了因人為疏忽而產(chǎn)生的錯(cuò)誤，也可在方案遴選階段快速提供多個(gè)備選方案，從中選擇最優(yōu)方案，進(jìn)而提高企業(yè)和產(chǎn)品的市場競爭力。

圖10 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)附件銷軸添加

圖11 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)三維模型