基于广义参数化的剪式升降平台快速设计系统研究

鲁康东，仲梁维，孙志洋

（上海理工大学机械工程学院，上海200093）

0 引 言

在全球经济快速发展的今天，各企业之间的市场竞争主要围绕着如何生产出新产品。在确保新产品质量的前提下，如何提高企业的创新能力和快速响应市场能力，以及降低企业的原料成本和提高设计效率，成为企业能否快速占领市场、提升自身核心竞争力的关键［1］。目前国内对升降平台有一定的研究，但对重载升降平台的研究是非常少的，传统的剪式升降平台生产方式存在着很多局限性，产品种类比较单一，缺乏多样化，设计周期较长，产品数据管理不够完善，不能及时满足客户需求。

因此，为了在短时间里满足不同客户要求的不同设计，同时还要确保产品的设计效率和质量，将广义参数化的设计概念、快速设计技术应用到剪式升降平台产品设计中，李戬、杨媛媛［2］针对传统设计存在的不足，提出了机械产品广义参数化设计技术，并详细论述了设计内涵、流程和一些关键技术。参数化设计是计算机辅助设计中的一个重要手段，其目的可以减少产品开发过程中的重复性设计［3］，大大缩短新产品的开发过程，提高了企业的生产力和市场竞争力。

1 剪式升降平台快速设计系统

1.1 系统内部结构

基于广义参数化的剪式升降平台快速设计系统采用Visual Basic.NET语言和ADO（Active Data Object，即 ActiveX数据对象）、OLE-DB（Object Linking and Embedding-Database，即对象连接与嵌入）技术相结合，以SolidWorks的API［4］为二次开发接口工具，VB.NET为开发环境，集成开发了基于SolidWorks软件平台的剪式升降平台快速设计系统。

1.2 系统结构功能

基于广义参数化的剪式升降平台快速设计系统的体系结构，它可以划分为若干结构功能。按照数据传递的先后顺序可分为：分析匹配功能、力学特性分析功能、参数驱动功能、工程图优化调整功能、数据导出功能。各个功能之间通过人机界面组成为一个整体，从而实现各功能之间的数据共享与传递。

1.3 系统总体设计流程

剪式升降平台的总体设计流程如图1所示。设计人员进入剪式升降平台产品快速设计系统，客户按照自己的产品需求条件，输入对应的参数信息，然后对模型的整体驱动，三维模型驱动完毕后，输出二维工程图，包括零件、部件、总装图的二维工程图，最后计算出各关键部位的强度刚度信息，在用户界面中显示给客户。

图1 剪式升降平台的总体设计流程

2 基于广义参数化的剪式升降平台快速设计关键技术

广义参数化设计技术是把机械产品分解成若干个相对独立的模块，对每一模块都考虑其参数化设计过程中的三维零部件模型的驱动、关键部位的力学特性分析、二维工程图的更新。广义参数化是以拓扑约束、尺寸约束、力学分析约束和工程约束为技术基础，将设计过程中涉及到的零件、部件、装配体之间的信息关系进行关联。由于广义参数化中包含大量可重复利用的功能模块［5］，因此利用参数化进行产品设计，可以使设计人员避免从头开始，并且设计出的产品也是满足设计标准与行业规范的。

2.1 模块化技术在广义参数化中的应用

模块化设计是以功能结构分析为基础的一种设计方法，以满足客户需求为基础，采用分解模块和组合模块的方法，建立模块体系［6］。这种设计方法是将若干具有相同或不同功能的模块或者可以互换的、通用的模块的条件选择和条件组合，最终构成客户个性化需求的产品。模块化技术具有良好独立性、便于新产品开发、提高驱动模型速度等优点。

对剪式升降平台进行模块划分，可将剪式升降平台划分为4个一级模块，分别为承载平台模块、滑动支撑模块、固定支撑模块、平台底座模块。每个一级模块又可进一步向下划分为若干子模块，如图2所示。

图2 剪式升降平台模块划分图

2.2 数据库访问技术在广义参数化中的应用

所谓数据库（Database，DB），其实就是存储在计算机中的相关数据的集合，可以形象地把它看作数据的“仓库”，它是通过类似于文件之类的数据单位组织集中起来的。面向剪式升降平台的快速设计过程就是将客户需求转化为产品数据的过程，在数据库基础上建立事物特性表对各零件的参数信息进行数据管理，经过特性分析提取零件参数，对零件进行准确驱动。

ADO.NET技术可以为不同的数据源提供数据交换，它为编程语言与数据源进行信息交流搭建了桥梁。利用ADO.NET，可以使用户轻松地访问不同的数据源［7］。ADO.NET中最常用的对象有三类，Connection对象、Command对象、DataReader对象。这些对象及其功能如表1。

表1 .NET数据提供程序提供的核心对象

在剪式升降平台快速设计系统的开发过程中，运用数据库技术对剪式升降平台数据或参数进行管理，比如标准件的数据管理，其主要是将剪式升降平台中的一些标准件模型进行数据保存，当客户定制化设计剪式升降平台时，通过程序代码到数据库中进行标准件的选型，然后进行模型驱动。其中标准件的数据管理主要包括：方管、支撑臂矩形钢、六角螺母和导轨槽钢等标准件。图3为支撑臂矩形钢的数据管理。

2.3 广义参数化中的理论力学分析

力学特性分析是广义参数化中不可避免的一步，因为设计出的产品能不能满足工程有效性（即强度、刚度）直接关系到产品的质量，如果设计出的产品不能满足客户要求，那必然会给企业的利益造成相当大的影响。

剪式升降平台主要组成部分有承载平台、上滑动支撑、上固定支撑、下滑动支撑、下固定支撑以及平台底座等，剪式升降平台平面结构图如图4所示。

图3 支撑臂矩形钢的数据

图4 剪式升降平台平面结构图

客户要求只需输入一些关键的参数，例如总高度H1（mm），承载平台长度L1（mm），承载平台宽度W1（mm），承载重量M（kg）等一系列关键参数，而不是所有零部件细节参数全由客户输入。所以对这些零部件的细节参数，需要对其进行力学特性分析计算，计算出来的参数能够合理地满足强度刚度要求。最后将计算出的公式写入程序，计算出模型能够满足强度刚度的参数，进行模型驱动。由于本系统中的零件较多，现以图4中的GE支撑臂矩形钢为例，GE杆和AE杆受力分析图如图5所示。

图5 GE杆和AE杆受力分析图

对GE杆和AE杆综合力学分析，这里的x取值为0≤x≤X1，因为程序计算方式是以x变量做为循环求出弯矩的最大值，根据方程联立计算出GE杆F点的弯矩公式

计算出最大弯矩后，通过截面模数到数据库中提取矩形钢的参数，提取出的参数通过程序赋值给模型参数，进行参数驱动，模型更新。支撑臂矩形钢的逻辑设计图如图6所示。

图6 支撑臂矩形钢的逻辑设计图

3 设计实例

如图7为本系统的参数设计界面，用户只需点击Solidworks菜单栏的剪式升降平台下的进入系统即可。本系统主要针对不完全理解剪式升降平台的用户进行设计的，客户输入的参数非常少，只需要了解剪式升降平台的大体参数即可。因为如果需要对每个零部件的参数进行需求输入的话，对用户的要求比较高，设计人员需要对每个零部件的尺寸参数进行经验计算，而这样必然浪费大量时间。本系统将计算的经验公式写入程序计算，提高了设计效率，降低了对设计者的要求。

图7 剪式升降平台参数设计界面

输入关键参数，通过程序代码里的力学计算和调用数据库里各零件参数信息，然后赋值给模型各零、部件，点击模型驱动按钮，即可对模型进行参数驱动，各模块自动进行装配生成新产品。系统驱动后生成的新模型如图8所示。

图8 系统驱动后的剪式升降平台三维模型

4 结束语

本文将基于广义参数化的产品快速设计技术应用到剪式升降平台设计过程中，通过研究基于广义参数化基本结构框架的理论力学分析、数据库访问和模块化等关键技术，实现了剪式升降平台的二次开发，开发出剪式升降平台快速设计系统。该系统经过设计实例应用，实现了客户参数输入、设计算法准确运用、生产图纸快速生成、产品数据高效导出等一系列全新的设计功能，系统在缩短新产品开发周期、减少设计人员的工作量和提高一次性产品设计成功率等方面均有明显成效。

［1］高 飞，潘双夏，冯培恩.基于广义有向图的产品功能建模方法研究［J］.浙江大学学报（工学版），2005，39（5）：648-651.

［2］李 戬，杨媛媛.基于广义参数化技术的机械产品设计方法研究［J］.矿山机械，2012，40（12）：104-106.

［3］张俊义.面向系列化产品的装配与派生设计研究—以起重机电缆滑车为例［D］.银川：宁夏大学，2010.

［4］叶修梓，陈超祥.SolidWorks高级教程：二次开发与API（2007版）［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［5］马士良，王宗彦，吴淑芳.基于广义参数化的集成产品设计研究［J］.起重运输机械，2010，（1）：1-7.

［6］张凤玲，朱小峰，高 俭，等.模块化技术在产品设计中的应用［J］.陶瓷学报，2002，23（1）：86-88.

［7］童爱红，刘 凯，余海英.VB.NET应用程序（第2版）［M］.北京：清华大学出版社，2011.