喷涂车间弯轨悬挂件的防干涉参数化设计

赵玉善，郭　慧，黄　洁

(华东理工大学 机械与动力工程学院，上海200237)

喷涂车间弯轨悬挂件的防干涉参数化设计

赵玉善，郭慧，黄洁

(华东理工大学 机械与动力工程学院，上海200237)

针对喷涂轨道弯轨设计时绘图效率低、经常发生挂件运动干涉的现状，利用Visual LISP语言对弯轨部分的参数化设计进行了二次开发.详细讨论了开发过程中的关键参数计算与程序结构设计问题；根据喷涂轨道设计所需的原始数据，编写了供用户输入相关参数的对话框界面；通过对数据的读取、计算、判断，快速实现喷涂弯轨的图形绘制和结果输出.使用该软件可以快速准确地设计出合理的弯轨图形，获得所需的防干涉数据.

喷涂轨道；干涉；Visual LISP；二次开发

悬挂式输送轨道作为喷涂生产线的重要组成部分，已被广泛应用于汽车、家用电器、钢制家具、铝材构件等生产领域.随着工业技术的进步，产品的日益多样化与密集化，加快了各类涂装生产线在数量上的需求，能否对喷涂轨道进行快速而准确的设计将直接影响一个喷涂设备企业的经济效益.

弯轨设计是涂装车间喷涂轨道的主要设计部分，而根据挂件运动轨迹确定喷涂密封箱的尺寸是弯轨设计的主要任务.已有的二次开发技术[1-5]不能针对性地解决弯轨设计问题.在现有的涂装车间喷涂轨道常规设计中，完全采用手工绘图和手工计算的方式绘制弯轨上挂件的运动轨迹[6]，以获得合理的喷涂箱体尺寸，从而达到节省箱体占用空间和防止挂件与箱壁发生碰撞的目的.当弯轨尺寸稍有变化，必须重新设计，整个设计过程需要大量繁杂计算和反复绘图调整，劳动强度高，绘图速度慢、精度差，难以满足高效率生产和设计的要求.为此，本文根据挂件运动轨迹在AutoCAD中对涂装车间喷涂弯轨的参数化自动成图进行了二次开发，并详细讨论了弯轨挂件运动的分类、关键步骤计算及参数化结构设计问题，尽可能地减少设计涂装车间弯轨所需的计算与绘图工作.

1　喷涂弯轨的几何模型与分类

1.1喷涂弯轨的几何模型

喷涂轨道自动成图计算模型的主要内容是工件挂点在不同轨道段上的坐标计算，为此，首先需要分析挂件的几何参数，然后对喷涂弯轨进行分类，再对每类轨道进行分段.这种分类分段的思想既保证了坐标点计算的可靠性，又符合参数化设计的逻辑结构.

喷涂弯轨机构的几何设计模型如图1所示.在涂装车间喷涂弯轨挂件运动的防干涉设计中，涉及以下两个关键步骤.

图1　弯轨机构的几何设计模型Fig.1　Geometric design model of the curved track mechanism

(1) 轨道上的悬挂点沿轨道运动时在各个位置上的坐标计算.在本课题的设计过程中，采用对轨道分类分段的方式，获取悬挂点在各段轨道上的计算模型，进而计算悬挂点的坐标.

(2) 通过获取的悬挂点坐标，计算挂件轮廓关键点的坐标.由于挂件的轮廓从上向下看为矩形，两个悬挂点坐标又位于矩形轮廓的中线上，所以采用相似三角形的原理，逐步计算矩形挂件轮廓的4个顶点坐标.

利用上述几何参数，结合吊具长度，可进一步求解挂件与轨道的极限距离、吊具的极限倾角.

1.2喷涂弯轨类型

根据弯轨的不同形状，可将其分为纯圆弧弯轨和带中间直道的180°圆弧弯轨，如图2所示.这种分类基本包含了所有轨道类型，为了获取悬挂点在弯轨上更确切的位置，需要对两大类轨道的内部轨道段进行进一步的划分.由图2(a)可以看出，对于纯圆弧弯轨，按逆时针方向可分为3段，由两段直道和一段圆弧弯道组成；图2(b)为带中间直道的180°圆弧弯轨，按逆时针方向可分为5段，由3段直道和两段圆弧弯道组成.

(a) 纯圆弧弯轨

(b) 带中间直道的180°圆弧变轨图2　喷涂弯轨的分类与节点设置Fig.2　Node setting and classification of spraying curved track

悬挂件随吊链在轨道上运行，喷涂轨道决定了悬挂点的走向，为此，需要确定轨道的轮廓.轨道轮廓由一系列如图2所示的节点组成，确定了这些节点的坐标值，便可参数化绘制出整个轨道的轮廓.对于有中间直道的弯轨，当中间直道的长度大于挂件在直线轨道上两挂点之间的距离时，可以将其视为由两个相同的90°纯圆弧弯轨组成，因此在以下分析中，默认中间直道的长度小于挂件两悬挂点之间的原始距离.

2　喷涂轨道防干涉碰撞的参数计算

2.1弯轨上悬挂点的运动分析及计算

弯轨上的挂件在运动过程中，特别是其中一个悬挂点处于弯轨的圆弧段时，两悬挂点的水平直线距离时刻处于变动状态,利用一般的作图方法，难以找到统一的计算模型来确定悬挂点在弯轨不同部位的位置.为保证程序计算的严谨性，必须对弯轨挂件的运动阶段进行细致的划分.

图3所示为不同参数下弯轨挂件的运动状态，共计27个运动阶段.从图3中可以看出：

(1) 对于纯圆弧弯轨，根据两挂点之间的原始距离d与轨道圆弧弧长l的大小，可分为dl两类运动情况，每类对应的挂件运动按照3个阶段先后进行；

(2) 带中间直道的圆弧弯轨挂件的运动状态可分为3类，即d

图3　不同参数下的悬挂件运动状态Fig.3　Motion state of the pendant under different parameters

通过对不同参数下挂件的运动模式与运动阶段的细分，使挂件在轨道上的每个悬挂点都有明确的运动阶段与之相对应，而不同的运动阶段可以利用作图方式获取对应的计算模型，将计算模型编写进程序便可实现不同参数下弯轨挂件运动路径的自动化成图.

对图3中27个运动阶段分别进行作图分析与计算，获取所有运动状态下悬挂点的坐标，再利用插入式的开发思想得到悬挂件近似连续的运动轨迹.值得注意的是，不同参数下悬挂件的运动阶段存在重复性，因此，实际上只需要对不同的运动状态即15个运动阶段进行作图分析.本文以纯圆弧弯轨为例，阐述当d

(1) 获取弯轨节点坐标.在已知轨道参数的情况下，通过作图获取轨道上各节点的坐标，图4所示为纯圆弧弯轨挂件的运动分析图，为方便以下计算式的表示，令θ=90-α/2.则节点1和2的坐标分别为

(1)

(2)

图4　纯圆弧弯轨挂件运动分析图(d

按照同样的方法，可依次求出节点3和4的坐标.在计算上述节点坐标之后，需要确定悬挂点1的初始角度值，即ψ1=β+(90-α/2).

(2) 获取弯轨上的悬挂点坐标.当挂件沿着纯圆弧轨道匀速运动时，从图4可以看出，两悬挂点所处的位置存在3种情况.

① 悬挂点1在圆弧弯道上，悬挂点2在第一段直道上.悬挂点1的坐标由悬挂点1的角度ψ1计算，计算式为

通过计算两悬挂点间直线段的长度dl2，得到悬挂点2的坐标，计算式为

dl2=l-((ψ1-θ)/180)×π×r

(3)

②两悬挂点均在圆弧弯道上.需要计算两悬挂点之间的距离作为弧长时对应的圆心角dth=(1×180)/(π×r)，由于悬挂点1的角度ψ1已知，通过ψ1可计算悬挂点2的角度ψ2，即ψ2=ψ1-dth.两悬挂点的角度均由悬挂点的角度确定，计算式为

③ 悬挂点1在第二段直道上，悬挂点2在圆弧弯道上.此时悬挂点2的角度ψ2已知，通过ψ2计算两悬挂点间直线段的长度dl1，可以得到悬挂点1的坐标.两悬挂点坐标计算式为

dl1=l-((180-ψ2-θ)/180)×π×r

(4)

2.2悬挂件的矩形轮廓嵌入

根据轨道上两悬挂点连线斜率的不同，可以将挂件轮廓的计算过程分为：两悬挂点连线的斜率为负，即y1>y2;两悬挂点连线的斜率为正，即y1y2为例进行分析，其情形如图5所示.

图5　负斜率挂件轮廓提取Fig.5　Negative slope pendant outline extraction

利用已知悬挂点A和B的坐标，通过相似三角形的关系，计算矩形轮廓的4个顶点坐标，最后连线完成图形的绘制.以挂件轮廓顶点3的坐标计算过程为例，具体如下所述.

(1) 计算斜边为l1的直角三角形直边与斜边之比，如式(5)所示.

(5)

(2) 计算3个相似三角形中对应边的长度，如式(6)所示.

(6)

(3) 获取矩形轮廓顶点3的坐标，如式(7)所示.

(7)

3　喷涂车间弯轨参数化二次开发

弯轨程序的设计流程图如图6所示.

图6　弯轨程序设计流程图Fig.6　Flowchart of curved rail program design

弯轨程序的对话框界面设计如图7所示.

图7　对话框界面Fig.7　Dialogue interface

主程序完成对数据的读取、判断、计算以及图形绘制和结果输出的功能.具体为：(1)读取用户选择的绘图原点；(2)启动和卸载对话框并调用数据读取子程序；(3)判断数据是否缺省，缺省则沿用上一组数据[7]；(4)判断轨道类型并调用相应绘图子程序；(5)对相应情况输出数据处理结果.数据输出结果包括最小夹角、离轨道上方最远距离、离轨道两边最远距离、吊具与喷涂板的角度小于30°的主要提醒.

另外还有若干子程序，分别为：纯圆弧轨道绘图、绘制带中间直道的180°圆弧弯道、轨道上悬挂点连线斜率为负时悬挂件矩形轮廓绘图、轨道上悬挂点连线斜率为正时悬挂件矩形轮廓绘图.

4　应用实例

点击创建好的下拉菜单，加载程序出现对话框界面，输入喷涂企业的设计数据，点击开始和确定，得到弯轨处挂件运动的参数化图形.图8展示了两种参数约束下的挂件运动轨迹.程序的运行结果包含了轨道及轨道上挂件运动轨迹的生成、吊链极限倾角以及挂件外伸端与弯轨之间的极限距离.图9所示为图7对话框中其他参数不变的情况下，改变悬挂绳长，程序运行后的4种数据输出结果.挂件离轨道的最远距离可以为喷涂密封箱的尺寸设计提供参考，设计人员通过预留一定的空间距离，既能避免挂件与箱壁之间发生干涉与碰撞，又能充分地压缩箱体的占用空间.

(a) d>l时的纯圆弧变轨

(b) l+z

(a) 悬挂绳长为400 mm时

(b) 悬挂长绳为300 mm时

(c) 悬挂绳长为320 mm时

(d) 悬挂绳长为200 mm时图9　4种数据输出结果Fig.9　Four types of data output

5　结　语

本文针对涂装车间挂件在弯轨上的运动过程中容易与箱体发生干涉或碰撞等问题，在对轨道、悬挂件以及吊具的参数综合分析后，利用Visual LISP语言对挂件运动的防干涉设计进行了参数化二次开发.研制了弯轨防干涉自动成图软件，实现了以下3个功能：(1)弯道上悬挂件轮廓的自动绘图功能；(2)与箱体设计有关的参考数据的计算与输出功能；(3)吊链极限倾角的输出与危险提醒功能.该软件应用于试点企业后得到了良好反馈，不仅克服了以往人工设计中费时、效率低、精度差的缺陷，还极大地降低了设计人员在设计过程中的劳动强度.

[1] 杨丽莉，宫献华，戈北京. AutoCAD二次开发技术在绘制摆杆运行轨迹中的应用[J]. 机械工程师，2012(12)：108-110.

[2] 朱宗喜，程耀东，王博. 基于CAD二次开发技术的钢桁梁桥参数化绘图研究[J]. 铁道标准设计，2014(10)：78-82.

[3] 李咏红，杜平安. 面向对象的参数化CAD二次开发方法研究[J]. 电子科技大学学报，2004,33(5)：597-599.

[4] 林大均. 实验工程制图[M]. 北京：化学工业出版社，2009：199-205.

[5] 王军. 在AutoCAD中用菜单加载AutoLISP程序的方法与技巧[J]. 机械工人，2006(3)：77-79.

[6] 胡义华，谌炎辉，黄庆高. 悬挂输送机零件喷涂传送装置设计[J]. 制造业自动化，2012，34(2)：154-156.

[7] 沈希忠.在AutoCAD对话框设计中设置默认值的一种方法[J].上海冶金高等专科学校学报，2000,21(1)：37-41.

Anti-interference Parametric Design of Suspension Parts beneath Spraying Curved Track

ZHAOYu-shan，GUOHui，HUANGJie

(School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

In order to improve the status of low drawing efficiency and recurring pendant motion interference while designing the spraying curved track, a secondary development by Visual LISP language is developed to solve the parametric design of curved track. The calculation of key parameters and the program structure design problem in the process of development are discussed in detail. According to the original data that spraying track design required, a dialogue interface is compiled for user to input the related parameters. Graphic drawing of the spraying curved rail and other result output can be fastly implemented through reading, calculation and judgment of the data. Reasonable curved rail graphics can be designed quickly and accurately, and anti interference data required can be obtained in the meanwhile by using the software.

spraying track；interfere；Visual LISP；secondary development

1671-0444(2015)04-0521-06

2014-11-28

赵玉善(1988—)，男，河南商丘人，硕士研究生，研究方向为计算机图形学.E-mail:yushanbluss@163.com

郭慧(联系人)，女，副教授，E-mail:ghcad@163.com

TP 391

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