剪式升降平台参数化设计系统的研究与力学特性分析

顾国玉，仲梁维，葛 欢

（上海理工大学 机械工程学院，上海 200093）

0 引言

目前，机械行业正在高速不断发展，过去的机械产品是大批量少品种，目的是为了降低生产成本，现在的机械产品是以提高设计效率为主，目的是生产出能够满足客户定制设计的产品，企业不仅以大批量进行生产为目的，也可以根据客户的要求和需求而改变[1]为了满足这些需求，可根据企业的原创产品，对产品基础模型进行快速设计。参数化设计是指根据客户要求的理念，并确定参数信息，通过修改产品模型参数值，产生类似的零件、组件和装配体。吴庆鸣等[2]通过分析复杂的模型和参数，研究了产品的的参数化设计和模型中参数的参数关联和传递；Wilkes[3]等对产品模型参数化设计方法的研究，目的是使设计的过程实现自动化；匡兵等[4]研究零部件尺寸参数化设计的基本思想，得到了关于尺寸变化的规律。

但当前的参数化设计实质是对三维产品模型的尺寸进行直接驱动。但对模型驱动后的工程有效性研究比较少，既满足强度，刚度，稳定性，又满足材料使用量最少。

剪式升降平台参数化设计系统是指不破坏原有设计的基本原理和基本结构特征，而产生满足工程有效性且和原有设计相似的新产品，本系统以SolidWorks2012为开发平台，利用SoldWorks的应用程序编程接口API为开发工具，以VB.net作为开发环境，用SQL Server数据库建立零件事物特性表，开发了剪式升降平台参数化设计系统。

1 参数化设计的原理

本文是将参数化设计、力学特性分析和模型尺寸结构设计的思想结合起来。首先利用SolidWorks建立三维基准主模型，用参数化设计的思想对模型进行力学特性分析和参数分析，最后将设计参数结合力学分析公式写入程序驱动三维产品模型，生成新的相似产品，实现变型设计。图1为剪式升降平台结构示意图。

图1 剪式升降平台结构示意图

2 参数化设计的关键技术

2.1 参数化设计的技术

参数化设计的前提是三维产品主模型是参数化设计，设计的产品都是在主模型的基础上修改后得到的，在SolidWorks平台上设计出产品所有的零件及部件，然后按照一定的配合关系装配成主模型。因此参数化设计的首要条件是建立好产品主模型。

参数化设计是本系统的核心步骤，参数化设计包括总体参数分析、零件参数分析、非标准零件参数分析、标准件参数分析和关联分析。

1）总体参数分析：目的是分析产品的主要功能参数，控制整个产品的结构和合理性。剪式升降平台的总体参数包括最大伸展高度H，承载平台长度L，宽度W，距离x，承载重量G等，利用这些参数算出机构的其他参数。

2）零件参数分析：目的是对零件和部件参数进行分类，并提取出零件的主要参数作为驱动参数[5]，可以将零件参数大致分为A、B、C三类，A类是是主动参数，功能是直接驱动的参数，B类是从动参数，通过力学分析公式计算出来的，C类是不需要改变的参数。

3）关联分析：目的是建立零部件参数间的关联[6]，主要分为三类：零件与零件之间参数关联、零件与部件之间参数关联、部件与部件之间参数关联，一部分通过Solidworks自带的方程式定义关联，另一部分通过VB.net编写关联。

2.2 力学特性分析及实现

为了使零部件能够满足工程有效性，参数驱动之前需要对各个零部件进行力学特性分析，计算出能够满足工程有效性的参数再进行参数驱动。计算的参数主要包括非标准零件参数和标准零件参数。图2为零件参数更新流程图。

图2 零件参数更新流程图

1）非标准零件参数分析：目的是使非标准零件能够满足强度，刚度。首先查询非标准零件的许用应力，再根据输入的设计参数，结合受力分析公式，计算出能够满足强度、刚度的非标零件的参数，最后进行零件模型更新，例如计算K点的销轴直径，首先对DH杆和DB杆力学特性分析，计算出K点力学公式，然后将该公式写入代码计算出K点最大的力，最后结合该销轴的许用切应力 ][τ计算出该销轴的直径进行参数驱动，图3为DH杆(a)和DB杆(b)受力分析图。

图3 GE杆(a)和AE杆(b)受力分析图

60°为JM与BD的夹角，35°为KI与DH夹角。

2）标准零件参数分析：目的是使标准零件能够满足强度，刚度。根据设计参数、力学分析公式、许用应力，计算出标准零件特性参数，根据特性参数到数据库SQL Server提取零件参数，最后进行零件模型更新，例如对DH杆进行参数选取，首先对DH杆和DB杆力学特性分析，计算出DH杆K点和F点的弯矩公式，然后将该公式写入代码计算出DH杆的最大弯矩，最后结合该弯矩的许用弯曲应力 ][σ及截面系数，提取出GE杆的参数进行参数驱动。

根据平衡方程计算出GE杆K点和F点弯矩：

2.3 零件事物特征表的数据库的设计

建立SQL Server事物特性表数据库是指对零件的几何特性、功能特性等的信息几何进行分类，通过这些特性把零件中的参数提取出来，方便对零部件进行精确的驱动。

本系统建立了剪式升降平台各零件、安全系数、数据管理的事物特性表，存放到数据库中，矩形钢的事物特性表如图4所示。

图4 矩形钢事物特性表

3 参数化设计系统的程序设计及实现

本案例选用SolidWorks作为三维CAD系统平台，SQL Server作为数据库，VB.net语言作为开发环境，SolidWorks API接口技术作为开发工具，SolidWorks API接口技术中主要对象有SldWorks，ModelDoc2，PartDoc，AssemblyDoc等，利用这些对象成员的属性和方法，实现了了简式升降平台参数化快速设计系统。

1）用户界面：方便设计人员能够清楚、简单地进行模型设计，目的是设计的过程中能方便地对参数进行输入、计算、修改和保存。图5为参数设计界面。

图5 参数设计界面

图6 模型结果图

2）程序代码：控制驱动模型的主要方法，每个零件、部件中的参数以及零部件之间的参数都有相应的程序代码，程序代码大致可以分为三大类：（1）根据输入参数直接进行驱动；（2）根据输入参数计算出零件的参数，然后进行赋值驱动；（3）根据输入参数计算出零件特征参数，经过力学特性分析，然后到数据库提取零件的参数，最后进行赋值驱动。利用程序代码可以达到驱动模型的目的。

根据上面的步骤，可以完成对简式升降平台进行快速设计，设计人员输入好相应的参数，配置好安全系数和零件参数，点击“模型驱动”按钮，系统自动生成简式升降平台。图6为驱动后的模型结果图。

4 结束语

通过剪式升降平台的力学特性分析结合事物特性表技术建立主模型，同时利用VB.net编程语言、SQL Server数据库表功能和SolidWorks API函数进行联合，构建了剪式升降平台参数化快速设计系统，达到了对其进行快速建模的目的。因此可得到如下结论：

1）剪式升降平台参数化设计系统结合力学特性分析证实了产品的实用性。2）该方法加速了建模的进程，提高了该剪式升降平台的设计效率。

[1] 祁国宁,顾新建,谭建荣,等.大批量定制技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,2003.

[2] 吴庆鸣,宗驰,张强,杨威.复杂产品变型设计及其参数传递方法研究[J].中国机械工程,2008,19(22):2955-2960.

[3] WILKESJRLEONARDR.Variant design as a methodof automating the designprocess[J].Computer-AidedEngineering Journal,1988,5(3):97-102.

[4] 匡兵,肖礼志,黄美发,刘夫云.零件尺寸与尺寸公差集成变型设计方法[J].制造业自动化,2011,33(5):103-106.

[5] 程贤福,王涛,兰光英,王浩伦.面向变型的桥式起重机车轮组参数化设计[J].制造业自动化,2011,35(9):112-115.

[6] 吴伟伟,唐任仲,侯亮.基于参数化的机械产品尺寸变型设计研究与实现[J].中国机械工程,2005,16(3):218-222.