剪式升降平台智能设计系统开发

胡智君

（安徽铜冠机械股份有限公司 安徽铜陵 244061）

剪式升降平台具有结构紧凑、承载量大、运行稳定可靠、操控性好等优点，在矿山隧道的设备安装与维修等场合中得到广泛应用。由于应用场合及载重量不同，生产厂家需要按照客户的要求设计，设计工作量较大，设计时间紧，容易出错，在这种情况下，需要一种快速设计系统。快速设计系统是指根据客户要求的理念，将设计规则、设计标准、设计专家的经验集成到软件系统中，形成设计平台。在这个平台上通过输入产品主要参数，经过推理和计算设计出产品。吴庆鸣等[1]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与参数关联和传递；Wilkes[2]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。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。本文以Solidworks为开发平台，利用Solidworks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，提出了一种剪式升降平台快速设计系统架构，实现了力学计算、结构优化、外购件选型、自动出图、设计说明书自动生成等功能，大大提高了设计效率，避免了差错。

1 剪式升降平台快速设计系统架构及功能

剪式升降平台快速设计系统是一个集成的系统，具有良好的人机界面，设计人员通过与系统的交互输入必须的设计参数后，系统自动实现参数化设计。对不同的应用条件，系统只需设计人员在系统的引导下输入一定量的参数后能自动确定升降平台的结构形式，自动产生全部的装配图、零件图、计算说明书、BOM 汇总表等，在设计过程中用户如果对系统设计的结果不满意，可以通过交互界面部分或全部地进行交互设计。系统具有很好地维护和扩充功能，允许用户对型材数据库中数据进行编辑和扩充。本系统提高了设计质量，大大缩短了设计周期，图1所示为整个系统的设计功能模块。

图1 系统功能模块

1.1 初始参数输入及知识库

本系统初始参数只需要输入起升重量Q、起升高度H及起升平台的宽度W1即可，智能设计系统会根据知识库的设计知识，进行推理和计算，确定整个系统的结构及所有零部件的尺寸。知识库主要存储了设计知识，例如零部件承受的应力S,满足条件s1max＜s＜s2max时，选择 K2号型材等。设计界面如图2所示。

图2 设计界面

1.2 强度刚度计算

强度刚度模块主要根据载荷Q，分析每一个零部件的受力情况，各个零部件的受力及关键点的标识如图3所示。

图3中L为平台的长度，x为动态支撑点距左端的距离，q=Q/W1是线性均布载荷，式中 Q为起重载荷，A为起升平台的面积，根据线性分布载荷q与铰点 A、B、G、H的平衡方程，可求解各铰点力。

对GE杆和AE杆综合力学分析[3-4]，这里的x取值为0≤x≤x1，因为程序计算方式是以x变量作为循环求出弯矩的最大值，根据方程联立计算出G E杆F点的弯矩公式：

式中：L2为杆长度，θ为杆在运行过程中受力最大的角度，MF为杆主要受弯矩载荷，σmax为型材的最大许用应力，WZ是型材的截面系数，根据式(5)得到WZ后，乘以安全系数K，然后从型材库中选择一种型材。

图3 杆受力分析

1.3 干涉检查

产品的设计过程中有可能产生干涉的情况，干涉主要分为静态干涉和运动干涉，静态干涉主要是设计的尺寸错误造成，动态干涉主要是机构在运动过程中某个位置产生干涉。静态干涉检查比较容易，在部件装配好后，三维 CAD软件都有静态干涉检查的功能。但是，动态干涉因为不知道部件运动到什么位置发生干涉，所以必须进行虚拟运转。本系统在SolidWorks中通过二次开发实现了零部件间动态干涉的快速检查，显著地提升了设计效率和产品质量。

升降平台的运动主要是上下运动，系统首先是通过二次开发编程实现机构的自动运转，并且能根据给定的控制参数在任意位置停止运动，其次在任意一个位置能进行干涉检查，干涉检查是通过Soldworks的API函数库中的swAssy. Tools Check Interference2函数实现。如果设定系统升降平台升降间隔为1mm的话，那么系统就会每隔1mm就进行一次干涉检查，如果发生干涉系统会将干涉位置及干涉时的干涉尺寸存入数据库，供修改参考。

1.4 型材库的扩充

系统中建立了国标型材库，国标型材有时不能满足要求，需要增加非标的型材，系统建有用户扩充接口，用户可以自由增加、修改或删除自定义的型材数据，如图4所示。

图4 用户自定义型钢界面

1.5 计算说明书的自动产生

生成升降平台计算说明书是剪式升降平台设计过程中的一个重要环节 ，升降平台的设计计算量较大，公式较多，自动生成提高了设计效率，减少了误差。本文采用 VB.NET语言通过添加Microsoft.Office.Interop.Word（12.0.0.0）引用，对Word进行二次开发，实现了不同参数下的剪式升降平台的说明书大量公式和数据的自动生成，从而实现完整计算说明书的生成。

首先，建立一个Word的计算说明书模板，在这个模板中将要体现计算结果的地方设置不同标签。其次，系统将计算的结果及数据库的相关数据，通过VB.net与Word的通讯替换模板中的标签，或在相关的位置增加相关条目。当平台系统驱动完成，点击初始界面上的“导出说明书”按钮，即把剪式升降平台设计说明书显示在Word中保存。

2 剪式升降平台的三维参数化建模

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。

总体参数分析：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，承载重量G，利用这些参数算出机构的其他参数。

零件参数分析：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[4]，可以将零件参数大致分为A、B、C三类，A类是主动参数，功能是直接驱动的参数，B类是从动参数，通过一定的方法计算出来的，C类是不需要改变的参数。

关联分析：建立零部件参数间的关联[5]，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。

3 工程图的规范化

虽然三维设计软件能很好地表达了设计意图，但是二维工程图仍然是大部分企业需要的，在加工过程中零件尺寸、检验产品及技术交流不可缺少的技术资料。SolidWorks API函数将三维模型转换为工程图时有两种方法。第一种是无模板的方法，这种方法得到三维模型三视图没有问题，但是对模型的进一步操作不尽人意；第二种方法是有模板的方法，在制作好工程图模板后，只要驱动其相关的三维模型，工程图就会随之改变。采用上述方法经常碰到视图比例、视图位置、尺寸位置、尺寸精度、注解位置不符合国标及美观要求。

本系统通过二次开发对以上问题进行了修正，达到了工程应用标准。其方法是在SolidWords API的对象关系中，首先用GetFirstView方法得到一个View对象，然后通过对象 view中的方法GetFirstDisplayDimension5获得 DisplayDimension对象，该DisplayDimension对象为该视图的第一个尺寸对象，如果要进行整个视图尺寸的遍历工作，要用到DisplayDimension对象中的GetNext5方法[5]。判断用GetNet5方法得到的对象是否为Nothing,如果 Nothing,说明为该视图的尺寸全部遍历已经完成。利用 Display Dimension对象中的 SetText ,GetAnnotation ,GetDimcnsion等属性和方法，能得到该尺寸的所有属性(如位置、箭头大小、字体等)并可以设置他们。

4 应用实例

现设计一个升降平台，要求最大高度3 300 mm，长度2 312 mm，宽度1 600 mm，承载重量3 000 kg，

输入以上参数后，系统三维设计结果如图5所示。

图5 三维设计结果

5 结语

剪叉式升降平台快速设计系统结合了设计专家的设计经验，实现了设计计算、结构优化、出图自动化及设计参数管理。实例验证了本系统的实用性和可靠性，相比较人工设计，其设计速度提高了80倍，大大提高了企业产品设计和研发的速度，而且避免了设计错误，为企业赢得了占领市场的先机。

[1]吴庆鸣,宗驰,张强,等.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.

[2]WILKESJRLEONARDR.Variant design as a method of automating the design process[J].Computer- Aided Engineering Journal,1988,5(3):97-102.

[3]鲁康东,仲梁维,孙志洋. 基于广义参数化的剪式升降平台快速设计系统研究[J].通信电源技术,2015,32(6):89-91.

[4]顾国玉,仲梁维,葛欢. 剪式升降平台参数化设计系统的研究与力学特性分析[J]. 制造业自动化,2015(7):139-140.

[5]尹建强,仲梁维,冯强. 基于SolidWorks二次开发的剪式升降平台快速设计系统[J].软件导刊,2017,16(4):97-100.