参数化设计程序

参数化设计程序（精选10篇）

参数化设计程序 第1篇

在夹具设计的过程中, 经常会遇到外形相同但是尺寸不同的零件, 而这些零件需要重复查表来画它们的三维图形, 所以设计的工作量往往会相应加大。为了解决这个问题, 在SolidWorks的图形开发平台[1]上, 利用VB6.0编写了设计过程中常用零件参数化设计的驱动程序。并采用SolidWorks中的API技术把这些程序加到菜单中, 在实际设计中不需要重复地查设计手册就可以很方便地画出这些零件三维模型, 从而大大提高了工作效率, 下面就以常用零件固定V型块加以说明。

2 在SolidWorks中建立基本模型

SolidWorks是基于Windows环境下的三维实体建模软件[2], 该软件在个人计算机上就可以将强大的3 D实体模型建构功能应用于各种设计中, 而且方便快捷、形象直观、易学易用, 为工程技术人员提供了非常有效的设计工具。要利用VB驱动SolidWorks绘图软件中的零件参数, 必须建立一个基本零件, 把这个零件保存在VB设计程序的文件夹里以便调用, 固定V型块的基本零件如图1所示。在绘制基本零件的工程中, 可以定义零件尺寸的表示, 例如V型块的长度可以定义为L@草图1等, 但是这些定义的尺寸名称必须是在编程中可以识别的名称, 而且最好在编程的过程中有特殊的含义, 将来可以使编出的程序具有良好的可读性和可修改性。只要做到了以上几点, 那么一个良好的基本零件就算建立成功了。

3 驱动程序的编制

VB6.0是一种可视化的应用程序开发工具, 在实现对SolidWorks中尺寸的参数化中使用了MSFlexGrid控件、Image控件和Command控件等, 程序设计的界面如图2所示。程序运行后, 在MSFlexGrid控件中显示了固定V型块的所有可以驱动的尺寸, 在Image控件中显示基本零件的形状, Command控件用来具体执行不同的命令。

在控件MSFlexGrid中的SelChange属性中编写如下代码:

4 运行调试程序

在程序设计的文件夹中采用以Jet为基础的数据库访问对象 (DAO) 方式[3], 创建和管理本地数据库。通过文本框、列表框、组合框等控件与数据库中的信息建立连接, 由程序控制保存、修改或提取数据库的内容。数据库中的信息和编程界面上MSFlexGrid控件上的信息相关联, 这样程序就可以运行了, 程序运行后的界面如图3所示。用鼠标点击需要的零件的尺寸范围, 点击“生成”按钮, 那么在SolidWorks中就可以生产相应尺寸的固定V型块, 本程序在WindowsXP和VB6.0环境下运行通过。程序运行的流程图如图4所示。

5 菜单的编制

按照上面提出的方法将经常用到的零件编写其参数化驱动程序, 为了提供一个方便、友好的操作界面, 将零件的驱动程序利用API和ActiveXDLL技术编制SolidWorks插件, 并集成于SolidWorks环境中, 由SolidWorks程序进行管理。ActiveXDLL通过调用SolidWorks.AddMenu在用户界面上增加一个下拉式菜单, 调用SolidWorks.AddMenuItem2在用户的下拉菜单上增加子菜单。在SolidWorks软件环境中, 点击[文件][打开], 插入由ActiveXDLL生成的DLL文件, 这样相关的工具栏和菜单就加入到SolidWorks环境中 (图5所示) , 程序如下:

程序运行时, 单击下拉菜单栏中的“固定V型块”菜单, 系统会自动加载“固定V型块”的窗体并显示尺寸选择界面, 用鼠标选择需要的尺寸, 单击按钮即可生成需要的三维图形。

6 结束语

利用VB的强大的开发功能, 实现了整个设计过程的自动化, 程序的显著特点是能够设计出一族非单一的零件模型, 在使用时只要轻点鼠标就可以完成相同特征尺寸不同零件三维图形的绘制, 用VB在SolidWorks基础上开发工作中经常使用的零部件的参数化绘图程序, 具有开发周期短、代码效率高的优点。经实际使用, 此程序界面友好、运行稳定, 从而使工作效率有了很大提高。

摘要：针对具有相同特征零件的重复查表设计的问题, 利用SolidWorks API强大的二次开发功能, 编程实现了零部件的参数化设计, 并把程序制作封装为DLL文件, 有利于在SolidWorks环境中加载、调用和管理, 同时菜单项的制作使程序具有良好的界面和操作性, 在实际工作中减轻了设计者的劳动强度, 缩短了设计周期。

关键词：VB,SolidWorks,建模,参数化,API

参考文献

[1]龚沛怔, 等.Visual Basic程序设计教程[M].北京:高等教育出版社, 2001.

[2]刘友和, 等.SolidWorks入门[M].北京:清华大学出版社, 2002.

参数化设计程序 第2篇

关键词：Solidworks;参数化;三维设计软件

一、设计理念

为大家所熟悉的以Auto-CAD为代表的二维设计软件现阶段还属于非参数化设计（Non-parametric Design），而大部分三维软件已经步入参数化设计（Parametric Design）的领域。基于SolidWorks有设计快、参数化、工程仿真三大特点，这使得SolidWorks成为领先的、主流的三维绘图方案。

SolidWorks设计软件具有自动生成精确的二维视图的功能，其中还包括基本视图、斜视图、剖视图、轴视图等。它可以在二维视图中显示尺寸和技术要求，在设计过程中只需更改SolidWorks三维模型的任一尺寸，就会导致三维实体和所有二维视图随更改后的尺寸自动更新。它还可以绘画零件模型，对零件进行工程仿真，进行应力分析，检查零件的应力变化、位移变化与应变变化，并形成仿真报告。

二、设计方法（以下研究均为直齿圆柱齿轮）

本次设计的核心思想是把齿轮的全部要素通过转换变成某一个函数的变量，通过改变函数或者是改变算法，得到不同的齿轮，即通过计算机技术和制图软件自动生成齿轮。通过多次实践以及分析，现将设计归纳为如下步骤：

1.建立一个新的文件夹，设置齿轮基本参数

模数、齿数、压力角、齿宽、齿轮齿顶高系数、齿顶隙数、变位系数、螺旋系数是普通的螺旋线齿轮的基本影响参数。根据“方程式对话框”中的提示步骤，逐一添加关于此类参数的方程式来对其进行定义。

2.以齿根圆为基，绘制出基本齿轮

在步骤1的基础上，展开“方程式”文件夹，修改尺寸值，绘出基准圆;通过指令“Feature Manager”来修改名称，并添加相关方程式。

3.得到基准曲线——渐开线

由齿数、分度圆直径得已知参数结合工具栏指令绘出渐开线发生线;通过修改和菜单栏工具辅助设计，得出渐开线。

4.镜像渐开线

以中心线为轴，对以上渐开线进行镜像。

5.得出齿轮轮廓实体

绘出齿顶圆，编辑有关公式，并输入设定值，便可得到所需齿轮;通过“拉伸”指令进行修改，得到所需深度。

6.陈列齿槽轮廓

通过“临时轴”设定“圆周阵列”数量，得到所需齿轮。在此，通过改变输入模数及齿数，结合“重建模型”命令，便可得到全新齿轮。

7.通过编辑后保存，得到图纸

最终得到一个用Solidworks参数化之后的齿轮。

三、主要特点

采用SolidWorks软件遵循的理念是自底向上、自顶向下。而参数化设计的特点是能将前后数据关联起来。两者汇总，用SolidWorks对齿轮进行参数设计后，可以更好地描述其基本特征，并且能达到全尺寸约束，全数据相关，同时还能通过尺寸驱动对齿轮进行设计和修改，给设计者带来了极大的方便。

四、应用领域

国内该项技术还处于起步阶段，现在主要应用于机械、航天、食品、交通、模具、电器、建筑等领域，近年来在景观设计方面也有应用。而在国外，20世纪六七十年代中期就出现了该项技术的萌芽，在八十年代得到快速发展。而后经过30多年的发展，经过数百位科学家的完善，实现了从无到有、从简单到复杂、从单一到混合的蜕变，并在实践中取得广泛应用，目前应用水平超过国内水平的40%。

五、前景预测

参数化设计在欧美国家早就是一个时尚的话题，并且在国内市场也陆陆续续出现。用软件进行参数化设计的发展是必然的，就如同制图软件取代手绘，制图软件进行参数化设计必将占领中国市场。据调查显示，Solidworks在全球发放使用许可接近30万，分布在全球100多个国家。作为全球装机量最大、操作最简便的软件之一，solidworks的参数化设计对人类发展的进步必将起到推进作用。

参考文献：

[1]王先逵.计算机辅助制造[M].北京：清华大学出版社，1999.

[2]洪惠良.SolidWorks造型与Mastercam[M].北京：化学工业出版社，2010.

[3]张国锋.C++语言及其程序设计教程[M].北京：电子工业出版社，1997.

[4]汝新，赵汝嘉.CAD/CAM技术第二版[M].北京：机械工业出版社，2005.

[5]孙恒，陈作模.机械原理[M].北京：高等教育出版社，2006.

参数化设计程序 第3篇

AutoCAD具有较强的绘图功能, 但它所提供的计算能力有限, 对于大量的计算问题显得不太方便。为了充分利用高级语言中强有力的计算、输入、输出功能以及其它功能, 必需考虑如何利用高级语言调用AutoCAD中的绘图命令、编辑命令、尺寸标注命令以及其它一些功能命令, 这就要为高级语言与AutoCAD之间设计一个接口, 以实现高级语言对AutoCAD的功能调用1。

二、AutoCAD与高级语言接口程序的设计

AutoCAD绘图软件与高级语言连接方式主要有以下3种:DXF图形交换文件;命令组文件 (*.SCR) ;IGS类型的图形交换文件。相比之下, 命令组文件有以下优点:程序易编、易读、易修改;命令组文件格式比较紧凑、占用内存少, 在AutoCAD上运行迅速, 操作简单2。

鉴于命令组文件有上述优点, 本文选择了命令组文件作为高级语言与AutoCAD的接口。在编写函数时, 主要应考虑AutoCAD的命令格式, 即基于命令格式来写函数。编写函数的目的实际上就是设计一个高级语言的函数集, 通过调用这些函数, 可以形成与其功能相对应的命令组文件, 用户可以通过高级语言调用这些函数实现对AutoCAD功能的调用, 通过AutoCAD就可以方便地绘出图形来。

三、AutoCAD与高级语言接口程序的实现

在设计函数之前, 首先要将AutoCAD的菜单命令进行分类, 然后归纳出各类命令的主要功能, 最后编制实现这些功能的高级语言函数。本文将AutoCAD菜单命令分为4类, 分别为:图形绘制命令;图形编辑命令;文本注释命令;尺寸标注命令3。下面以尺寸标注命令为例阐述其实现方法。

尺寸标注是一般绘图过程中不可缺少的步骤, 为此, AutoCAD提供了一套完整的尺寸标注命令。通过这些命令, 可方便地标注图形上的各种尺寸, 如线性尺寸、角度、直径、半径等。与这些功能相对应, 就必须编写一些函数以实现这些功能。函数的命令与其菜单名基本一致, 其参数与在交互方式下实现这一功能时所输入的参数也基本相同。

例如, 函数dimliner (floatX, floatY, float Z, float L, int I, int J, int K) 的功能是自动进行水平标注和垂直标注。其中, X、Y是起点的坐标, L是相对于起点的长度, Z是相对于上一点的长度。I、J、K是状态控制参数, 取值为:

I=0 标注水平尺寸

I=1 标注垂直尺寸

J=0 标注直径符号

J=1 标注半径符号

K=0 起点坐标为绝对坐标

K=1 起点坐标为相对坐标

函数清单如下:

/*dimliner.c*

#include

#include

char XX[16], YY[16], ZZ[16], LL[16], UU[16], TT[16], SS[12];

void mid (char*pl, char*p2, inti, intj) /*定义从字符串中取子串函数*/

{

int k;

for (k=i-1;k

}

void right (char*p1, char*p2, inti) /*定义从字符串右端取子串函数*/

{

intj, k=strlen (p1) ;

for (j=k-i;j

}

void dimliner (float X, float Y, float Z, float L, float I, int J, int K)

{ /*定义标注函数*/

int xl, yl, zl, 110, i;

float ll;

FILE*fp;

printf (″Enter your SCR filename: ) ;

gets (SS) ; /*输入要建立的SCR文件名*/

strcat (SS, ″.SCR″) ; /*加扩展名*/

if ( (fp=fopen (SS, ″W″) ) ==NULL)

{ /*建立SCR文件*/

printf (″Can’t open SCR file!″) ;

exit (0) ;

}

sprintf (XX, ″%f″, X) ;

sprintf (YY, ″%f″, Y) ;

sprintf (ZZ, ″%f″, Z) ;

xl=Z>=0 strlen (XX) -l:strlen (XX) ;

yl=Y>=0 strlen (YY) -l:strlen (YY) ;

zl=Z>=0 strlen (ZZ) -l:strlen (ZZ) ;

L= (int) (L*100+.5) /100;

sprintf (LL, ″%d″L) ;

110=strlen (LL) ;

strcpy (UU, ″″) ;

for (i=0<110;i++)

{

mid (LL, TT, i, l) ;

strcat (UU, TT) ;

if (! strcmp (TT, ″.″) )

{

mid (LL, TT, i+1, 2) ;

strcat (UU, TT) ;

break;

}

}

strcpy (LL, UU) ;

ll=L>=0 strlen (LL) -l:strlen (LL) ;

right (LL, LL, ll) ;

right (XX, XX, xl) ;

right (YY, YY, yl) ;

right (ZZ, ZZ, zl) ;

if (I==0)

{

fprintf (fp, ″dim hor″) ; /*向SCR文件中写标注命令和标注参数*/

if (K==1) fprintf (fp, ″@″) ;

fprintf (fp, :″%s″, XX) ;

fprintf (fp, ″, ″) ;

fprintf (fp, ″%s″, YY) ;

fprintf (fp, ″@″) ;

fprintf (fp, ″%s″, LL) ;

fprintf (fp, ″, 0@0, ″) ;

fprintf (fp, ″%s″, ZZ) ;

fprintf (fp, ″″) ;

}

else

{

fprintf (fp, ″dim ver″) ;

if (K==1) fprintf (fp, ″@″) ;

fprintf (fp, ″%s″, XX) ;

fprintf (fp, ″, ″) ;

fprintf (fp, ″%s″, YY) ;

fprintf (fp, ″@″) ;

fprintf (fp, ″%s″, LL) ;

fprintf (fp, ″, 0@0, ″) ;

fprintf (fp, ″%s″, ZZ) ;

fprintf (fp, ″″) ;

}

if (J==1) fprintf (fp, ″%%%%c″) ;

if (J==2) fprintf (fp, ″r″) ;

if (L<0) right (LL, LL, ll-l) ;

fprintf (fp, ″%s″, LL) ;

fprintf (fp, ″exit″) ;

fclose (fp) ; /*关闭SCR文件*/

}

如果用dimliner (100, 60, 8, 70, 0, 0, 0) 调用该函数, 则在命令组文件中形成如下形式的数据:

DIM HOR 100, 60 @70, 0 @8, 0 70 EXIT

在绘AutoCAD的编辑状态下, 用SCRIPT命令调用含有命令组的文本文件即可生成所需绘制的直线。

四、结论

我们为AutoCAD命令编写函数, 设计AutoCAD与高级语言的接口, 从而成功地将高级语言的优点和AutoCAD的绘图功能有机结合起来, 取得了很好的效果。

参考文献

[1]方贵盛, 王建军.AutoCAD二次开发技术及其应用研究[J].机床与液压, 2007.06

[2]王军政.TURBO C3.0实用高级编程技巧.北京:北京科海培训中心, 2002

参数化设计程序 第4篇

工艺装备（工装）是机械工业的重要组成部分，是机械产品性能、精度、质量、寿命、生产效率以及控制生产成本的基础保证。结构越是紧凑、精度越高的机械装置，其制造过程对工装的依赖程度便越高。以沈阳机床（集团）有限责任公司（以下简称“沈阳机床”）研制的机械式双轴转台pct40为例，该产品有35种零件，装配工装就有21种之多，其中一些工装结构相同或类似，但零件尺寸不同。按照我们以往的设计流程，在三维建模和绘制工程图时，设计员需要进行较多的重复工作，影响了设计效率。结构相同或类似零件的三维模型和工程图等技术文件也影响到技术文件的管理。本文以偏心法兰调整工具为例介绍了利用Pro/ENGINEER的“族表”工具和“重复区域”功能，对一类结构相同的工装进行参数化设计，有效地减少了设计员的重复工作和技术文件数量。

二、关于参数化设计

参数化设计是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数约束该几何图形的一组结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予不同的参数序列值时，就可驱动达到新的目标几何图形，其设计结果是包含设计信息的模型。参数化为产品模型的可变性、可重用性及并行设计等提供了手段，使用户可以利用以前的模型方便地重建模型，并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型，生成系列产品，大大提高了生产效率。参数化概念的引入代表了设计思想上的一次变革，即从避免改动设计到鼓励使用参数化修改设计。

Pro/ENGINEER提供了多种二次开发工具，如族表工具、用户定义特征（UDF）、Pro/Program、J-link以及Pro/TOOLKIT等。通过族表可以方便地管理具有相同或相近结构的零件，特别适用于标准零件的管理。族表工具是通过建立一个通用零件作为父零件，然后在其基础上对各参数加以控制生成派生零件。整个族表是通过电子表格来实现的，因此可以称其为表格驱动。

三、偏心法兰调整工具设计

偏心法兰内外圈的中心线是不重合的，如图1所示，法兰内外圆中心线距离为S。当法兰以外圆中心线为轴转动时，内圆中心线就以外圆中心线为轴，以S为半径转动，从而实现法兰内圈在垂直方向上的位置移动，移动的最大距离为2S。弧面分度凸轮机构就应用偏心法兰来调整凸轮轴与分度盘中心距，避免出现二者配合过紧或过松的现象。装配时，偏心法兰的外圆与箱体上的孔配合，保证了其轴线没有径向移动，凸轮轴通过轴承与偏心法兰内圈结合，根据实际情况转动偏心法兰，使其内圆中心线在垂直方向上产生位移，达到通过改变机构的中心距使弧面凸轮与分度盘获得优良配合的目的。根据装配需要，设计出偏心法兰的调整工具，调整工具的二维示意图如图2所示。

在调整工具一端任选两个相对的孔打入圆柱销，装配调整时，将圆柱销插入偏心法兰端面上的孔Фd0中；调整工具的另一端也是利用端面上的孔与类似卡钳的工装连接，该工装的设计与本文内容无关，故不在此做介绍。

四、调整工具参数化设计

以沈阳机床研制的机械式双轴转台pct40为例，该产品有2种尺寸不同的偏心法兰需要使用调整工具，另外分别安装与之配合的2种锁紧法兰也需要同样结构但不同尺寸的调整工具，因此这里需要设计4件调整工具。这种现象在工装设计中是常见的情况，若是按照传统设计流程，设计员必须分别进行多次重复的三维建模和绘制工程图的工作才能完成设计任务。但是利用Pro/ENGINEER的族表功能，对其进行参数化设计，将不再需要重复建模，而只需对一个模型的尺寸参数进行重新设计，便可得到一组不同的调整工具。从而达到减少设计人员的重复劳动，提高工作效率的目的。

1.三维模型参数化设计

以需要设计的任一调整工具作为原始模型建立三维模型，以后再需要设计结构类似的调整工具时，不再重复建模，而是运用族表功能对相关尺寸约束进行参数设计。在创建“族表”之前，我们有必要将模型的相关尺寸名称按照我们需要的进行修改，如d1、L1和外径等。然后，便可进行“族表”的创建，先将模型相关尺寸添加到“族项目”中，为了让设计员快速定位尺寸参数可以插入“注释行”对每个尺寸的含义做详细的描述，“族表”便建立完成。当我们需要重新设计一件与其结构相同但尺寸不同的调整工具时，不再需要重新建模，只要在“族表”中插入实例行，对相关尺寸参数进行设计，便可得到另一个模型，如图3所示。

2.工程图的绘制

工程图的绘制方式有两种，一种是按照绘图标准绘制一张完整的工程图并做完整的尺寸标准，将工程图中的尺寸数值更改为特定代号，然后附上显示三维模型族表的表格。该表格使用Pro/ENGINEER的“重复区域”功能来制作，通过“更新表”可以使该表格与三维模型的族表同步。此方法绘制的工程图可以定义为列表式，如图4所示。

第二种方法可称为模板式，即建立一个“工程图模板”。所谓“工程图模板”是在一张工程图上设置其“出图行为”，作为工程制图的出图规范，每个视图的详细规范通过模板视图指令对话框设定，如图5所示。需要出图时，在指定模板选框中选择使用模板，然后选取已制定好的工程图模板，点击确定便会按照设计员制作的工程图模板形成工程图文件，移动各视图至适当位置并整理尺寸便完成了工程图的绘制，大大提高了设计员的出图效率。

这两种方法各有优劣，使用列表式绘制工程图时，不同型号的零件需要从列表中选择对应的尺寸参数，所以不太适用于结构较复杂的零件，但特别适用于标准零件的绘制，如企业的标准工装、标准工具等这些结构相同，尺寸不同且数量较多的零件。模板式绘制工程图则适用于另一些结构较为复杂的零件。

五、结语

参数化设计程序 第5篇

在机械加工中常遇到零件上有许多相同或相似的几何形状体,或形状相似的零件[1]。宏程序的一个常见应用便是在一组某些方面相似的零件中,例如,基本形状相似,这组所有的零件都通过使用变量而不是固定的尺寸数据和加工数据来进行编程,采用简单的主程序(宏程序的形式),并对每个零件用不同的数据输入值进行调用。

编写一个这类宏程序常比编写单个零件程序需要更多的时间和精力,但当宏程序编写完成并调试成功,就可以不考虑其他编程,所需做的仅是参数的修改(如转速、进给速度、尺寸、深度等)。本文仅以车削定位销为例阐述宏程序作为工具对相似零件组进行参数化编程的过程。

2 参数化编程

2.1 图纸分析

在机械设计与制造中,定位销是机械结构加工和装配的主要零件[2],如图1所示[3]为4个具有相似特征的定位销,材料为20钢,Ф50mm棒料,零件设计采用参数化的方式表达设计意图。所有的尺寸和材料均已给出,该组零件共标注7个尺寸,其中2个尺寸固定,其余5个尺寸为变量,2个倒圆之间有一个台肩面,尺寸标注完整,轮廓描述清晰。

2.2 加工方案设计

该组定位销零件结构较为简单,易确定其加工方案为:装夹采用三爪卡盘;编程零点为在零件右端面和中心线的交点;用一把外圆车刀完成粗精加工;因4个销材料相同,可使用相同的主轴转速和进给速度;分别用指令G71和G70进行粗精加工。

实际的走刀路线(如图2所示)为:快速接近工件,右端面切削;快速退至G71循环起点;粗加工轮廓(图中1-6),留余量;G70完成精加工。

2.3 编写标准程序

以FANUC(0i-TC)为工具,选择零件“销-01”尺寸编写标准程序如下[4]:

当这个标准程序经过试验为正确后,就只需指定其余3个定位销所有改变的参数即可。

2.4 确定变量数据

当加工零件由“销-01”更换为其余3个定位销,更改程序中需变化的数值意味着确定变量数据,在标准程序O0001中用下划线标出的指令即是这些需要变化的数值。下面对这些变量进行定义、赋值,并改写为宏程序指令。

N10中的“X16”代表走刀路线中的“1”点,为避免刀具在进给停顿处的零件表面留下划痕[5],此处沿45°倒角留出引入长度,“X16”即由此计算得来。小径尺寸“"C”定义自变量为“C”,其对应局部变量为“#3”(见表1),即得改写的宏程序指令为“X[#3-2*1-2*3]”。

N20中“X24”指的是小径尺寸“C”,尽管在每个零件中不同,但总在图纸中直接给出,同上变量定义为“C=#3”,改写的宏程序指令为“X#3”。

N30中“Z-23”和“R3”两个数据均是在图纸中直接定义的,对应的变量见表1,因此此处改写的宏程序指令为“Z-#1 R#18”。

同上,N40中“X46”改写的宏程序指令为“X#7”。

N50中的“Z-47”代表走刀路线中的“5”点,此处相对于图纸尺寸,Z向多切削了3mm,留出这个余量是为了后续刀具加工提供加工尺寸,这个“3mm”是每个零件都需要进行切削的。这里存在的变量只有图纸尺寸“B”,将该尺寸定义变量为“B=#2”,即需改写的宏程序指令为“Z-[#2+3]”。

对于自变量的选择,只要是赋值列表1中的任何合法自变量都可以使用[6],并不总会与参数化图纸上的尺寸符号相匹配,本例对于自变量的选择只是基于易于辨识的目的给出的。

2.5 编写宏程序

变量数据确定后,即将确定的宏程序指令带入,编写出的宏程序包含主程序和通用宏程序如下:

2.6 宏程序优化

对于不同的定位销,在程序O0002中,唯一修改变量赋值的方法是在G65调用宏程序中改写指令,这是常用的一种方法,但不是最佳的方法。为增强宏程序的灵活性,使得变换零件后的修改加工操作更简便,可以尝试在一个主程序中包含4种定义变量,然后只需修改一个变量号(程序段N10)来进行选择要加工的零件(销)。本例使用IF函数在主程序中包含4个定义来实现,宏程序O1001不变。

3 结语

本文通过对车削定位销参数化编程编写实例的详细阐述,以宏程序为工具进行程序编制,将所有的尺寸和相应的数学逻辑关系设定成变量,通过循序渐进的修改过程,最终得到一个灵活性和操作性很强的参数化程序。而这个最终程序也不能说是最佳的或者唯一的结果,每个宏程序都还可以改进和变化,以此来使自身的功能更强大、更可靠和更实用,某些改变还可以标准化,例如孔加工循环的程序。但这种编程的思路和改进方法可为需要使用宏程序进行零件编程的工程人员提供参考借鉴。

摘要：提供一个以宏程序为工具的相似零件组参数化编程的编写实例,通过使用变量而不是固定的尺寸数据和加工数据来进行编程,给出最终优化程序,并把这种编程的思路和改进方法作为参考借鉴提供给需要使用宏程序进行零件编程的工程人员。

关键词：宏程序,相似零件,参数化编程,定位销

参考文献

[1]殷保祖.参数化数控编程技术[C]//中国电子学会数控设备使用和管理学术会议论文集,2003:13-17.

[2]曹秀鸽,谷莉,胡玉霞.机械产品设计中销结构的工艺性分析[J].装备制造技术,2011(1):90-92.

[3]彼得.斯密德.FANUC数控系统用户宏程序与编程技巧[M].北京:化学工业出版社,2007:179-180.

[4]北京发那克机电有限公司.FANUC Series 0i-TC操作说明书[Z].2004.

[5]刘书华.数控机床与编程[M].北京:化学工业出版社,2001:183-185.

[6]胡育辉,赵宏立,张宇.数控宏编程手册[M].北京:化学工业出版社,2010:26-28.

高层建筑参数化设计 第6篇

自1977年西萨佩里的第一座高层纽约现代艺术馆大厦落成至今,西萨佩里已经在世界各地设计和建造了超过40栋地标性的超高层建筑,其中包括吉隆坡双塔(Petrona Towers)和香港国际金融中心大厦(HKIFC)等(图1)。根据建筑评论家约瑟夫格罗凡尼尼(Joseph Giovannini)的统计,“西萨佩里每年设计建成的高层建筑规模相当于1.5栋纽约帝国大厦”。

作为现代派的建筑大师,西萨佩里设计的高层建筑似乎和参数化设计并没有直接的联系,但是当我们把他的作品进行归纳和分类,可以发现其形体的几何构成具有强烈的规律性。同时,这种规律性伴随着建筑工程技术的进步发生着阶段性的变化。从这点我们可以发现他的设计方法和参数化设计提倡的以强调发掘和利用逻辑规律为主导的设计方法基于规则的设计手法(Rule-based Design)不谋而合。以下是此次研究的成果。

西萨佩里设计的高层建筑种类繁多,造型千变万化,但是我们可以用四种基本几何构成方式把它们进行分类:分支形(如吉隆坡双塔)、角部退台形(如香港国际金融中心)、多折面形(如费城的西拉大厦)和结构外墙形(包括竖向结构和菱形外墙结构)。如果按建构方法进行分类,我们甚至可以用两种简单的法则来定义它们:空间截面法则和空间点法则。空间截面法则是通过寻找平面截面的空间位置,并采用放样和布尔交集运算来生成建筑实体(图2)。绝大部分西萨佩里的作品都能使用这种法则来进行设计,但是近年来我们也看到他对空间点法则的偏爱。空间点法则是通过寻找定义建筑边界的空间点的几何定位规律,并通过组合面的方法来生成建筑实体。西拉大厦(Cira Tower)就是一个典型的例子。邻近的角点之间都有明确的几何关系,比如角点15是在角点5和角点1连线的1/6位置上,角点67是在角点6和角点7连线的2/3位置上,如此类推,通过定义这些角点与其相邻两个角点的距离比例,这样我们便可以从中找到西拉大厦的几何构成规律(图3)。

由于西萨佩里的高层建筑作品带有明晰的几何构成规律,我们可以通过数字化的手段(使用电脑编程用数字来定义形体特征)来演绎他的设计精髓。再者,我们可以结合形变规则(包括比例缩放、平移和扭转等)来生成千变万化的设计方案(图4)。图5和图6分别是通过使用空间截面法则和空间点法则,并结合形变规则生成的案例,它们既继承了原始设计的特点,又具有形变规则赋予的新几何形体特征。从这里我们看到了对高层建筑形体进行参数化形变控制的一种可行方法。

高层建筑参数化形变

通过参数化对西萨佩里的作品进行研究具有一定的局限性。虽然通过参数运算所生成的高层带有典型的西萨佩里风格,但这是因为我们所归纳总结,并诠译成数字结构的逻辑规律都是源自于西萨佩里的设计方案。然而这项研究却从侧面让我们确信:高层建筑的形体构成是可以通过简单的归纳法则进行分类,并通过布尔交集或者组合面的方法来构建。如果我们引入形变规则,那么所能得到的创新设计将是无穷无尽的。基于这层思考,笔者在“高层参数化形变系统”开发项目中提取了参数化的西萨佩里研究成果的精髓,并把它发展成为一套具有普遍实践意义的参数化高层形体构成系统。以下是对这项研究成果的简短介绍。

高层建筑参数化形变系统不以个体建筑项目为研究对象,而是致力于研究几何类型学,归纳出适用于高层建筑设计的几何形体。同时,它把这些可能的形体组合方式进行配对并罗列出来(图7)。最后也是最关键的一步,即我们发展了一套能够解读这些几何形体及其配对组合的数字化运算系统。这套系统的核心内容是对这些形体的拉伸、比例缩放、平移、扭转和布尔交集运算等形变方式的控制(图8),甚至可以把多个不同的形体组合搭配在一起形成群组。

利用参数化技术,我们可以生成由这些特定组合或组合群组构成的变参数设计多选方案(图9)。在这个项目中,我们归纳并总结出了50多种适用于高层设计的原始几何形体、1 400多种形体配对组合形式,以及不计其数的组群。由它们衍生出来的参数化方案将会是无穷无尽的,因而这个系统的应用面也将非常广泛。

应用“高层参数化形变系统”的实践案例

这里让我们以诺曼福斯特(Norman Foster)、Gensler、SOM以及SHDT的方案为例来共同分享一下这套全新的“高层参数化形变系统”的潜在作用。同时,为了易于理解,笔者将这些方案使用“高层参数化形变系统”自动化模拟生成的操作过程列举如下(图10~图13)。

上述高层建筑方案极具时代特征,其形体复杂、富于变化且个性突出。其中Gensler设计的上海大厦已于2009年破土动工,我们坚信它的落成将给上海市的城市天际线勾画上浓重的一笔。

通过上述分析,我们发现参数化的高层建筑可以通过简单的形体构成方式来进行构建。“高层参数化形变系统”向我们展示了一套高层形体构建系统,它能够通过自定义的数字化平台自动生成规律性的形体构成,控制高层建筑形体的构建。

高层建筑参数化的细部构建

在参数化的高层设计中,我们除了要处理高度复杂的形体外,还要解决这些复杂多变的形体带来的非标准化部件的构造问题。包括罗曼福斯特和弗兰克盖里(Frank Gehry)在内的建筑大师都拥有自己的数字化专业技术团队为每个个案开发定制数字平台,解决实际的构造问题,这是他们的方案能够实现的技术保障。

同时,我们也能在市场上找到一些类似的专业构造和施工辅助软件,如由盖里技术(Digital Technology)开发的“数字方案”(Digital Project)和由Autodesk开发的Revit等等。这些数字平台都可以辅助扩初和施工图设计,它们对前期方案设计的帮助并不明显,这是参数化设计普遍推广仍然比较滞后的一个主要原因。

为了填补参数化设计在设计初始阶段辅助细部构建的空白,笔者开发了一套以元件化建模为基础的变参数外墙自动化三维建模系统RHIKNOWBOT。该系统可将高层玻璃幕墙的三维建造过程自动化,因而可以用于处理高度复杂的非标准化部件。RHIKNOWBOT提供一种自定义的细部构造方法(图14)和参数化的用户界面(图15),它通过三维模型投影的方式把用户自定义的细部构造在指定的建造面上生成三维实体模型。

在设计初始阶段,这些模型可以被用于方案表现,随着设计进入扩初和施工图阶段,它们可以被用在专业的工程软件中,进行力学、材料或者声学计算。值得一提的是,RHIKNOWBOT同时提供部件的替换功能,用户可以按设计意图对细部构件进行修改或者替换(图16)。

自从2008年底推向市场以来,RHIKNOWBOT已经逐步得到一批前沿建筑师的青睐。图17和图18是两个由RHIKNOWBOT完成并通过三维打印机输出的高层设计方案:鼓形塔和扭转的超高层。结语

随着电脑编程技术在建筑设计界逐步得到推广,参数化高层建筑设计也开始绽放光彩,多个极具时代特色的参数化高层建筑方案相继在世界各地出现,这些方案的成功有赖于数字化技术日新月异的发展,更要归功于建筑师对形体几何构成认知的进步。本文是对参数化高层建筑设计的一次有益探讨,希望它能引起读者对这种新设计方法广泛和深入的讨论以及对参数化技术开发的兴趣。

参考文献

[1]Chen Shouheng,etc.eds.Computational Constructs:Architectural Design,Logic and Theory.Beijing,China:China Architecture&Building Press,2009

[2]Suzuki,Hiroyuki.Barreneche,Paul.Giovannini,Joseph and Cesar Pelli&Associates.Sections Through a Practice:Cesar Pelli&Associates.Hatje Cantz Publishers,Ostfildern,Germany,2003

[3]Chen,Shouheng.Embedding Methods for Massing and Detail Design in Computer Generated Design of Skyscrapers.The MIT Library,Cambridge,MA,USA,2006

滚珠丝杠系列产品参数化设计 第7篇

关键词：滚珠丝杠,Pro/E,参数

滚珠丝杠螺母副在机械传动系统中得到了越来越广泛的应用,种类也越来越多。在对滚珠丝杠副系列产品进行设计过程中,经常会重复用到结构相同或相似而尺寸不同的一些零件,如丝杠、螺母、反向器、滚珠等。如果每个零件都单独设计,将占用设计人员大量的时间和精力,影响新产品的开发周期,进而制约企业的技术进步和持续发展。利用Pro/E软件强大的参数化功能,综合使用Pro/E内嵌的Program编程功能和零件簇表(Family Table)功能[1],可以在不进行二次开发的情况下,建立起滚珠丝杠副的零件库,从而较好地解决系列化零件的快速设计问题。

1 基本思路和步骤

对于滚珠丝杠和螺母两个零件,因为设计尺寸较多且变化较大,所以采用Program编程功能实现快速设计;其他零件(例如滚珠)由于变化较小,可以采用零件簇表(Family Table)功能构件零件库。

应用Program编程功能需要经过以下步骤[2]:

(1)根据零件的特征确定设计所需要改变的参数。

(2)在Pro/E的Program编辑器中设定各参数的名称。

(3)创建主样件,主样件应该具有系列零件的所有特征。

(4)执行模型重新生成指令,输入新的参数值完成设计。

下面以滚珠丝杠为例,阐述设计的过程。

2 滚珠丝杠的参数化设计

根据滚珠丝杠的结构,在设计时变化的主要特征尺寸有左侧安装轴径的直径和长度、右侧安装轴径的直径和长度、丝杠长度、丝杠外径、滚珠中心径、滚珠直径、导程。

2.1 设置滚珠丝杠的设计参数

打开Pro/E Wildfire 2.0,点选“工具”-“程序”-“编辑设计”打开设计过程纪录文件,在INPUT和END INPUT之间加入设计参数:

保存文件退出。按照系统提示选择“是”-“选取全部”,输入参数的初值。DL=20;LL=30;DR=18;DL=40;L=260;D=25;DP=25.5;DA=3.969;PH=6;

2.2 设计滚珠丝杠主样件

绘制丝杠体的步骤如下:点选“插入”-“拉伸”-“放置”,选择绘图平面进入草绘界面。以参考十字线为中心绘制圆,点选“"工具”-“关系”进入关系式编辑对话框,点选圆弧的尺寸,在对话框中出现圆弧直径尺寸代号sd#,(#为数字)可能为sd0,输入sd0=D,如图1(a),“确定”-“完成”,退出草绘界面。输入任意一长度值得到圆柱体。点选“工具”-“关系”进入关系式编辑对话框,点击圆柱体,点选圆柱体长度尺寸在对话框中出现圆弧直径尺寸代号d#,可能为d0,输入d0=L,如图1(b),“确定”-“再生模型”-“当前值”完成第一个特征。

圆柱体绘制完成后绘制螺旋槽,使用“螺旋扫描”命令,以圆柱轴线为螺旋槽回转中心,通过“关系”定义螺旋槽的长度为L,回转中心径为DP,切割圆直径为DA的函数(函数关系式由滚道类型确定),完成丝杠主体的设计。结果如图2(a)所示。

分别以第一个特征圆柱体的上下底面为草图面增加左右安装轴径,以DL、LL、DR、LR为参数,完成后的主样件如图2(b)所示。

2.3 改变参数值设计系列件

通过改变参数可以获得不同直径、导程、安装轴径的滚珠丝杠。点击“工具”-“参数”可以打开参数对话框,直接修改参数即可直接修改模型[3]。改变有关参数为:DL=40、LL40、DR=32、LR=5、L=150、D=40、DP=40.5、DA=4.763、PH=8,点击“再生模型”-“当前值”生成新的滚珠丝杠如图3(a)所示;

如果其它参数不变,令PH=12、DA=7.144则生成的滚珠丝杠如图3(b)所示。通过修改参数值实现对主样件的修改即可得到不同安装轴径、公称直径、导程的滚珠丝杠。

3 滚珠的参数化设计

由于滚珠为简单的回转体,设计参数只有回转体母线半径,并且各型号的滚珠形成系列尺寸,尺寸之间没有函数关系,因此可以采用Pro/E软件提供的零件簇表(Family Table)功能[4]建立滚珠库。

首先绘制回转体,草绘半径为2的半圆,两端点之间用直线段封口,以此直线段为转轴(需要绘制虚线)旋转360°得到球体。点击“工具”-“簇表”-“插入”-“实例行”-“插入”-“列”,选择草绘半径尺寸sd#为列尺寸。反复执行“插入”-“实例行”命令,输入系列尺寸,完成滚珠库的建立(如图4所示)。

使用簇表功能进行滚珠的设计时首先打开主样件,点击“工具”-“簇表”选择需要的一行。点击“打开”系统会自动开启一个新的窗口,在新窗口就是一种新尺寸的滚珠。

4 结语

利用上述方法还可以分别构建螺母、反向器等零件的设计主样件和参数程序,提高了滚珠丝杠副的设计效率,是一种有效的方法。在工程实际中,设计人员可类似于上述方法建立各类零件的主样件库,使用时只需调用主样件修改有关参数,"再生模型"就可以灵活地修改设计。可使用户迅速准确地调用,为机械设计提供了很大的方便,而且应用简单、修改方便、迅速可靠。

参考文献

[1]林清安.Pro/ENGINEER零件设计高级篇(下)[M].北京:北京大学出版社,2000.

[2]黄恺,李雷.直动从动件圆柱凸轮变参CAD[J].机械传动,2006(3):

[3]詹友刚.Pro/ENGINEER英文野火版教程通用模块[M].北京:清华大学出版社,2004.

吊篮悬吊平台参数化设计及优化 第8篇

本文以ZLP3000型吊篮为研究对象, 基于VB和APDL语言编制了悬吊平台参数化设计程序, 通过对悬吊平台各组成部件的主要截面尺寸、吊点位置及个数进行设置, 完成了悬吊平台的参数化建模、结构分析和结果输出, 为吊篮同类产品的研发及生产提供借鉴。

1 ZLP3000型悬吊平台初始参数

以ZLP3000型吊篮为研究对象, 基于悬吊平台参数化设计系统对平台的结构及吊点位置进行分析, 验证参数化设计系统的可行性并获得悬吊平台的最佳模块组合方案。

结合国内悬吊平台的模块长度 (0.5m、1m、1.5 m、2m、2.5m和3m) , 基于枚举法对跨度为20m的悬吊平台组合方案进行研究, 并结合对悬吊平台标准节组合数量和对称布置的研究, 得出表1所示的7种模块化组合方案;根据GB191552003中的规定以及实际工作情况, 选择悬吊平台承受静力试验载荷作为最危险工况 (荷载值P=63 700N) 。

悬吊平台的标准节由上横梁、中横梁、下横梁、上腹杆、下腹杆、立柱、底板、角钢和弯板组成, 各组成部件材料选用Q235。根据GB/T67282002中方形及矩形冷弯空心型钢的截面形式和GB/T 7062008中等边角钢的截面尺寸, 结合现有型号悬吊平台组成部件的截面尺寸, 初步选取悬吊平台各组成部件截面形式和相关参数如表2所示。

(mm)

2 ZLP3000型悬吊平台方案对比分析

以表2中的数据为依据, 应用悬吊平台参数化设计系统对不同吊点形式及模块组合方式的平台结构进行建模和分析, 分析吊点的位置和7种模块组合方案对平台结构的力学性能影响, 确定合理的吊点位置及满足材料许用应力的结构最佳布局方案。

2.1 同一方案不同吊点位置的数据对比分析

在模块组合方式相同的情况下, 分析吊点位置对平台结构的力学性能影响。图1是悬吊平台两种吊点形式的结构简图。由于国标中没有对吊点内移式悬吊平台的吊点位置做出明确规定, 因此, 需要对平台结构进行建模和分析, 确定合理的吊点位置。以方案1为例, 在各方案挠度满足的情况下, 提取结果界面中不同内移距离下平台的最大应力值, 绘制折线图如图2所示。

由图2可知, 吊点内移距离范围在500~2 500mm和3 500~5 000mm时, 平台最大应力值逐渐减小;内移距离范围在2 500~3 500mm时, 平台最大应力值逐渐增大。在2 500mm和5 000mm处平台最大应力值比较小。当吊点内移距离为5 000mm时, 平台两端部有下移趋势, 不利于物料的运输和平台的使用, 所以吊点内移距离为2 500mm时平台结构较佳, 而此处为第一、二标准节连接处。由此可推断, 双吊点内移式悬吊平台最佳吊点内移距离为第一、二标准节连接处。使用同样的方法提取其他方案中平台结构较佳位置, 分别是1 000mm处、2 500mm处、3 000mm处、3 000mm处、2 500mm处和3 000mm处, 验证了推断正确。

仍以方案1为例, 提取结果界面中不同吊点形式的悬吊平台各组成部件应力值, 如表3所示。

分析表3中的数据可知, 方案1中双吊点内移式悬吊平台中各组成部件应力值比双吊点在端部时各组成部件应力值有明显的改善, 双吊点内移时结构最大应力值为64.75MPa, 相比双吊点在端部时结构最大应力值151.46MPa降低了57.25%。

2.2 不同模块组合方案的数据对比分析

在吊点方式相同的情况下, 分析不同模块化组合方案对平台结构的力学性能影响。在挠度满足的情况下, 提取结果界面中各方案平台的最大应力值绘制折线图, 如图3所示。

由图3中的数据可知, 当双吊点在端部时, 方案1、方案6中平台的最大应力值小于Q235的许用应力, 符合要求;当双吊点内移时, 方案1、方案4、方案5、方案6和方案7中平台的最大应力值小于Q235的许用应力, 符合要求。综合考虑, 符合要求的有方案1和方案6。单独提取方案1和方案6中各组成部件的应力值, 绘制成折线图如图4所示。

由图4可知, 当双吊点在端部时, 方案1中悬吊平台各组成部件的应力值变化相对平缓, 为较满意方案;当双吊点内移时, 方案6中悬吊平台各组成部件的应力值变化相对平缓, 为较满意方案。对比两个较满意方案, 方案1的最大应力值151.46MPa, 最小应力值41.5MPa, 方案6最大应力值57.21MPa, 最小22.26MPa, 最大应力值可降低62.23%。由此可见, 双吊点内移方案6最优, 双吊点在端部方案一次之。

3 结论

本文完成大载荷高处作业吊篮悬吊平台参数化系统的开发, 通过实例分析验证了系统的可行性, 并得到以下结论。

1) 在悬吊平台模块化组合方案相同的情况下, 随着吊点内移距离的增大, 平台最大应力值会呈现“下降-上升-下降”的结果, 前下降区间的最小值 (第一、二节标准节的连接处) 为20m悬吊平台的吊点最佳内移距离, 超过上升区间的峰值后, 平台两端会向下倾斜, 不利于平台正常使用。

2) 通过对比不同模块组合方案下悬吊平台的应力值, 获得了20m悬吊平台最佳布局为双吊点内移式的方案6, 为不同形式的悬吊平台设计研发提供有效的理论参考依据。

3) 分析两个较满意方案可知, 当悬吊平台跨度为20m时, 吊点内移比吊点在端部产生的最大应力值降低了62.23%。因此, 当需要使用大跨度悬吊平台的场合时, 建议采用吊点内移式悬吊平台。

参考文献

参数化设计程序 第9篇

重合点约束

在AutoCAD 2010中预先做一个管式折叠纸盒，盒盖采用摇盖式盒盖，盒底为1，2，3底，如图1所示。

对盒底进行参数化设计。首先利用修改工具中的复制命令将盒底进行复制；然后利用参数化设计中的重合工具将所有线的端点重合。如图2所示，所有重合点均为蓝色的节点，当鼠标放在节点上时，我们可以看到，此处有几个重合点约束。

参数化设计

下面，利用参数化设计中的标注工具对盒底进行参数化标注。首先利用线性标注命令对盒底的长宽进行标注，AB为纸盒的长度d1；BC为纸盒的宽度d2；CD为纸盒的长度d3，d3的长度与d1相等，将其修改为d3=d1；DE为纸盒的宽度d4，但其与制造商接头连接，所以比d2少一个纸厚，纸张的厚度在参数管理器中创建，名称为T，将d4标注为d4=d2-T。然后用几何约束中的水平约束命令对四条直线进行水平约束，如图3所示。

1.底片1的参数化设计

对底片1（锁底的阴锁）进行参数化设计，AF为阴锁的高d5，一般为纸盒宽度的2/3，将其设定为d5=d2×2/3。锁合点O1、P1距离盒底边缘线AB的距离d6，为纸盒宽度的一半，将其设定为d6=d2/2。锁合点O1距离底片1的左侧边×缘AF的距离d7，为纸盒长度的1/4，将其设定为d7=d1/4。两个锁合点O1、P1之间的距离d8，是纸盒宽度的一半，将其设定为d8=d1/2。然后将底片1其他线的尺寸进行相等约束，将水平直线进行水平约束，竖直直线进行竖直约束。参数化设计结果如图4所示。

2.底片2的参数化设计

对底片2进行参数化设计，重点是锁合点P2的设计。首先在底片1上做一条辅助线BP1，BP1与BP2垂直且相等，这样就可以确定锁合点P2的位置。CN为底片2的高度d9，为纸盒长度的一半，将其设定为d9=d1/2。参数化设计结果如图5所示。

3.底片3的参数化设计

底片3参数化设计的重点也是锁合点P3、O3。锁合点P3、O3距离底边顶点C、D的水平距离，即CP3的水平距离d10，为纸盒长度的1/4，将其设定为d10=d1/4；垂直距离d11，为纸盒宽度的1/2，将其设定为d11=d2/2。底片3整个高度与底片1的高度相等，即d12=d5。另外一个锁合点O3和P3对称，所以对CP3和DO3进行对称和相等约束即可。参数化设计结果如图6所示。

4.底片4的参数化设计

底片4与底片2关于辅助线对称，可利用对称约束对其进行设计。

参数化修改

完成纸盒1，2，3底的参数化设计之后，有两种方法可以对纸盒进行参数化修改。

方法一：双击长宽尺寸进行修改。例如，将长度改为200mm，宽度改为150mm，修改完得到新的1，2，3底。

方法二：在参数管理器中对长度d1、宽度d2、纸张厚度T进行修改。例如，将长度改为200mm，宽度改为150mm，纸张厚度T改为0.5mm，也可以得到与新的长宽尺寸对应的1，2，3底。

机械弹性车轮的结构参数化设计 第10篇

美国汽车工程师协会的统计数据表明,美国每年约有26 万起交通事故是由轮胎故障所引起的,通常当车速达160 km/h以上时,爆胎所造成的死亡率接近100%[1]。因此,安全车轮的研制成为国内外轮胎公司和汽车企业关注的焦点。目前技术比较成熟的安全车轮是在传统充气轮胎的设计基础上采取必要的安全措施,如自封型安全轮胎、内支撑型安全轮胎等。此外,人们正在探索研制新的安全轮胎,如无充气TWEEL车轮[2]、负泊松比N-轮[3]和弹性车轮[4,5]等。

机械弹性车轮作为一种新的安全车轮,集橡胶轮胎和轮毂为一体,能够避免轮胎穿孔、爆胎等危险情况的发生,从而有效保证车辆行驶安全性[6]。文献[7-9]对其基本构成、工作原理、通过性等方面进行了理论与试验研究。机械弹性车轮设计是一个十分具体又复杂的过程,其具体性主要体现在存在大量结构相同或相似的零件,其复杂性主要体现在弹性环结构形状千变万化且存在大量设计规范。如果机械弹性车轮的结构尺寸发生细微变化或者结构不满足强度、刚度等要求,则需要进行重复设计。所以解决该问题的有效方法之一就是将参数化设计引入机械弹性车轮的设计过程,建立机械弹性车轮的结构参数化设计平台ME-Wheel Design,以交互的方式对其进行设计,从而提高机械弹性车轮研发的效率。

1 机械弹性车轮结构及力学分析

1. 1 机械弹性车轮结构

机械弹性车轮结构如图1 所示。机械弹性车轮主要由车轮圈、铰链组及轮毂组构成。车轮圈内部预埋弹性环支撑骨架,由卡环组将多股钢丝构成的多组弹性环锁卡在一起,不仅可以起到车轮的支撑作用,而且可以保证一定的弹性,在车轮圈的外部包裹橡胶形成胎面。车轮轮毂与车轮圈通过等角度布置铰链组连接,铰链组起到缓和冲击及传递转矩等作用,整个车轮通过轮毂用螺栓与汽车半轴连接。

1. 2 机械弹性车轮力学分析

1. 2. 1 车轮圈受力分析

由新型机械弹性车轮的支撑结构可知,当车轮承受静载荷时,只有上半部分的铰链组受拉承载,下半部分的铰链组受压后绕铰接点弯曲变形而不承受载荷。忽略车轮外圈变形对铰链组布置角度的影响,则新型机械弹性车轮的静承载受力情况如图2所示。

设单轮所受静载力大小为Fz,考虑到受力对称,上半部分各铰链组受力依次为F3、F2、F1、F2、F3,根据平衡方程以及变形协调条件可得

1. 2. 2弹性环受力分析

根据弹性环左右对称性,同时忽略其变形造成的角度影响,可将弹性环沿竖直方向分成左右两部分进行受力分析,如图3所示。左右两部分的受力情况一致,计算左半部分即可。将其左半部分分为AB、BC、CD、DE四段,设上下对称支撑力分别为F4和F5,弹性环半径为r。

假定车轮受力平均分配到5个弹性环上,则F'1=F1/5,F'2=F2/5,F'3=F3/5。由平衡方程可得

根据图3 所示的计算模型,对弹性环分段进行受力分析。对AD段,建立图4 所示的分析模型,其中,设AB段弯矩为M1(α),剪力为FS1(α),轴力为FN1(α); 设BC段弯矩为M2(α),剪力为FS2(α),轴力为FN2(α);设CD段弯矩为M3(α),剪力为FS3(α),轴力为FN3(α),由平衡方程可得

当 α ∈[0°,30°]时,有

当α∈(30°,60°]时,有

当α∈(60°,90°]时,有

对CD段,建立图5所示的分析模型,设弯矩为M4,剪力为FS4,轴力为FN4,α∈[0°,90°],由平衡方程可得

剪力FS1(α)、FS2(α)、FS3(α)、FS4(α) 以及弯矩M1(α)、M2(α)、M3(α)、M4(α) 是关于 α 的函数,通过求导可得每段剪力的最大值分别为FS1max、FS2max、FS3max、FS4max,同理可得每段弯矩的最大值分别为M1max、M2max、M3max、M4max,则可求得弹性环的最大剪力FSmax和最大弯矩Mmax:

1. 2. 3外悬毂销轴受力分析

车轮滚动半径为r1,车辆最大牵引质量为mTmax,驱动轮个数为nq,所以分配到每个车轮的牵引质量m1= mTmax/ nq,车身质量引起的牵引力为Fm,所以每个车轮受到的牵引力矩为

外悬毂通过n对销轴和铰链组连接,共有n对力矩,则每对销轴受到的力矩T1= T / n。

1. 2. 4铰链组结构受力分析

图6 所示为铰链组结构图,铰链1、铰链2 和铰链3 通过销轴连接在一起。

假定扭转时铰链组与轮毂外径相切,销轴4连接处承受的合力为Fdl,轮毂外径为r,销轴4 对悬毂的力Fd= T1/ r。车轮铰链组拉直后与垂向夹角为 α,将铰链3 简化为L形杆,设销轴3 所受力为Fcx、Fcy,销轴5 所受力为Fe,设销轴1 所受力合力为Fa,其周向和径向分力分别为Faz、Far,其受力如图7 所示。根据平衡方程可得到各销轴受力情况。

1. 2. 5卡环危险部位受力分析

图8 所示为卡环组的结构,由于车轮圈是将卡环用橡胶包裹形成的,考虑车轮工作情况的受力分析可知,卡环与铰链的连接处是其受力最大的危险部位,故分析其受力情况。

设车轮铰链组拉直后与垂向夹角为 α,则受到的最大周向力为链条给予的拉力的分力,即

则对于根部,最大弯矩为

其中,lzw指其危险部位至根部长度,如图8 所示。

2 机械弹性车轮的重要结构参数分析

2. 1 重要结构参数分类

机械弹性车轮的重要结构参数主要分为主参数、从参数和独立参数。其中,主参数控制整个零件的形状特征,又称为驱动参数;从参数主要通过国家标准和工程设计准则、企业标准和经验以及分析计算结果等来确定与主参数之间的联系;独立参数相对主参数和从参数来说具有相对独立性,不受其变化的影响。机械弹性车轮结构主要设计参数见表1。

2. 2 自上而下参数约束关系的建立

自下而上参数约束关系的建立,是一种为了避免主参数驱动变形出错的建模技巧,即从基础特征开始,建立一个特征定义一步尺寸,并同时建立与上层之间的约束关系。机械弹性车轮的参数约束关系如图9 所示。

3 机械弹性车轮结构参数化设计实现

3. 1 总体结构设计

ME-Wheel Design是基于VC + + 开发的适用于机械弹性车轮结构参数化的设计平台,该系统由总体设计模块、车轮圈设计模块、轮毂设计模块、铰链组设计模块、整体装配设计模块组成。各个模块相互独立,但又有一定的联系:五大模块完成各自对应的设计内容,设计结果保存在相应的工程数据库中;设计中的某些参数需从其他模块的工程参数库中调用。ME-Wheel Design系统总体结构设计流程如图10 所示。

注:主参数用P表示,从参数用N表示,独立参数用I表示。

3. 2 数据库管理系统的搭建

机械弹性车轮的设计过程需要查询大量轮胎行业标准及设计手册的大量数据,ME-Wheel Design系统借助Access建立相应的数据库管理系统。利用Access数据库建立零件参数数据库之后,以ADO作为数据库访问接口实现对数据的调用、修改、添加等访问操作。实例运行后,ADO访问弹簧钢材料及力学性能如图11 所示。

3. 3 结构参数校核的设计实现

以车轮圈设计模块的结构校核的设计实现为例进行重点介绍,其他模块结构校核的设计实现类似。车轮圈模块的校核分析流程如图12 所示。

车轮圈设计校核分析主要包括弹性环校核分析、卡环组校核分析和橡胶层校核分析。首先,弹性环结构相对简单,弹性环校核分析无需进行几何约束校核,只需进行强度校核;其次,卡环组校核分析需进行几何约束校核和危险面强度校核;最后,橡胶层校核分析只需进行几何约束校核,确定合适的设计参数。

3. 4 零件参数化的设计实现

3. 4. 1 零件参数化模型库的搭建

参数化设计方法的目的是存储设计的整个过程,从而设计出一系列的产品模型。不同型号的产品往往只是尺寸不同而结构相同,映射到几何模型中,就是几何信息不同而拓扑信息相同。因此,在对零件进行拓扑结构归类的基础上建立参数化模型,所有的参数化模型构成参数化模型库。

以弹性环参数化模型的搭建为例进行说明。弹性环的钢丝根数不同,钢丝排布也有所差异,钢丝根数分别取8、9、10、12 时,钢丝排布见表2。

首先,根据钢丝根数的不同,需要建立与之相对应的弹性环三维模型样板;其次,利用Pro /E的Family Table、Pro / Program等功能模块,在已创建的弹性环三维模型样板的基础上,建立一组可以完全控制三维模型形状尺寸的主控参数(即钢丝半径rx、弹性环半径Rx和钢丝材料等),进而实现参数化模型的建立。该参数化模型不仅定义了几何信息,而且定义材质库或指定密度等非几何信息。

3. 4. 2 零件参数化程序的设计流程

Pro / Toolkit二次开发共分为同步模式和异步模式。ME -Wheel Design系统采用异步模式的Pro / E二次开发技术,机械弹性车轮的零件参数化设计过程可独立于Pro /E运行,并且可以实现其他CAD系统的无缝结合。零件参数化程序设计流程如图13 所示。

程序流程的核心是将用户输入的外部参数与参数化模型的内部参数建立关联关系。首先从参数化模型库中将待设计的模型调入Pro /E内存,并初始化模型及其内部参数;其次定义参数对象和参数值对象,用来存储用户输入的设计参数值;最后将模型参数与定义的参数值对象建立关系,用户输入的设计参数值传递给参数化模型的内部参数,再生后可得到新的模型。实例运行后,零件弹性环参数化模型再生如图14 所示。

3. 5 工程图参数化的设计实现

如上文所述,零件参数化模型定义了几何信息和非几何信息,Pro /E具有全数据相关的特点,零件参数化模型定义的所有信息可以通过传递工程模板传递到工程图中。本文工程图的参数化就是对工程模板的参数化,其设计流程如图15所示。

工程图参数化设计程序实现的核心函数是Pro Drawing From Tmplt Create ( ) 。在调用该函数之前必须为新创建的工程图制定工程图模板库并设置工程图配置文件,系统将会按照工程图模板自动生成相关视图。实例运行后生成铰链3 的工程图。

4 实例

首先,按照设计要求获取机械弹性车轮设计的主参数值,见表3;其次,围绕主设计参数展开一系列设计,主要包括胎圈设计、铰链组设计和轮毂设计;最后,在ME-Wheel Design系统的主设计界面,点击“生成装配件”按钮,系统自动生成变型设计的机械弹性车轮。铰链组个数从12 变成8,变型前后如图16 所示。

5 结论

(1)综合了VC + + 语言、Access数据库管理系统和Pro /E软件各自的优点。

(2)具有高质量的用户界面,在实用的基础上,强调操作者与计算机之间的人机友好性。

(3)计算与图形系统一体化,可实现机械弹性车轮结构的参数化计算与绘图,实用性良好。

(4)实现了基于Pro /E的二次开发子系统与CAD的无缝集成,不仅可以作为Pro / E系统的插件使用,而且可以独立运行。

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