自动扶梯桁架系统的快速设计

吴战国,钟遇舟,任安心

(同济大学 机械工程学院,上海 201804)

自动扶梯桁架是1种尺寸多变但结构相似的机构系统,并且主体结构比较复杂,零件繁多.随着客户需求的多样化以及CAD技术在该行业的普及,它使企业在成本、质量、交货期和客户满意度方面面临着越来越大的压力,必须合理利用企业目前存在着的大量产品设计和工艺资源,通过产品配置和产品族管理来缩短订单产品的通过时间.因此,就自动扶梯桁架结构来讲,非常具有二次开发的价值.

本文在现有的扶梯生产技术基础上,从资源重用、信息集成的角度,介绍1种自动扶梯桁架系统开发的思路,以SolidWorks为三维设计平台,VC++为编程工具,开发1种支持快速组合的变型设计系统,建立设计计算获得的参数与三维图形之间的直接相关性,这是SolidWorks软件本身所无法实现的[1].

1 虚拟装配技术在扶梯建模中的应用

SolidWorks是1种全参数化特征造型软件,具有强大的零件、装配、工程图设计功能.它支持单一数据库,同时具有良好的兼容性和开放性,为用户提供了支持对象的链接和嵌入(Object Linking and Embedding,OLE)自动化技术与组件对象模型(Component Object Model,COM)规范2种不同的二次开发方式.

1.1 自动扶梯桁架的装配层次分析

基于自动扶梯结构的复杂性,在设计初期尽量根据可拆装并结合人工的分析形式,将自动扶梯的桁架主装配体分为主要的几个子装配体:扶梯桁架左单片、桁架右单片和其他适配件.其中左右单片又可分别为上部、中部、下部 3个部分.

1.2 装配体布局草图在自动扶梯中的应用

一般装配方法有自上而下和自下而上2种.自上而下即Layout设计,是利用布局草图设计1个装配体,绘制1个或多个草图,用草图显示每个装配体的零部件的位置.然后,在生成零件之前建立和修改设计图.使用布局草图设计装配体的最大好处,就是如果更改了布局草图,则装配体及其零件都会随之更新.自下而上方法是把1个大型的装配体分拆成很多小零件设计,然后把它们装配到一起.正是基于自顶向下设计的诸多优点,以及SolidWorks的数据全相关性,并且子零件大多为结构件,非常适合利用焊件特征来建模,因此对整个自动扶梯装配的方法采用自顶向下的Layout设计.图1为它的结构示意图.

图1 桁架装配体结构层次分析图Fig1 Assembly structure chart

1.3 自动扶梯的零件在SolidWorks中的建模方法

1.3.1 总装配体草图布局

在总装配体中建立1个布局草图,其中以不同的草图实体代表装配体中的零件.按照整体设计思路,指定每个零部件的参照信息,通过草图的实体转换来传递相关参数,定义零部件的尺寸、形状以及它在装配体中的位置,确保每个零件都参考了此布局草图.如图2所示.

1.3.2 零件建模

根据得到的零件参数,参考机械设计手册,选取零件的截面属性,用“焊接件”的方法对零件进行建模,对于厂标件和通用件,在零件模式下设计,而不需要在装配环境下设计,以保持零件的通用性.在主体框架设计完成后,组装其他适配件,最后完成整个扶梯的装配,如图3所示.

图2 Layout总设计草图Fig.2 Layout sketch

图3 自动扶梯的总装配图Fig.3 Competed escalator assembly

2 自动扶梯桁架的二次开发原理

2.1 SolidWorksCOM二次开发简介

SolidWorks的COM 接口,是使用Visual C++编程语言开发动态链接库(Dynamic Link Library,DLL)程序.通过SolidWorks提供的应用程序接口(Application Programming Interface,API)函数,可以实现对SolidWorks底层的开发,并且代码的执行效率高,能直接在SolidWorks的界面下添加菜单、工具条等,在注册表中注册成功即可成为SolidWorks插件,通过编写用户界面、调用数据库等,从而实现了与SolidWorks的无缝集成.

2.2 扶梯桁架的二次开发方法

2.2.1 扶梯桁架的二次开发方法

通过调用API函数对SolidWorks进行二次开发通常有2种方式,程序驱动法和尺寸驱动法.程序驱动法是通过对API函数的调用,实现在SolidWorks中进行建模所需要的全部操作.使三维模型完全实现了参数化驱动,但编程工作量大,开发效率低,对开发人员要求也较高.尺寸驱动法是先在SolidWorks中建立初始三维模型,确定具体设计变量;然后在程序中调用API函数,修改模型的设计变量并重建,以得到最终模型.在此方法中,模型的设计变量是程序与模型之间相联系的纽带 ,通过少量的变量化参数来控制模型 ,实现快速、准确的三维图形设计.相对于完全编程的方式[2],本文中采用2种开发方式相结合的方法,按正确的设计关系在SolidWorks环境中绘制三维模型图形并保存.在三维建模过程中根据设计需要分析并确定模型的设计变量,然后通过编程环境编制程序,调用API函数打开已保存好的三维零件图形文件,修改其尺寸变量以及部分结构并重新生成模型,实现模型几何或拓扑信息的改变,从而完成零件的三维变量化建模过程.

2.2.2 扶梯桁架可变参数的确定

首先在SolidWorks中按上述方法对扶梯进行手工建模,在设计变量时应该尽量减少变量的个数,并同结构设计计算的变量保持一致,如:扶梯中的主要变量有:桁架的高度和宽度、上单片的长度和宽度、爬升角、中部长度和高度、下部长度和高度、材料属性、弦杆规格、角铁规格.中间支撑架的数目跟扶梯的高度和长度有关,可对从属参数直接添加方程式给予确定.

其次在建模的过程中确定模型的从动设计变量,如左右扶梯单处为对称结构,添加必要的约束及方程式.

最后,在后期装配中需要配合的面、基准面、轴等进行重命名,以在程序中方便调用.

2.3 主要程序的编写及运行流程图

2.3.1 CSWLift类的编写

为了在程序中更方便地使用SolidWorks API函数,通常将API函数改写为成员函数,并封装在1个名为CSWLift类当中.这里主要介绍程序中用到的5个成员函数,分别为启动SolidWorks、打开零件文件模板、修改模型尺寸、重建模型、保存零件文件并给出函数的实现[3],其他函数可以自己编写.

2.3.2 自定义界面及建模实现

在VC++中自定义界面,通过自定义界面输入扶梯桁架的相关参数,对主要可变参数进行归纳,以下是部分重要参数的名称及推荐取值范围:工程图号(自定义输入),扶梯的提升角度(10°～45°),扶梯的人行通道宽度(800～2000mm),弦杆规格与角铁规格(自定义),扶梯中部分体数(1～4个),提升高度(3000～7000mm),上部长度变化(500～2000mm),上部高度(500～2000mm),中部长度(1000～8000mm),中部高度(500～2000mm),下部长度(500～2000mm),下部高度(500～2000mm).

另外,可以利用编程从其他数据文件获取数据(如记事本,excel,access数据库文件),点击确定,可以自动实现三维建模[4],在运行结束后保存本次扶梯的技术参数,整个程序的运行流程图如图4所示.

图4 程序运行流程图Fig.4 Program run flow chart

3 结论

(1)本文通过分析自动扶梯桁架系统的结构,针对自动扶梯采取1种有效的建模思路,通过Solidworks对其进行自顶向下设计,快速地完成基于参数化的自动扶梯零部件的实体建模和虚拟装配.

(2)利用面向对象开发Visual C++对Solidworks平台,针对扶梯桁架进行二次开发,实现了自动扶梯桁架结构的自动化建模.自顶向下的设计减少了编程的工作量,缩短了自动扶梯设计和制造周期,降低产品开发成本,对提供产品快速响应市场变化的能力,具有重要的应用价值.

[1]徐格宁,孙占营,陶元芳.基于组件对象模型的SolidWo rks三维参数化建模方法[J].中国工程机械学报,2004,2(3):263-269.XU Gening,SUN Zhanying,TAO Yuanfang.Three dimension parameterized modeling in SolidWorks based on component object model[J].Chinese Journal of Construction Machinery,2004,2(3):263-269.

[2]徐国权,黄志超.基于SolidWorks的变量化设计二次开发研究[J].机械设计与研究,2007,23(1):68-70.XU Guoquan,HUANG Zhichao.Research on parametric design in its further development based on SolidWorks[J].machine Design and Research,2007,23(1):68-70.

[3]江洪,魏峥,王涛威.SolidWorks二次开发实例解析[M].北京:机械工业出版社,2004.JIANG Hong,WEI Zheng,WANG T aowei.Case interpretation of secondary development of SolidWorks[M].Beijing:China Machine Press,2004.

[4]SolidWorks公司.SolidWorks高级教程:二次开发与API[M].杭州新迪数字工程系统有限公司,译.北京:机械工业出版社,2007.SolidWorks Corporation.SolidWorks advanced tutorial:redevelopment and API[M].Hangzhou New Dimension System Co Ltd,Translation.Beijing:China Machine Press,2007.