复杂大型框架式液压机参数化设计研究.pdf

2 0 1 2年 1 1月 第 4 0卷 第 2 1 期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS NO V ．2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 21 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 1 ． 0 2 8 复杂大型框架式液压机参数化设计研究 王晓虎 ，翟华 ，李小慧 ，张浩 ，李贵闪 ，崖华青 1 ．合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 2 3 0 0 0 9 ； 2 ．合肥合锻机床股份有限公 司，安徽合肥 2 3 0 0 0 9 摘要 针对大型复杂框架式液压机结构特点，采用尺寸驱动的方法 ，提出全流程参数化设计思路，同时利用数据表格 进行关键参数和数据流的传递，开发了一种快速设计系统 ，实现框架式液压机的三维建模、有限元分析和工程图绘图工 作，解决了大型复杂框架式液压机参数化设计中设计效率低、设计错误多等关键问题 ，实现了大型复杂框架式液压机快速 高效 的设计 。 关键词 框架式液压机 ；全流程参数化设计；二次开发；尺寸驱动 中图分类号T H1 2 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 1 1 0 5 3 Re s e a r c h o n Pa r a me t r i c De s i g n f o r Co mp r e h e n s i v e La r g e S c a l e Fr a me d Hy dr a u l i c Pr e s s W ANG Xi a o h u ，ZHAI Hua ，L I Xi a o h u i ，ZHANG Ha o ，LI Gu i s ha n ，YA Hu a q i n g 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g ， H e f e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， He f e i An h ui 2 3 0 0 0 9， Ch i n a 2 ． H e f e i Me t al f o r mi n g Ma c h i n e T o o l C o ． ，L t d ． ， H e f e i A n h u i 2 3 O 0 0 9 ，C h i n a Ab s t r a c t Ba s e d o n t h e s t r u c t u r e f e a t u r e s ，a k i n d o f r a p i d d e s i g n s y s t e m wa s d e v e l o p e d f o r l a r g e s c a l e f r a me d h y d r a u l i c p r e s s f r o m t h e wh o l e p r o c e s s d e s i gn me n t ali t y a n d d i me n s i o n d ri v e n me t h o d ．Us i n g t h e s y s t e m ， 3 D mo d e l i n g ，F E A a n d t wo d i me n s i o n al p l o t t i n g w o r k s c o u l d b e p e rf o r me d ．S e v e r a l s h o r t c o mi n g s ，s u c h a s l o w e f f i c i e n c y a n d e r r o r s i n t h e d e s i gn ，we r e s u c c e s s f u l l y r e d u c e d t o e n s u r e t h e de s i gn for l arg e s c ale fla me d hy d r a u l i c p r e s s f a s t a n d e f f i c i e n t ． Ke y wo r d s F r a me d h y d r a u l i c p r e s s ；W h o l e p r o c e s s p a me t fic d e s i g n；S e c o n d a r y d e v e l o p me n t ；Di me n s i o n d ri v e n 大型框 架式液压机是金属成型 中的重要装备 ，主 要 由立柱 、上梁、下梁和动梁组成⋯。根据使用场 合 ，工作台面尺寸和行程有较大差异，相应的零件发 生变化。现有设计是在已有设计的基础上进行修改， 进行系列开发，这些修改仅仅对局部尺寸进行调整， 而整体 的几 何 约束 不 变。但是 通 常对 几个 尺 寸 的修 改 ，会对整个 图形造成较大 的影 响 ，需要重新完成设 计流程 ，花费相当长的时间。特别对复杂大型框架式 液压机 ，数据量大 ，数据流复杂 ，修改内容繁琐 ，容 易产生设计错 误 ，给设计 、生产带来不必要的麻烦 。 现代 产品开发流程是 先绘制产 品三维模型 ，利 用三维模型进行有限元分析和二维图设计工作 ，一般 耗时较长 ，推迟 了新产 品的交货 时间 ，同时需要拥有 丰富设计经验的研发人员才能完成设计工作。为了缩 短产品开发时间，降低对研发人员要求，文中针对复 杂大型框架式液压机结构特点，提出相应的参数化设 计方法。该方法在大型框架式液压机设计全流程参数 化方面效果显著 。 1 复杂框架式液压机快速设计 系统流程 1 ． 1 框 架式液压机结构特 点和参数设置 由于进行锻压作业，框架式液压机液压缸和拉杆 处的形 变最大 ，为保 证加工精度和液压机结构的安全 性，需要围绕液压缸和拉杆合理布置加强筋板。复杂 框架式液压机 的加强筋板呈空 间分 布 ，既考虑梁 的强 度 ，又要考虑油缸 的安装 ，因此结构 十分 复杂⋯。 如 图 1 ，复杂框 架式 液压 机 主要 设计 参数 包 括 主液压 缸半径 R 、副液 压缸 半径 R 、立柱 半径 R ， 、 主缸副缸 间距 离 P 、副缸 立柱 间距离 P 、立 柱 间距 离 P 、整机长度A、整机高度 日、立柱宽度 等。 在以上述参数为核心数据的基础上，附加材料参 数 如板厚 、倒角等细化参数，可以设计 出液压 收稿 日期 2 0 1 1 0 91 3 基金项 目国家科技重大专项 资助项 目 2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 4 0 2 1 ；安徽省 自然科学基金资助项 目 0 9 0 4 1 4 1 5 5 作者简介王晓虎 1 9 8 6 一 ，男 ，硕士研究生，主要研究领域为数字化设计与制造。Em a i l a h l a s e w x h y a h o o ． c n 。 1 0 6 机床与液压 第4 0卷 机的结 构图。 图 1 框架式液压机的上梁结构图 1 ． 2 全流程参数化设计 快速设计系统是对三维设计软件 、有限元分析软 件 和二维 图设计软件 的集成开发 。液压机快速设计系 统 的流程 图如图 2 。 图2 软件的开发流程 1 通过主要结构参数在软件中建立可视化结构 建模界面，形成筋板布置图，直观观察参数对结构的 影 响。当发现界面 中的图形畸形时 ，需要对 初始数 据 进行修正 ； 2 绘制三维图，在 D e l p h i 中使用 O L E A u t o m a ． t i o n 技术控制三维设计软件绘制零件图并进行装配； 3 将装配图保存为有限元软件可以识别的文件 格式 ，再 通过 D e l p h i 调 用有 限元 软件 批 处理 器 完成 分析 ，并把生成的位移图和应力云图显示在软件界面 上 ； 4 如果分 析 结果 满足 要 求再 进行 二 维 图的绘 制 ，二维图是由D e l p h i 控制二维软件完成的。 全 流程参数 化设计 是要在设计的整个过程 中引人 参数化的思想。不仅三维图绘制 中各个部装 图 如 上梁 、下 梁 、立柱 、动梁 等 的参数 可 以做 到 协调 统一 ；有限元 分析的加载模 型 、加 载力大小 、结果 显 示方式等 ，工程 图的图纸选择 、缩 放大小 、尺寸标注 等同样实现了参数化，在液压机快速设计系统中实现 了整个流程的参数化设计。全流程参数化的优点在 于 1 在设计中，不 同部件的设计可能由不同人 去完成 ，参 数交流上 的失误 可能导致无法进行 总装 过 程。全流程参数化设计使参数自动在部件间传递，有 效避免 了此类 问题 的发生 。 2 有限元分析时，使用 A P D L语言表达一般的 分析流程，将其中可以调整的参数显示在软件界面上 以便更改 ，保证了有限元分析过程中参数的柔性化调 整 。 3 全流程参数化将系列产品设计中固定方法和 不同用户需求产品问可变因素区分开，既保留原有设 计经验，又容纳了用户产品间的差异性，避免了设计 人员因缺乏经验而发生严重设计错误，提高设计效率。 2 复杂框架式液压机快速设计 系统软件 大型框架式液压机快速设计系统 的研发 目的是把 液压机设计 中的 3 个 主要过程集成 在一起 ，用户只需 面对单一 的软件 ，即使没有丰富设计经验 的研发人员 也 可以完成 3个设计 过程 ，无 需学 习 3种设 计软 件 ， 使液压机的设计简单化、系列化、统一化。该系统是 在综合运用三维软件的三维建模、有限元软件的命令 流和二维绘图二次开发等方法基础上设计完成的。 2 ． 1 快速设计 系统中三维软件的二次开发 在快速设 计 系统 中，采 用 D e l p h i 语 言 对 三维 软 件进行二次开发 ，通过调用其 A P I 接 口来完成 。主 要方法如下 1 零件的三维图绘制需要在 M o d e l D o c 2对象下 的 P a r t D o e 子对象里进行，其中主要 的子对象有 f e a - t u r e 和 s k e t c h ，分别指代特征和草图的对象 ； 2 绘制装配图时 ，首先要把零件 图装入内存 中以便调用 。装 配操作要 在 a s s e m b l y d o c 对象 下进行 ， 主要使用 m a t e 2对象来进行零件 的配对 。 2 ． 2 快速设计 系统 中有限元软件的二次开发 由于有限元软件没有提供 A P I 二次开发的接 口， 需要通过 w i n e x e e函数调用批处理器 。一般格式如 下所示 w i n e x e c 主程 序位 置- P a n e 3 fl n p 2一 d i r 工 作 目 录I i 项 目名 ． s r e a d l e n u s b i 输入 的文 件名 一 0输 出 ，S W S H O W ； 2 ． 3 快速设计 系统 中二维软件的二次开发 对二维软件的二次开发和三维软件方法类似，都 是通过调用 A P I 接口来实现的 。 第 2 1 期 王晓虎 等复杂大型框架式液压机参数化设计研究 1 0 7 当然使用二维软件进行二维绘图也有其困难之处， 因为二维软件本身不具有参数化功能，所以如何使二 维软件具有参数化绘图能力是该软件的设计难点。 3 二维软件中实现尺寸驱动的方法和实验 3 ． 1 D e l p h i中二维软件的执行 在 D e l p h i 中，执 行二 维 软 件 中对 象 的方 法是 通 过 函数参数传递来实现 的。 如用 D e l p h i 调取二维软件 的类型库来绘制一条 直线 的主要语句是 a c a d D o c ． Mo d e l S p a c e ． Ad d l i n e p o i n t s l ，p o i n t s 2 使用的参数是 p o i n t s l 、p o i n t s 2两个数组，p o i n t s l [ 0 ] 、p o i n t s l [ 1 ] 和p o i n t s l [ 2 ] 分别为 p o i n t s 1 点的 坐 标 、Y坐标和 z 坐标 。如果 以上参 数可 以随尺 寸变化 而变化 ，就实现了该直线的参数化。二维图是许多图 形对象的集合，要使二维软件图具备尺寸驱动的功 能 ，需对每个对象相关参数实施参数化。 3 ． 2 公 式 关联及 其难 点 图形对象参数化的方法采用公式形式表述。在图 1 所示 的液压 机结 构 图中 ，图中直 线 1 上 共有 l 2个 点 ，而它们 坐标 相同 ，可以 由一个 公式确定 直 线 l 基 点P1 P 2一R 3 一Hl 1 式 1 中 基 点、P 。 、P 2 、R 、H。 均 是液 压机 结构 尺寸，也是主动参数数据。 但是在程序代码中，使用公式关联将存在如下问 题 1 绘制复杂图形时需要使用大量公式 ，每个 数据都需要一个公式 ，实施不 方便 ； 2 大量公式在程序中管理难度大； 3 代码的可移植性和重复利用难度加大，对 后 续程序开发造成 困难 。 3 ． 3 E x c e l 公 式 关联 法 将 E x c e l 表格分为不同数据区域 主动数据区、 被动数据 区 ，使用 E x c e l 单元格 之 间的公 式关 联功能 将 不同数据 区域 的单元格进行关联 。 式 1 中 直 线 1 、 基 点、P 1 、P 2 、R 3 、H 1 在 E x c e l 中可 以用 A 。 、K 、 、 、 、 表示 ，所以在 E x c e l 中 基 的公式是 A】 Kl 一 Ks 2 公式关联按如下步骤进行 1 数据准备 使用 D e l p h i 编 写 的程序 从 标 准二 维 源 图 中读 取 各个对象的参数数据到 E x c e l 表格中，并进行分类放 置 。 2 公式辅 助程序 为解 决 E x c e l中公 式 关 联 操 作 中 工作 量 大 的缺 点 ，开发了公式辅助编辑软件 ，将公式输入到该程 序 里，程序会 自动将被动数据区相应的参数替换为公 式。相关公式可以单独进行保存 ，加强了数据的可维 护性 ，如图 3所示 。 图3 转换程序的原理图 3 数据存入 将公式化 的 E x c e l 表格存入快速设计 系统 的 E x c e l 服务器 中，供程序调用 。 3 ． 4尺 寸驱 动 的流程 尺寸驱动在大 型液压机快速设计 系统 中实 现的原 理是利用界面所给的参数 基点和尺寸定位二维 图中的每一个点，通过改变界面所给的参数来改变图 形中相关的点 。具体的实现流程如下 1 通过界 面参 数输 入改 变底 层数 据库 中的尺 寸值 ，该软件中数据被保存在 A c c e s s 数据库中，A c - c e s s 数 据库保存 的尺寸数 据 可用来 实 现上梁 、立柱 、 下梁、动梁参数的统一化管理 ； 2 读取 A c c e s s 数据库中的尺寸值到 E x c e l 相应 的数据格 称为主动数据中，通过 E x c e l 中单元格 和单元格之 间的公式链接 改变保 存在 E x c e l 其他 数据 格里 的数据 ； 3 使用 D e l p h i 读取 E x c e l 表格中的这些被动数 据到二维软件 中 ，从而控制二维 软件绘制 出相应 的二 维图形。图4是使用该方法绘制的液压机上梁图。 ll l Il I } ．c J厂 _ 1 』 IL 十 十 批 1 1 一旷 r 一 厂 _ ] L J U L - 1 I 0 l 图4 液压机上梁二维图实例 尺寸驱动 中使用 E x c e l 原理如图 5 所示 。 下转第 l 1 2页 第 4 0卷