基于SolidWorks滾道升降設(shè)備的參數(shù)化建模與分析

吳慶利

本文以汽車發(fā)動(dòng)機(jī)柔性運(yùn)輸線中的滾道升降設(shè)備為研究對(duì)象，基于SolidWorks軟件平臺(tái)，完整論述了“設(shè)備組成原理—參數(shù)化建?！摂M機(jī)干涉檢查—減重優(yōu)化”的CAD/CAE一體化設(shè)計(jì)過程。實(shí)現(xiàn)了滾道升降設(shè)備任意指定最低輸送高度的模塊化參數(shù)驅(qū)動(dòng)建模及虛擬樣機(jī)干涉檢查，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量及設(shè)計(jì)效率，充分保障設(shè)備模型的通用性和升降設(shè)備物理樣機(jī)的無(wú)故障連續(xù)運(yùn)行。同時(shí)針對(duì)設(shè)備中的關(guān)鍵件立柱進(jìn)行了S olidW orks Simulation的靜力學(xué)分析，優(yōu)化了立柱的結(jié)構(gòu)，減輕了立柱的重量，節(jié)約成本，實(shí)現(xiàn)了企業(yè)設(shè)計(jì)技術(shù)水平的提升。

現(xiàn)代汽車發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)對(duì)裝備生產(chǎn)線自動(dòng)化水平和無(wú)故障運(yùn)行有很高的要求，柔性運(yùn)輸線是其最重要的組成部分。滾道升降設(shè)備是連接柔性運(yùn)輸線中不同輸送高度滾道的關(guān)鍵設(shè)備，通用性強(qiáng)，適合模塊化設(shè)計(jì)，以減少產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，便于產(chǎn)品升級(jí)，提高設(shè)計(jì)制造效率等。另根據(jù)公司研究表明，重量輕而結(jié)構(gòu)合理的產(chǎn)品將贏得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，那么最大限度地減少重量將成為設(shè)計(jì)者追求的目標(biāo)。

本文針對(duì)滾道升降設(shè)備結(jié)合 SolidWorks軟件的參數(shù)化建模手段和強(qiáng)大的 Simulation功能模塊實(shí)踐了完整的 CAD/CAE設(shè)計(jì)解決方案，內(nèi)容覆蓋“設(shè)備組成原理—參數(shù)化建?！摂M機(jī)干涉檢查—減重優(yōu)化”，貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程。該一體化設(shè)計(jì)解決方案可為企業(yè)開發(fā)其他新產(chǎn)品提供技術(shù)保障。

一、滾道升降設(shè)備參數(shù)化建模

1.滾道升降設(shè)備組成和工作原理

滾道升降設(shè)備主要由 13個(gè)關(guān)鍵部分組成（圖 1），分別為底座 1、立柱 2、導(dǎo)軌 3、滑臺(tái) 4、配重 5、驅(qū)動(dòng)裝置 6、驅(qū)動(dòng)鏈輪組 7、驅(qū)動(dòng)鏈條組 8、固定端9、配重鏈條組 10、配重導(dǎo)輪組 11、驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向鏈輪組 12和上下緩沖器組 13?；_(tái) 4上安裝的滾道組不屬于設(shè)備的組成部分，為設(shè)備的升降負(fù)載，負(fù)載能力小于 100kg，滾道內(nèi)寬 350mm。滾道升降設(shè)備滑臺(tái) 4上下移動(dòng)是利用動(dòng)滑輪原理，驅(qū)動(dòng)裝置 6伸出和退回帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)鏈輪組 7上下移動(dòng)，環(huán)繞在驅(qū)動(dòng)鏈輪組 7上的驅(qū)動(dòng)鏈條組 8一端通過固定端 9連接在立柱 2頂部，另一端繞過驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向鏈輪組 12帶動(dòng)滑臺(tái) 4隨之在導(dǎo)軌 3上反向滑動(dòng)，移動(dòng)極限位置由上下緩沖器組 13限制。配重 5上下移動(dòng)是利用定滑輪原理，通過配重鏈條組 10繞過配重導(dǎo)輪組 11隨之上下移動(dòng)。配重 5起到抵消慣性運(yùn)動(dòng)、平衡滑臺(tái) 4的作用。

在發(fā)動(dòng)機(jī)柔性運(yùn)輸線中，不同高度的滾道間連接僅對(duì)滾動(dòng)升降設(shè)備的最低輸送高度有著不同的需求，其他部分均可通用。基于此條件本設(shè)備僅設(shè)置一個(gè)參數(shù)變量最低輸送高度 H，設(shè)計(jì)者可通過修改 H值來(lái)獲取任意最低輸送高度的模塊化滾道升降設(shè)備。圖 1虛線框內(nèi)所有零件隨最低輸送高度 H改變均整體上移。本設(shè)備最低輸送高度600mm，適用于升降行程在 200mm～ 300mm以內(nèi)的滾道升降。

2. SolidWorks參數(shù)化建模

SolidWorks是一款功能強(qiáng)大的機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，通過零件模型尺寸參數(shù)的改變，其工程圖、隸屬的設(shè)備模型及設(shè)備工程圖都隨之同步改變。分析滾道升降設(shè)備最低輸送高度 H值變化的要求，通過改變立柱 2的高度尺寸參數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)，其尺寸關(guān)系為立柱 2高度 L=最低輸送高度 H+350，其他與 H變化無(wú)關(guān)的特征尺寸在建模時(shí)注意選擇合適的與 H無(wú)關(guān)的參考基準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)注。如圖 2所示。

設(shè)備其他零件均按裝配約束關(guān)系正確的安裝在立柱 2上，如圖3所示。設(shè)備模型完成裝配后，通過干涉檢查命令，檢查零件間是否有裝配干涉現(xiàn)象或運(yùn)動(dòng)零件是否有碰撞或互相干擾等，以消除設(shè)備制造前虛擬樣機(jī)上的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤 ，如圖 4所示。

二、 SolidWorks二次開發(fā)改變特定參數(shù)

1.程序運(yùn)行過程

SolidWorks軟件具有靈活的開發(fā)兼容能力，如VBA、Visual C++和 VB等編程語(yǔ)言都可以對(duì)其進(jìn)行二次開發(fā)。本文的二次開發(fā)是以 VBA編程語(yǔ)言進(jìn)行，該程序功能可實(shí)現(xiàn)任意設(shè)備的特定參數(shù)值獲取和修改，這對(duì)于企業(yè)其他核心功能部件的參數(shù)化提供了方便的設(shè)計(jì)途徑。程序運(yùn)行前界面如圖5所示，提供可提取參數(shù)的總數(shù)量為4個(gè)，參數(shù)個(gè)數(shù)可根據(jù)需要調(diào)整。

程序運(yùn)行前，滾道升降設(shè)備虛擬樣機(jī)需要在 SolidWorks中打開。執(zhí)行程序后，程序獲取具有“參數(shù)”二字名稱的特征，如“參數(shù)上料高度 H+ 350”，且根據(jù)模型中設(shè)置的特定參數(shù)名稱的數(shù)量自動(dòng)過濾掉無(wú)用輸入框，僅保留具有特定參數(shù)名稱的輸入框。設(shè)計(jì)者在輸入框內(nèi)輸入所需的最低輸送高度值，點(diǎn)擊確定，樣機(jī)模型發(fā)生變化，結(jié)果如圖 6所示，滾道升級(jí)設(shè)備由輸送高度 600mm變?yōu)?50mm。

2.程序關(guān)鍵代碼

在此僅給出程序關(guān)鍵代碼，程序書寫格式未按程序正?？s進(jìn)樣式給出。

三、SolidWorks Simulation優(yōu)化分析

1.立柱 2優(yōu)化前準(zhǔn)備

通過對(duì)滾道升降設(shè)備中關(guān)鍵件立柱 2進(jìn)行 Simulation靜力學(xué)分析，可優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，減輕其設(shè)計(jì)重量。焊接件立柱 2材料為 Q235-A，主要材料屬性如下：密度 7860kg/m3，彈性模量 212GPa，泊松比 0.288，屈服強(qiáng)度235MPa。采用自由網(wǎng)絡(luò)劃分方式，底面固定約束。加載面為頂端接觸面，載荷大小 400kgf。立柱 2設(shè)計(jì)要求：von Mises應(yīng)力的大小 <50MPa；最大位移 <0.02mm；第一階固有頻率>150Hz。進(jìn)行 simulation優(yōu)化分析操作步驟前，須對(duì)立柱 2的初始結(jié)構(gòu)做靜態(tài)分析和頻率分析，分析結(jié)果都將被優(yōu)化分析采用。分析前需要簡(jiǎn)化模型上的孔和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。執(zhí)行靜態(tài)分析時(shí)，網(wǎng)格密度調(diào)整到良好狀態(tài)，解算器默認(rèn)選擇 FFEPlus；執(zhí)行頻率分析時(shí)，為使分析中包含載荷效應(yīng)，解算器選擇 Direct Sparse。分析結(jié)果如圖 7所示，最大 von Mises應(yīng)力為2.3MPa，最大位移0.005mm，第一階固有頻率 199Hz，所有的設(shè)計(jì)約束都滿足。

2.立柱2優(yōu)化分析

優(yōu)化分析由三個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)組成，變量、約束和目標(biāo)。設(shè)計(jì)變量主要關(guān)注焊接板材的厚度 （需選擇公司標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格板材，主要有 20mm和 25mm兩種規(guī)格 ）和底板開口窗的長(zhǎng) ×寬尺寸；約束主要涉及應(yīng)力約束、位移約束和頻率約束；優(yōu)化目標(biāo)主要是保證約束的條件下，立柱 2裝配體的質(zhì)量最小化?？紤]到優(yōu)化計(jì)算量的大小，須盡量減少變量種類和設(shè)置合理步長(zhǎng)，優(yōu)化分析屬性設(shè)置如圖 8所示。

3.立柱優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化分析完成后，SolidWorks中模型幾何尺寸已經(jīng)發(fā)生了變化。基于這個(gè)原因，優(yōu)化分析模型不建議用原有模型文件。切換到結(jié)果視圖中，可以看到，優(yōu)化第49種情形被推薦，優(yōu)化后的立柱 2所有焊接板材厚度由 25mm優(yōu)化為 20mm，底端開口窗尺寸由 150mm×100mm優(yōu)化為 200mm×150mm，設(shè)計(jì)質(zhì)量從 280.32kg下降到 222.94kg，節(jié)省材料約 20.5%。優(yōu)化后 von Mises應(yīng)力為 3MPa；最大位移 0.006mm；第一階固有頻率為182.85Hz。優(yōu)化結(jié)果完全滿足設(shè)計(jì)要求 ，如圖 9和圖 10所示。

四、結(jié)語(yǔ)

（1）通過模塊化建模理念和二次開發(fā)方式改變?cè)O(shè)備參數(shù)值的設(shè)計(jì)手段，能夠快速、高品質(zhì)的滿足市場(chǎng)對(duì)企業(yè)產(chǎn)品的需求。

（2）通過 SolidWorks虛擬樣機(jī)檢查，幫助設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過程的早期預(yù)防設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，從而最大限度節(jié)省新產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用。

（3）SolidWorks Simulation模塊優(yōu)化功能，幫助企業(yè)大幅度減少產(chǎn)品材料制造成本，節(jié)約能源、低碳環(huán)保。同時(shí)能夠提升設(shè)計(jì)水平，贏得國(guó)際市場(chǎng)的聲譽(yù)。 IMendprint