噴涂車間彎軌懸掛件的防干涉參數(shù)化設(shè)計

趙玉善，郭　慧，黃　潔

(華東理工大學 機械與動力工程學院，上海200237)

噴涂車間彎軌懸掛件的防干涉參數(shù)化設(shè)計

趙玉善，郭慧，黃潔

(華東理工大學 機械與動力工程學院，上海200237)

針對噴涂軌道彎軌設(shè)計時繪圖效率低、經(jīng)常發(fā)生掛件運動干涉的現(xiàn)狀，利用Visual LISP語言對彎軌部分的參數(shù)化設(shè)計進行了二次開發(fā).詳細討論了開發(fā)過程中的關(guān)鍵參數(shù)計算與程序結(jié)構(gòu)設(shè)計問題；根據(jù)噴涂軌道設(shè)計所需的原始數(shù)據(jù)，編寫了供用戶輸入相關(guān)參數(shù)的對話框界面；通過對數(shù)據(jù)的讀取、計算、判斷，快速實現(xiàn)噴涂彎軌的圖形繪制和結(jié)果輸出.使用該軟件可以快速準確地設(shè)計出合理的彎軌圖形，獲得所需的防干涉數(shù)據(jù).

噴涂軌道；干涉；Visual LISP；二次開發(fā)

懸掛式輸送軌道作為噴涂生產(chǎn)線的重要組成部分，已被廣泛應(yīng)用于汽車、家用電器、鋼制家具、鋁材構(gòu)件等生產(chǎn)領(lǐng)域.隨著工業(yè)技術(shù)的進步，產(chǎn)品的日益多樣化與密集化，加快了各類涂裝生產(chǎn)線在數(shù)量上的需求，能否對噴涂軌道進行快速而準確的設(shè)計將直接影響一個噴涂設(shè)備企業(yè)的經(jīng)濟效益.

彎軌設(shè)計是涂裝車間噴涂軌道的主要設(shè)計部分，而根據(jù)掛件運動軌跡確定噴涂密封箱的尺寸是彎軌設(shè)計的主要任務(wù).已有的二次開發(fā)技術(shù)[1-5]不能針對性地解決彎軌設(shè)計問題.在現(xiàn)有的涂裝車間噴涂軌道常規(guī)設(shè)計中，完全采用手工繪圖和手工計算的方式繪制彎軌上掛件的運動軌跡[6]，以獲得合理的噴涂箱體尺寸，從而達到節(jié)省箱體占用空間和防止掛件與箱壁發(fā)生碰撞的目的.當彎軌尺寸稍有變化，必須重新設(shè)計，整個設(shè)計過程需要大量繁雜計算和反復繪圖調(diào)整，勞動強度高，繪圖速度慢、精度差，難以滿足高效率生產(chǎn)和設(shè)計的要求.為此，本文根據(jù)掛件運動軌跡在AutoCAD中對涂裝車間噴涂彎軌的參數(shù)化自動成圖進行了二次開發(fā)，并詳細討論了彎軌掛件運動的分類、關(guān)鍵步驟計算及參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，盡可能地減少設(shè)計涂裝車間彎軌所需的計算與繪圖工作.

1　噴涂彎軌的幾何模型與分類

1.1噴涂彎軌的幾何模型

噴涂軌道自動成圖計算模型的主要內(nèi)容是工件掛點在不同軌道段上的坐標計算，為此，首先需要分析掛件的幾何參數(shù)，然后對噴涂彎軌進行分類，再對每類軌道進行分段.這種分類分段的思想既保證了坐標點計算的可靠性，又符合參數(shù)化設(shè)計的邏輯結(jié)構(gòu).

噴涂彎軌機構(gòu)的幾何設(shè)計模型如圖1所示.在涂裝車間噴涂彎軌掛件運動的防干涉設(shè)計中，涉及以下兩個關(guān)鍵步驟.

圖1　彎軌機構(gòu)的幾何設(shè)計模型Fig.1　Geometric design model of the curved track mechanism

(1) 軌道上的懸掛點沿軌道運動時在各個位置上的坐標計算.在本課題的設(shè)計過程中，采用對軌道分類分段的方式，獲取懸掛點在各段軌道上的計算模型，進而計算懸掛點的坐標.

(2) 通過獲取的懸掛點坐標，計算掛件輪廓關(guān)鍵點的坐標.由于掛件的輪廓從上向下看為矩形，兩個懸掛點坐標又位于矩形輪廓的中線上，所以采用相似三角形的原理，逐步計算矩形掛件輪廓的4個頂點坐標.

利用上述幾何參數(shù)，結(jié)合吊具長度，可進一步求解掛件與軌道的極限距離、吊具的極限傾角.

1.2噴涂彎軌類型

根據(jù)彎軌的不同形狀，可將其分為純圓弧彎軌和帶中間直道的180°圓弧彎軌，如圖2所示.這種分類基本包含了所有軌道類型，為了獲取懸掛點在彎軌上更確切的位置，需要對兩大類軌道的內(nèi)部軌道段進行進一步的劃分.由圖2(a)可以看出，對于純圓弧彎軌，按逆時針方向可分為3段，由兩段直道和一段圓弧彎道組成；圖2(b)為帶中間直道的180°圓弧彎軌，按逆時針方向可分為5段，由3段直道和兩段圓弧彎道組成.

(a) 純圓弧彎軌

(b) 帶中間直道的180°圓弧變軌圖2　噴涂彎軌的分類與節(jié)點設(shè)置Fig.2　Node setting and classification of spraying curved track

懸掛件隨吊鏈在軌道上運行，噴涂軌道決定了懸掛點的走向，為此，需要確定軌道的輪廓.軌道輪廓由一系列如圖2所示的節(jié)點組成，確定了這些節(jié)點的坐標值，便可參數(shù)化繪制出整個軌道的輪廓.對于有中間直道的彎軌，當中間直道的長度大于掛件在直線軌道上兩掛點之間的距離時，可以將其視為由兩個相同的90°純圓弧彎軌組成，因此在以下分析中，默認中間直道的長度小于掛件兩懸掛點之間的原始距離.

2　噴涂軌道防干涉碰撞的參數(shù)計算

2.1彎軌上懸掛點的運動分析及計算

彎軌上的掛件在運動過程中，特別是其中一個懸掛點處于彎軌的圓弧段時，兩懸掛點的水平直線距離時刻處于變動狀態(tài),利用一般的作圖方法，難以找到統(tǒng)一的計算模型來確定懸掛點在彎軌不同部位的位置.為保證程序計算的嚴謹性，必須對彎軌掛件的運動階段進行細致的劃分.

圖3所示為不同參數(shù)下彎軌掛件的運動狀態(tài)，共計27個運動階段.從圖3中可以看出：

(1) 對于純圓弧彎軌，根據(jù)兩掛點之間的原始距離d與軌道圓弧弧長l的大小，可分為dl兩類運動情況，每類對應(yīng)的掛件運動按照3個階段先后進行；

(2) 帶中間直道的圓弧彎軌掛件的運動狀態(tài)可分為3類，即d

圖3　不同參數(shù)下的懸掛件運動狀態(tài)Fig.3　Motion state of the pendant under different parameters

通過對不同參數(shù)下掛件的運動模式與運動階段的細分，使掛件在軌道上的每個懸掛點都有明確的運動階段與之相對應(yīng)，而不同的運動階段可以利用作圖方式獲取對應(yīng)的計算模型，將計算模型編寫進程序便可實現(xiàn)不同參數(shù)下彎軌掛件運動路徑的自動化成圖.

對圖3中27個運動階段分別進行作圖分析與計算，獲取所有運動狀態(tài)下懸掛點的坐標，再利用插入式的開發(fā)思想得到懸掛件近似連續(xù)的運動軌跡.值得注意的是，不同參數(shù)下懸掛件的運動階段存在重復性，因此，實際上只需要對不同的運動狀態(tài)即15個運動階段進行作圖分析.本文以純圓弧彎軌為例，闡述當d

(1) 獲取彎軌節(jié)點坐標.在已知軌道參數(shù)的情況下，通過作圖獲取軌道上各節(jié)點的坐標，圖4所示為純圓弧彎軌掛件的運動分析圖，為方便以下計算式的表示，令θ=90-α/2.則節(jié)點1和2的坐標分別為

(1)

(2)

圖4　純圓弧彎軌掛件運動分析圖(d

按照同樣的方法，可依次求出節(jié)點3和4的坐標.在計算上述節(jié)點坐標之后，需要確定懸掛點1的初始角度值，即ψ1=β+(90-α/2).

(2) 獲取彎軌上的懸掛點坐標.當掛件沿著純圓弧軌道勻速運動時，從圖4可以看出，兩懸掛點所處的位置存在3種情況.

① 懸掛點1在圓弧彎道上，懸掛點2在第一段直道上.懸掛點1的坐標由懸掛點1的角度ψ1計算，計算式為

通過計算兩懸掛點間直線段的長度dl2，得到懸掛點2的坐標，計算式為

dl2=l-((ψ1-θ)/180)×π×r

(3)

②兩懸掛點均在圓弧彎道上.需要計算兩懸掛點之間的距離作為弧長時對應(yīng)的圓心角dth=(1×180)/(π×r)，由于懸掛點1的角度ψ1已知，通過ψ1可計算懸掛點2的角度ψ2，即ψ2=ψ1-dth.兩懸掛點的角度均由懸掛點的角度確定，計算式為

③ 懸掛點1在第二段直道上，懸掛點2在圓弧彎道上.此時懸掛點2的角度ψ2已知，通過ψ2計算兩懸掛點間直線段的長度dl1，可以得到懸掛點1的坐標.兩懸掛點坐標計算式為

dl1=l-((180-ψ2-θ)/180)×π×r

(4)

2.2懸掛件的矩形輪廓嵌入

根據(jù)軌道上兩懸掛點連線斜率的不同，可以將掛件輪廓的計算過程分為：兩懸掛點連線的斜率為負，即y1>y2;兩懸掛點連線的斜率為正，即y1y2為例進行分析，其情形如圖5所示.

圖5　負斜率掛件輪廓提取Fig.5　Negative slope pendant outline extraction

利用已知懸掛點A和B的坐標，通過相似三角形的關(guān)系，計算矩形輪廓的4個頂點坐標，最后連線完成圖形的繪制.以掛件輪廓頂點3的坐標計算過程為例，具體如下所述.

(1) 計算斜邊為l1的直角三角形直邊與斜邊之比，如式(5)所示.

(5)

(2) 計算3個相似三角形中對應(yīng)邊的長度，如式(6)所示.

(6)

(3) 獲取矩形輪廓頂點3的坐標，如式(7)所示.

(7)

3　噴涂車間彎軌參數(shù)化二次開發(fā)

彎軌程序的設(shè)計流程圖如圖6所示.

圖6　彎軌程序設(shè)計流程圖Fig.6　Flowchart of curved rail program design

彎軌程序的對話框界面設(shè)計如圖7所示.

圖7　對話框界面Fig.7　Dialogue interface

主程序完成對數(shù)據(jù)的讀取、判斷、計算以及圖形繪制和結(jié)果輸出的功能.具體為：(1)讀取用戶選擇的繪圖原點；(2)啟動和卸載對話框并調(diào)用數(shù)據(jù)讀取子程序；(3)判斷數(shù)據(jù)是否缺省，缺省則沿用上一組數(shù)據(jù)[7]；(4)判斷軌道類型并調(diào)用相應(yīng)繪圖子程序；(5)對相應(yīng)情況輸出數(shù)據(jù)處理結(jié)果.數(shù)據(jù)輸出結(jié)果包括最小夾角、離軌道上方最遠距離、離軌道兩邊最遠距離、吊具與噴涂板的角度小于30°的主要提醒.

另外還有若干子程序，分別為：純圓弧軌道繪圖、繪制帶中間直道的180°圓弧彎道、軌道上懸掛點連線斜率為負時懸掛件矩形輪廓繪圖、軌道上懸掛點連線斜率為正時懸掛件矩形輪廓繪圖.

4　應(yīng)用實例

點擊創(chuàng)建好的下拉菜單，加載程序出現(xiàn)對話框界面，輸入噴涂企業(yè)的設(shè)計數(shù)據(jù)，點擊開始和確定，得到彎軌處掛件運動的參數(shù)化圖形.圖8展示了兩種參數(shù)約束下的掛件運動軌跡.程序的運行結(jié)果包含了軌道及軌道上掛件運動軌跡的生成、吊鏈極限傾角以及掛件外伸端與彎軌之間的極限距離.圖9所示為圖7對話框中其他參數(shù)不變的情況下，改變懸掛繩長，程序運行后的4種數(shù)據(jù)輸出結(jié)果.掛件離軌道的最遠距離可以為噴涂密封箱的尺寸設(shè)計提供參考，設(shè)計人員通過預(yù)留一定的空間距離，既能避免掛件與箱壁之間發(fā)生干涉與碰撞，又能充分地壓縮箱體的占用空間.

(a) d>l時的純圓弧變軌

(b) l+z

(a) 懸掛繩長為400 mm時

(b) 懸掛長繩為300 mm時

(c) 懸掛繩長為320 mm時

(d) 懸掛繩長為200 mm時圖9　4種數(shù)據(jù)輸出結(jié)果Fig.9　Four types of data output

5　結(jié)　語

本文針對涂裝車間掛件在彎軌上的運動過程中容易與箱體發(fā)生干涉或碰撞等問題，在對軌道、懸掛件以及吊具的參數(shù)綜合分析后，利用Visual LISP語言對掛件運動的防干涉設(shè)計進行了參數(shù)化二次開發(fā).研制了彎軌防干涉自動成圖軟件，實現(xiàn)了以下3個功能：(1)彎道上懸掛件輪廓的自動繪圖功能；(2)與箱體設(shè)計有關(guān)的參考數(shù)據(jù)的計算與輸出功能；(3)吊鏈極限傾角的輸出與危險提醒功能.該軟件應(yīng)用于試點企業(yè)后得到了良好反饋，不僅克服了以往人工設(shè)計中費時、效率低、精度差的缺陷，還極大地降低了設(shè)計人員在設(shè)計過程中的勞動強度.

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Anti-interference Parametric Design of Suspension Parts beneath Spraying Curved Track

ZHAOYu-shan，GUOHui，HUANGJie

(School of Mechanical and Power Engineering, East China University of Science and Technology, Shanghai 200237, China)

In order to improve the status of low drawing efficiency and recurring pendant motion interference while designing the spraying curved track, a secondary development by Visual LISP language is developed to solve the parametric design of curved track. The calculation of key parameters and the program structure design problem in the process of development are discussed in detail. According to the original data that spraying track design required, a dialogue interface is compiled for user to input the related parameters. Graphic drawing of the spraying curved rail and other result output can be fastly implemented through reading, calculation and judgment of the data. Reasonable curved rail graphics can be designed quickly and accurately, and anti interference data required can be obtained in the meanwhile by using the software.

spraying track；interfere；Visual LISP；secondary development

1671-0444(2015)04-0521-06

2014-11-28

趙玉善(1988—)，男，河南商丘人，碩士研究生，研究方向為計算機圖形學.E-mail:yushanbluss@163.com

郭慧(聯(lián)系人)，女，副教授，E-mail:ghcad@163.com

TP 391

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