L4-1800M3八桿壓力機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)可視化系統(tǒng)研究

陳啟升，別永森，徐友珍，祁全新

(山東恒宇重工機(jī)械有限公司，山東 高密 261500)

針對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的弊端，本文利用Visua1C++編程工具開(kāi)發(fā)出一套能夠?qū)崿F(xiàn)八桿壓力機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)的軟件，利用編程語(yǔ)言編寫(xiě)可視化界面程序，使設(shè)計(jì)者在修改時(shí)只需修改可視化界面中的相關(guān)參數(shù)的值即可，其他部分由計(jì)算機(jī)按照編程給定的設(shè)計(jì)要求快速準(zhǔn)確地得到計(jì)算結(jié)果，自動(dòng)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，使用戶操作起來(lái)更加直觀便捷，增強(qiáng)了八桿壓力機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)的可操作性。

1 系統(tǒng)基本模塊結(jié)構(gòu)

本文關(guān)于八桿壓力機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件是基于Visual C++6.0編程工具進(jìn)行開(kāi)發(fā)的。它相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法更加直觀，更加簡(jiǎn)單實(shí)用，并且能夠根據(jù)需要隨時(shí)修改機(jī)構(gòu)參數(shù)的值[1]。利用該軟件對(duì)八桿壓力機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)只需要按照要求將已知的數(shù)據(jù)在相應(yīng)的編輯框中輸入，點(diǎn)擊未知桿的計(jì)算按鈕，即可得到相應(yīng)參數(shù)的值。該軟件還附上了八桿壓力機(jī)機(jī)構(gòu)的簡(jiǎn)化模型，使用戶能夠直觀了解各參數(shù)與八桿壓力機(jī)機(jī)構(gòu)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后可以通過(guò)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，觀察壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。如圖1所示為八桿機(jī)械式壓力機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)可視化系統(tǒng)的功能示意圖。

該軟件采用的是模塊式結(jié)構(gòu)，主要分為參數(shù)輸入模塊、參數(shù)計(jì)算模塊、模型檢驗(yàn)?zāi)K和運(yùn)動(dòng)仿真模塊。各模塊的具體功能介紹如下：

圖1 八桿機(jī)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)可視化系統(tǒng)功能示意圖

（1）參數(shù)輸入模塊：從產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面考慮，可將機(jī)構(gòu)的參數(shù)分為已知參數(shù)和未知參數(shù)。已知參數(shù)是根據(jù)產(chǎn)品需求及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)預(yù)先確定的，在該軟件參數(shù)輸入模塊輸入的即是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的已知參數(shù)，這些參數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)有壓力機(jī)的尺寸參數(shù)作為參考來(lái)預(yù)先確定。在此模塊可以實(shí)現(xiàn)曲柄長(zhǎng)度、連桿夾角及部分連桿長(zhǎng)度等參數(shù)的修改和輸入。

（2）參數(shù)計(jì)算模塊：該模塊輸出的是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的未知參數(shù)，它是依據(jù)已知參數(shù)與未知參數(shù)之間添加的方程式或尺寸關(guān)系表達(dá)式計(jì)算得來(lái)的。輸入已知的桿長(zhǎng)及角度后，依據(jù)桿長(zhǎng)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式可以計(jì)算出剩下的桿的長(zhǎng)度。

（3）模型檢驗(yàn)?zāi)K：當(dāng)機(jī)構(gòu)的所有參數(shù)均確定了以后，將所有參數(shù)的數(shù)據(jù)在界面中顯示出來(lái)，方便設(shè)計(jì)者檢驗(yàn)現(xiàn)有參數(shù)的機(jī)構(gòu)是否滿足曲柄存在條件、機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)性能條件及機(jī)構(gòu)的其他約束條件等。

（4）運(yùn)動(dòng)仿真模塊：根據(jù)前面對(duì)八桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系分析的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了位置分析，當(dāng)結(jié)構(gòu)中的參數(shù)均已確定的情況下，根據(jù)其機(jī)構(gòu)中各部件之間的幾何關(guān)系，可以將機(jī)構(gòu)中各鉸接點(diǎn)在任意時(shí)刻的位置變化規(guī)律表示出來(lái)，在該界面中，將各點(diǎn)的位置變化用動(dòng)畫(huà)的形式顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，使機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程直觀展現(xiàn)出來(lái)。

2 可視化界面設(shè)計(jì)

可視化界面是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交流的媒介[2,3]。在可視化界面的開(kāi)發(fā)中一定要注意軟件界面的易用性，界面設(shè)計(jì)要盡量簡(jiǎn)單化，即使計(jì)算機(jī)操作能力不強(qiáng)的用戶也能夠很快學(xué)會(huì)使用，并要具有明確的導(dǎo)向性。在界面中應(yīng)該添加“上一步”、“下一步”、“退出”等按鈕作為提示信息給用戶起到導(dǎo)向作用，使用戶能夠根據(jù)這些提示信息在各頁(yè)面之間進(jìn)行任意跳轉(zhuǎn)。

2.1 可視化界面設(shè)計(jì)過(guò)程

該軟件采用對(duì)話框形式作為人機(jī)交互界面，控件則是用戶界面的主要組成部分[4]，在對(duì)話框上添加一些方便用戶輸入、修改以及完成其他操作的控件，用戶直接點(diǎn)擊這些控件即可完成相應(yīng)的操作。本文開(kāi)發(fā)的可視化界面由三個(gè)界面組成：參數(shù)輸入與參數(shù)計(jì)算界面，數(shù)據(jù)展示界面，運(yùn)動(dòng)仿真界面。

如圖2所示為八桿壓力機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)輸入與計(jì)算模塊的用戶界面。在參數(shù)輸入界面中輸入已知參數(shù)的值，在計(jì)算界面選擇要計(jì)算的桿，即可完成計(jì)算過(guò)程，得到正確的計(jì)算結(jié)果。由于該界面設(shè)計(jì)把計(jì)算各個(gè)桿長(zhǎng)的不同情況下需要輸入的參數(shù)都放在了一起，因此也出現(xiàn)了一個(gè)弊端，就是參數(shù)輸入界面內(nèi)列出的各參數(shù)必須全部輸入一個(gè)值，不能有空，否則就不能正常計(jì)算，因此即使是要計(jì)算的參數(shù)也要在參數(shù)輸入界面輸入一個(gè)任意的值，這個(gè)值對(duì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有影響，可以任意輸入但是不能為空。

圖2 八桿可視化計(jì)算系統(tǒng)主界面

下面先簡(jiǎn)單介紹創(chuàng)建圖2所示的用戶界面的操作方法。

（1）創(chuàng)建對(duì)話框模板如果想在程序中創(chuàng)建一個(gè)新的對(duì)話框，要通過(guò)插入一個(gè)對(duì)話框資源來(lái)完成。在VC++開(kāi)發(fā)環(huán)境中選擇“插入”菜單下的“資源”菜單命令，在此時(shí)彈出的對(duì)話框中選擇Dialog資源類型，然后單擊“新建”按鈕即可創(chuàng)建一個(gè)只包含“確定”按鈕和“取消”按鈕的對(duì)話框模板[5]，如圖3所示，這兩個(gè)按鈕可以移動(dòng)、修改或刪除，由于本設(shè)計(jì)界面中不需要這兩個(gè)按鈕，因此直接刪除。

圖3 對(duì)話框模板

（2）添加控件

在VC++的開(kāi)發(fā)環(huán)境中還提供了設(shè)計(jì)界面所需要的基本控件工具欄，在創(chuàng)建完對(duì)話框模板后，根據(jù)需要在提供的基本控件工具欄中選擇所需要添加的控件，再將此控件拖動(dòng)至對(duì)話框模板中的相應(yīng)位置上，松開(kāi)鼠標(biāo)按鍵即可完成控件的添加。相同類型的控件的添加可通過(guò)復(fù)制、粘貼的方式來(lái)完成?？丶砑油瓿珊?，利用菜單欄中的“布局”菜單合理布置控件，使各控件位置對(duì)齊、大小統(tǒng)一。

（3）給界面對(duì)象連接變量

控件添加完成后要設(shè)置控件的屬性，在屬性對(duì)話框中設(shè)置控件的ID并更改控件的標(biāo)題。每一個(gè)控件都有一個(gè)ID標(biāo)志值，它是控件的對(duì)象，每一個(gè)對(duì)象連接一個(gè)變量，對(duì)控件的操作在源程序中是通過(guò)對(duì)與之相連接的變量的操作來(lái)完成的[6]。

（4）添加代碼

沒(méi)有添加代碼的對(duì)話框完全不能執(zhí)行任何操作，添加代碼就是給每個(gè)控件按鈕映射一個(gè)消息處理函數(shù)，應(yīng)用程序通過(guò)按鈕接收到信息后就執(zhí)行相應(yīng)的消息處理函數(shù)。在各個(gè)計(jì)算按鈕的消息處理函數(shù)中編寫(xiě)各個(gè)參數(shù)的計(jì)算程序代碼，按下計(jì)算按鈕后就會(huì)開(kāi)始執(zhí)行其與之對(duì)應(yīng)的計(jì)算程序來(lái)完成參數(shù)計(jì)算。如圖4所示為計(jì)算桿長(zhǎng)L3的部分程序代碼。

（5）測(cè)試并保存對(duì)話框

對(duì)話框創(chuàng)建完成后，在運(yùn)行程序?qū)υ捒蛑?，要在開(kāi)發(fā)環(huán)境中對(duì)設(shè)計(jì)的軟件功能進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)“布局”菜單中的“測(cè)試”命令可以在設(shè)計(jì)階段檢測(cè)對(duì)話框的運(yùn)行效果，輸入相應(yīng)的已知參數(shù)后檢查計(jì)算結(jié)果，檢測(cè)對(duì)話框滿足設(shè)計(jì)要求后即可對(duì)該對(duì)話框界面進(jìn)行保存，然后才能在應(yīng)用程序中運(yùn)行所創(chuàng)建的對(duì)話框。

按照上述操作即可完成參數(shù)輸入和計(jì)算界面的設(shè)計(jì)，在圖2所示界面中還加入了八桿機(jī)構(gòu)圖形示例，展示了八桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。在界面右下角設(shè)置了“下一步”“退出”按鈕，用戶可以選擇在該界面直接退出，也可以點(diǎn)擊“下一步”進(jìn)入數(shù)據(jù)展示界面，如圖5所示。該界面展示了八桿機(jī)構(gòu)的所有參數(shù)數(shù)據(jù)，包括曲柄長(zhǎng)度、各桿長(zhǎng)度及行程，使設(shè)計(jì)人員對(duì)這些參數(shù)的數(shù)值能夠一目了然，方便設(shè)計(jì)人員去檢驗(yàn)現(xiàn)有模型是否滿足機(jī)構(gòu)所有的約束條件及用戶設(shè)計(jì)要求。

圖4 計(jì)算桿長(zhǎng)L3的部分程序代碼

圖5 數(shù)據(jù)展示界面

圖6 運(yùn)動(dòng)仿真界面

點(diǎn)擊圖5所示界面的“下一步”即可進(jìn)入到八桿壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真界面，如圖6所示。在該界面中實(shí)現(xiàn)了在曲柄活動(dòng)范圍內(nèi)八桿壓力機(jī)整個(gè)工作過(guò)程的動(dòng)態(tài)顯示，可以更加直觀地觀察八桿壓力機(jī)各個(gè)機(jī)構(gòu)在每個(gè)時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)仿真界面中的“顯示”按鈕即可顯示八桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，點(diǎn)擊“旋轉(zhuǎn)”按鈕，八桿壓力機(jī)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)過(guò)程就動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真?！靶D(zhuǎn)”按鈕旁邊還設(shè)有“反向”選擇按鈕，選擇“反向”按鈕機(jī)構(gòu)就會(huì)向相反的方向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。若想觀察機(jī)構(gòu)某個(gè)特定位置的運(yùn)動(dòng)情況，可以點(diǎn)擊“停止”按鈕，這時(shí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)就會(huì)暫停，通過(guò)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)展示還可觀察到滑塊在上死點(diǎn)和下死點(diǎn)兩個(gè)極限位置的運(yùn)動(dòng)情況。在界面中還設(shè)有“實(shí)際行程”按鈕，在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以通過(guò)該按鈕來(lái)實(shí)時(shí)顯示滑塊在每個(gè)時(shí)刻的位移，最終得到所設(shè)計(jì)的八桿壓力機(jī)的實(shí)際最大行程。

2.2 可視化計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

本文開(kāi)發(fā)出八桿壓力機(jī)的參數(shù)化設(shè)計(jì)界面后，就可以利用該界面對(duì)八桿壓力機(jī)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出不同行程、不同尺寸規(guī)格的八桿壓力機(jī)。由于壓力機(jī)的結(jié)構(gòu)形式相同，為了方便廠家生產(chǎn)，減少制造成本，新的壓力機(jī)只是在原有壓力機(jī)的基礎(chǔ)上改變部分構(gòu)件的尺寸來(lái)滿足其設(shè)計(jì)要求，因此對(duì)八桿壓力機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，只需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)個(gè)別尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，其他參數(shù)值可參考已有壓力機(jī)的相應(yīng)參數(shù)的值作為已知常量在界面中輸入。

本文在L4-1800M3型18000kN閉式四點(diǎn)八桿壓力機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)行程為900mm的八桿壓力機(jī)。假定通過(guò)改變l2的桿長(zhǎng)，來(lái)滿足八桿壓力機(jī)的行程要求，所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中桿l2的長(zhǎng)度為待設(shè)計(jì)的參數(shù)值，其他尺寸參數(shù)均參考L4-1800M3型八桿壓力機(jī)的原始尺寸來(lái)確定，通過(guò)八桿壓力機(jī)參數(shù)化計(jì)算系統(tǒng)，計(jì)算出要想得到行程為900mm的壓力機(jī)所需要的桿l2的尺寸值。

L4-1800M3型18000kN閉式四點(diǎn)八桿機(jī)械式壓力機(jī)的原始數(shù)據(jù)為l1=840mm，l2=900mm，l3=861mm，l4=941.13mm，l5=635.5mm，l6=500mm，l7=1150mm，R=200mm，X=1150mm，Y=332mm，搖桿角度∠BAC=151°，三角架頂角∠EDF=45°，上死點(diǎn)角度 θ=30°，壓力機(jī)行程S=750mm。

依據(jù)已有八桿壓力機(jī)的原始數(shù)據(jù)在參數(shù)輸入界面中輸入各參數(shù)的值：l1=840mm，l3=861mm，l4=941.13mm，l5=635.5mm，l6=500mm，l7=1150mm，l8=200mm，X=1150mm，Y=332mm，∠BAC=151°，∠EDF=45°，θ=30°，然后輸入壓力機(jī)所要滿足的設(shè)計(jì)行程S=900mm，雖然桿 為待計(jì)算的桿，但由于在參數(shù)輸入界面中，各參數(shù)后面的編輯框不能為空，否則會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤提示，因此在l2的輸入框中輸入任意一個(gè)數(shù)即可，不會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生影響，在此輸入0。

參數(shù)輸入完成后，在計(jì)算界面中點(diǎn)擊“計(jì)算L2”按鈕，計(jì)算結(jié)果就會(huì)顯示在界面中，如圖7所示。利用該系統(tǒng)計(jì)算出的l2的數(shù)值為548.55mm，點(diǎn)擊“下一步”進(jìn)入數(shù)據(jù)展示界面，點(diǎn)擊“顯示”可以看到所設(shè)計(jì)的壓力機(jī)的所有構(gòu)件的尺寸參數(shù)，繼續(xù)點(diǎn)擊“下一步”進(jìn)入壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真界面，在該界面中點(diǎn)擊“顯示”“旋轉(zhuǎn)”，壓力機(jī)模型在曲柄的帶動(dòng)下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，點(diǎn)擊“反向”，壓力機(jī)模型會(huì)向相反的方向旋轉(zhuǎn)，在機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還可以通過(guò)“實(shí)際行程”觀察滑塊在每個(gè)時(shí)刻的位移，最終得到所設(shè)計(jì)的壓力機(jī)的實(shí)際仿真行程S=900.08mm，與設(shè)計(jì)目標(biāo)S=900mm基本一致，因此驗(yàn)證了該八桿壓力機(jī)參數(shù)化計(jì)算系統(tǒng)的正確性與實(shí)用性，為八桿壓力機(jī)的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)有力的工具。

圖7 可視化計(jì)算系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

3 結(jié)束語(yǔ)

基于Visual C++編程工具開(kāi)發(fā)了八桿壓力機(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真可視化系統(tǒng)，完成了可視化界面的設(shè)計(jì)，在界面中既可實(shí)現(xiàn)參數(shù)的輸入、修改與計(jì)算，又實(shí)現(xiàn)了八桿壓力機(jī)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，使用戶能夠方便進(jìn)行操作并可直觀地觀察八桿機(jī)構(gòu)模型的運(yùn)動(dòng)情況，大大方便了壓力機(jī)設(shè)計(jì)。

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