液壓缸部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)

-.z液壓缸部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)【摘要】在制圖軟件中，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的研究已成為研究和開發(fā)的熱點(diǎn)，參數(shù)化建模，參數(shù)化分析，逐漸成為一種趨勢(shì)。而基于vba的solidworks二次開發(fā)應(yīng)用更為普遍，簡(jiǎn)單的開發(fā)環(huán)境讓很多用戶使得繁瑣、機(jī)械的日常辦公實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，從而提高辦公效率。本文在參閱了大量對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)根底之上，以液壓缸的參數(shù)化設(shè)計(jì)為例，進(jìn)一步探討了參數(shù)化的開展和過程。并根據(jù)參數(shù)化過程中的api函數(shù)來闡述設(shè)計(jì)方法，使得設(shè)計(jì)人員能夠從繁瑣的繪圖工作中解脫出來，集中精力選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，以提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。

【關(guān)鍵詞】vba；solidworks；參數(shù)化；液壓缸

引言

一部現(xiàn)代機(jī)器，如果不是以行走為工作目的，它通常由機(jī)架、原動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)裝置和工作機(jī)構(gòu)四個(gè)主要局部構(gòu)成，其中機(jī)架為載體，原動(dòng)機(jī)的作用是進(jìn)展能量形式的轉(zhuǎn)換，為機(jī)器提供適當(dāng)形式的動(dòng)力，傳動(dòng)裝置的作用是進(jìn)展動(dòng)力的傳遞，工作機(jī)構(gòu)即執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其作用是消耗能量而做功。如果原動(dòng)機(jī)將其他形式的能轉(zhuǎn)換成液壓能，執(zhí)行元件消耗液壓能而做功，則稱為液壓機(jī)械〔或液壓機(jī)〕。液壓機(jī)械的執(zhí)行元件即做功元件是液壓馬達(dá)和液壓缸。液壓馬達(dá)和液壓缸是通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度很高的液壓元件，用戶或設(shè)計(jì)者在研制一部新的液壓機(jī)械時(shí)，應(yīng)盡量選擇標(biāo)準(zhǔn)化的液壓元件，以防止金錢的浪費(fèi)和時(shí)間、精力的消耗。但由于使用要求的千差萬別，液壓元件的專用化設(shè)計(jì)是不可防止的，其中以液壓缸設(shè)計(jì)居多。這是由于液壓缸配置的靈活性、設(shè)計(jì)、制造比較容易、維護(hù)比較方便的特點(diǎn)決定的。因而，相對(duì)其他液壓元件而言，液壓缸的設(shè)計(jì)是極為常見的，這也是工程技術(shù)人員必須具有的一種根本技能。

1、液壓缸構(gòu)造分析和優(yōu)化的開展?fàn)顩r

液壓缸能與各種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相配合，完成復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，所以應(yīng)用*圍很廣。其中在工程機(jī)械、礦山機(jī)械上的用量最大，其次是金屬切削機(jī)床、鍛壓機(jī)床、注塑機(jī)，在船舶、飛機(jī)、農(nóng)業(yè)機(jī)械、冶金設(shè)備及其他自動(dòng)化設(shè)備和裝置中也大量應(yīng)用。近年來，國內(nèi)外發(fā)表了不少論文，研究了液壓缸的穩(wěn)定性、可靠性、強(qiáng)度和局部應(yīng)力、液壓缸的運(yùn)動(dòng)特性、緩沖理論和液壓缸的壽命等問題。本文將針對(duì)液壓機(jī)上用的液壓缸進(jìn)展討論。

液壓缸是液壓機(jī)的主要部件，它的作用在于把液體壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功。高壓液體進(jìn)入缸內(nèi)后，作用于活塞(柱塞)上，經(jīng)活動(dòng)橫梁將力傳到工件上，使工件產(chǎn)生塑性變形。

液壓缸制造工藝復(fù)雜，對(duì)材料、外表質(zhì)量、加工精度要求很高，同時(shí)價(jià)格昂貴，少則幾萬元，多則幾十萬、上百萬元，因此對(duì)液壓缸的設(shè)計(jì)要十分慎重。在生產(chǎn)應(yīng)用中，液壓機(jī)的工作缸常由于以下幾個(gè)設(shè)計(jì)方面的原因，導(dǎo)致其過早損壞。

(1)由于構(gòu)造尺寸設(shè)計(jì)不合理，法蘭高度太小或法蘭外徑過大，而使局部應(yīng)力過高。*臺(tái)200000鍛造液壓缸，其法蘭高度僅為缸壁厚度的l.1倍，法蘭處計(jì)算應(yīng)力超過250mpa，工作1-2年后，兩個(gè)缸先后破裂。更換新缸時(shí),增大了法蘭高度，減小了法蘭外徑，使用多年未壞。

(2)從缸壁到法蘭的過渡區(qū)構(gòu)造設(shè)計(jì)不合理，也會(huì)引起很大的應(yīng)力集中。如一臺(tái)6300kn液壓機(jī)的工作缸，由于法蘭過渡圓弧半徑僅為4mm，使用不久就出現(xiàn)裂紋，裂紋擴(kuò)展后，整圈法蘭斷裂脫落。為防止此種情況，可以對(duì)法蘭處的過渡形線進(jìn)展優(yōu)化設(shè)計(jì)，選擇能降低應(yīng)力集中系數(shù)的形線。

(3)從缸底到缸壁的過渡區(qū)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力并有應(yīng)力集中，此處圓弧半徑太小是缸底破裂的主要原因之一，一般不應(yīng)小于液壓缸內(nèi)直徑的1/8。有幾臺(tái)液壓缸的缸底圓弧半徑分別為液壓缸內(nèi)直徑的1/12.7,1/10和1/9，結(jié)果液壓缸均曾在缸底破裂。因此，正確合理地設(shè)計(jì)液壓缸是至關(guān)重要的。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，液壓缸的分析計(jì)算采用材料力學(xué)和彈性力學(xué)方法，并對(duì)受力情況作假設(shè)干假設(shè)，但傳統(tǒng)的彈性力學(xué)計(jì)算方法由于模型簡(jiǎn)單，所作的假設(shè)不能準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，并且應(yīng)力計(jì)算沒考慮局部應(yīng)力場(chǎng)的影響，所以誤差較大。因此，學(xué)者對(duì)此作了許多研究和改進(jìn)，提出了一些新的彈性力學(xué)計(jì)算方法，其中，對(duì)經(jīng)常破壞的法蘭和缸底過渡區(qū)研究最多。

新的液壓缸強(qiáng)度分析理論和方法己逐步趨于實(shí)際應(yīng)力應(yīng)變情況，但它只能對(duì)液壓缸的*個(gè)局部進(jìn)展分析，工程應(yīng)用中常常需要知道整個(gè)液壓缸的應(yīng)力分布情況，因此，需要一種新的分析計(jì)算方法即有限元法。有限元法是一種迅速而準(zhǔn)確地分析構(gòu)造強(qiáng)度和剛度等問題的數(shù)值計(jì)算方法，適于各種復(fù)雜構(gòu)造的力學(xué)計(jì)算。

2、液壓缸的參數(shù)化設(shè)計(jì)原理

將液壓缸的組件〔如活塞桿、缸體、活塞、端蓋〕按相似形原理歸類建構(gòu)系列產(chǎn)品的根本參數(shù)模型，提出參數(shù)模型設(shè)計(jì)參數(shù)作為驅(qū)動(dòng)變量，在圖形拓?fù)潢P(guān)系不變的情況下控制組件的幾何尺寸。

設(shè)計(jì)參數(shù)的提取原理是能夠反映產(chǎn)品的性能和用戶的要求，能夠控制組件的根本構(gòu)造，如活塞設(shè)計(jì)主參數(shù)是活塞的外徑、孔徑和活塞寬度，缸筒的主參數(shù)是缸筒的外徑和缸筒的長(zhǎng)度。但是組件的設(shè)計(jì)主參數(shù)之間有約束關(guān)系，如活塞的外徑與缸筒的內(nèi)徑相等，活塞的孔徑與活塞桿徑有函數(shù)關(guān)系，缸筒的長(zhǎng)度與缸的行程、活塞寬度、缸蓋和缸底的長(zhǎng)度有關(guān)系，而活塞寬度又與密封構(gòu)造、支撐構(gòu)造以及與活塞桿的聯(lián)接方式有函數(shù)關(guān)系。與主參數(shù)對(duì)應(yīng)或函數(shù)關(guān)系的構(gòu)造尺寸定為參考變量，構(gòu)造尺寸不隨主參數(shù)變化的定為常量尺寸。

在solidworks環(huán)境下，構(gòu)造液壓缸的零件的二維草圖，對(duì)草圖的點(diǎn)線添加幾何約束和尺寸約束，通過旋轉(zhuǎn)，拉伸等操作形成三維模型，用solidworks中的宏錄制提取所需的編程代碼，通過改變其中的變量，給參數(shù)重新賦值，通過函數(shù)關(guān)系確定，再通過vb中的語句反響到三維模型，模型的拓?fù)潢P(guān)系沒變，但尺寸變化了。

當(dāng)液壓缸設(shè)計(jì)完成后，形成液壓缸的設(shè)計(jì)主參數(shù)匯總表，可在vb添加一個(gè)或者多個(gè)窗體，將所需的命令按鈕、文本框、標(biāo)簽的設(shè)置好所需的參數(shù)，通過vb中的函數(shù)關(guān)系來確立將其需要改變的參數(shù)改成變量，然后通過輸入自己想要的數(shù)值給變量賦值，調(diào)試、運(yùn)行后即可得到新的模型零件。

液壓缸參數(shù)化程序是運(yùn)用vb語言程序所寫，solidworks包含vba這一二次開發(fā)的軟件工具。vb與solidworks系統(tǒng)嚴(yán)密集成，運(yùn)用vb程序也可完成與solidworks各種交互動(dòng)作。

3、活柱的參數(shù)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用solidworks宏編輯，建立活柱的參數(shù)化模型。具體建模過程如下：

1)根據(jù)液壓缸的構(gòu)造和功能，分析二維圖，確定活柱的參數(shù)；

需要參數(shù)化的參數(shù)為：活柱小徑d1，活柱大徑d2，活柱長(zhǎng)度l，活柱桿頭圓孔直徑d3。將這些參數(shù)設(shè)置為未知變量，根據(jù)用戶的要求可自行確定，其他的尺寸可根據(jù)以上參數(shù)列出方程和代數(shù)關(guān)系，有些標(biāo)準(zhǔn)件可以不用參數(shù)化，這給參數(shù)化過程變得簡(jiǎn)潔了不少。

2)翻開宏新建窗口，點(diǎn)擊工具欄的【插入】→【用戶窗體】，建立一個(gè)窗體，再點(diǎn)擊工具箱里的控件，將其添加到窗體中，修改一些控件的屬性〔圖1〕。

3)繪制草圖1

圖1為活柱的建模草圖：

局部程序代碼如下：

dimswappasobject‘定義solidworks對(duì)象的變量

dimpartasobject‘定義modledoc對(duì)象的變量

submain()

setswapp=application.sldworks‘激活solidworks

setpart=swapp.newdocument(“c:\programdata\solidworks\solidworks2008\templates\零件.prtdot〞,0,0*,0*)

setpart=swapp.activatedoc2(“零件1〞,false,longstatus)

setpart=swapp.activedoc‘翻開零件文件

boolstatus=part.e*tension.selectbyid2(“前視基準(zhǔn)面〞,“plane〞,0,0,0,false,0,nothing,0)

part.sketchmanager.insertsketchtrue‘選擇前視基準(zhǔn)面

以上代碼在每個(gè)零件的編程過程中都會(huì)用到，為常用代碼。

在此草圖中，用的代碼主要是直線代碼：

dimsklineasobject

setskline=part.sketchmanager.createline(*1,y1,z1,*2,y2,z2)

(*1,y1,z1)為直線起點(diǎn)坐標(biāo)，〔z1,*2,y2,z2)為直線終點(diǎn)坐標(biāo)。

生成三維模型

退出草圖工作環(huán)境，在特征環(huán)境下，選擇【特征】→【旋轉(zhuǎn)凸臺(tái)】，即可生成三維模型。代碼如下：

boolstatus=part.e*tension.selectbyid2(“l(fā)ine4〞,“sketchsegment〞,0,0,0,false,4,nothing,0)

‘選擇旋轉(zhuǎn)中心線

boolstatus=part.e*tension.selectbyid2(“草圖1〞,“sketch〞,0,0,0,true,0,nothing,0)

‘選擇旋轉(zhuǎn)的草圖

part.insertrevolvedrefsurface6.,false,3.,0

‘選擇旋轉(zhuǎn)角度，6.即為360度

4)繪制草圖2

圖3為活柱內(nèi)部構(gòu)造草圖：

完成活柱的參數(shù)化建模過程

圖4為生成的活柱三維模型：

總結(jié)以上建模過程，基于solidworks宏編輯建立活柱的參數(shù)化模型過程如下：

1)根據(jù)液壓缸的構(gòu)造和功能，分析二維圖，確定活柱的參數(shù)；

需要參數(shù)化的參數(shù)為：活柱小徑d1，活柱大徑d2，活柱長(zhǎng)度l，活柱桿頭圓孔直徑d3。將這些參數(shù)設(shè)置為未知變量，根據(jù)用戶的要求可自行確定，其他的尺寸可根據(jù)以上參數(shù)列出方程和代數(shù)關(guān)系，有些標(biāo)準(zhǔn)件可以不用參數(shù)化，這給參數(shù)化過程變得簡(jiǎn)潔了不少。

2)翻開宏新建窗口，點(diǎn)擊工具欄的【插入】→【用戶窗體】，建立一個(gè)窗體，再點(diǎn)擊工具箱里的控件，將其添加到窗體中，修改一些控件的屬性，建立窗體。

4、結(jié)論

目前，參數(shù)化設(shè)計(jì)已成為最熱門的應(yīng)用技術(shù)之一，能否實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)也成為評(píng)價(jià)產(chǎn)品優(yōu)劣的重要技術(shù)指標(biāo)，這是因?yàn)樗虾唾N近現(xiàn)代概念設(shè)計(jì)以及并行設(shè)計(jì)思想，工程設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)開場(chǎng)階段可快速草擬產(chǎn)品的零件圖，通過對(duì)產(chǎn)品形狀及大小的約束最后準(zhǔn)確成圖。同一系列產(chǎn)品的第二次設(shè)計(jì)可直接通過修改第一次設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)參數(shù)不但可以驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果，而且影響產(chǎn)品的整個(gè)開發(fā)周期，設(shè)計(jì)參數(shù)可來自于其他系統(tǒng)。但國內(nèi)目前處于研究階段，本文就液壓缸的參數(shù)化設(shè)計(jì)為例，介紹了solidworks的二次開發(fā)工具和參數(shù)化思想。在設(shè)計(jì)過程中重點(diǎn)了解液壓缸的構(gòu)造，這樣才能在參數(shù)化建模過程中知道要將那些參數(shù)設(shè)為變量。本此設(shè)計(jì)的的重點(diǎn)是基于vba的solidworks的二次開發(fā)，vba語言的應(yīng)用是整個(gè)參數(shù)化的主體