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作者：張毅

   隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)( CAD)與分析技術(shù)(ANSYS)的不斷發(fā)展，通過它們實(shí)現(xiàn)吊具設(shè)計(jì)自動化的設(shè)計(jì)方式在提高設(shè)計(jì)效率方面具有顯著優(yōu)勢。為此，本文依據(jù)某航天科工制造企業(yè)的需求，以經(jīng)驗(yàn)總結(jié)為前提，以參數(shù)化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，結(jié)合UG二次開發(fā)技術(shù)，研究并開發(fā)了基于經(jīng)驗(yàn)知識的吊具參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案

  吊具的分類眾多，對其中一些常用零件的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常費(fèi)時(shí)且重復(fù)建模程度很高的工作。通過歸納總結(jié)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識，將其集成到吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。由系統(tǒng)輔助生成、計(jì)算、驗(yàn)證和分析設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)與文件，可以極大地緩解設(shè)計(jì)人員過多的體力勞動，促使他們將更多的時(shí)間與精力放到設(shè)計(jì)優(yōu)化層面上去。

吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程如圖1所示。吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要分為三部分，第一部分為方案設(shè)計(jì)階段，主要是設(shè)計(jì)人員針對當(dāng)前工況對吊具進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及安全性檢驗(yàn)；第二部分是方案實(shí)施階段，主要是實(shí)現(xiàn)三維實(shí)體仿真與有限元分析；第三部分為輸出階段，系統(tǒng)輸出所需的二維工程圖、BOM清單以及計(jì)算報(bào)告等。其中第一部分是本系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1.1  吊具結(jié)構(gòu)形式的歸納與選擇

吊具結(jié)構(gòu)形式的劃分是吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)工作，涉及到吊具的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。在總結(jié)歸納的前提下，提出了細(xì)化吊具結(jié)構(gòu)形式，增加多種樣式選擇的方法。即將吊具抽象為骨架模型，從上到下依次劃分成起吊、梁體、吊索和吊點(diǎn)等幾個(gè)部分，再針對這幾個(gè)部分總結(jié)出多種結(jié)構(gòu)形式供用戶選擇。吊具的這種層次關(guān)系可用樹結(jié)構(gòu)來描述，如圖2所示。

吊具裝配樹模型由零件集、部件集和裝配關(guān)系表示。這里的裝配關(guān)系主要是指零部件之間的隸屬關(guān)系，并不表示裝配約束關(guān)系。除此之外，由于結(jié)構(gòu)形式的多樣性，裝配樹中的結(jié)點(diǎn)必然有很多樣式，但在實(shí)際裝配中同一結(jié)點(diǎn)只能出現(xiàn)一種樣式，因此需要加入篩選條件。裝配樹模型可簡化為由若干個(gè)結(jié)點(diǎn)組成，這些結(jié)點(diǎn)即為本系統(tǒng)需要存儲的信息，如圖3所示。

  這是一個(gè)自頂向下構(gòu)建裝配樹的過程，同時(shí)該裝配樹的層次非常明確。系統(tǒng)提供每一層次的樣式選擇，同時(shí)被選擇的樣式將會對所有結(jié)點(diǎn)信息中的結(jié)點(diǎn)樣式進(jìn)行關(guān)系“&&”的樣式篩選，符合的樣式就會留存于裝配樹中。同時(shí)，裝配樹以圖2的形式同步顯示，各零部件間的層次、結(jié)構(gòu)關(guān)系可直觀看出。

1.2  標(biāo)準(zhǔn)件的選用與管理

  為了吊具的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)與分類，結(jié)構(gòu)件盡量選取標(biāo)準(zhǔn)件，并限定選用范圍。

標(biāo)準(zhǔn)件的規(guī)格選取是吊具設(shè)計(jì)過程中的一部分，除了受力這個(gè)主要因素，它們之間的配合也是要考慮的問題。由于系統(tǒng)是按照吊具結(jié)構(gòu)從上到下分層的原則，標(biāo)準(zhǔn)件也按照這個(gè)原則去限定它們的規(guī)格，下方的標(biāo)準(zhǔn)件受其上方且與之直接相連的標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸約束，所以系統(tǒng)在下方標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格選取之前加入了一層規(guī)格過濾。本系統(tǒng)使用如表1所示的關(guān)聯(lián)表實(shí)現(xiàn)規(guī)格過濾。關(guān)聯(lián)表第一列為已選擇零件，第一行為將被選擇零件，“+”表示當(dāng)前環(huán)境下可被選擇，“一”將被過濾。

1.3  安全性檢查

保證吊具的安全性是吊具設(shè)計(jì)中最重要的一環(huán)。吊具的種類很多，每一套吊具都有其特定的計(jì)算公式，同一種結(jié)構(gòu)件在不同的狀態(tài)又有不同的受力情況，如圖4所示。

  吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)仍然利用吊具設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)公式，同樣，鑒于Excel表格處理數(shù)據(jù)方面突出的特點(diǎn)，系統(tǒng)使用Excel計(jì)算與存儲，將吊具安全性檢查中涉及到的一些求解拉力、應(yīng)力、安全系數(shù)等物理量的經(jīng)驗(yàn)公式定制加入到表格中。系統(tǒng)在計(jì)算時(shí)將吊具簡化為骨架模型，從上到下依次對每一個(gè)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算和安全系數(shù)的校核。

涉及到多類型結(jié)構(gòu)吊具時(shí)，加入結(jié)構(gòu)件樣式的篩選就可截取得到一套完整的吊具安全性檢查結(jié)果。如圖5所示，該表格為橫梁水平式吊具校核表格的一部分，其中經(jīng)驗(yàn)公式內(nèi)含在C列中；表格分析了圖4的受力情況，產(chǎn)品的重力傳給吊環(huán)，首先對吊環(huán)進(jìn)行受力計(jì)算和安全性校核，然后與吊環(huán)連接的有兩種結(jié)構(gòu)形式，一種是單卸扣，另一種是雙卸扣，表格對這兩種情況均進(jìn)行計(jì)算，再通過樣式篩選得到所需的檢驗(yàn)結(jié)果。

1.4  系統(tǒng)的檢驗(yàn)結(jié)果

怎么實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)結(jié)果快速、直觀、簡潔是人機(jī)交互的一大關(guān)鍵點(diǎn)。由于文本文件反應(yīng)速度快，吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用文本文件輸出計(jì)算后的結(jié)果，如圖6所示。它主要有3項(xiàng)內(nèi)容：零件的安全系數(shù)、自制件關(guān)鍵部位尺寸推薦、標(biāo)準(zhǔn)件型號推薦。

2  吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

  設(shè)計(jì)人員在初步確定設(shè)計(jì)方案后，系統(tǒng)會依據(jù)設(shè)計(jì)方案生成一個(gè)配置文件，配置文件中包含該方案的裝配樹、總體參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格等信息。首先，系統(tǒng)讀取配置文件中的裝配樹信息，根據(jù)裝配樹的結(jié)點(diǎn)信息從零件庫中選擇零件載入到相對應(yīng)的模板中，這些零

件將按照約束裝配起來；然后系統(tǒng)再根據(jù)配置文件中的總體參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格等信息對裝配體進(jìn)行表達(dá)式驅(qū)動，最終得到吊具三維模型。

  由于吊具的多樣性，系統(tǒng)根據(jù)不同的種類建立了不同的模板和零件庫。

2.1  吊具零件庫的建立

  吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)按照不同的吊具類型建立多個(gè)零件庫，這有利于系統(tǒng)的定制與拓展。涉及到如此多的零件與工況，吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用參數(shù)化建模，而參數(shù)化建模的關(guān)鍵在于表達(dá)式。對于單一零件，控制表達(dá)式值即可；對于部件，通過建立部件中零件與零件之間的關(guān)聯(lián)表達(dá)式來保證它們之間尺寸的一致性。

2.2  點(diǎn)裝配技術(shù)

一般的UG裝配技術(shù)是在裝配中建立約束關(guān)系來確定部件在裝配中的位置，但是在開發(fā)系統(tǒng)時(shí)，遇到了很多零件間裝配約束關(guān)系不好建立甚至不能建立的情況。如圖7中的卸扣，其上部與其他零件接觸的地方實(shí)際上是一條沿圖中長虛斜線方向的曲線，不僅斜線的角度不能確定，裝配約束也加不了，這種情況就不能用UG的裝配技術(shù)來實(shí)現(xiàn)裝配。

  基于以上情況，提出了基于表達(dá)式的UG點(diǎn)裝配技術(shù)，通過計(jì)算零件的裝配位置來實(shí)現(xiàn)裝配。零件建模時(shí)使用相對坐標(biāo)系，該坐標(biāo)系是建立在一個(gè)可參的基準(zhǔn)點(diǎn)上，建模所需的草圖平面可根據(jù)實(shí)際情況在該基準(zhǔn)點(diǎn)上生成一個(gè)基準(zhǔn)平面。如圖7所示，該零件在總體裝配中的裝配位置可通過新基準(zhǔn)點(diǎn)的可參三維坐標(biāo)以及草圖基準(zhǔn)平面的可參角度來調(diào)控，該零件與其他零件或組件間的裝配約束關(guān)系可簡化為點(diǎn)接觸，通過表達(dá)式之間關(guān)聯(lián)引用來滿足點(diǎn)接觸的約束條件，即Distance一”DiaoH uan”::A/2.

  本系統(tǒng)零件庫的零件均采用上述方法參數(shù)化建模，利用UG／OPEN API開發(fā)自動加載零部件裝配時(shí)可以簡化裝配約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)自動裝配。

3  系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

圖8為吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的主界面。圖9為通過本系統(tǒng)生成的三維模型，直觀地再現(xiàn)了吊具的結(jié)構(gòu)組成和起吊狀態(tài)。

4結(jié)語

本文在研究吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，闡明了不規(guī)則零部件裝配的方法。同時(shí)開發(fā)了吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)，不僅幫助設(shè)計(jì)人員簡化了設(shè)計(jì)流程，節(jié)約了大量的設(shè)計(jì)和修改時(shí)間，而且還充分考慮了系統(tǒng)的可拓展性。此外，吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)在生成三維模型時(shí)已經(jīng)包含了傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式的檢驗(yàn)，為了更直接地對其進(jìn)行性能分析，還可再接口ANSYS加載實(shí)際工況對其進(jìn)行有限元分析。

5摘要：由于作業(yè)時(shí)需要具有很高的安全性，因此吊具結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)和安全性檢驗(yàn)便成為關(guān)鍵。在原有設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，利用UG7.5開發(fā)了吊具設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并采用ANSYS對吊具進(jìn)行有限元分析。根據(jù)計(jì)算和有限元分析結(jié)果，優(yōu)化了吊具的結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)了吊具在生產(chǎn)前的檢驗(yàn)與優(yōu)化。