計(jì)算機(jī)輔助半掛車(chē)配件_車(chē)軸系統(tǒng)參數(shù)化變型設(shè)計(jì)

1、計(jì)算機(jī)輔助半掛車(chē)配件車(chē)軸系統(tǒng)參數(shù)化變型設(shè)計(jì)方喜峰1 朱成順1 張勝文1 任建利2(1江蘇科技大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 鎮(zhèn)江 212003；2邯礦集團(tuán)盛源公司 張家口 075000)摘要：車(chē)軸是車(chē)體上較為復(fù)雜的關(guān)鍵件，因其品種規(guī)格多、參數(shù)約束復(fù)雜，且其是易損件，導(dǎo)致設(shè)計(jì)工作量大、返工頻繁。如何縮短產(chǎn)品的研制周期，找出故障的主要原因，文中引入?yún)?shù)化變型設(shè)計(jì)的原理及方法，分析了計(jì)算機(jī)輔助車(chē)軸系列自動(dòng)裝配設(shè)計(jì)并設(shè)計(jì)了變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。最后以某型號(hào)車(chē)軸實(shí)例應(yīng)用作了分析，驗(yàn)證了方法的可行性。關(guān)鍵詞：車(chē)軸 參數(shù)化 變型設(shè)計(jì)中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.72 TH1660 前言半掛車(chē)車(chē)軸是車(chē)體上較復(fù)雜的關(guān)鍵件，

2、必須滿足多方面的性能要求，遵循一些法規(guī)和公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)要求。過(guò)去，我國(guó)在半掛車(chē)車(chē)軸部件的國(guó)產(chǎn)化方面，往往只注意到產(chǎn)品自身的幾何形狀、尺寸公差等，缺乏將產(chǎn)品原設(shè)計(jì)者可能的產(chǎn)品理念、運(yùn)行實(shí)況、加工環(huán)境、材質(zhì)狀態(tài)等方面集成的考慮方式，造成了一些國(guó)產(chǎn)化試制過(guò)程的失誤。以鎮(zhèn)江寶華半掛車(chē)配件有限公司車(chē)軸系列產(chǎn)品而言，目前該企業(yè)在高速發(fā)展的過(guò)程中，產(chǎn)品市場(chǎng)訂單很多，不同用戶(hù)對(duì)產(chǎn)品的需求不同，型號(hào)、規(guī)格多種多樣，產(chǎn)品研發(fā)能力跟不上。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作中，由于缺乏先進(jìn)技術(shù)手段的應(yīng)用，導(dǎo)致圖紙?jiān)O(shè)計(jì)工作量大、重復(fù)勞動(dòng)多、研發(fā)周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)主要依靠設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，缺乏科學(xué)的分析計(jì)算和優(yōu)化，設(shè)計(jì)錯(cuò)誤經(jīng)常導(dǎo)致制造過(guò)程中圖紙修改，造

3、成廢品、返工等不必要的損失。加之我國(guó)在此領(lǐng)域的研究與開(kāi)發(fā)水平與有關(guān)發(fā)達(dá)國(guó)家相比尚有很大差距，急需在半掛車(chē)配套關(guān)鍵零部件（如車(chē)軸、支承、懸架、牽引座和牽引銷(xiāo)等）設(shè)計(jì)制造方面開(kāi)展科學(xué)研究和技術(shù)開(kāi)發(fā)工作，提升我國(guó)在半掛車(chē)配件設(shè)計(jì)與制造方面的技術(shù)水平。就目前來(lái)說(shuō)，該企業(yè)車(chē)軸系列的設(shè)計(jì)方法依然停留在人工計(jì)算上，因此導(dǎo)致設(shè)計(jì)的精度和效率大為降低。車(chē)軸設(shè)計(jì)是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)性很強(qiáng)的行業(yè)，設(shè)計(jì)人員在長(zhǎng)期工作中積累的經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)對(duì)車(chē)軸設(shè)計(jì)過(guò)程起著十分重要的影響。盡管CAX技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但目前CAX技術(shù)大部分還停留在計(jì)算機(jī)輔助層次，難以勝任對(duì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的CAX技術(shù)提升到智能設(shè)計(jì)層次，實(shí)現(xiàn)這一飛躍可以通過(guò)人工智能和工程領(lǐng)

4、域知識(shí)，構(gòu)建自動(dòng)設(shè)計(jì)KBE（Knowledge Based Engineering）)系統(tǒng)來(lái)達(dá)到。本文通過(guò)對(duì)計(jì)算機(jī)輔助車(chē)軸設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)，將參數(shù)變型設(shè)計(jì)技術(shù)融于自動(dòng)設(shè)計(jì)建模過(guò)程中，基于該模型建立了一種自動(dòng)裝配系統(tǒng)框架。在描述和分析該框架的基礎(chǔ)上，給出了一個(gè)原型系統(tǒng)，并敘述了其實(shí)施過(guò)程。系統(tǒng)采用了高級(jí)語(yǔ)言Visual BasicApplication(VBA)與SQL*server2000數(shù)據(jù)庫(kù)以及AutoCAD2002應(yīng)用軟件等16。1 參數(shù)化變型設(shè)計(jì)基本原理分析設(shè)計(jì)就其本身而言，可以從不同角度進(jìn)行多方位的理解：從工作心理學(xué)角度看，設(shè)計(jì)是一種創(chuàng)造性的智力活動(dòng)，而設(shè)計(jì)所涉及的各個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域里的知識(shí)

5、和經(jīng)驗(yàn)也是非常必要的；從方法學(xué)角度看，設(shè)計(jì)是按給定的目標(biāo)和在部分地相互矛盾的條件下的求優(yōu)過(guò)程；從組織學(xué)角度看，設(shè)計(jì)是創(chuàng)造價(jià)值過(guò)程中的主要部分，是對(duì)毛坯進(jìn)行精制的過(guò)程和對(duì)產(chǎn)品品質(zhì)提高的過(guò)程的主要部分。變型設(shè)計(jì)是在不破壞原設(shè)計(jì)的基本原理和基本結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上，選取相似實(shí)例，對(duì)此相似實(shí)例進(jìn)行修改和完善。當(dāng)進(jìn)行變型設(shè)計(jì)時(shí)，首先將用戶(hù)要求或設(shè)計(jì)任務(wù)分解，得到產(chǎn)品的基本功能原理和基本性能參數(shù)。依照一定的算法，把這些基本性能參數(shù)與事物特性表中的參數(shù)相匹配，從實(shí)例庫(kù)中搜索出最相似的實(shí)例。提取此相似實(shí)例，參照優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果，在此基礎(chǔ)上按照用戶(hù)的要求進(jìn)行實(shí)例的修改7。在修改的過(guò)程中，可能是簡(jiǎn)單的零部件局部的尺寸修

6、改，而結(jié)構(gòu)完全一樣，這屬于產(chǎn)品規(guī)格的變化，可以通過(guò)參數(shù)化的零件模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。也有可能是產(chǎn)品型號(hào)的改變，這時(shí)候產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)發(fā)生了局部變化，同時(shí)尺寸也有可能發(fā)生變化，這就要通過(guò)零件實(shí)例的相互組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)改變某個(gè)零件的結(jié)構(gòu)形式或幾何尺寸時(shí)，由于零件與零件之間不但有尺寸聯(lián)接關(guān)系，而且存在著隱性的裝配約束關(guān)系（包括位置關(guān)系，聯(lián)接關(guān)系，運(yùn)動(dòng)關(guān)系等），所以整個(gè)裝配體也隨零部件的變化發(fā)生相應(yīng)的變化，而此時(shí)裝配模型并沒(méi)有被破壞。在變型過(guò)程中，首先要兼顧裝配模型的基本裝配關(guān)系和裝配約束，同時(shí)對(duì)修改后的裝配體進(jìn)行裝配性能的分析，基于裝配規(guī)則和知識(shí)進(jìn)行推理，對(duì)裝配性能做出判斷和決策。必要時(shí)進(jìn)行人機(jī)交互，通過(guò)裝配模型的自

7、學(xué)習(xí)功能使規(guī)則和知識(shí)不斷完善，最后得到變型結(jié)果。在進(jìn)行裝配性能分析時(shí)，可能產(chǎn)生一些新的規(guī)則和知識(shí)，應(yīng)將這些新規(guī)則存入裝配規(guī)則庫(kù)和知識(shí)庫(kù)中。由于變型過(guò)程中也有可能產(chǎn)生一些新的裝配關(guān)系和裝配約束，所以裝配模型會(huì)不斷更新，下次變型時(shí)參照的將是新的裝配模型。變型結(jié)果也應(yīng)該以新的實(shí)例存入實(shí)例庫(kù)。半掛車(chē)車(chē)軸參數(shù)化變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)是專(zhuān)門(mén)針對(duì)半掛車(chē)車(chē)軸而開(kāi)發(fā)的一種實(shí)現(xiàn)裝配圖參數(shù)化變型設(shè)計(jì)的軟件。軟件通過(guò)語(yǔ)言編程來(lái)建立半掛車(chē)車(chē)軸零件之間的裝配約束，企業(yè)只需要根據(jù)客戶(hù)需要輸入必要的參數(shù)，就可以通過(guò)該軟件驅(qū)動(dòng)圖形，最終變型后的裝配圖輸出到CAD界面，通過(guò)打印設(shè)備即可出工程圖指導(dǎo)工作實(shí)際。當(dāng)然，在課題開(kāi)發(fā)之前，要對(duì)其進(jìn)行

8、成本效益、市場(chǎng)需求、生產(chǎn)規(guī)模和費(fèi)用估計(jì)，以及可行性分析。變型過(guò)程中依據(jù)的整個(gè)產(chǎn)品模型也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的模型。半掛車(chē)車(chē)軸參數(shù)化變型設(shè)計(jì)軟件建模過(guò)程，如圖1所示。圖1 系統(tǒng)工作流程圖2 車(chē)軸參數(shù)化變型自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1 半掛車(chē)車(chē)軸系統(tǒng)參數(shù)化變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)研制過(guò)程在車(chē)軸參數(shù)化變型設(shè)計(jì)軟件的研制過(guò)程中，首先要了解和分析用戶(hù)的問(wèn)題，以及經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和時(shí)間等方面的可行性。然后將用戶(hù)的需求規(guī)范化、形式化，編寫(xiě)成需求說(shuō)明書(shū)及初步的系統(tǒng)用戶(hù)手冊(cè)，提交評(píng)審。將軟件需求設(shè)計(jì)為軟件過(guò)程描述，即設(shè)計(jì)人員將確定的各項(xiàng)需求轉(zhuǎn)化成一個(gè)相應(yīng)的體系結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的每一組成部分都是意義明確的模塊，每個(gè)模塊都與某些需求相對(duì)應(yīng)。編輯代碼

9、，就是把過(guò)程描述編輯成機(jī)器可執(zhí)行的代碼。測(cè)試目的是發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，進(jìn)行改正。維護(hù)主要包括故障的排斥以及為適應(yīng)使用環(huán)境的變化和用戶(hù)對(duì)軟件提出新的要求所作的更改?？紤]用戶(hù)使用本系統(tǒng)的便捷與高效，本次開(kāi)發(fā)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)多次調(diào)試與修改，最終采用如圖2的系統(tǒng)功能模塊。參變模菜單模塊幫助模塊圖2 半掛車(chē)車(chē)軸參數(shù)化變型設(shè)計(jì)主要功能模塊2.2 半掛車(chē)車(chē)軸力學(xué)模型工程上常用的塑性材料，除低碳鋼外，還有中碳鋼、某些高碳鋼和合金鋼、鋁合金、青銅、黃銅等。其中有些材料，如16Mn鋼，和低碳鋼一樣，有明顯的彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和局部變形階段。有些材料，如黃銅H62，沒(méi)有屈服階段，但其他三個(gè)階段很明顯。還有些材料，如高碳

10、鋼T10A，沒(méi)有屈服階段和局部變形階段，只有彈性階段和強(qiáng)化階段。在工程實(shí)際中，常見(jiàn)的彎曲應(yīng)力問(wèn)題多為橫力彎曲，純彎曲情況很少。半掛車(chē)車(chē)軸在工作過(guò)程中主要受到車(chē)體的壓力和剎車(chē)是摩擦片抱軸時(shí)的扭矩。而車(chē)軸部件的薄弱點(diǎn)在軸頭的焊接處，此處容易在工作過(guò)程中被撕裂。因此此處的校核，是設(shè)計(jì)過(guò)程的重點(diǎn)同時(shí)也是難點(diǎn)。參數(shù)化變型設(shè)計(jì)不但要滿足結(jié)構(gòu)合理同樣要滿足剛度和強(qiáng)度要求。因此在開(kāi)發(fā)半掛車(chē)車(chē)軸參數(shù)化變型系統(tǒng)前，需要考慮軸的受力強(qiáng)度校核。車(chē)軸在工作的過(guò)程中一般要受到扭曲力、各種沖擊和振動(dòng)，但最主要的是車(chē)體本身以及車(chē)的載重作用在軸上的合力。機(jī)械振動(dòng)影響各種機(jī)械的工作性能，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，危害機(jī)器的安全運(yùn)行及產(chǎn)

11、生噪聲。半掛車(chē)車(chē)軸在工作過(guò)程中會(huì)受到各種隨機(jī)的振動(dòng)和沖擊。車(chē)軸的力學(xué)分析部分適用于按許用彎曲應(yīng)力法計(jì)算出軸的軸徑、軸承個(gè)數(shù)(支承點(diǎn)個(gè)數(shù))等。如需進(jìn)行其它設(shè)備產(chǎn)品校核可對(duì)程序校核部分稍加修改并預(yù)留二次開(kāi)發(fā)接口。部分代碼如下： T = 9550000 * P / n1 Ft = 2 * T / d1 /圓周力Fr = Ft * Tan(20 * 3.1415926 / 180) / Cos(beta) /徑向力Fa = Ft * Tan(beta) /軸向力Dim Mb1 As Double /各點(diǎn)彎矩Dim Mb2 As DoubleDim Mc As DoubleMb1 = Sqr(Mhb1

12、* Mhb1 + Mvb * Mvb)Mb2 = Sqr(Mhb2 * Mhb2 + Mvb * Mvb)Mc = Sqr(Mhc * Mhc + Mvc * Mvc)Private Sub Combo1_Click()sql = "select * from jc1 where 軸材料的強(qiáng)度極限='" + Combo1.Text + "'" 數(shù)據(jù)庫(kù)的定義和自動(dòng)調(diào)用的部分程序代碼如下： Adodc1.RecordSource = sqlAdodc1.RefreshWith Adodc1.RecordsetIf .RecordCount &

13、gt; 0 ThenText11.Text = .Fields("對(duì)稱(chēng)循環(huán)許用彎曲應(yīng)力")Text12.Text = .Fields("脈動(dòng)循環(huán)許用彎曲應(yīng)力")End IfEnd WithEnd SubAdodc1.RecordSource = "select * from jc1"Adodc1.Refreshrs = "select 軸材料的強(qiáng)度極限 from jc1"Adodc1.RecordSource = rsAdodc1.Refresh圖3為車(chē)軸參數(shù)化設(shè)計(jì)交互式操作界面顯示。圖3 車(chē)軸參數(shù)化變型設(shè)計(jì)交互式

14、操作3 實(shí)例應(yīng)用基于參數(shù)化變型設(shè)計(jì)技術(shù)，以某型號(hào)車(chē)軸為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)?；具^(guò)程是：當(dāng)用戶(hù)輸入正確的用戶(hù)名和密碼后，可進(jìn)入變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行操作。進(jìn)入?yún)?shù)維護(hù)界面，可調(diào)入或輸入各種參數(shù)，也可以進(jìn)行維護(hù)、修改等操作。應(yīng)注意不要輸入不符合實(shí)際要求的參數(shù)，否則，無(wú)法進(jìn)行變型設(shè)計(jì)（系統(tǒng)會(huì)提示相關(guān)信息），如圖3所示。當(dāng)正確輸入完所有相關(guān)參數(shù)后，點(diǎn)擊圖中“確定”按鈕，系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)算后，將進(jìn)入車(chē)軸力學(xué)分析界面，如圖4所示，同時(shí)在程序中進(jìn)行材料、優(yōu)化計(jì)算，將車(chē)軸模型實(shí)例化，就得到一個(gè)車(chē)軸實(shí)例。用戶(hù)發(fā)現(xiàn)車(chē)軸變型設(shè)計(jì)并不理想，可重新“返回”操作。圖5和圖6，可以直觀感受到參數(shù)化變型的實(shí)際應(yīng)用。圖5是企

15、業(yè)目前產(chǎn)品的一種規(guī)格，而圖6是通過(guò)本軟件參數(shù)化變型后輸出的一種新的規(guī)格尺寸的產(chǎn)品。圖4 車(chē)軸力學(xué)分析4 結(jié)束語(yǔ)本文通過(guò)分析基于參數(shù)化變型設(shè)計(jì)的原理和方法，結(jié)合車(chē)軸系列產(chǎn)品的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)實(shí)例，詳細(xì)地闡述了其設(shè)計(jì)方法。設(shè)計(jì)結(jié)果顯示，運(yùn)用參數(shù)化變型設(shè)計(jì)技術(shù)，不僅能減少常規(guī)文件的大小，加快了設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)而且易學(xué)易懂。目前該系統(tǒng)已部分交付使用和維護(hù)，運(yùn)行效果很好。本文采用高級(jí)語(yǔ)言Visual Basic Application(VBA)與SQL*server2000數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)接口技術(shù)以及AutoCAD2000應(yīng)用軟件等，從而實(shí)現(xiàn)了圖形與非圖形信息的集成，能使設(shè)計(jì)過(guò)程所見(jiàn)即所得，很好地實(shí)現(xiàn)車(chē)軸參數(shù)化變型

16、自動(dòng)設(shè)計(jì)。參 考 文 獻(xiàn)STUDY ON CARRIAGE AXLE DESIGN BASEDON PARAMETER VARIABLE DESIGN TECHNOLOGYFANG Xifeng ZHU Chengshun ZHANG Shengwen1 REN Jianli2(1. Machinery-dynamics Engineering Institute, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003,China;2. Shengyuan Coal Mine of Handan Mining Group,

17、 Zhangjiakou 075000, China)Abstract: Carriage axle is a key part for the carriage body. According to its many standards, parameter constraint and easydamage, the design for the axle is very complicated. How to decrease the design time and find the main failure or error of theaxle is a key problem. The parameter variable design is adopted and the computer aided carriage series axle assembling