廉學(xué)勤，李俊源

(浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造和先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310014)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化的加劇，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也變得更加劇烈，這就迫使我國企業(yè)需要極大地提高生產(chǎn)自動(dòng)化程度和物流自動(dòng)化程度來應(yīng)對(duì)劇烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。尤其在飛速發(fā)展的今天，占據(jù)主導(dǎo)地位的工業(yè)化生產(chǎn)，伴隨著我國工業(yè)4.0 的提出，提高生產(chǎn)和物流自動(dòng)化程度顯得尤為重要。不管是工廠中的生產(chǎn)線，現(xiàn)代倉儲(chǔ)物流還是快遞行業(yè)，都需要大量輸送線設(shè)備來進(jìn)行物料運(yùn)輸并且輸送設(shè)備需求越來越大，在今后幾十年中輸送線設(shè)備需求還將穩(wěn)步增長(zhǎng)。

目前，我國大多數(shù)輸送線設(shè)備設(shè)計(jì)都還處于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法階段，并且每個(gè)客戶需求都不盡相同，使得個(gè)性化產(chǎn)品和定制化產(chǎn)品的需求大大的增加［1］。企業(yè)需要根據(jù)設(shè)計(jì)需求對(duì)輸送線產(chǎn)品進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，這樣就增加了設(shè)計(jì)成本、延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期，使得企業(yè)不能快速響應(yīng)市場(chǎng)。而基于模塊化和參數(shù)化的快速響應(yīng)設(shè)計(jì)可以很好的解決這一矛盾。由于輸送線設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，并且工廠生產(chǎn)線、現(xiàn)代物流中的倉儲(chǔ)物流輸送設(shè)備和快遞行業(yè)的輸送分揀機(jī)構(gòu)之間都具有很大的設(shè)計(jì)相似性，都是由驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)架和輸送輥筒構(gòu)成，另外還包括轉(zhuǎn)向裝置。這就為研究人員對(duì)輸送線設(shè)備進(jìn)行模塊化和參數(shù)化的快速響應(yīng)設(shè)計(jì)提供了很好的依據(jù)，從而達(dá)到提高企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，減少設(shè)計(jì)開發(fā)周期，進(jìn)行產(chǎn)品的系列化設(shè)計(jì)的目的［2］。

本研究通過分析工廠生產(chǎn)線輥筒輸送設(shè)備和倉儲(chǔ)物流輥筒輸送線的設(shè)計(jì)方法和組成結(jié)構(gòu)所具有的設(shè)計(jì)共性，將模塊化設(shè)計(jì)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法運(yùn)用到輸送線設(shè)備的設(shè)計(jì)中。

1 模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是根據(jù)產(chǎn)品功能需要設(shè)計(jì)出滿足設(shè)計(jì)要求的功能模塊，并對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行重組形成產(chǎn)品的一種設(shè)計(jì)方法。模塊化設(shè)計(jì)一般采用功能結(jié)構(gòu)映射的方法來分解，它可以將一個(gè)復(fù)雜的產(chǎn)品設(shè)計(jì)分解成若干個(gè)較為簡(jiǎn)單的子模塊，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。模塊化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于把每個(gè)模塊進(jìn)行系列化和標(biāo)準(zhǔn)化，并且劃分的模塊易于拆分和重組［3-4］。在模塊劃分時(shí)要遵循以下規(guī)則:①模塊劃分應(yīng)有相對(duì)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn);②為了避免模塊本身的復(fù)雜程度和混亂，應(yīng)該適量減少產(chǎn)品劃分的模塊數(shù);③以有限的模塊數(shù)獲得盡可能多的產(chǎn)品組合方案，達(dá)到用戶的要求;④模塊本身具有一定的獨(dú)立功能且結(jié)構(gòu)完整;⑤模塊劃分時(shí)應(yīng)考慮制造工藝性和經(jīng)濟(jì)性［5］。

根據(jù)上述模塊化設(shè)計(jì)原則和輥筒輸送機(jī)的特點(diǎn)，筆者以雙鏈輥筒輸送機(jī)為例把輸送機(jī)劃分為:直線型輸送機(jī)、彎道型輸送機(jī)、分合流型輸送機(jī)、頂升移栽、頂升轉(zhuǎn)臺(tái)和擺動(dòng)式分路器6個(gè)部分。

雙鏈輥筒輸送機(jī)模塊劃分圖如圖1 所示。

圖1 雙鏈輥筒輸送機(jī)模塊劃分圖

參數(shù)化設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)格化、系列化的一種簡(jiǎn)單、高效和快速的方法。通過改變結(jié)構(gòu)特征某一部分或者某幾部分的尺寸，基于參數(shù)化驅(qū)動(dòng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特征中相關(guān)部分的自動(dòng)改動(dòng)。參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本手段有程序驅(qū)動(dòng)和尺寸驅(qū)動(dòng)。程序驅(qū)動(dòng)法是通過編寫驅(qū)動(dòng)模型尺寸之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式來生成所要求的模型，尺寸驅(qū)動(dòng)法是驅(qū)動(dòng)基本模型草圖中一系列尺寸來生成新的模型［6-7］。根據(jù)程序法和尺寸法的特點(diǎn)，該系統(tǒng)采用尺寸法。其部分零部件參數(shù)關(guān)系如下:

筆者根據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念、特點(diǎn)和方法，以及雙鏈輥筒輸送機(jī)的特點(diǎn)，確定雙鏈輥筒輸送機(jī)的主要參數(shù)有:運(yùn)送貨物的長(zhǎng)度、寬度和貨物的重量，輸送機(jī)輸送速度、高度，以及在彎道設(shè)計(jì)時(shí)彎道的內(nèi)徑等。

在模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中需要數(shù)據(jù)庫的支撐。該系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)管理軟件SQL Server 建立了雙鏈輥筒輸送機(jī)的數(shù)據(jù)庫，也就是建立模型的特征參數(shù)數(shù)據(jù)庫，當(dāng)選取該模型時(shí)，也就可以得到該模型的特征參數(shù)。本研究利用VB6.0 中的數(shù)據(jù)存取技術(shù)(ADO)，通過編寫程序?qū)崿F(xiàn)SolidWorks 模型特征參數(shù)與數(shù)據(jù)庫的連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫中參數(shù)的調(diào)用，并且該數(shù)據(jù)庫可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的添加、刪除和修改［8］。數(shù)據(jù)庫中某類型輥筒部分軸承的選型尺寸規(guī)格如表1 所示。

表1 某型號(hào)輥筒部分軸承選型尺寸表

2 快速響應(yīng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

輥筒輸送機(jī)中各個(gè)模塊的參數(shù)化系統(tǒng)可以作為整體來進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以根據(jù)設(shè)計(jì)需求對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)設(shè)計(jì)。首先筆者根據(jù)客戶輸送線設(shè)備的的設(shè)計(jì)需求進(jìn)行分析并轉(zhuǎn)化產(chǎn)品定義時(shí)所需產(chǎn)品級(jí)參數(shù);然后通過建立的人機(jī)交互界面輸入設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)所需要的設(shè)計(jì)參數(shù);再次通過總裝體和子裝配體之間的參數(shù)傳遞關(guān)系對(duì)雙鏈輥筒輸送機(jī)的各個(gè)模塊進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng);再通過驅(qū)動(dòng)零件級(jí)參數(shù)來生成三維模型和通過模塊間的重組形成產(chǎn)品［9］。最后筆者進(jìn)行產(chǎn)品分析，若滿足全部設(shè)計(jì)要求，通過SolidWorks 三維圖和工程圖之間的信息傳遞的特點(diǎn)和建立的工程圖的模板，進(jìn)行工程圖生成。若不滿足要求，則通過修改模型達(dá)到要求后，進(jìn)行工程圖生成。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞過程圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳遞過程圖

2.2 系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)

通過對(duì)某物流企業(yè)提出的需求(①輸送機(jī)的快速設(shè)計(jì);②用戶權(quán)限及信息管理;③實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的聯(lián)接)進(jìn)行分析，得到系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖3 所示。系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)主要分為用戶層、功能層和基礎(chǔ)層。其中:用戶層是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、易于操作;功能層主要是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì);基礎(chǔ)層支持?jǐn)?shù)據(jù)交換和系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。功能層包括系統(tǒng)界面模塊和系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)模塊，程序結(jié)構(gòu)模塊是系統(tǒng)的核心部分，程序編寫的條理性關(guān)系到后續(xù)的修改和維護(hù)［10］。系統(tǒng)界面模塊包括3個(gè)部分:①用戶信息管理模塊，實(shí)現(xiàn)用戶權(quán)限管理;②系統(tǒng)參數(shù)界面，具有較好的人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)快速的參數(shù)傳遞和轉(zhuǎn)化;③裝配體以及零部件設(shè)計(jì)模塊。系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)分為3個(gè)模塊:①調(diào)用數(shù)據(jù)庫模塊，完成對(duì)數(shù)據(jù)庫的操作，包括對(duì)數(shù)據(jù)庫查詢、修改、添加和刪除等;②三維模型驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)模板庫中的模型進(jìn)行更新;③工程圖驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)工程圖模板庫中的模型進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的連接。

3 輸送機(jī)關(guān)鍵參數(shù)的確定

圖3 系統(tǒng)框架圖

由于輥筒輸送機(jī)在彎道設(shè)計(jì)時(shí)要采用錐形輥筒，并且貨物在彎道上行駛時(shí)有縱向滑移，故在彎道設(shè)計(jì)時(shí)要考慮到縱向滑移的量，然后通過綜合考慮來確定彎道的寬度，最終也就確定了直線型輸送機(jī)、分合流輸送機(jī)、頂升移栽、頂升轉(zhuǎn)臺(tái)、擺動(dòng)式分路器的寬度［11-12］。其彎道型輸送機(jī)輥筒長(zhǎng)度度如圖4 所示。其長(zhǎng)度由公式確定:

式中:B—輥面的長(zhǎng)度;R—彎道內(nèi)半徑;A—輸送物體的寬度;L—輸送物體的長(zhǎng)度;Δ—長(zhǎng)度余量，一般取50 mm～150 mm。

圖4 彎道輥筒長(zhǎng)度示意圖

在雙鏈輥筒輸送機(jī)的彎道設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮到鏈條與鏈輪的嚙合的平行度誤差，當(dāng)鏈傳動(dòng)兩鏈輪軸線間的平行度誤差較大時(shí)，可能產(chǎn)生嚙合鏈條沿鏈輪齒爬高，而兩鏈輪之間的平行度誤差由彎道輸送機(jī)兩個(gè)輥筒之間的夾角來確定，根據(jù)滾子鏈嚙合誤差公式:

式中:Δx—平行度誤差，b—鏈輪齒寬，b1—嚙合鏈條內(nèi)鏈節(jié)內(nèi)寬，Δ—嚙合條內(nèi)外鏈板間間隙，d2—鏈輪的分度圓直徑。

根據(jù)彎道型雙鏈輥筒輸送機(jī)可知，彎道中兩個(gè)輥筒之間的夾角α 與平行度誤差Δx具有以下關(guān)系:

4 快速響應(yīng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)例

本研究根據(jù)某企業(yè)提出的輸送線設(shè)計(jì)要求(輸送速度平穩(wěn)、輸送機(jī)高度與出進(jìn)料設(shè)備保持在同一個(gè)水平面、滿足物料的運(yùn)輸效率)以及測(cè)量的物料參數(shù)(重量10 kg、長(zhǎng)度和寬度都是500 mm)和輸送線的布局形式及長(zhǎng)度進(jìn)行分析并把這些設(shè)計(jì)要求轉(zhuǎn)化為雙鏈輸送機(jī)設(shè)計(jì)所需的參數(shù)，然后通過系統(tǒng)建立的人機(jī)交互界面(以直線型為例的界面如圖5 所示)輸入設(shè)計(jì)所需的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過程序中的參數(shù)轉(zhuǎn)化公式和和建立的模型關(guān)系方程式對(duì)各個(gè)設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動(dòng)，然后再對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行模塊重組，最終完成了某條雙鏈輥筒輸送機(jī)倉儲(chǔ)物流輸送線的快速響應(yīng)設(shè)計(jì)。

通過重組生成的某條雙鏈輥筒輸送機(jī)倉儲(chǔ)物流輸送線三維裝配體圖如圖6 所示。

圖5 直線型輸送機(jī)人機(jī)交互界面

圖6 雙鏈輥筒輸送機(jī)三維裝配體圖

5 結(jié)束語

本研究基于SolidWorks 軟件平臺(tái)，通過運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)理論、參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，以及SolidWorks API 函數(shù)和Visual Basic 編程語言實(shí)現(xiàn)了輥筒輸送機(jī)的快速響應(yīng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)，并且根據(jù)SolidWorks 三維模型和二維工程圖之間信息可以雙向傳遞的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)和生產(chǎn)之間聯(lián)接，大幅度提高了設(shè)計(jì)效率。通過對(duì)系統(tǒng)界面的人性化設(shè)計(jì)，用戶只需輸入幾個(gè)必要的參數(shù)和對(duì)模型進(jìn)行局部的修改就可以得到滿足設(shè)計(jì)要求的產(chǎn)品，極大地提高了企業(yè)響應(yīng)市場(chǎng)的能力，提高了企業(yè)的市場(chǎng)核心競(jìng)爭(zhēng)力，縮短了設(shè)計(jì)周期和降低了設(shè)計(jì)成本。

目前，該系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)過測(cè)試使用，在實(shí)際的設(shè)計(jì)生產(chǎn)中得到了很好的應(yīng)用。

［1］程賢福，蘭光英，朱啟航，等.面向可適應(yīng)性的橋式起重機(jī)車輪組參數(shù)化產(chǎn)品族設(shè)計(jì)方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2014，31(11):13-17.

［2］上官林建，張偉超，王宗領(lǐng).基于SolidWorks 的混凝土攪拌站(樓)的三維快速設(shè)計(jì)［J］.華北水利水電大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015，36(1):61-65.

［3］高衛(wèi)國，徐燕申，陳永亮，等.廣義模塊化設(shè)計(jì)原理及方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43(6):48-54.

［4］胡春裕，曹守啟，呂 超.基于廣義模塊化的破碎機(jī)械快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2013，30(5):82-84，88.

［5］王金剛，崔志成，劉立忠，等.基于廣義模塊化的半掛油罐車快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)研究［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2011(3):76-80.

［6］司愛國，梁德義，李虎子.基于SolidWorks 二次開發(fā)的牙嵌式離合器參數(shù)化建模技術(shù)［J］.機(jī)電工程，2014，31(10):1254-1257.

［7］何仁財(cái)，萬筱軍，吳兆勝，等.基于Solid Works 虛擬設(shè)計(jì)飼料加工成套設(shè)備［J］.包裝與食品機(jī)械，2013，31(2):60-62.

［8］尹 超，仲梁維.橋式起重機(jī)車輪組參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2014，36(5):37-40.

［9］REYNERSON C M.Developing an efficient Space System Rapid Design Center［J］.IEEE Aerospace Conference Proceedings，2001，7(1):3517-3522.

［10］李群力.橋式起重機(jī)整機(jī)三維參數(shù)化快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.太原:中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，2014.

［11］馬長(zhǎng)友，翟慶宏.動(dòng)力驅(qū)動(dòng)式曲線輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)的設(shè)計(jì)［J］.煉油與化工，2009(3):50-51.

［12］肖 鵬，榮 亮，韓凌飛，等.鹽化行業(yè)輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)參數(shù)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.鹽業(yè)與化工，2014(5):29-32.