液压缸部件的参数化设计

-.z液压缸部件的参数化设计【摘要】在制图软件中，参数化设计方法的研究已成为研究和开发的热点，参数化建模，参数化分析，逐渐成为一种趋势。而基于vba的solidworks二次开发应用更为普遍，简单的开发环境让很多用户使得繁琐、机械的日常办公实现自动化，从而提高办公效率。本文在参阅了大量对参数化设计的文献根底之上，以液压缸的参数化设计为例，进一步探讨了参数化的开展和过程。并根据参数化过程中的api函数来阐述设计方法，使得设计人员能够从繁琐的绘图工作中解脱出来，集中精力选择和优化设计参数，以提高产品质量，缩短产品设计周期。

【关键词】vba；solidworks；参数化；液压缸

引言

一部现代机器，如果不是以行走为工作目的，它通常由机架、原动机、传动装置和工作机构四个主要局部构成，其中机架为载体，原动机的作用是进展能量形式的转换，为机器提供适当形式的动力，传动装置的作用是进展动力的传递，工作机构即执行机构，其作用是消耗能量而做功。如果原动机将其他形式的能转换成液压能，执行元件消耗液压能而做功，则称为液压机械〔或液压机〕。液压机械的执行元件即做功元件是液压马达和液压缸。液压马达和液压缸是通用化和标准化程度很高的液压元件，用户或设计者在研制一部新的液压机械时，应尽量选择标准化的液压元件，以防止金钱的浪费和时间、精力的消耗。但由于使用要求的千差万别，液压元件的专用化设计是不可防止的，其中以液压缸设计居多。这是由于液压缸配置的灵活性、设计、制造比较容易、维护比较方便的特点决定的。因而，相对其他液压元件而言，液压缸的设计是极为常见的，这也是工程技术人员必须具有的一种根本技能。

1、液压缸构造分析和优化的开展状况

液压缸能与各种传动机构相配合，完成复杂的机械运动，所以应用*围很广。其中在工程机械、矿山机械上的用量最大，其次是金属切削机床、锻压机床、注塑机，在船舶、飞机、农业机械、冶金设备及其他自动化设备和装置中也大量应用。近年来，国内外发表了不少论文，研究了液压缸的稳定性、可靠性、强度和局部应力、液压缸的运动特性、缓冲理论和液压缸的寿命等问题。本文将针对液压机上用的液压缸进展讨论。

液压缸是液压机的主要部件，它的作用在于把液体压力能转换为机械功。高压液体进入缸内后，作用于活塞(柱塞)上，经活动横梁将力传到工件上，使工件产生塑性变形。

液压缸制造工艺复杂，对材料、外表质量、加工精度要求很高，同时价格昂贵，少则几万元，多则几十万、上百万元，因此对液压缸的设计要十分慎重。在生产应用中，液压机的工作缸常由于以下几个设计方面的原因，导致其过早损坏。

(1)由于构造尺寸设计不合理，法兰高度太小或法兰外径过大，而使局部应力过高。*台200000锻造液压缸，其法兰高度仅为缸壁厚度的l.1倍，法兰处计算应力超过250mpa，工作1-2年后，两个缸先后破裂。更换新缸时,增大了法兰高度，减小了法兰外径，使用多年未坏。

(2)从缸壁到法兰的过渡区构造设计不合理，也会引起很大的应力集中。如一台6300kn液压机的工作缸，由于法兰过渡圆弧半径仅为4mm，使用不久就出现裂纹，裂纹扩展后，整圈法兰断裂脱落。为防止此种情况，可以对法兰处的过渡形线进展优化设计，选择能降低应力集中系数的形线。

(3)从缸底到缸壁的过渡区产生弯曲应力并有应力集中，此处圆弧半径太小是缸底破裂的主要原因之一，一般不应小于液压缸内直径的1/8。有几台液压缸的缸底圆弧半径分别为液压缸内直径的1/12.7,1/10和1/9，结果液压缸均曾在缸底破裂。因此，正确合理地设计液压缸是至关重要的。在传统设计中，液压缸的分析计算采用材料力学和弹性力学方法，并对受力情况作假设干假设，但传统的弹性力学计算方法由于模型简单，所作的假设不能准确地反映实际情况，并且应力计算没考虑局部应力场的影响，所以误差较大。因此，学者对此作了许多研究和改进，提出了一些新的弹性力学计算方法，其中，对经常破坏的法兰和缸底过渡区研究最多。

新的液压缸强度分析理论和方法己逐步趋于实际应力应变情况，但它只能对液压缸的*个局部进展分析，工程应用中常常需要知道整个液压缸的应力分布情况，因此，需要一种新的分析计算方法即有限元法。有限元法是一种迅速而准确地分析构造强度和刚度等问题的数值计算方法，适于各种复杂构造的力学计算。

2、液压缸的参数化设计原理

将液压缸的组件〔如活塞杆、缸体、活塞、端盖〕按相似形原理归类建构系列产品的根本参数模型，提出参数模型设计参数作为驱动变量，在图形拓扑关系不变的情况下控制组件的几何尺寸。

设计参数的提取原理是能够反映产品的性能和用户的要求，能够控制组件的根本构造，如活塞设计主参数是活塞的外径、孔径和活塞宽度，缸筒的主参数是缸筒的外径和缸筒的长度。但是组件的设计主参数之间有约束关系，如活塞的外径与缸筒的内径相等，活塞的孔径与活塞杆径有函数关系，缸筒的长度与缸的行程、活塞宽度、缸盖和缸底的长度有关系，而活塞宽度又与密封构造、支撑构造以及与活塞杆的联接方式有函数关系。与主参数对应或函数关系的构造尺寸定为参考变量，构造尺寸不随主参数变化的定为常量尺寸。

在solidworks环境下，构造液压缸的零件的二维草图，对草图的点线添加几何约束和尺寸约束，通过旋转，拉伸等操作形成三维模型，用solidworks中的宏录制提取所需的编程代码，通过改变其中的变量，给参数重新赋值，通过函数关系确定，再通过vb中的语句反响到三维模型，模型的拓扑关系没变，但尺寸变化了。

当液压缸设计完成后，形成液压缸的设计主参数汇总表，可在vb添加一个或者多个窗体，将所需的命令按钮、文本框、标签的设置好所需的参数，通过vb中的函数关系来确立将其需要改变的参数改成变量，然后通过输入自己想要的数值给变量赋值，调试、运行后即可得到新的模型零件。

液压缸参数化程序是运用vb语言程序所写，solidworks包含vba这一二次开发的软件工具。vb与solidworks系统严密集成，运用vb程序也可完成与solidworks各种交互动作。

3、活柱的参数化设计

运用solidworks宏编辑，建立活柱的参数化模型。具体建模过程如下：

1)根据液压缸的构造和功能，分析二维图，确定活柱的参数；

需要参数化的参数为：活柱小径d1，活柱大径d2，活柱长度l，活柱杆头圆孔直径d3。将这些参数设置为未知变量，根据用户的要求可自行确定，其他的尺寸可根据以上参数列出方程和代数关系，有些标准件可以不用参数化，这给参数化过程变得简洁了不少。

2)翻开宏新建窗口，点击工具栏的【插入】→【用户窗体】，建立一个窗体，再点击工具箱里的控件，将其添加到窗体中，修改一些控件的属性〔图1〕。

3)绘制草图1

图1为活柱的建模草图：

局部程序代码如下：

dimswappasobject‘定义solidworks对象的变量

dimpartasobject‘定义modledoc对象的变量

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‘翻开零件文件

boolstatus=part.e*tension.selectbyid2(“前视基准面〞,“plane〞,0,0,0,false,0,nothing,0)

part.sketchmanager.insertsketchtrue‘选择前视基准面

以上代码在每个零件的编程过程中都会用到，为常用代码。

在此草图中，用的代码主要是直线代码：

dimsklineasobject

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

(*1,y1,z1)为直线起点坐标，〔z1,*2,y2,z2)为直线终点坐标。

生成三维模型

退出草图工作环境，在特征环境下，选择【特征】→【旋转凸台】，即可生成三维模型。代码如下：

boolstatus=part.e*tension.selectbyid2(“line4〞,“sketchsegment〞,0,0,0,false,4,nothing,0)

‘选择旋转中心线

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

‘选择旋转的草图

part.insertrevolvedrefsurface6.,false,3.,0

‘选择旋转角度，6.即为360度

4)绘制草图2

图3为活柱内部构造草图：

完成活柱的参数化建模过程

图4为生成的活柱三维模型：

总结以上建模过程，基于solidworks宏编辑建立活柱的参数化模型过程如下：

1)根据液压缸的构造和功能，分析二维图，确定活柱的参数；

需要参数化的参数为：活柱小径d1，活柱大径d2，活柱长度l，活柱杆头圆孔直径d3。将这些参数设置为未知变量，根据用户的要求可自行确定，其他的尺寸可根据以上参数列出方程和代数关系，有些标准件可以不用参数化，这给参数化过程变得简洁了不少。

2)翻开宏新建窗口，点击工具栏的【插入】→【用户窗体】，建立一个窗体，再点击工具箱里的控件，将其添加到窗体中，修改一些控件的属性，建立窗体。

4、结论

目前，参数化设计已成为最热门的应用技术之一，能否实现参数化设计也成为评价产品优劣的重要技术指标，这是因为它更符合和贴近现代概念设计以及并行设计思想，工程设计人员设计开场阶段可快速草拟产品的零件图，通过对产品形状及大小的约束最后准确成图。同一系列产品的第二次设计可直接通过修改第一次设计来实现，设计参数不但可以驱动设计结果，而且影响产品的整个开发周期，设计参数可来自于其他系统。但国内目前处于研究阶段，本文就液压缸的参数化设计为例，介绍了solidworks的二次开发工具和参数化思想。在设计过程中重点了解液压缸的构造，这样才能在参数化建模过程中知道要将那些参数设为变量。本此设计的的重点是基于vba的solidworks的二次开发，vba语言的应用是整个参数化的主体