1制作机结构的参数化设计
Solidworks软件提供了API函数接口，通过结合VisualC++编程的二次开发即可以实现参数化建模技术，在VisualC++中编好程序代码，通过API接口函数的调用，可以得到图形化设计界面。2RBW-1500育苗杯制作机作为制作育苗杯的专用机械设备，其每一个执行机构都由不同的零件组成，在传统的整机建模过程中，几乎所有的几何模型都是由固定尺寸值及其特征得到的，这也为以后的结构修改带来很大的麻烦，即使是一个很小的细节改变都可能需要重新设计［7-8］。然而采用参数化建模的方法就可以避免出现这种情况，尤其是对于需要优化设计的机械设备。根据某些具体条件和参数确定某一特定结构下的参数，便可以设计出不同规格的产品。对于无纺布育苗杯制作机，首先需要确定完成各部分功能的机械结构，进而确定机组中主要零件的主要参数及各个尺寸间的数学关系，并用程序语言表征这种数学关系。使用程序时，通过接口调用，输入需要的参数，这样便可由程序函数的数学关系确定相关尺寸值，从而确定整个图形，结合通用的商品化软件，即可处理特定结构的参数化问题。图1所示为整个制作机的机构动作流程，制作机采用三级传动，带动输入、输出、执行机构动作。其中，输入、输出均为六杆滑块机构，执行机构为超声波焊接机构，通过超声波的焊接成型，将扇形的无纺布半成品焊接成锥状的成品育苗杯。超声波焊接部分是整机的关键机构，其焊头角度影响着焊合性能，图2所示为焊头的三维模型，为了体现参数化设计思想，在焊头设计过程中采用了参数一体化建模，即联合VisualC++开发图形化的用户界面，将焊接固定架作为一个整体进行设计。焊头固定架主要由角度调整板Ⅰ、支撑板Ⅰ、焊模固定板、角度调整板Ⅱ、锥形模具、支撑板Ⅱ组成，如图3所示。焊头固定架是制作机中的关键支撑部件，焊模角度调整板主要进行焊模配合角度的调整，由于育苗杯由半成品的无纺布包覆在锥形模具上并经超声波焊接成型，因此焊模角度的精确性决定着焊接性能的优劣，其角度偏差影响焊接保压压力的均匀性。焊头固定架之间通过沉头螺钉连接固定，其相位位置由螺钉孔确定，为了精确控制焊头位置及姿态，保证焊接性能，对焊头固定架进行一体化的参数设计，只要在程序中输入主参数即可得到一体生成的三维固定架模型。
2焊头固定架的参数化设计
焊头固定架的主参数包括角度调整板的倾斜角度、焊模固定板的基本几何尺寸、螺钉定位孔位置。参数化建模的程序为：首先在Solidworks三维设计中创建基体模型，包括组成焊接固定架的所有基本几何单元，采用尺寸驱动法设定基本模型库中的零件模型，再利用已经建好的基本模型，将尺寸参数传递给Solidworks实体模型从而实现实体模型的重建，最终调用API函数，利用VisualC++编辑好的程序创建固定架的几何特征，从而完成整个三维模型的参数化设计。下面为程序的部分参数化设计代码。
3焊头固定架的设计验证
由于固定架的尺寸参数影响最终的焊接性能，其角度的偏差决定着焊合完整性，而且固定架的每一个零件性能都影响机械焊接的稳定性，在焊接压力的作用下要保证结构不产生过大的变形，就必须对所建的模型进行分析，以验证焊头固定架模型的正确性。下面采用有限元方法，验证超声波焊接过程中在焊头施加压力的情况下焊头固定架整体的稳定性和强度。超声波焊头在焊接时其运动为非匀速，由于焊头由一个传动凸轮带动运转，因此瞬时作用力完全取决于传动凸轮轮廓线的曲线轨迹，为了方便处理，采用均匀分布的压力进行近似。由于保压压力是间断性施加的，在考虑极值情况下，这种近似对最终的结果不会产生太大的影响，因此有限元分析的结果能够很好地模拟受力过程中焊头固定架的受力特征。图4所示为焊头固定架受力示意图。焊模固定板和角度调整板Ⅰ、Ⅱ之间通过标准沉头螺钉连接固定，其基本位置尺寸在参数化建模时已经确定。A、B两处为螺钉孔，锥形焊模和焊模固定板也是通过标准沉头螺钉相连，各符号的物理意义见表1。在周期性的焊接保压压力作用下，整个焊头固定架会发生周期性的振动和变形，这种变形不能太大，否则会使锥形焊模和超声波焊头之间的相对位置发生变化，从而导致无纺布的焊接失败。为了模拟在受力情况下焊头固定架的位移、变形、压力分布情况，对焊头固定架进行有限元分析，建立三维模型后，利用Solidworkssimulation分析模块进行有限元模拟。保压压力的峰值在焊接传动凸轮的加速度极值点出现，这里简化处理取Pmax=127MPa。图5所示为焊头固定架有限元网格划分图，图6所示为施加周期性焊接保压压力后球形截面的应力分布图。采用球形截面，可以发现在已知结构设计参数下的有限元分析应力结果，锥形焊模和焊模固定板的连接处是应力最大区域，其值为89.2MPa，这与实际结果相符。在焊接过程中，锥形焊模可以认为是固定于焊模固定板上的简支梁，在压力作用下，两者的连接处为受力最大区域，属于结构上的薄弱环节，因此在设计过程中遇到连接结构时，要选择满足安全要求的连接装置。图7所示为位移有限元分析结果。加载后位移最大值位于锥形焊模前端，最大值为4.27mm，形成简支梁后，变形的极值点位于梁端，这也与实际结果一致。在整体结构中，最前端的位移值在变形区间以内，设计符合要求。通过有限元分析结果，在调整设计参数后发现应力、应变、位移极值所在的点没有改变，改变的只是极值的大小，这说明采用该种结构形式的固定架在焊接保压压力不大的情况下符合使用要求，但当压力过大时会产生较大的变形，这样会严重影响无纺布育苗杯的成型焊接，此时应考虑改变结构，可以将简支梁设计成两个固定端。
4小结
参数化设计方法可以极大地提高设计效率，建立参数化模型后可以利用有限元的模拟工具验证结构设计的合理性。对于育苗杯制作机这一类非标产品，在考虑结构更新的基础上采用参数化建模可以为后续的产品设计节约时间，并且可以直接在原模型的基础上进行优化设计，这种设计方法在机械产品的整个设计周期中具有无可比拟的优势。
作者：王军 刘明刚 汤晶宇 单位：中国林业科学研究院研究生院 国家林业局哈尔滨林业机械研究所 中国林业科学研究院林业新技术研究所
