堆垛机的参数化设计

堆垛机是自动化立体仓库的主要设备，属于非标产品，个性化程度较强。但是从堆垛机的功能、结构、零部件的形状进行分析，可以发现同种功能的零部件具有相似的结构与外形轮廓特征，因此可实现通用化、系列化、标准化设计，同时也具备了参数化设计的基本条件。参数化设计不仅能显著提高堆垛机集成化设计效率，有利于缓解任务压力，而且能进行优化结构设计，提高设计质量，避免差错，可快速响应个性化的市场要求。由于参数化设计大量使用内部嵌入、链接、后台运算，因而可实现技术文件的同步输出，是堆垛机集成化设计的有力工具(参见《物流技术与应用》2005年第5期)。

堆垛机参数化设计思路

基于堆垛机功能特性，组成堆垛机的部件具有结构、功能的相同性，它的结构变化必然有规可循，应用拓扑规律建立参数和几何约束典型模型具有可操作性。由于参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，因而可用一组参数和几何约束该模型的结构尺寸与拓扑关系，当赋予不同的参数序列值时，就可驱动典型模型，获得满足设计要求的零件模型，实现标准化、系列化、通用化的设计。

堆垛机的参数化设计是基于机械结构模块的参数化设计，它以机械结构模块为设计的基本单元。机械结构模块是指具有尺寸互换性的机械结构部件，其安装链接部分的几何参数满足某种规定的要求，并能保证通用互换或兼容。将整体结构按系列划分，形成从属逻辑关系，典型模型包含通用件、标准件集合与拓扑变形件集合。堆垛机的参数化设计就是解决模块中的拓扑变形部分。

在模块的设计过程中，首先确定各模块的性能参数、几何尺寸参数、基本结构布局与各模块之间的结合形式。这些参数将作为模块的主驱动参数，让次要参数依赖于主驱动参数，利用方程式设计成某种比例关系或几何约束关系。模块间的接口数据有定义说明，作为设计计算模块的数据接口和样机模型的输入接口。堆垛机的参数化设计步骤

堆垛机的参数化设计总体分为三个阶段。第一阶段：相应典型模块中零部件的建模、装配、参数化、数据库的建立、接口数据的定义说明；第二阶段：接口模块的实现，将计算模块的输出数据转化为生成模型所需的输入参数；第三阶段：应用有限元分析软件对生成模型进行结构和力学性能校核分析，实现优化设计，生成相应零部件的二维工程图。

堆垛机参数化设计的主要步骤如图1所示。

模型建立与参数化设计要点

在模型建立之前，应先对零件的特征进行拓扑分析，建立最基本的构架特征，然后依据重要性进行类推，最后建立辅助特征。一些外表性的特征(如倒角、圆角)虽然对零件的整体形状影响较小，但很容易造成参数化驱动失败，因此这些要素最好放到最后生成。

标准件按零件设计手册中的公称尺寸参数构建模型，通用件有固定关系的尺寸参数应在模型中建立方程式、几何约束关系或建立数据库。还要为每一种标准件建立数据库，如螺栓、垫圈、螺钉、键等标准件和通用件的数据库，每个数据库由相应标准件的国标参数表和与其公称参数对应的长度系列表组成，并作为应用程序的数据源层。

零件的二维工程图属性(名称、图号、材料、重量)应在模型中建立，便于装配体自动提取生成材料明细表。

视零件的不同特征及不同的设计要求，应采取不同的驱动方式。对具有相关标准约束的工件，因其参数已有规范规定，故采用系列零件设计表来驱动，通过生成不同的配置来实现模型的改变。与标准件配合有关的参数，在装配体中应建立方程式与几何约束关系，通过尺寸驱动来实现。

对有位置关系及装配关系的零部件，应建立几何约束关系和尺寸方程式，以确定模块之间、零部件之间的链接、配合、位置关系。

要注意设计人性化的人机界面。简单的拓扑变形驱动参数从列表中提取，复杂的参数由模块中数学模型计算生成。

设计计算模块构建

在堆垛机设计过程中，需要查询起重行业标准及设计手册的大量数据。在构建标准件的数据资料时，应在相关功能的支持下，实现程序与数据的链接，使设计所需的数据可以随时调用，并在不断的使用过程中使数据库得到不断扩充，从而能够方便快捷地满足设计的需求。

在设计中涉及到大量的数学计算、经验、历史数据的查询，起重行业标准文献的引用，标准结构和可参数化结构图块及原有图形资源共享等工作，为避免繁琐的重复计算与查表，共享资源的选取应体现专业性，可根据用户订单要求设计参数。例如，提供堆垛机货物重量P、货物长度L、宽度W、高度H、提升速度Vt、运行速度Vx、货叉伸缩速度Vc、最大提升高度Hmax等要素，便可采用计算模块，完成对堆垛机承载运动典型零部件的设计计算(如车轮、轴、轴承和键、链等的计算)。

接口模块构建

应用编程语言，建立良好的用户界面，提供数据库数据的查询、读取等功能，利用对象链接与嵌入技术，实现对象属性的设置和调用，来完成对零件的建模、修改和压缩等各项控制，获取零件的装配、零件工程图中的各项信息、各种几何和拓扑信息，并完成对特征尺寸的设置和提取。

校核模块构建

该模块的功能是对单一的模块进行校核来实现结构参数的再确定，并将结果反馈给计算模块。对单一模块校核，以工作对象和工作环境为基本参数构建结构，简化了模型，通过Solidworks设计平台下的校核功能验证认可后，再确定单一模块的总体尺寸和截面尺寸，从而得到优化设计的目的。

工程图构建

二维工程图纸直接用来指导生产，它是堆垛机参数化设计的最终输出。在整个设计过程中，模型与工程图双向驱动，模型改变后，在图纸管理器中设定相应图幅及图纸比例，可以自动生成相应的工程图，各种剖视、尺寸、公差标注、注释输入等符合国标。

参数化模块确定

依据堆垛机设计和功能要求，可将堆垛机划分为标准件及通用件，包括车轮、断绳保护、缓冲器、下横梁、货叉装置、载货台、上横梁、导轮组、卷筒等模块，如图2所示。例如进行卷筒设计时，只要输入起升高度、钢丝绳直径、联接轴数据，便可自动确定卷筒长度、直径、槽型，并输出二维工程图。

CAPP模块的确定

由于在零部件模型中已建立相应的属性，包括零件名称、图号、材料、数目、重量、备注要求等，所以可建立工艺模块，以设计模块为资源库，与CAPP进行链接，通过工艺模块中数学模型完成有关计算，形成工艺文件并完成输出。

堆垛机的参数化设计是基于Solidworks设计平台下的计算机辅助设计工具，实现了对堆垛机相应模块结构的优化设计、工艺设计，技术人员可以借助设计系统的辅助，按照设计步骤，高效率、高质量地完成堆垛机的设计与技术文件的输出。