基于灵敏度分析的轮式装载机铲斗变型设计 ——毕业论文

广西科技大学普通本科毕业设计（论文）说明书课题名称 基于灵敏度分析的轮式装载机 铲斗变型设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及自动化 班 级 学 号 姓 名 指导教师 年 月 日摘 要传统基于经验和类比的设计方法，并不能定量的分析铲斗形状变化对装载机斗容和掘起力的影响问题，因此本文提出了基于灵敏度分析的铲斗设计方法，通过灵敏度分析得到铲斗回转半径与铲斗斗容，装载机掘起力之间的关系，进而得出在满足设计允许误差的条件下，装载机掘起力最大点所对应的铲斗截面几何参数，进行铲斗设计。同时由于课题要进行的是变型设计，而变型设计的目的是使的产品能够快速变型，以适应市场不断变化的需求，所以在Pro/E软件中对所得的铲斗截面数据进行参数化建模，达到能变型的目的。为了使变型界面简洁、清晰，变型操作简单、明了，采用了Visual Studio软件作为开发工具，并结合Pro/E软件自身携带的Pro/Toolkit，对Pro/E自身进行了适当的二次开发，使得铲斗变型设计成为了一个相对独立的模块。并使用灵敏度分析所得出的参数数据进行验证，给出了实例演示。关键词：装载机；铲斗；变型设计；灵敏度分析；参数化建模；二次开发ABSTRACT The traditional design method based on experience and analogy, and not quantitative analysis of bucket shape change of loader bucket capacity and breakout force influence. Therefore, this paper puts forward the bucket design method based on the sensitivity analysis and the sensitivity analysis get bucket radius of gyration and the bucket bucket capacity and loading the relationship between machine digging force, to meet the design allows for error conditions, select the loader digging force maximum point corresponds to the bucket sectional geometric parameters and design of bucket and obtained.Also due to variant design is subject to be carried out, and the purpose of variant design is to make their products to the rapid variant, in order to adapt to the changing market demand, so in Pro / E software bucket section data on income were parameterized modeling, can be modified to achieve the purpose of.In order to enable variant interface is simple, clear, variant operation is simple, clear, the visual studio software as a development tool, and combined with the Pro / E software to carry their own Pro / Toolkit, appropriate secondary development of Pro / E, the bucket variant design has become a relatively independent modules. The parameters obtained from the sensitivity analysis are verified, and an example is given.Key words: loader；bucket；variant design；sensitivity analysis；parametric modeling；secondary development目录第一章 绪论1第一节 课题研究背景1第二节 课题研究的目的和内容1一、课题研究的目的1二、课题研究的内容2第三节 课题研究现状与国内外发展趋势2第二章 基于灵敏度的铲斗优化设计4第一节 灵敏度的概念4一、灵敏度的定义4二、灵敏度的作用4第二节 回转半径对斗容的灵敏度分析4一、公式及参数范围的选择4二、 分析过程6第三节 回转半径对掘起力的灵敏度分析10一、掘起力及相关公式的介绍10二、 分析过程11第四节 斗容与掘起力的共同分析14一、铲斗设计的方法14二、最优数据的选取14第三章 基于Pro/E软件的铲斗变型16第一节 建模软件的选择16第二节 参数化建模过程及变型16一、建模过程16二、变型过程19第三节 对铲斗变型的思考20第四章 面向Pro/E软件的二次开发21第一节 二次开发软件介绍21第二节 二次开发过程21一、开发环境配置21二、 总体框架的设计及进行24第三节 二次开发成果演示30结束语32致谢33参考文献34附录136附录240附录341第一章 绪论第一节 课题研究背景装载机是一类主要用来往其他机械设备（货运车辆、传送带、火车等）中“装载”产品货物的工程机械（工程车辆）设备。它在减轻劳动强度，加速工程建设，提升工程质量，降低工程成本等方面起着十分重要的作用，正是由于存在这些优势所以装载机广泛地运用于各类工程建设之中，是现代化机械施工中不可缺少的主要设备之一。目前，我国国内装载机的保有量约为70万台左右，但随着我国经济的不断发展，各类工程建设的不断出现，装载机的需求量将会不断增长。在未来，装载机将具有非常广阔的市场前景。装载机主要由：动力装置、传动系统、液压系统、工作装置、制动装置、电力系统、驾驶室总成、车架、平衡重以及一些覆盖件和附件组成。其中的工作装置是装载机实现物料铲装的直接机构，它毫无疑问是装载机结构中重要的一环，而本课题的研究的对象铲斗，则是装载机工作装置中的重要组成部分。主要是对铲斗在变型设计领域里的研究。铲斗是转载机上直接用来切削、收集、运输和卸出物料的装置，装载机工作时的插入能力及铲掘能力都是通过铲斗直接发挥出来的，铲斗的结构形状及尺寸也直接影响装载机的工作能力和效率，所以铲斗设计的好坏对于装载机的性能有着直接且重要的影响。对于设计上存在缺陷的铲斗，能在最短时间内修正是极为重要的，同时在不同的工作环境下，对于铲斗的要求也会各自不同，所以铲斗的设计要具有一定的灵活性。但目前国内的铲斗设计还基本停留于传统的经验设计法和类比设计法中，这样的设计方法不但无法对铲斗进行定量的分析，而且会使得其设计成本的增加，同时也延长了产品的开发周期，已经逐渐满足不了市场快速变化的需求，为了能够较快地响应市场的变化，缩短产品开发周期，同时能够保证产品质量和产品的可靠性，本文提出了通过对其进行灵敏度的分析来进行变型设计。第二节 课题研究的目的和内容一、课题研究的目的变型设计的主要目的是在于最大程度地重用企业的现有资源，使其能够在最短的时间内，用较低的成本，针对客户所提出的不同要求，提供能满足其需求的高质量产品。使产品具有灵活性，紧贴市场需求，能够快速抢占市场，有利于企业不断的发展壮大。总而言之，变型设计的作用是:1、最大程度地重用企业现有成熟产品资源，加快产品设计效率;2、加强企业快速响应市场变化需求的能力，提高企业核心竞争力;3、保证产品的质量、可靠性，减轻开发成本，缩短开发周期。 所以，本课题铲斗的变型设计在研究时，会遵从以上的设计理念，把铲斗做为研究对象，对其进行变型设计。研究目的是为了设计出一个可变型的铲斗模型，而变型的基础是基于铲斗的灵敏度分析，其具体来说就是铲斗斗容与铲斗回转半径之间的灵敏度分析以及铲斗掘起力与铲斗回转半径之间灵敏度分析。二、课题研究的内容本课题研究的主要内容为运用MATLAB软件，通过对铲斗进行灵敏度分析，建立铲斗回转半径与铲斗斗容之间的变化曲线，接着通过分析得到的变化曲线，得出最满足斗容误差的几个点，并对这些点进行掘起力的分析，最后得到在铲斗回转半径变化的同时，斗容变化对装载机掘起力变化的影响。并且得出在满足斗容误差的条件下装载机掘起力最大的点以及这个点处的各尺寸参数，根据这些参数建立可变型的铲斗三维模型。其具体的阶段性的研究内容如下：1、根据选定的铲斗额定斗容和铲斗内壁宽度，通过计算机选定各相关参数、和，计算相应的铲斗回转半径R和对应的斗容误差，同时列表记录下计算出的数据及各自的系数；2、 在表中筛选去除斗容误差范围超出2.5%的数据； 图1 铲斗截面形状 3、根据表中余留下来的数据，利用MATLAB软件分析铲斗斗容与回转半径间的灵敏度关系； 4、根据表中余留下来的数据，利用MATLAB软件分析掘起力与回转半径间的敏度关系；5、结合以上的灵敏度分析的结果，再进行更进一步的共同分析，确定出斗容误差位于极小值时，对应的装载机掘起力是极大值的点，同时将这一点处的参数数据，通过Pro/E软件的参数化建模，建立铲斗的三维模型，达到可变型的目的。6、运用Visual Studio软件进行二次开发编程，简化铲斗变型过程。第三节 课题研究现状与国内外发展趋势这里要指出的是，虽然本课题的名称为基于灵敏度分析的轮式装载机铲斗变型设计，但是铲斗只是作为一个研究对象，灵敏度只作为一个研究指标，论文重点进行考虑的是变型设计这方面的内容，所以这里介绍的现状及发展趋势主要是针对变型设计的。目前变型设计的理论已经较为完善，它的主要的设计过程也被许多研究人员所认可，通过查阅资料可以知道，主要的变型设计方法有以下五种：1、 基于装配模型的变型设计理论2、 模块化变型设计3、 基于相似性设计理论的变型设计方法4、 基于变量化和参数化设计方法的变型设计5、 基于事物特性表的变型设计方法目前，国内外已存在不少的研究机构或者个人对变型设计展开了研究，也做出了不少的具有相当价值的研究成果。例如，国内的有浙江大学的研究人员根据变型设计的基本特点，提出了以基于实例的推理为基础，综合运用规则和约束来完成产品的变型设计，他们还对关于变型设计的知识表达模型、混合求解模型、近似匹配算法以及实例模板选择算法进行了研究。国外的有美国的研究人员根据他们所建立的装配产品模型各零部件之间的尺寸相互约束，将变型设计的整体过程归纳到一个混合整数线性规划的问题并用数学上的整合求解过程，实现了装配产品变型设计的优化。令人感到遗憾的是虽然变型设计的研究已经取得了不少的成果，但是大多还是集中于某些特定的方面，对于变型设计这整块的研究还是存在着相当多的困难。例如，目前大部分的研究只停留在理论研究阶段，实用的产品变型系统还很难见。而且还缺乏系统集成方面的研究（产品变型设计的过程是一个有机整体只有将与产品变型设计有关的各方面的资源集成起来，才能真正进行有效的变型设计）以及知识库（实例库）的内容较为单一等。虽然存在不少的短板与困难，但是国内外关于变型设计的研究还是在源源不断的进行着，并且吸引着越来越多的研究者踊跃参与其中，为变型设计的发展提供新的动力。所以变型设计的研究毫无疑问是值得肯定并具有远大发展前景的，我相信在不久的将来运用变型设计来进行产品的设计和修改无疑会成为工程领域的一种新常态。第2章 基于灵敏度的铲斗优化设计第一节 灵敏度的概念一、灵敏度的定义灵敏度分析又称敏度分析，表示设计变量的变化对函数变化的影响大小。因此若函数表示为,则函数对参数的导数或者偏导数就是参数对函数的灵敏度，表达式为：或者，其中i=1,2，n1。是一种探究和剖析一个体系（或者模型）的状况（或者输出变化）对系统相关参数变化（或者系统以外条件变化）灵敏程度的方法。二、灵敏度的作用灵敏度主要用来体现由于设计变量值的改变而导致的目标函数变化率大小的变化，从而能辨别出相对重要的设计变量，计算出优化参数，减少变量的维度，提升优化的效率，并能够更进一步地了解设计变量跟目标函数相互的联系，增强研究人员对研究目标的理解等。正是由于拥有这些优势，所以在目前几乎所有的运筹学方法以及对各类方案所进行的研究评估时，都会或多或少的运用到灵敏度的分析。第二节 回转半径对斗容的灵敏度分析一、公式及参数范围的选择铲斗的回转半径R的计算公式如下所示： (1)公式中 斗内壁宽度，在设计时选用3500mm； 额定斗容，在设计时选用3.5109mm3； 斗底长系数，； 斗后壁长系数，； 挡板高度系数，； 斗底圆弧半径系数，； 张开角，； 挡板与斗后壁夹角，选择时应使侧壁切削刃与挡板的夹角为90。通过向有实际经验的工厂师傅请教后再结合文献1的研究资料，选取铲斗截面各边尺寸如下：斗底长度：； (2)斗后壁长度：； (3)挡板高度：； (4)斗底圆弧半径：。 (5)设计斗容计算公式如下： (6) 其中指的是铲斗的开口长度(见图1)；c为物料堆积高度；S为铲斗截面的面积，它主要由5个几何图形组成（见图1）。它们的计算公式如下： ； (7) ； (8) ； (9) ； (10) ； (11) ； (12) ； (13)其中 (14) ； (15)斗容误差的计算公式如下： (16)所以根据以上所列出的所有公式，结合灵敏度定义可知铲斗回转半径R与铲斗斗容灵敏度之间的关系为：，在MATLAB软件中运用微分函数diff进行计算。2、 分析过程（一）符号运算由于通过各类资料所查得的公式基本上都是零散的，而设计需要的是建立铲斗斗容、斗容误差，各自分别与回转半径R之间的直接对应关系，并且还要通过铲斗斗容和回转半径R之间的联系得出回转半径R与斗容的灵敏度之间的关系，所以首先要将所查得的公式进行相应的合并。但是基于公式自身的复杂性以及公式数目的较为繁多，直接人力进行合并的话不仅费时，而且还不能保证合并后所得出的公式的准确性，所以本文在合并时利用了MATLAB软件所具有的符号运算能力，来进行公式的合并计算。为能够较为方便输入，在使用MATLAB软件中，分别用a，b,c,d,e,f,g依次代替了斗底长系数，斗后壁长系数，挡板高度系数，斗底圆弧半径系数，张开角，挡板与斗后壁夹角，斗容误差。考虑到c与物料堆积高度c的符号冲突了，在MATLAB中又用C1代替了物料堆积高度。分别用s1，s2，s3，s4，s5依次带替，这5个图形面积。符号运算使用MATLAB软件中的sym及syms函数，它们各自的用法如下： sym函数一般调用格式为： 符号量名=sym（符号字符串） syms函数的一般调用格式为：syms 符号变量名1 符号变量名2 符号变量名nsym函数能够创立一种符号量，符号字符串可以是常量、变量、函数或者表达式。syms函数不同于sym函数的地方在于，它可以一次定义多个符号变量。 图2 符号运算（2） 参数的随机选择MATLAB软件中有不少能生成随机数的函数命令，本篇研究选择了其中的rand函数作为生成工具。rand函数使用如下：例如生成100个a到b范围内的随机数 a+(b-a)*rand(10)在MATLAB软件中，用rand函数按照所查得的各参数范围，分别生成关于斗底长系数，斗后壁长系数，挡板高度系数，斗底圆弧半径系数，张开角以及挡板与斗后壁夹角各自100个随机数据。（3） 数据计算、统计及分析先将选择出来的数据进行一一配对，接着再在MATLAB软件中把数据代入相关的公式中并计算其结果，最后将每一个计算出来的结果和计算这个结果所代入的参数数据一起记录到Excel表格中。在用Excel表格统计完数据之后，按照之前所给定的要求，筛选掉斗容误差超过2.5%的数据，再将剩下的数据以回转半径R的数值大小为依据，从小到大进行排列。为了能够更加清晰直观的反应出计算出来的数据所包含的意义，需要用一些图形来将这些数据表示出来。所以本文在研究时使用MATLAB软件中的plot指令来实现这一步。以Excel表中的各数据为依据，得到了铲斗回转半径R以及它所对应的斗容误差之间的曲线关系（见图3）同时也得到了相对应的铲斗回转半径R与设计斗容的灵敏度的情况（见图4）。MATLAB的绘图命令有plot、fplot、ezplot等多种，选用不同的绘图命令都可以绘制出图像，之所以设计选择使用plot函数，其主要原因是取决于它是绘制二维图形的最常用的指令。图3 铲斗回转半径与斗容误差图4 回转半径与设计斗容的灵敏度设计选用额定斗容Vr为3.5109mm3，斗内壁宽度B0为3500mm的某型号铲斗进行研究，根据图3、图4进行分析可得：1、在额定斗容Vr为3.5109mm3，斗内壁宽度B0为3500mm的条件下，铲斗回转半径在区间（1050,1300）mm内变化；2、斗容误差的大小随着回转半径大小的变化而变化，且这个变化曲线并不是连续光滑的，在某一R点附近上下波动；3、随着铲斗回转半径R的增大，其对设计斗容Vh的灵敏度值呈现曲折下降趋势。这说明，当R增大到一定程度后，对斗容变化不再敏感；4、根据图，表的共同分析的结果，可以确定斗容误差最处于最接近0的各点，设计时选取了3组这样的点，分别是A、B和C，它们的具体参数值参见表1。 表1 A、B和C点具体参数、斗容误差及灵敏度点R/mm/(。)1/(。）gzkr/%灵敏度/106A1090.850.310.21.521.20.140.38-0.0386.52B1140.148.717.61.481.180.130.360.0346.25C1219.745.320.61.481.160.130.370.0395.84以上数据保留，将在第三节结合掘起力做进一步的分析。第三节 回转半径对掘起力的灵敏度分析一、掘起力及相关公式的介绍在正式地介绍掘起力之前，不得不提一个在装载机上与掘起力有着密切相关的机构连杆机构。连杆依据其形式及安装方式可以有多种类型，例如常见的有正转四连杆机构，正转五连杆机构，正转六连杆机构，反转六连杆机构以及正转八连杆机构等。本课题在研究时，选取了当前国内装载机上较为普遍的反转六连杆机构（即所谓的Z形连杆机构）进行考虑。这种机构有2大优点：1.当转斗油缸大腔进油时，连杆系统的倍力系数可以设置为较大的值，所以就能够获得相当大的掘起力。2.当各构件的尺寸选择合适时，铲斗不但可以获得较为不错地平动性能，同时还能够达到自动置平，这是其它几种机构所望尘莫及的。装载机掘起力是指装载机铲斗斗底壁平行于地面且高于地面20mm时，液压油缸作用在铲斗切削刃后面100mm处的最大向上铅垂力2。它的大小与转斗油缸的输出力、转斗机构倍力系数有着相当密切的关系。在转斗油缸输出力的大小已经确定的条件下，转斗机构倍力系数值越大，所得到的掘起力也就相应的越大。查阅资料可得知，在装载机处在插入工况的状态下时，铲斗所达到的掘起力为最大值，对此状态下的转斗倍力系数进行研究。图5 铲斗机构倍力系数示意图装载机掘起力公式： (17)其中：Fc为转斗液压油缸的输出力，在液压油缸选择完毕后，它的输出力为恒定值。 KZB为转斗机构倍力系数，计算公式如下： (18) 其中的l1，l2，l3，l4分别是处于插入工况时，G点到Fsh作用线之间的距离，G点到EF杆之间的距离，B点到EF杆之间的距离以及B点到Fc作用线之间的距离（见图5）。 l1，l2，l3，l4的计算公式分别如下： ； ； ； (19) 。 其中的是斗前壁与水平轴的夹角，而k1，k2，k3分别为： ； ； (20) 。 铲斗回转半径R对装载机掘起力Fsh的灵敏度公式为： (21)2、 分析过程（一）公式简化首先对掘起力公式进行分析，在默认选定某液压油缸后，油缸的输出力Fc即可视为恒定值，由于输出力具有实际意义，从而可推论出它是一个大于0的常数，所以求掘起力Fsh的要素，剩下所需要进行分享的就只有转斗机构倍力系数KZB了。其次对转动机构倍力系数KZB的公式进行分析，其具体数值是由它的4个参数l1，l2，l3，l4共同决定的。由参数定义可知，4个参数都是现实存在并有实际意义的，所以本文从装载机在铲掘时的实际插入工况出发，并未按照通常研究流程一般先对4个参数各自与铲斗回转半径R之间的函数关系进行分析，而是考虑了实际中装载机的动臂各尺寸确定的情况下，其4个参数的实际值。从而跳过了较为繁琐的符号运算及数值代入运算，从一个相对简单的角度出发，把复杂的公式简便化，再通过较为简单的数学分析，得出相关的结论。具体过程如下：在动臂确定的情况下，参数l2，l3，l4包括k1，k2，k3中的各未知量都可以表示为一个未知的常数，由于具有实际意义，所以这些常数肯定都为正数。从而得出l2，l3，l4的数值皆为某个大于0的常数。其次将转斗机构倍力系数KZB的公式(17)以及G点到Fsh作用线的距离l1的公式(19)再结合论文上一段中得出的l2，l3，l4的数值皆为某个大于0的常数的结论，通过简单的数学思考不难得出转斗机构倍力系数KZB的“新”公式： (22)其中的L为结合了l2，l3，l4的一个大于0的常数。由前文的定义可知为斗前壁与水平轴的夹角，从实际情况出发考虑，夹角的范围必定为090之间，所有不难得出cos 的值必定也为正数。综上所述，可以得出一个新的转斗机构倍力系数KZB的简化公式： (23)其中的M为L除于cos 后得到的新的一个大于0的常数。由上文可知油缸输的出力Fc是一个大于0的常数，再结合装载机掘起力公式(17)以及转斗机构倍力系数KZB简化公式(23)，就可以得出装载机掘起力Fsh与铲斗回转半径R直接对应的简化公式，如下： (24)其中的N为一个大于0的常数。最后由铲斗回转半径R对装载机掘起力Fsh的灵敏度公式(21)得到新的灵敏度公式： (25)同时根据这两个简化公式，也能够绘制出直观的图形来进行表达，如下图6，图7所示。图6 铲斗回转半径与掘起力图7 铲斗回转半径与掘起力灵敏度（二）结论的提取 对本节（一）中对图形及公式进行分析可得到以下3点结论：1、铲斗回转半径R对装载机掘起力Fsh以及装载机掘起力灵敏度各值的变化有着较为直接的影响。参考斗容误差选取时得到的铲斗回转半径R的范围，在此范围内当回转半径R增大时，装载机掘起力Fsh呈现下降趋势，而装载机掘起力灵敏度则呈现上升趋势。2、在铲斗回转半径R取值范围内，当它处于最小值时，铲斗回转半径对装载机掘起力的灵敏度最小，此时装载机掘起力Fsh处于最大值，这时候铲斗回转半径R微小的变化就能引起装载机掘起力Fsh较大的变化。3、在铲斗回转半径R取值范围内，当它处于最大值时，铲斗回转半径对装载机掘起力的灵敏度最大，此时装载机掘起力Fsh处于最小值，这时候铲斗回转半径R的变化反而对装载机掘起力Fsh的变化无太大的影响。第四节 斗容与掘起力的共同分析一、铲斗设计的方法由本文第二章的一，二两节的研究可以得出，铲斗的回转半径大小能直接影响铲斗斗容及装载机掘起力，所以一般情况下，在符合了斗容设计所要求的误差时，追求装载机掘起力越强越好。而同样根据第二章第一，二节的图形曲线及分析内容可以看出，在铲斗回转半径变化时，铲斗斗容误差的变化情况和装载机掘起力的变化情况不一定是一样的，仅仅依靠斗容误差灵敏度分析或者装载机掘起力灵敏度分析，都很难对什么尺寸的回转半径才合适这一问题做出一个判断，来进行铲斗的设计。所以，在查阅了相关资料及进行相关的思考之后，本文选择了用铲斗设计斗容灵敏度与装载机掘起力它们灵敏度比值（即Sen_Vh/Sen_Fsh）的绝对值来判断出最佳回转半径的方法，进行最佳设计。本章第一节所选取出来的点（为了方便分析、对比，只保留下了进行分析时所必须的数据）如下：表2 A、B和C处的回转半径及斗容灵敏度点R/mm斗容灵敏度/106A1090.86.52B1140.16.25C1219.75.84二、最优数据的选取A,B,C三点的掘起力灵敏度如下：表3 A、B和C处的回转半径及掘起力灵敏度点R/mm掘起力灵敏度A1090.8-N/1189844.6B1140.1-N/1299828.0C1219.7-N/1487668.1 由本章第二节的结论可以知道，装载机掘起力灵敏的函数曲线是单调递减的。同时结合本章第一节所选定的铲斗回转半径R的范围，当铲斗回转半径R的增大时，掘起力的值变小。根据铲斗设计斗容灵敏度与装载机掘起力灵敏度比值Sen_Vh/Sen_Fsh的绝对值表4 A、B和C处的斗容误差与掘起力灵敏度比值的绝对值点Sen_Vh/Sen_Fsh的绝对值/1012A7.75/NB8.12/NC8.68/N 可以看出A点是它们3个中灵敏度比值的绝对值最小的点，由此说明了此处的铲斗斗容的变化对装载机掘起力的变化影响是最小的。同样由于A点也是3个点之中铲斗回转半径R值最小的点，所以相比于其它2个点，A点处装载机的掘起力最大，且又是在规定的铲斗斗容误差范围内，所以A点是这3个点中的最优点，故而选择使用A点处的数据来进行铲斗的参数化建模。第三章 基于Pro/E软件的铲斗变型第一节 建模软件的选择在机械行业中，当前国内较为常用的建模类软件有Solidworks、UG、CATIA、Pro/Engineer等。它们都具有各自独到的优势，也同样有着一些相应的不足。只有将它们各自罗列出来并进行比较才能选出最为合适的软件。Solidworks软件易学易用，界面和操作都比较简洁，即使是初学者也能很快的上手，而且功能也比较强大，正版软件的价格也相对比较便宜。当然劣势就是它的深层次功能不全面，属于中低档3D建模软件，所以不太适合本次的设计。UG软件属于高端层次的建模软件，功能强大，值得信赖，再加上自身对于UG又有一定的操作基础，本是这次设计软件的首选。但是在实际操作中发现，在使用UG做参数化设计时，相比于其他软件，它的过程比较复杂，实现变型也有一定难度，故而没有选用。CATIA软件自身功能也很强大，属于高端建模软件中的一员，它的特征建模更都是基于草图SKETCH的参数化建模，可以说是值得一用软件。但是令人遗憾的是CATIA软件与windows平台的兼容性不够友好，所以只能放弃了这个选项。Pro/E软件参数化设计较为方便，它采用了单一数据、参数化、基于特征制造和数据全相关等技术来实现参数驱动。在使用Pro/进行设计时，当改变产品任意参数尺寸时，与其相关的实体及装配模型都能相应的自动改变，非常符合这次设计的要求，而且Pro/E的强大功能对于这次的设计来说绰绰有余了。并且值得一提的是，本次设计在Pro/E参数化变型的基础上，还要对变型做一个专门的二次开发，而Pro/E软件本身就携带了二次开发工具Pro/Toolkit，只要运用Visual Studio就可以对其进行较为简便的二次开发编程，非常符合设计的要求。所以在对各类主流建模软件进行了细致的分析之后，选择使用Pro/E软件作为本次设计的建模软件。本次使用的软件版本是Pro/E 4.0。第2节 参数化建模过程及变型一、建模过程 参数化建模的各参数数据如下：表5 最优截面各参数数据R/mm/(。)1/(。）gzkrB0/mm1090.850.310.21.521.20.140.383500 根据以上参数并参照第二章第一节公式(2)(3)(4)(5)算出铲斗各个部位的数据如下：斗底长度：mm斗后壁长度：mm挡板高度：mm斗底圆弧半径：mm 打开Pro/E软件，选择“新建”，建立新零件，并把使用缺省模板前的去掉后再点击确定。图8 铲斗设计过程（a） 选择其中的mmns_part_solid，再点击确定。（原因解释：因为Pro/E软件默认的模板是英制的，而设计使用的是公制单位即mmns_part_solid）图9 铲斗设计过程（b） 点击“工具”“参数”， 输入数值，点击“确定”。为方便后续的公式关系，用A、B、C、D、E、F依次代替了g、z、k、r、1。图10 铲斗设计过程（c） 进入草图绘制模式，绘制铲斗草图，并同时点击工具关系，输入各参数公式，将草图上标注的尺寸与给的参数数据相结合起来。图11 铲斗设计过程（d）图12 铲斗设计过程（e）完成草图的绘制后，点击右下角离开草图模式。再点击“拉伸”按钮，按照斗内壁宽度为3500mm的要求，拉伸距离为3500。最后再点击“抽壳”按钮，对做出的模型进行抽壳。这样一个简单的，可按参数变型的铲斗模型就完成了。图13 铲斗设计过程（f）二、变型过程对于铲斗变型过程，只要点击菜单栏中“工具”按钮，再选择其中的“参数”，进入参数界面，按照所需的变型方向，输入相关的参数，输入完毕后，点击“确定”按钮离开。再点击菜单栏中的“编辑”按钮，点击其中的“再生”（或者直接按快捷键Ctrl+G）铲斗就会自动实现变型，变成新参数下的新铲斗。第三节 对铲斗变型的思考在一开始做这个设计之前，有个问题一直困扰着我，那就是既然已经能选出最佳的截面来设计铲斗了，那么设计出一个可变型的铲斗的意义何在？难道会存在要抛弃要最优截面而选取其他截面的情况吗？随着设计的深入以及不断的思考，对于这个问题，我有了自己的答案。所谓的最优截面只不过是在所给定的要求范围内，在一定的选择范围内的，相对于其他截面的最优截面设计。一旦选择的范围变大，或者给定的要求发生改变，那么之前所谓的最优，就不一定还是最优了。所以铲斗的变型设计的其最大的意义就是，当给的要求或者选择范围发生变化时，按照理论计算，计算出新的最优解后，能直接快速的进行新铲斗的成型，去掉了重新进行建模的困扰，从而达到设计的效率提升。第4章 面向Pro/E软件的二次开发第1节 二次开发软件介绍考虑到直接用Pro/E软件自带的功能进行变型比较繁琐，为了变型方便，以及操作界面相对整洁明了，所以运用Pro/E中的Pro/Toolkit结合Visual Studio对变型功能进行了简单的二次开发。Pro/Toolkit是PTC公司为Pro/E软件定制的开发工具包，它提供了应用程序接口，使客户具有扩展Pro/E功能的能力。Pro/Toolkit使用面向对象风格的C语言编程，并提供了运用于底层资源调用的函数库和头文件，外部应用程序可以通过这些函数来访问Pro/E。Visual Studio全称Microsoft Visual Studio（简称VS）是Microsoft公司的开发工具包系列产品，是现如今各类Windows平台上应用程序的集成开发软件。本次开发使用的版本是Microsoft Visual Studio 2005。第2节 二次开发过程一、开发环境配置运行Visual Studio软件，选择“文件”-“新建”-“项目”，接着在出现的在“新建项目”对话框下选择“Visual C+”中的“MFC”，并在“模板”区域中选择“MFC DLL”选项，接着输入项目名称和位置后点击“确定”（见图14）。图14 开发环境配置（a） 之后会弹出“MFC DLL向导”对话框，点击“下一步”，出现“DLL类型”的选项，选择“使用共享MFC DLL的规则 DLL”选项后，再点击“完成”结束（见图15）。图15 开发环境配置（b）完成以上操作之后系统就会自动为我们搭建一个DLL的开发环境，现在我们要做的就是在这个环境下，配置Toolkit所需要的包含文件和库文件。点击“工具”-“选项”，会出现选项的对话框（见图16），打开其中的“项目和解决方案”，选择里面的“VC+ 目录”选项，之后在所出现的右边界面中，点击“显示以下内容的目录”出现下拉列表，选择其中的“包含文件”。选择完毕后，为“包含文件”添加如下文件（这些文件与Pro/E的安装位置相关，以下所列出的只是本台电脑下的这些文件所在的磁盘位置，只用于参考，之后所列出的库文件也是同理）见图16。D:ptcprowildfire4.0prodevelopprodev_applsincludesD:ptcprowildfire4.0prodevelopincludesD:ptcprowildfire4.0protoolkitprotk_applsincludesD:ptcprowildfire4.0protoolkitincludes图16 开发环境配置（c）再次下拉“显示以下内容的目录”列表，选择里面的“库文件”，在“库文件”中加入以下文件（见图17）：D:ptcprowildfire4.0prodevelopi486_ntobjD:ptcprowildfire4.0protoolkiti486_ntobj图17 开发环境配置（d）以上环境配置，一次配置之后就永久有效，以后再建立新的项目就不需要再次配置了。最后来指定使用中的具体库文件。选择“项目”-“属性”进入“test属性页”对话框，选择里面的“配置属性”-“链接器”-“输入”，之后再右边界面中的“附加依赖项”中添加wsock32.lib mpr.lib protk_dllmd.lib prodev_dllmd.lib psapi.lib，在“忽略特定库”中添加libcmtd（见图18）。图18 开发环境配置（e）至此相关的设置，编程前的准备工作就结束了。2、 总体框架的设计及进行为了方便用户进行操作和使用，方案的调用响应流程如下：加载程序后，在Pro/E主菜单中，添加一个菜单按钮，并为此添加一个下拉子菜单。点击这个子菜单按钮，就会出现一个相应的用户页面，输入铲斗回转半径，斗底长系数，斗后壁长系数，挡板高度系数，斗底圆弧半径系数，张开角以及挡板与斗后壁夹角（事先在Pro/E中已经加载了铲斗模型），就会使铲斗进行变型（见图19）。为实现以上的方案的调用响应，它具体的设计流程如下：在新建项目以后，先完成主程序源文件的编程工作（本文指的是test.cpp的编程），在进行注册文件的编制，它的作用是加载程序后，使Pro/E软件主菜单中生成一个菜单按钮及附带的一个下拉子菜单。然后在“资源视图”中添加资源，生成一个用户界面的编辑框，按照想法对用户界面进行设计，之后对界面源文件进行编程，全部完成之后进行“编译”，再进行“生成解决方案”（见图20）。 图19 响应流程 图20 设计流程进行主程序源文件的编程，由于编程源代码较长，所以本文编程的代码将都将不在正文中具体写出，想看程序具体代码的可以参看论文后面的附录。在主程序源文件在编写的同时，要使得所添加的菜单在Pro/E菜单栏中出现，还需要建立相关的Pro/Tooolkit信息文件，信息文件是一种ASCII码文件，用于定义菜单项，菜单项提示信息等内容，四行为一组进行编写，以纯文本格式进行保存（见图21）本设计命名为“usermsg.txt”。四行内容的含义分别如下： 第一行：Pro/E系统能辨别的关键字，此关键字一定要同使用该信息文件函数中的相关字符串一致。第二行：在菜单项或者菜单项提示上显示的英语文本。第三行：其他种类语言的描述或者没有，本设计使用中文。第四行：当前Pro/E版本为空，用“#”号。图21 信息文件在Pro/E中，运行Pro/Toolkit应用程序，必须要进行注册，注册文件是用来向Pro/E系统传送应用程序信息。所以在完成主程序源文件编程，信息文件编写之后，就要进行注册文件的编制，在电脑随意位置建立一个文本文档，在里面输入相关信息后（见图22），以dat为后缀（本设计的命名为test.dat），进行保存。图22 注册文件内容表6 注册文件字段及意义字段名意义name外部程序标志名startup取dll（动态连接库）allow_stop这里设为TRUE，在Pro/E工作时可以中止应用程序exec_file可执行程序名（包括路径）text_dir指向text文件的路径，存放信息文件revisionPro/Toolkit版本号end段结束标志这其中“text_dir”所指路径中的“text”文件夹下，就存放着之前所编写的信息文件“usermsg.txt”。在完成注册文件的编制之后，下一步要进行的是用户页面的设计。设计流程如下：首先在“资源视图”中右键点击“test.rc”点击其中的“添加资源”按钮，接着在弹出的对话框中，选择“Dialog”，随后点击“新建”按钮（见图23）。图23 用户页面设计（a） 再点击“新建”按钮之后，会出现一个如图24所示的对话框，这就是用户界面的基本框架，可以对它进行编辑，设计出符合需求的用户界面。图24 用户页面设计（b） 双击图24的用户界面框，在所出现的MFC类向导框中输入类名，本次设计所用的类名为shiyan（见图25）。图25 用户界面设计（c）回到用户界面，使用右侧的“工具箱”，对用户界面进行编辑。编辑具体要求就是把铲斗设计，变型相关的铲斗回转半径，斗底长系数，斗后壁长系数，挡板高度系数，斗底圆弧半径系数，张开角以及挡板与斗后壁夹角这七个参数添加进去，其他部分可随意发挥，达到美观，简洁