基于SolidWorks二次开发的液压缸的参数化设计

基于SolidWorks二次开发的液压缸的参数化设计李伟良,王益祥(南京理工大学 机械工程学院,江苏南京 210094)摘要：为了提高液压缸的设计效率，在Solidworks中建立现有的液压缸三维模型为标准设计模版。将建立的液压缸力学模型和计算公式编入程序，从而实现尺寸参数驱动。以Visual Studio 2010为开发平台，开发了液压缸参数化设计插件，并通过实例介绍了参数化设计的实现过程。关键词：参数化设计，液压缸，Solidworks，二次开发中图分类号：TP29文献标志码：AParametric Design of Hydraulic Cylinder Based on the Secondary Development SolidworksLi Weiliang, Wang yixiang(School of Mechanical Engineering Nanjing University of Science and Technology, Nanjing Jiangsu 210094, China)Abstract: In order to improve the design efficiency of hydraulic cylinder, standard templates of the hydraulic cylinder three-dimensional model on SolidWorks were built. The program with the mechanical model and calculation formula of hydraulic cylinder will be written, and then achieve dimension parameter driving. The hydraulic cylinder parameterized design plug-in component was developed by using Visual Studio 2010, and the design process and results were shown with specific examples.Key words: parametric design; hydraulic cylinder; Solidworks; secondary development0 前言作为液压系统最重要的执行元件，液压缸能够将液压能转变为机械能，实现直线往复运动。液压缸结构简单，配制灵活，设计、制造比较容易，使用维修方便。在液压系统中，参与液压传动和控制系统的工作，在一些工程机械、农业机械、汽车、制造机床等机械设备上应用非常广泛。随着社会的发展和技术的进步，机械工业中各个行业对液压缸的性能要求越来越高。因此，在液压缸的设计与制造过程中采用先进的方法和理念非常有必要。而参数化设计可以在各种尺寸参数的基础上把设计对象直接、准确地提供给设计者并且可以通过尺寸参数对设计对象进行所需的更改。在全参数化的CAD系统中（例如Solidworks），可以把所有的可变的因素都作为参数变量，同时还可以建立参数间的各种约束和关系式。而且在CAD的不同模块，这些参数变量可以跨越使用，这样就可以使各种设计参数全部相关，从而实现尺寸驱动。实现参数化设计可以有效地避免设计工作中的各种疏忽。1 液压缸参数化建模以液压机用双作用单活塞杆液压缸为例，设计时根据液压机的吨位和液压缸的工作压力确定液压缸的结构参数，然后验算强度。将以下结构参数和强度校验计算公式编写到程序中实现液压缸参数化设计。1.1液压缸结构参数确定由图3所示为液压缸受力分析示意图，受力分析可以得出液压缸的受力平衡方程。图3液压缸受力示意图液压缸的总作用力：P=p1*A1-p2*A2*m=4D2*p1-D2-d2*p2*m (2-1)速度比：=D2D2-d2 (2-2)由式(2-1)和式(2-2)可以求得液压缸的结构参数，液压缸的结构简图如图4所示。缸筒内径（活塞直径）：D=4*P*m*p1-p2 (2-3)活塞杆直径：d=D*-1 (2-4)活塞宽度：B=K1*d(2-5)缸筒壁厚：=p1*D2.3*p-3*p1+c1+c2 (2-6)缸筒底部厚度：h0.433*D*p1p (2-7)缸筒外径：D1=D+2* (2-8)导向套长度：HS20+D2 (2-9)其中,P液压缸的总作用力，N；m液压缸的机械效率；p1液压缸的工作压力，MPa；p2液压缸的回油背压力，MPa；速度比,速度比可以根据液压缸的工作压力和工作要求查的,=1.46；K1系数可取0.61.0。p缸筒材料的许用应力，p=bn，MPa；b缸筒材料的抗拉强度，MPa；n安全系数，通常取n=5；c1缸筒外径公差余量，mm；c2腐蚀余量，mm；S液压缸行程，mm；图4液压缸结构简图1.2液压缸强度校核根据液压缸的受力情况，需要对液压缸筒壁、缸底进行强度校核。1）筒壁部分应力分析液压缸筒是一封闭的圆筒，所以筒壁上的应力分布如图15所示。图5 液压缸筒壁应力分布半径为r的圆柱面上点的主应力：r=p*r02r12-r021-r02r2 (2-10)t=p*r02r12-r021+r02r2 (2-11)z=p*r02r12-r02 (2-12)由应力分布图5所示，当r=r1时，应力最大。根据第四强度理论，=12z-t+t-r+r-z (2-13)将r=r1带入式(2-10)、(2-11)、(2-12)、(2-13)，经计算，最大应力为：max=3*r12r12-r02*psn (2-14)其中，p液压缸工作压力；r径向应力；t切向应力；z轴向应力；r0缸筒内半径；r1缸筒外半径；r所求应力点位置的半径；max缸筒内壁最大应力；s缸筒材料的屈服极限;n安全系数，一般取2-2.5。2）缸底部分应力分析缸底部分视为中间有圆孔的受力均匀的圆板，最大的弯曲应力发生在圆板的周围处。=0.75p*r02*12 (2-15)其中，p液体的工作压力；r0液压缸缸筒内半径；rk缸底进液空半径；缸底因开孔而引起的削弱系数，=r0-rkr0；1缸筒底部厚度；将以上力学分析得出结构参数和强度校核计算公式编写到程序，由程序计算出液压缸缸筒内径（活塞直径）并且选取标准直径，从而得出导向套、密封圈等内径，再由程序中获取导向套、密封圈等其他参数。从而确定液压缸的全部结构参数，并且在生成新的液压缸三维模型前还要对缸筒内壁进行强度校核，校核安全后生成新的液压缸三维模型。2 Solidworks二次开发的关键技术及方法2.1 Solidworks API Solidworks二次开发接口（SolidWorks API）有着良好的开发性和兼容性，SolidWorks本身的大部分功能都可以通过调用SolidWorks API命令实现。当然，通过调用SolidWorks API对象也可以建立用户需要的、专用的模块。这种应用程序接口是基于ActiveX Automation的编程接口，对与任何支持COM(Component Object Model，组件对象模型)编程的高级语言都可以调用这些接口进行二次开发。这是因为COM是一种说明如何建立可动态交替更新组件的规范，提供了客户和组件为保证能够互相操作应该遵循的标准。而OLE(Object Linking and Embedding，对象的链接与嵌入)技术是COM技术的应用，它使应用程序之间能通过数据嵌入或链接的方式共享数据。Solidworks同时支持COM和OLE技术。它所提供的SolidWorks API就是一种COM/OLE对象以及对象所包含的方法和属性。图1 Solidworks API接口对象如图1所示，为Solidworks API对象模型，其中SldWorks对象是Solidworks API对象模型中的最高层对象,它能够直接或间接地访问Solidworks API中的所有其他对象。利用SldWorks 对象可以实现应用程序的最基本操作, 如生成、打开、关闭、结束文件、重排图标和窗口、设置当前的激活文件、生成属性定义, 也可以对 Solidworks的系统变量进行设置。其他对象可以实现相对应的许多功能，这里不再一一赘述。2.2 开发工具选择任何支持OLE和COM的编程语言都可以作为Solidworks的二次开发工具，例如Visual Basic、Delphi、C#、C、C+等语言。Solidworks二次开发可以分为两种，一种是开发出一种独立于Solidworks之外的*.exe格式的应用程序；另一种是可以直接加挂在Solidworks上的*.dll的插件，这种插件可以实现与Solidworks的无缝集成。本文采用的就是这种*.dll插件。为了开发这种插件，最初使用编程软件为Visual C+ 6.0，该软件是由Microsoft公司推出的一款应用非常广泛的可视化编程语言，不仅提供了功能强大的集成开发环境，可以方便有效地管理、编写、编译、跟踪C+程序，大大减少了程序员的工作，提高了程序代码的效率。而且它还为程序员提供了一套称为MFC(Microsoft Foundation Class，微软基本类)的程序类库，这套强大的Microsoft开发的类库已经成为设计Windows应用程序事实上的“工业标准”。MFC类库都是使用C/C+创建的，Visual C+能够最方便的使用MFC所提供的强大功能。另外，Visual C+ 6.0开发环境十分友善，其高度的可视化开发方式和强大的向导工具能够帮助编程人员轻松地开发各种类型的应用程序。编程人员还可以通过Visual C+ 6.0所引入的智能感应技术根据编辑时代码的输入状态自动将属性、参数信息、数据类型信息和代码信息显示在一个列表框中，供开发者选择并自动完成单词的输入，或者给出提示，使开发者可以摆脱一些繁琐的细节问题，将更多的精力放在程序的编写上，从而提高开发效率。Visual C+ 6.0中还为用户提供了许多有用的工具，能够帮助用户寻找错误和提高程序效率。因此选择Visual C+ 6.0作为编程工具是非常明智的。但是，随着操作系统的升级，Visual C+ 6.0在如今流行的Windows 8.1操作系统中不兼容，编写出的*.dll插件加载不到Solidworks应用程序中，因此为了解决这一问题，本文采用了比Visual C+ 6.0更高版本的Microsoft Visual Studio 2010，VS不仅具有Visual C+ 6.0的各种优点，而且编写的程序可以与Windows 8.1操作系统兼容。2.3 开发的具体方法对Solidworks进行二次开发的方法分为两种，一种是编程法，另一种是尺寸驱动法。其中编程法就是将设计过程，计算公式编写成程序，程序在执行时就会参数化的生成新图形。而尺寸驱动法首先要在Solidworks中建立好三维模型，这些模型在建立时一定要根据模型的结构特征和尺寸参数合理的考虑尺寸的标注方式。应用程序通过API 接口打开建立好的三维模型，然后在系列零件设计表中找到零件模型相关的尺寸参数，赋予新的参数值，这样就生成了新的零件模型。如下图2(a)和图2(b)分别为针对液压缸进行参数化设计的编程法流程图和程序驱动法流程图。图2（a）编程法参数化设计流程图图2（b）尺寸驱动法参数化设计流程图这两种方法在本质上是不同的，从执行效率、系统的可靠性角度考虑，尺寸驱动法显然简单许多。尺寸驱动法省去了编程法的从头到尾重新建立模型的过程, 而只是改变已有模型的尺寸即可，很明显可以节省图形的更新速度，并且这种方法涉及到的Solidworks API函数比较少。因此针对液压缸的参数化设计选取尺寸驱动法。3 液压缸参数化设计实例设计一个30吨油压机用的双作用单活塞杆液压缸，假设其工作压力为15MPa,行程为800mm。根据以上设计要求，首先如图6所示点击solidworks中新创建的用户模块中的液压缸菜单项，打开建立好的三维液压缸模型，然后将设计参数输入到用户界面中，点击界面中设计按钮，即可生成新的液压缸三维模型。如下图7和图8所示。图6打开模型图7输入设计参数图8生成新的液压缸模型4 结论介绍了利用Visual Studio开发软件对Solidworks进行二次开发，实现液压缸的参数化设计。针对液压缸的参数化设计采用了C+语言进行编程，开发出可以与Solidworks无缝集成的.DLL插件。该插件实现液压缸设计参数输入，生成新的液压缸三维模型。采用尺寸驱动法，只对需要修改的尺寸参数进行编程，大大缩短了代码长度。对液压缸的参数化设计大大缩短了设计人员设计计算时间，可以满足不同用户的设计要求，还可以实现产品的标准化、系列化。参考文献1 王文波，涂海宁. Solidworks 2008二次开发基础与实例（VC+）M. 清华大学出版社2 戚宁. 基于Solidworks的液压缸数字设计D.济南:山东大学，2009 3