門式起重機(jī)廣義模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

白傳武

（海南大學(xué) 應(yīng)用科技學(xué)院 （儋州校區(qū)），海南 儋州 571737）

0 引言

門式起重機(jī)主要用于室外的貨場(chǎng)、料場(chǎng)裝卸與搬運(yùn)以及設(shè)備構(gòu)件安裝等吊裝作業(yè)，具有場(chǎng)地利用率高、作業(yè)范圍大、適應(yīng)面廣和通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，因而得到廣泛使用。在訂單增多的情況下，設(shè)計(jì)者愈加地感覺到重復(fù)性的勞動(dòng)占用了他們大量的設(shè)計(jì)時(shí)間，以至于不能把主要精力投入到新產(chǎn)品的創(chuàng)新與優(yōu)化中。

在參數(shù)化設(shè)計(jì)［1］技術(shù)出現(xiàn)以前，傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)方法只關(guān)心最后的設(shè)計(jì)結(jié)果，而不關(guān)心設(shè)計(jì)的過程，不能自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)已有圖形的修改，缺乏變參數(shù)設(shè)計(jì)功能，不能有效地支持變型化、系列化設(shè)計(jì)和模塊化設(shè)計(jì)，從而使得設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)費(fèi)用高、設(shè)計(jì)中存在著大量的重復(fù)勞動(dòng)，嚴(yán)重影響了設(shè)計(jì)效率，無法滿足客戶對(duì)產(chǎn)品的高質(zhì)量和快速響應(yīng)的需求。為使產(chǎn)品的研制向著短周期、品種規(guī)格多樣化、快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的方向發(fā)展，在機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)過程中，開展模塊化和參數(shù)化工作是應(yīng)對(duì)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的一種有效手段。

1 設(shè)計(jì)思想

模塊化設(shè)計(jì)［2］是將模塊化思想引入產(chǎn)品設(shè)計(jì)，著重解決產(chǎn)品品種、規(guī)格、設(shè)計(jì)制造周期與成本之間的制約關(guān)系的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，通過模塊的選擇和組合可以快速構(gòu)建成不同的產(chǎn)品。

門式起重機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸隨著載荷、使用工況等因素的不同而不同，這使其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)難于采用系列化標(biāo)準(zhǔn)中的優(yōu)先數(shù)和優(yōu)先系列方法進(jìn)行傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)。

廣義模塊化設(shè)計(jì)［3，4］是以傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)基本理論為基礎(chǔ)，在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)難于進(jìn)行系列化分級(jí)時(shí)，根據(jù)用戶要求或具體工況進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。它通過功能分析、總結(jié)典型結(jié)構(gòu)型式及其模塊類型，并對(duì)模塊進(jìn)行參數(shù)化分析，從而形成產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)的模塊模板。模塊模板對(duì)一定范圍的設(shè)計(jì)參數(shù)有一定的適應(yīng)性，當(dāng)把用戶要求的設(shè)計(jì)參數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)模板具體化后，便得出具體結(jié)構(gòu)尺寸和實(shí)例模塊，再把實(shí)例模塊組合成具體的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)快速設(shè)計(jì)的要求。

2 設(shè)計(jì)流程

首先，收集各種型式、不同起吊噸位、跨度和起升高度等因素制約下的成功產(chǎn)品案例，將其劃分成相應(yīng)的模塊，對(duì)模塊進(jìn)行相應(yīng)的編碼，并將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫中；然后，提取典型模塊的形位尺寸，將其變量化后得到可以參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的模板；最后，根據(jù)用戶需求信息在模塊庫中查找需要的模塊，如果找不到相匹配的模塊，則選取相應(yīng)的模塊模板通過參數(shù)化和優(yōu)化后得到的新模塊經(jīng)組合形成所需產(chǎn)品。門式起重機(jī)廣義模塊化設(shè)計(jì)流程見圖1 。

圖1 門式起重機(jī)廣義模塊化設(shè)計(jì)流程圖

3 廣義模塊化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 模塊庫的建立

按照傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)的思路對(duì)門式起重機(jī)進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)分析，劃分的功能結(jié)構(gòu)框圖見圖2 ，根據(jù)相應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)建立對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品庫和模塊庫。收集典型的結(jié)構(gòu)型式和以往成功的實(shí)例，經(jīng)優(yōu)化后形成較完善的模塊庫，這一過程對(duì)于廣義模塊化設(shè)計(jì)是十分重要的，但往往會(huì)因設(shè)計(jì)水平和時(shí)間的關(guān)系影響模塊庫中模塊質(zhì)量和模塊類型，以致影響整個(gè)廣義模塊化設(shè)計(jì)的應(yīng)用范圍和應(yīng)用效果。

3.2 模板庫的建立

模板庫的建立過程實(shí)際上是利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)參數(shù)化模型庫中的幾何模型或程序，進(jìn)行模型重構(gòu)的過程。參數(shù)化模型庫的建立通常是通過編程或在CAD軟件內(nèi)通過參數(shù)化建模來實(shí)現(xiàn)，在CAD軟件內(nèi)部進(jìn)行參數(shù)化建模時(shí)，一般應(yīng)首先進(jìn)行零件或裝配體的初始幾何建模，然后將控制模型形狀與位置的尺寸變?yōu)閰⒆兞俊?/p>

圖2 門式起重機(jī)的功能結(jié)構(gòu)框圖

在模塊庫建立的基礎(chǔ)上，對(duì)模塊經(jīng)特征提取、參數(shù)提取和參數(shù)化驅(qū)動(dòng)設(shè)置后便形成了模塊模板，在SolidWorks軟件中建立模板庫的過程見圖3 。

圖3 模板庫建立框圖

3.3 模塊的編碼

模塊的編碼［5］是在遵循唯一性、完整性、簡(jiǎn)潔性、易于計(jì)算機(jī)處理的原則下，用字母和數(shù)字作為代碼來描述產(chǎn)品與模塊的總體信息、從屬關(guān)系、接口信息、結(jié)構(gòu)特征信息等相關(guān)信息，便于用計(jì)算機(jī)輔助模塊選擇、組合和管理。圖4 為模塊模板的信息編碼。模塊的從屬關(guān)系信息與模塊的結(jié)構(gòu)特征信息主要用于模塊的選擇；模塊的接口信息用于模塊的組合；其他信息用于模塊的管理。

圖4 模塊模板編碼方式

3.4 數(shù)據(jù)庫的建立與訪問

Access數(shù)據(jù)庫是一個(gè)小巧的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，功能簡(jiǎn)單但相當(dāng)完善，可以完成諸如查詢、增加、刪減、排序等對(duì)數(shù)據(jù)的操作功能，滿足設(shè)計(jì)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)管理的要求。ADO基于通用數(shù)據(jù)訪問技術(shù)，用ADO訪問Access數(shù)據(jù)庫的主要步驟有：引入ADO動(dòng)態(tài)鏈接庫、與數(shù)據(jù)源的連接、數(shù)據(jù)操作和關(guān)閉數(shù)據(jù)源。

3.5 參數(shù)化設(shè)計(jì)過程

目前，幾乎所有的三維CAD系統(tǒng)都支持參數(shù)化造型功能，在SolidWorks軟件中以鉸座為例來說明參數(shù)化設(shè)計(jì)過程。如圖5 所示，選擇220這個(gè)尺寸，在名稱欄輸入相應(yīng)的參數(shù)符號(hào)D1以代表220這個(gè)具體值，當(dāng)重新建模時(shí)，根據(jù)輸入的D1值來替換220以實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改。

圖5 尺寸的參數(shù)化設(shè)置

以"D1＠草圖2 "這個(gè)尺寸為例，用來驅(qū)動(dòng)SolidWorks API語句為：swPart.Parameter（"D1＠草圖2 "）.SystemValue＝D1／1 000。當(dāng)外界對(duì) D1賦予新的數(shù)值時(shí)，SolidWorks將按輸入的參數(shù)重新生成新圖形。還可以通過添加方程式，修改部分主要參數(shù)控制其他相關(guān)的從動(dòng)尺寸，從而實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)。

3.6 工程圖優(yōu)化技術(shù)

在對(duì)模板庫的模塊模型按用戶要求重新生成后得到的是三維圖形，最終是要把三維圖變成二維圖紙來滿足生產(chǎn)的需要，但模型驅(qū)動(dòng)后直接生成的工程圖往往存在位置不準(zhǔn)確、比例不協(xié)調(diào)和尺寸漂移等問題，因此需要對(duì)工程圖進(jìn)行合理的調(diào)整以滿足生產(chǎn)的需要［6］。

4 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

建立VB程序與SolidWorks連接，創(chuàng)建一個(gè)SolidWorks的應(yīng)用對(duì)象，連接函數(shù)如下：

Dim swApp As Object

Set swApp＝GreateObject（"SlidWorks.Application"）

通過這個(gè)函數(shù)就打開了SolidWorks的接口，可以調(diào)用它的API函數(shù)，然后以Access作為數(shù)據(jù)庫，利用ADO數(shù)據(jù)庫訪問技術(shù)，以三維軟件SolidWorks為平臺(tái)，建立門式起重機(jī)的廣義模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，系統(tǒng)界面見圖6 。

圖6 門式起重機(jī)廣義模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面

5 結(jié)語

本文以廣義模塊化設(shè)計(jì)理論為支持，VB為開發(fā)工具，SolidWorks為開發(fā)平臺(tái)，研究了門式起重機(jī)廣義模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以幫助企業(yè)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化程度，使企業(yè)能夠?qū)τ脩粜枨筮M(jìn)行快速響應(yīng)，大大減輕了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)性勞動(dòng)，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

［1］何有鈞，鄒慧君，王石剛，等.基于圖形分解思想的復(fù)雜零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2000（2）：201-202.

［2］王志，張進(jìn)生，于豐業(yè)，等.基于模塊化的機(jī)械產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)，2004（8）：1-3.

［3］侯亮，徐燕申，李森，等.基于參數(shù)化造型、變量?jī)?yōu)化的廣義模塊化設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2001（8）：13-15.

［4］高衛(wèi)國，徐燕申，陳永亮，等.廣義模塊化設(shè)計(jì)原理及方法［J］.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（6）：48-54.

［5］王永娟，趙軍，鐘遠(yuǎn)龍.自動(dòng)武器廣義模塊化快速設(shè)計(jì)研究與系統(tǒng)開發(fā)［J］.兵工學(xué)報(bào)，2008，29（4）：390-395.

［6］王宗彥，楊忠華，吳淑芳.基于三維設(shè)計(jì)的工程圖自動(dòng)調(diào)整技術(shù)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（10）：64-66.