基于C 號(hào)的橋式起重機(jī)模塊化參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

張 輝， 于萬(wàn)成

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

CAD[1]技術(shù)的廣泛應(yīng)用為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了豐富的設(shè)計(jì)資源，合理的利用這些資源能夠有效的縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。目前，由于起重機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)繁多，一個(gè)零、部件可能涉及到數(shù)十個(gè)參數(shù)，這些參數(shù)僅靠人力管理就顯得非常吃力。同時(shí)，由于很多設(shè)計(jì)單位仍然采用手工繪圖方式，這種繪圖方式較為繁瑣，同時(shí)由于設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)計(jì)算上對(duì)于系數(shù)取值的差異，導(dǎo)致同一批產(chǎn)品個(gè)性化設(shè)計(jì)較多，設(shè)計(jì)的規(guī)范性較差。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)引入到人類的日常生活中，在數(shù)據(jù)庫(kù)[2]強(qiáng)大的功能下，日常的數(shù)據(jù)管理顯得非常容易。因此采用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)管理產(chǎn)品的參數(shù)化及CAD 二次開(kāi)發(fā)，能夠極大的提高工作效率，縮短設(shè)計(jì)周期，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速化、規(guī)范化設(shè)計(jì)。

1 橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

本文針對(duì)橋式起重機(jī)整體結(jié)構(gòu)，采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和CAD 技術(shù)，以Windows 操作系統(tǒng)作為平臺(tái)，采用C 號(hào)作為開(kāi)發(fā)工具，以Access 數(shù)據(jù)庫(kù)作為后臺(tái)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于C 號(hào)的橋式起重機(jī)參數(shù)化管理系統(tǒng)，其系統(tǒng)工作流程和模塊劃分如圖1 所示。

該系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、設(shè)計(jì)計(jì)算模塊、優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，通過(guò)參數(shù)化繪圖模塊、快速報(bào)價(jià)模塊、說(shuō)明書(shū)生成模塊生成由于指導(dǎo)生產(chǎn)的CAD 圖形文件，提供經(jīng)銷(xiāo)人員的報(bào)價(jià)單文件和整體計(jì)算過(guò)程的計(jì)算說(shuō)明書(shū)文件。

圖1 系統(tǒng)工作流程和模塊劃分

2 系統(tǒng)的模塊劃分

本軟件結(jié)合了軟件工程中高聚合、低耦合[3]的特點(diǎn)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了各個(gè)模塊。總體來(lái)說(shuō)，軟件可以劃分為以下幾個(gè)模塊：

2.1 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

該模塊首先根據(jù)用戶的需求以及前期設(shè)計(jì)方案選擇相應(yīng)的大、小車(chē)結(jié)構(gòu)型式，同時(shí)輸入該起重機(jī)設(shè)計(jì)所需要的主要參數(shù)如跨度、起重機(jī)運(yùn)行速度、主小車(chē)起重量、主小車(chē)運(yùn)行速度、主小車(chē)起升高度、副小車(chē)起重量、副小車(chē)運(yùn)行速度、副小車(chē)起升高度以及主副小車(chē)左右極限等主要參數(shù)，然后利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的查詢機(jī)制從Access 數(shù)據(jù)庫(kù)中查找與之最相近的產(chǎn)品參數(shù)，讀入該產(chǎn)品原始參數(shù)作為初始數(shù)據(jù)，如果有需要修改的數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的修改工作，整個(gè)數(shù)據(jù)修改完畢后，數(shù)據(jù)庫(kù)將所有數(shù)據(jù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)集存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，為將來(lái)數(shù)據(jù)的可追溯性和重用性提供保證。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算模塊

該模塊以C#編程語(yǔ)言，對(duì)橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化的數(shù)學(xué)建模，并將其封裝為CQZJ 類，該類針對(duì)橋式起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性[4]進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。并結(jié)合Access 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行靈活、方便的管理，保證了數(shù)據(jù)的唯一性促進(jìn)了同類工程數(shù)據(jù)的一致性。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊

該模塊采用遺傳算法（Genetic Algorithm，簡(jiǎn)稱GA）進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其優(yōu)化算法既能保留弱搜索方法能搜索到全局的最優(yōu)點(diǎn)，又能有強(qiáng)搜索方法的高尋優(yōu)速度和效率，GA 就是強(qiáng)搜索方法和弱搜索方法的折中[5，6]。本系統(tǒng)以起重機(jī)橋架結(jié)構(gòu)自重最輕作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，以主梁截面參數(shù)如主梁的高度和寬度、主梁下蓋板厚、主副腹板厚度作為優(yōu)化變量，以現(xiàn)行《起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》和《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定的起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)所應(yīng)滿足的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性以及制造工藝和尺寸限制等作為優(yōu)化的約束條件。進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師只需要輸入基本設(shè)計(jì)參數(shù)，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊，運(yùn)行后提供一組符合設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)截面尺寸參數(shù)。

2.4 參數(shù)化繪圖模塊

該模塊主要應(yīng)用參數(shù)繪圖技術(shù)，其核心思想是：通過(guò)C#編程生成接口文件，用SCR 命令組文件或DXF 文件來(lái)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)及繪圖[7]。其優(yōu)點(diǎn)是形式直觀，可以使用AutoCAD 中的所有繪圖命令，自動(dòng)進(jìn)行圖紙的生成工作，同時(shí)輸出詳細(xì)的材料明細(xì)表。

2.5 快速報(bào)價(jià)模塊

該模塊嵌入到整機(jī)及部件的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，在完成橋式起重機(jī)的整機(jī)設(shè)計(jì)之后，相關(guān)部件的直觀成本便存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。在進(jìn)行整機(jī)及部件快速報(bào)價(jià)時(shí)只需從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取橋式起重機(jī)各個(gè)部件的直觀成本，然后銷(xiāo)售人員在相關(guān)界面上輸入影響產(chǎn)品關(guān)聯(lián)成本的因素系數(shù)，最后點(diǎn)擊計(jì)算報(bào)價(jià)即可完成對(duì)整個(gè)橋式起重機(jī)的報(bào)價(jià)，這樣簡(jiǎn)化了產(chǎn)品報(bào)價(jià)的過(guò)程，提高了企業(yè)效率。

2.6 說(shuō)明書(shū)生成模塊

該模塊利用Microsoft Word 提供的COM（Component Object Model，組件對(duì)象模型）接口，引入MS Word9 類，該類能夠控制Word 軟件的啟動(dòng)、關(guān)閉以及文字、圖片、表格等操作。將MSWord9 類應(yīng)用到橋式起重機(jī)結(jié)構(gòu)的計(jì)算說(shuō)明書(shū)模塊，開(kāi)發(fā)出圖文并茂的計(jì)算說(shuō)明書(shū)，編程簡(jiǎn)單靈活，結(jié)構(gòu)化能力強(qiáng)，文件形式較為簡(jiǎn)單[8]。

快速報(bào)價(jià)模板和說(shuō)明書(shū)文件模板設(shè)計(jì)時(shí)，首先由客戶給出一個(gè)Word 模板文檔，然后根據(jù)Word 對(duì)象的應(yīng)用特點(diǎn)，只需要在說(shuō)明書(shū)中設(shè)定好標(biāo)簽即可在程序中將相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容自動(dòng)填寫(xiě)到設(shè)計(jì)好的位置處，對(duì)于數(shù)據(jù)表格來(lái)說(shuō)也可以采用相同的辦法。最后生成Word 說(shuō)明書(shū)文件時(shí)也可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的編輯、排版等操作。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 起重機(jī)快速定制技術(shù)

以橋式起重機(jī)為對(duì)象，以客戶需求驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)，對(duì)產(chǎn)品功能模塊進(jìn)行詳細(xì)分析，根據(jù)質(zhì)量機(jī)能展開(kāi)原理（QFD）實(shí)現(xiàn)功能模塊到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的映射；按照產(chǎn)品模塊劃分方法和原則，將起重機(jī)劃分為多級(jí)模塊，定義模塊之間的接口；確定研究對(duì)象的基本參數(shù)；然后將參數(shù)化設(shè)計(jì)方法引入以通用化和標(biāo)準(zhǔn)化為前提的模塊化設(shè)計(jì)方法中，重點(diǎn)研究柔性化模塊的形成機(jī)理，病機(jī)案例起重機(jī)的柔性化模塊；根據(jù)參數(shù)化模型驅(qū)動(dòng)機(jī)制，選取部件參數(shù)化模板文件夾，進(jìn)行柔性模塊的參數(shù)化設(shè)計(jì)，最終形成滿足客戶需求的工程圖紙和產(chǎn)品相關(guān)文檔。

3.2 起重機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

以橋式起重機(jī)為對(duì)象，通過(guò)建立起重機(jī)的結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)；根據(jù)多種設(shè)計(jì)方法的起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)步驟，結(jié)合起重機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的長(zhǎng)期積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和建立的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)確定出起重機(jī)的基本尺寸，針對(duì)不同類型、不同噸位、不同工作級(jí)別的起重機(jī)結(jié)構(gòu)具有的特點(diǎn)，總結(jié)、歸納出不同的優(yōu)化方法。

3.3 面向?qū)ο蠹夹g(shù)

本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)所采用的是面向?qū)ο蠹夹g(shù)，封裝和繼承就是面向?qū)ο蟮膬蓚€(gè)常用方法。比如針對(duì)Access 數(shù)據(jù)庫(kù)和Word 軟件的操作，并且每個(gè)操作員只能操作自己權(quán)限的數(shù)據(jù)。這樣就保證了數(shù)據(jù)有更高的安全性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)橋式起重機(jī)模塊化參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的各個(gè)模塊及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，通過(guò)模塊化參數(shù)化設(shè)計(jì)方法幫助設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)起重機(jī)快速定制設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到減少企業(yè)的生產(chǎn)成本，提高起重機(jī)的市場(chǎng)適應(yīng)性，并實(shí)現(xiàn)了基于模塊化參數(shù)化的橋式起重機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單方便，運(yùn)行速度快，生成圖紙質(zhì)量高。在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上提高了起重機(jī)的設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)成本，提高了企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。