橋式起重機數(shù)字化設(shè)計系統(tǒng)的研究與開發(fā)

臧春田，王宗彥，李玉虎，石瑞敏，馬旭

(中北大學(xué) a. 機械工程學(xué)院； b. 山西省起重機數(shù)字化設(shè)計工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051)

0 引言

目前，橋式起重機作為車間生產(chǎn)的重要運輸設(shè)備，應(yīng)用廣泛，其運行速度快，工作效率高，橫架于車間、倉庫等場所的上空，對目標貨物進行起吊、搬運等操作。隨著全球起重機市場需求的不斷擴大，起重機正朝著大型化、輕型化的方向發(fā)展，起重機的設(shè)計朝著定制化、參數(shù)化的方向發(fā)展[1]。很多中小型企業(yè)當(dāng)前對于起重機的設(shè)計依舊采用的是傳統(tǒng)手工計算設(shè)計的方法，在設(shè)計過程中存在大量繁瑣的工作[2]。

在此背景下，本文面向起重機行業(yè)，通過研究起重機設(shè)計共性關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)模塊化、參數(shù)化、智能化的起重機快速設(shè)計系統(tǒng)[2]，幫助設(shè)計工程師實現(xiàn)了起重機快速定制設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計以及零部件校核。該系統(tǒng)的成功開發(fā)降低企業(yè)生產(chǎn)成本，顯著提升相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，最終達到提高企業(yè)市場競爭力的目標。

1 橋式起重機智能設(shè)計系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)框架構(gòu)建

以起重機為研究對象，結(jié)合客戶實際生產(chǎn)需求，按照產(chǎn)品模塊劃分方法和原則，將起重機各級結(jié)構(gòu)劃分為不同層級的多個模塊，并整合各模塊之間的對接方式；確定設(shè)計對象的基本參數(shù)，引入?yún)?shù)化設(shè)計方法及標準，形成了一定的規(guī)范與標準的模塊化設(shè)計方法；通過研究柔性化模塊的形成機理，建立起重機的柔性化模塊；最后根據(jù)參數(shù)化模型驅(qū)動的相關(guān)技術(shù)，進行柔性模塊的參數(shù)化設(shè)計，形成滿足客戶需求的工程圖樣和產(chǎn)品設(shè)計的相關(guān)文檔。

起重機設(shè)計系統(tǒng)技術(shù)路線如圖1所示，其中包含總體功能框架制定、設(shè)計部件及參數(shù)確定、模型驅(qū)動機制、工程圖優(yōu)化調(diào)整及產(chǎn)品設(shè)計文檔管理[3-5]。

圖1 起重機設(shè)計系統(tǒng)技術(shù)路線

1.2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計

模塊化設(shè)計是實現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計的重要策略，模塊化設(shè)計的本質(zhì)就是對整個系統(tǒng)功能進行分析，根據(jù)實現(xiàn)的功能的不同，對系統(tǒng)的功能進行模塊劃分，不同的模塊實現(xiàn)不同的功能[6]。

根據(jù)企業(yè)的需求，本系統(tǒng)的開發(fā)主要包含3個大模塊的開發(fā)，即系統(tǒng)管理模塊、總體設(shè)計模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。本文主要研究的是起重機總體設(shè)計模塊，其包含大車設(shè)計和小車設(shè)計，大車與小車的設(shè)計中又分別有機構(gòu)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計模塊。

2 設(shè)計系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

2.1 二次開發(fā)技術(shù)

1) SolidWorks二次開發(fā)技術(shù)

橋式起重機三維模型是通過SolidWorks以草圖建模的方式創(chuàng)建橋式起重機所有機構(gòu)、結(jié)構(gòu)的三維模型，再以草圖裝配的方式構(gòu)建整機的三維裝配圖。本系統(tǒng)中SolidWorks二次開發(fā)是通過Visual Studio2010打開SolidWorks，讀取XML文件獲取各驅(qū)動尺寸，并進行尺寸驅(qū)動、模型裝配和文件保存等。

啟動SolidWorks并打開模型代碼：

string Modelpath = @"D:大車主梁SLDASM";

SoliWorksTool.SoliWorksTool sw = new SoliWorksTool.SoliWorksTool(true);

sw.OpenSwDoc(Modelpath);

驅(qū)動草圖尺寸代碼：

sw.setDimensionValue("D1@草圖",

double.Parse(Xe.Element("大車").Element("走臺").Element("走臺筋板間距").Value));

關(guān)閉并保存模型代碼：

public void Close(string PartFullName, bool IsSave)

{

ModelDoc swModel = swApp.ActiveDoc;

if (IsSave)

{

swModel.EditRebuild3();

swModel.Save(true);

}

swApp.CloseDoc(PartFullName);

}

2) CAD二次開發(fā)技術(shù)

Visual Studio2010是通過AutoCAD ActiveX來和AutoCAD進行通信的[7]。AutoCAD的Acad Model Space數(shù)據(jù)庫中有對圖元對象進行操作的方法和屬性，可以完成對樣圖中各類圖元的創(chuàng)建和編輯。本文采用COM接口和.NET接口進行混合編程，使用COM控制AutoCAD的外部進程，并在進程中載入.NET組件。這樣既可以實現(xiàn)進程間通信，又兼顧了.NET組件的廣泛性。通過讀取XML文件獲取主梁的各參數(shù)尺寸，實現(xiàn)對圖樣中各尺寸標注及明細欄文本的驅(qū)動，并完成二維工程圖的輸出保存。列舉主要代碼如下：

if (ent is AcadDimension)

{

if (ent.TextOverride == "Y0")

{

ent .TextOverride = Y[0].ToString();

}

}//標注類圖元驅(qū)動

if (ent is AcadText)

{

if (ent.TextString == "L")

{

ent .TextString = L.ToString();

}

}//文本類圖元驅(qū)動

AcadBlockReference a= CAD.ActiveDocument.ModelSpace.InsertBlock(point01, Name, 1, 1, 1, 0, Password);

a.Explode();

a.Delete();//插入塊

2.2 參數(shù)化建模技術(shù)

參數(shù)化設(shè)計實際上是一種基于拓撲學(xué)思想的計算機輔助設(shè)計技術(shù)，其本質(zhì)是將研究對象的一些特征通過參數(shù)的方式進行表達，并通過參數(shù)對設(shè)計對象建立拓撲關(guān)系。本文主要是對模型進行參數(shù)化設(shè)計。

建立橋式起重機模型庫是SolidWorks二次開發(fā)的基礎(chǔ)支撐，任何一個零件模型都對整機的模型產(chǎn)生重要的影響。橋式起重機整機三維模型的建立首先需要對起重機的結(jié)構(gòu)、機構(gòu)的各個零件分別建立三維模型，然后將零件的模型進行裝配，最終得到橋式起重機的整機三維模型，圖2為三維模型庫。

圖2 三維模型庫

三維模型庫的建立需要將各個零件的所有尺寸都保存在提前定義好的SQL Server2008數(shù)據(jù)庫中，當(dāng)需要某個型號的零件時，只需要通過程序讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，然后利用程序驅(qū)動模型庫中對應(yīng)的模型，就可以生成所需零件的三維模型。

3 設(shè)計實例驗證

3.1 起重機選型及參數(shù)選擇

進入數(shù)據(jù)庫后，打開Visual Studio2010，生成解決方案，點擊啟動調(diào)試按鈕，進入起重機設(shè)計系統(tǒng)主界面，如圖3所示，選擇文件下拉菜單中的新建橋式起重機設(shè)計。

圖3 起重機設(shè)計系統(tǒng)主界面

新建起重機設(shè)計后，進入系統(tǒng)主參數(shù)輸入界面，輸入起重機型號，跨度起重量等基本參數(shù)和文件保存路徑后，點擊“保存并關(guān)閉”按鈕進入到起重機的設(shè)計界面。

3.2 起重機模塊化設(shè)計流程

主參數(shù)輸入完成后，首先對橋式起重機小車進行設(shè)計，依次進入橋式起重機起升機構(gòu)設(shè)計，小車運行機構(gòu)選型，小車架結(jié)構(gòu)設(shè)計。以起升機構(gòu)設(shè)計為例，在起升機構(gòu)的設(shè)計中，需要依次對鋼絲繩、卷筒、電動機、減速器、制動器、浮動軸、制動聯(lián)軸器、聯(lián)軸器、吊鉤組、上滑輪組進行設(shè)計選型，各個選型的參數(shù)都會在界面右側(cè)顯示。當(dāng)起升機構(gòu)選型設(shè)計完成之后點擊“保存并關(guān)閉”按鈕進入小車運行機構(gòu)的設(shè)計選型。起升機構(gòu)設(shè)計界面如圖4所示。

圖4 起升機構(gòu)設(shè)計界面

其次對起重機大車進行設(shè)計，大車設(shè)計主要包括大車運行機構(gòu)設(shè)計和橋架設(shè)計。以大車運行機構(gòu)設(shè)計為例，如圖5所示，在該界面的左側(cè)是機構(gòu)設(shè)計選型部分，中部是運行機構(gòu)的示意圖，右側(cè)為結(jié)構(gòu)選型的實時設(shè)計參數(shù)。該部分的機構(gòu)設(shè)計主要是對車輪組、電動機、減速器、制動器、浮動軸、制動聯(lián)軸器、高速聯(lián)軸器、低速聯(lián)軸器的設(shè)計。

圖5 大車運行機構(gòu)設(shè)計界面

最后對橋架主要承重部件進行強度、剛度以及穩(wěn)定性校核，圖6為橋架強度、剛度校核界面。

圖6 橋架強度、剛度校核界面

完成以上設(shè)計后，輸出的相關(guān)圖樣文件，起重機參數(shù)及計算書等自動保存在所設(shè)置的文件保存位置中。

4 結(jié)語

本文以Visual Studio2010為開發(fā)環(huán)境，運用參數(shù)化和模塊化設(shè)計，開發(fā)的橋式起重機模塊化設(shè)計系統(tǒng)，顯著提高了橋式起重機的設(shè)計效率，能夠完成橋式起重機整車以及大車、小車中各模塊的設(shè)計出圖，極大滿足起重機企業(yè)的需求，提高了企業(yè)的競爭力。此外，隨著對該設(shè)計系統(tǒng)的不斷完善，該設(shè)計平臺還可用于門式起重機、懸臂起重機等的設(shè)計，不斷推進企業(yè)的信息化建設(shè)。