臧春田，王宗彥，李玉虎，石瑞敏，馬旭

(中北大學(xué) a. 機(jī)械工程學(xué)院； b. 山西省起重機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)工程技術(shù)研究中心，山西 太原 030051)

0 引言

目前，橋式起重機(jī)作為車間生產(chǎn)的重要運(yùn)輸設(shè)備，應(yīng)用廣泛，其運(yùn)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(biāo)貨物進(jìn)行起吊、搬運(yùn)等操作。隨著全球起重機(jī)市場需求的不斷擴(kuò)大，起重機(jī)正朝著大型化、輕型化的方向發(fā)展，起重機(jī)的設(shè)計(jì)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(jī)的設(shè)計(jì)依舊采用的是傳統(tǒng)手工計(jì)算設(shè)計(jì)的方法，在設(shè)計(jì)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(jī)行業(yè)，通過研究起重機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)[2]，幫助設(shè)計(jì)工程師實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)快速定制設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)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(dá)到提高企業(yè)市場競爭力的目標(biāo)。

1 橋式起重機(jī)智能設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)框架構(gòu)建

以起重機(jī)為研究對象，結(jié)合客戶實(shí)際生產(chǎn)需求，按照產(chǎn)品模塊劃分方法和原則，將起重機(jī)各級結(jié)構(gòu)劃分為不同層級的多個(gè)模塊，并整合各模塊之間的對接方式；確定設(shè)計(jì)對象的基本參數(shù)，引入?yún)?shù)化設(shè)計(jì)方法及標(biāo)準(zhǔn)，形成了一定的規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的模塊化設(shè)計(jì)方法；通過研究柔性化模塊的形成機(jī)理，建立起重機(jī)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(jìn)行柔性模塊的參數(shù)化設(shè)計(jì)，形成滿足客戶需求的工程圖樣和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的相關(guān)文檔。

起重機(jī)設(shè)計(jì)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(jì)部件及參數(shù)確定、模型驅(qū)動機(jī)制、工程圖優(yōu)化調(diào)整及產(chǎn)品設(shè)計(jì)文檔管理[3-5]。

圖1 起重機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)技術(shù)路線

1.2 系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)的重要策略，模塊化設(shè)計(jì)的本質(zhì)就是對整個(gè)系統(tǒng)功能進(jìn)行分析，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的功能的不同，對系統(tǒng)的功能進(jìn)行模塊劃分，不同的模塊實(shí)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(gè)大模塊的開發(fā)，即系統(tǒng)管理模塊、總體設(shè)計(jì)模塊和數(shù)據(jù)庫模塊。本文主要研究的是起重機(jī)總體設(shè)計(jì)模塊，其包含大車設(shè)計(jì)和小車設(shè)計(jì)，大車與小車的設(shè)計(jì)中又分別有機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模塊。

2 設(shè)計(jì)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(jī)三維模型是通過SolidWorks以草圖建模的方式創(chuàng)建橋式起重機(jī)所有機(jī)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(jī)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(jìn)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(jìn)行通信的[7]。AutoCAD的Acad Model Space數(shù)據(jù)庫中有對圖元對象進(jìn)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(jìn)行混合編程，使用COM控制AutoCAD的外部進(jìn)程，并在進(jìn)程中載入.NET組件。這樣既可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)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(shí)現(xiàn)對圖樣中各尺寸標(biāo)注及明細(xì)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(biāo)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(jì)實(shí)際上是一種基于拓?fù)鋵W(xué)思想的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)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(jìn)行表達(dá)，并通過參數(shù)對設(shè)計(jì)對象建立拓?fù)潢P(guān)系。本文主要是對模型進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。

建立橋式起重機(jī)模型庫是SolidWorks二次開發(fā)的基礎(chǔ)支撐，任何一個(gè)零件模型都對整機(jī)的模型產(chǎn)生重要的影響。橋式起重機(jī)整機(jī)三維模型的建立首先需要對起重機(jī)的結(jié)構(gòu)、機(jī)構(gòu)的各個(gè)零件分別建立三維模型，然后將零件的模型進(jìn)行裝配，最終得到橋式起重機(jī)的整機(jī)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(gè)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(gè)型號的零件時(shí)，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(jì)實(shí)例驗(yàn)證

3.1 起重機(jī)選型及參數(shù)選擇

進(jìn)入數(shù)據(jù)庫后，打開Visual Studio2010，生成解決方案，點(diǎn)擊啟動調(diào)試按鈕，進(jìn)入起重機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)。

圖3 起重機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)主界面

新建起重機(jī)設(shè)計(jì)后，進(jìn)入系統(tǒng)主參數(shù)輸入界面，輸入起重機(jī)型號，跨度起重量等基本參數(shù)和文件保存路徑后，點(diǎn)擊“保存并關(guān)閉”按鈕進(jìn)入到起重機(jī)的設(shè)計(jì)界面。

3.2 起重機(jī)模塊化設(shè)計(jì)流程

主參數(shù)輸入完成后，首先對橋式起重機(jī)小車進(jìn)行設(shè)計(jì)，依次進(jìn)入橋式起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)選型，小車架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，在起升機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，需要依次對鋼絲繩、卷筒、電動機(jī)、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(jìn)行設(shè)計(jì)選型，各個(gè)選型的參數(shù)都會在界面右側(cè)顯示。當(dāng)起升機(jī)構(gòu)選型設(shè)計(jì)完成之后點(diǎn)擊“保存并關(guān)閉”按鈕進(jìn)入小車運(yùn)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型。起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)界面如圖4所示。

圖4 起升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)界面

其次對起重機(jī)大車進(jìn)行設(shè)計(jì)，大車設(shè)計(jì)主要包括大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和橋架設(shè)計(jì)。以大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，如圖5所示，在該界面的左側(cè)是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選型部分，中部是運(yùn)行機(jī)構(gòu)的示意圖，右側(cè)為結(jié)構(gòu)選型的實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)參數(shù)。該部分的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是對車輪組、電動機(jī)、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(jì)。

圖5 大車運(yùn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)界面

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

圖6 橋架強(qiáng)度、剛度校核界面

完成以上設(shè)計(jì)后，輸出的相關(guān)圖樣文件，起重機(jī)參數(shù)及計(jì)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(yùn)用參數(shù)化和模塊化設(shè)計(jì)，開發(fā)的橋式起重機(jī)模塊化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，顯著提高了橋式起重機(jī)的設(shè)計(jì)效率，能夠完成橋式起重機(jī)整車以及大車、小車中各模塊的設(shè)計(jì)出圖，極大滿足起重機(jī)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(jì)系統(tǒng)的不斷完善，該設(shè)計(jì)平臺還可用于門式起重機(jī)、懸臂起重機(jī)等的設(shè)計(jì)，不斷推進(jìn)企業(yè)的信息化建設(shè)。