门式起重机广义模块化设计系统的研究与实现

白传武

（海南大学 应用科技学院 （儋州校区），海南 儋州 571737）

0 引言

门式起重机主要用于室外的货场、料场装卸与搬运以及设备构件安装等吊装作业，具有场地利用率高、作业范围大、适应面广和通用性强等特点，因而得到广泛使用。在订单增多的情况下，设计者愈加地感觉到重复性的劳动占用了他们大量的设计时间，以至于不能把主要精力投入到新产品的创新与优化中。

在参数化设计［1］技术出现以前，传统的CAD设计方法只关心最后的设计结果，而不关心设计的过程，不能自动实现对已有图形的修改，缺乏变参数设计功能，不能有效地支持变型化、系列化设计和模块化设计，从而使得设计周期长、设计费用高、设计中存在着大量的重复劳动，严重影响了设计效率，无法满足客户对产品的高质量和快速响应的需求。为使产品的研制向着短周期、品种规格多样化、快速响应市场需求的方向发展，在机械设备的设计过程中，开展模块化和参数化工作是应对市场竞争的一种有效手段。

1 设计思想

模块化设计［2］是将模块化思想引入产品设计，着重解决产品品种、规格、设计制造周期与成本之间的制约关系的现代设计方法，通过模块的选择和组合可以快速构建成不同的产品。

门式起重机结构尺寸随着载荷、使用工况等因素的不同而不同，这使其产品结构难于采用系列化标准中的优先数和优先系列方法进行传统的模块化设计。

广义模块化设计［3，4］是以传统模块化设计基本理论为基础，在产品结构难于进行系列化分级时，根据用户要求或具体工况进行产品结构设计。它通过功能分析、总结典型结构型式及其模块类型，并对模块进行参数化分析，从而形成产品的标准的模块模板。模块模板对一定范围的设计参数有一定的适应性，当把用户要求的设计参数在标准模板具体化后，便得出具体结构尺寸和实例模块，再把实例模块组合成具体的产品结构，以适应快速设计的要求。

2 设计流程

首先，收集各种型式、不同起吊吨位、跨度和起升高度等因素制约下的成功产品案例，将其划分成相应的模块，对模块进行相应的编码，并将数据储存在数据库中；然后，提取典型模块的形位尺寸，将其变量化后得到可以参数化驱动的模板；最后，根据用户需求信息在模块库中查找需要的模块，如果找不到相匹配的模块，则选取相应的模块模板通过参数化和优化后得到的新模块经组合形成所需产品。门式起重机广义模块化设计流程见图1 。

图1 门式起重机广义模块化设计流程图

3 广义模块化设计实现的关键技术

3.1 模块库的建立

按照传统模块化设计的思路对门式起重机进行功能结构分析，划分的功能结构框图见图2 ，根据相应的功能结构建立对应的产品库和模块库。收集典型的结构型式和以往成功的实例，经优化后形成较完善的模块库，这一过程对于广义模块化设计是十分重要的，但往往会因设计水平和时间的关系影响模块库中模块质量和模块类型，以致影响整个广义模块化设计的应用范围和应用效果。

3.2 模板库的建立

模板库的建立过程实际上是利用数据驱动参数化模型库中的几何模型或程序，进行模型重构的过程。参数化模型库的建立通常是通过编程或在CAD软件内通过参数化建模来实现，在CAD软件内部进行参数化建模时，一般应首先进行零件或装配体的初始几何建模，然后将控制模型形状与位置的尺寸变为参变量。

图2 门式起重机的功能结构框图

在模块库建立的基础上，对模块经特征提取、参数提取和参数化驱动设置后便形成了模块模板，在SolidWorks软件中建立模板库的过程见图3 。

图3 模板库建立框图

3.3 模块的编码

模块的编码［5］是在遵循唯一性、完整性、简洁性、易于计算机处理的原则下，用字母和数字作为代码来描述产品与模块的总体信息、从属关系、接口信息、结构特征信息等相关信息，便于用计算机辅助模块选择、组合和管理。图4 为模块模板的信息编码。模块的从属关系信息与模块的结构特征信息主要用于模块的选择；模块的接口信息用于模块的组合；其他信息用于模块的管理。

图4 模块模板编码方式

3.4 数据库的建立与访问

Access数据库是一个小巧的数据库管理系统，功能简单但相当完善，可以完成诸如查询、增加、删减、排序等对数据的操作功能，满足设计系统中数据库对数据管理的要求。ADO基于通用数据访问技术，用ADO访问Access数据库的主要步骤有：引入ADO动态链接库、与数据源的连接、数据操作和关闭数据源。

3.5 参数化设计过程

目前，几乎所有的三维CAD系统都支持参数化造型功能，在SolidWorks软件中以铰座为例来说明参数化设计过程。如图5 所示，选择220这个尺寸，在名称栏输入相应的参数符号D1以代表220这个具体值，当重新建模时，根据输入的D1值来替换220以实现参数修改。

图5 尺寸的参数化设置

以"D1＠草图2 "这个尺寸为例，用来驱动SolidWorks API语句为：swPart.Parameter（"D1＠草图2 "）.SystemValue＝D1／1 000。当外界对 D1赋予新的数值时，SolidWorks将按输入的参数重新生成新图形。还可以通过添加方程式，修改部分主要参数控制其他相关的从动尺寸，从而实现快速设计。

3.6 工程图优化技术

在对模板库的模块模型按用户要求重新生成后得到的是三维图形，最终是要把三维图变成二维图纸来满足生产的需要，但模型驱动后直接生成的工程图往往存在位置不准确、比例不协调和尺寸漂移等问题，因此需要对工程图进行合理的调整以满足生产的需要［6］。

4 设计系统的实现

建立VB程序与SolidWorks连接，创建一个SolidWorks的应用对象，连接函数如下：

Dim swApp As Object

Set swApp＝GreateObject（"SlidWorks.Application"）

通过这个函数就打开了SolidWorks的接口，可以调用它的API函数，然后以Access作为数据库，利用ADO数据库访问技术，以三维软件SolidWorks为平台，建立门式起重机的广义模块化设计系统，系统界面见图6 。

图6 门式起重机广义模块化设计系统界面

5 结语

本文以广义模块化设计理论为支持，VB为开发工具，SolidWorks为开发平台，研究了门式起重机广义模块化设计系统。该系统可以帮助企业提高产品设计效率、设计质量以及产品设计的规范化和标准化程度，使企业能够对用户需求进行快速响应，大大减轻了设计人员的重复性劳动，具有一定的应用价值。

［1］何有钧，邹慧君，王石刚，等.基于图形分解思想的复杂零件的参数化设计［J］.机械科学与技术，2000（2）：201-202.

［2］王志，张进生，于丰业，等.基于模块化的机械产品快速设计［J］.机械设计，2004（8）：1-3.

［3］侯亮，徐燕申，李森，等.基于参数化造型、变量优化的广义模块化设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2001（8）：13-15.

［4］高卫国，徐燕申，陈永亮，等.广义模块化设计原理及方法［J］.机械工程学报，2007，43（6）：48-54.

［5］王永娟，赵军，钟远龙.自动武器广义模块化快速设计研究与系统开发［J］.兵工学报，2008，29（4）：390-395.

［6］王宗彦，杨忠华，吴淑芳.基于三维设计的工程图自动调整技术［J］.机械设计与制造，2009（10）：64-66.