基于SolidWorks的混凝土搅拌站(楼)的三维快速设计

上官林建， 张伟超， 王宗领

(华北水利水电大学 机械学院，河南 郑州 450045)



基于SolidWorks的混凝土搅拌站(楼)的三维快速设计

上官林建1， 张伟超1， 王宗领2

(华北水利水电大学 机械学院，河南 郑州 450045)

针对目前混凝土搅拌站(楼)市场多样化需求和订单式生产的现状，为了缩短其设计和制造周期并降低成本，基于SolidWorks软件平台，采用树状层次结构模型对搅拌站(楼)进行模块划分.采用参数化技术建立搅拌站的三维标准件库，基于“焊件”工具完成搅拌站主排架的快速设计.通过产品模块间的替换和重组，极大地提高了搅拌站生产企业快速响应市场的能力，经济效益显著.

搅拌站;标准化;模块化;快速设计

机械设计行业的飞速发展，催生着新的设计思路和设计方法.混凝土搅拌行业从简单的手工物料混合到大型搅拌站(楼)的普遍使用，一代代的创新与发展都通过精心的设计来完成.每一代搅拌站(楼)新产品都是在已有产品平台上进行改进得到的，据统计，56%的零部件是借用已有的老产品，40%的零部件是通过变型设计得到的，只有4%的零部件是全新的设计[1].为此，能够快速高效地设计出满足市场多样化需求的新型产品，提高搅拌站(楼)零部件的复用性至关重要.

SolidWorks软件是一款基于特征参数化的机械产品设计软件.由于其易用性和高效性，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万个，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐行业、日用品、消费品、离散制造等各个领域.基于SolidWorks软件平台对搅拌楼进行参数化设计，对已有的零部件进行变形和重组，为混凝土行业的标准化、系列化和快速化生产提供高效设计平台，具有非常重要的工程价值.

1 快速设计的关键技术

1.1 模块化设计

在机械产品设计方面，模块化设计是指在对一定范围内的不同功能或相同功能、不同规格的产品进行功能分析的基础上，将其划分并设计出一系列具有一定功能的子模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的规格和功能的产品，以满足市场不同需求的设计方法[2].模块化设计一般采用面向功能和结构的分解，将一个复杂的产品设计分解成一些较为简单的子问题，从而逐级分解实现复杂产品的快速设计.产品模型可表示为m={mi}={f,s}，即一个产品分解成若干个子模块，其功能描述函数f=(f1,f2,f3,…，fn)，其结构描述集s=(s1,s2,s3,…，sn).即将结构上联系紧密并且能够独立完成某项功能的构件作为一个模块，提高模块的结构和功能的独立性，以提高设计的独立性和设计效率.

1.1.1 模块化设计的原则

模块化设计的关键在于模块的标准化，其次是模块划分要易于拆分和重组.模块的标准化是模块结构的标准化和模块接口的标准化[3].模块划分要在完成整个系统功能的前提下保持各模块功能的独立性.所以模块化设计的原则为：

1)快速设计的基本原则是少量高效，即以最少的模块组合出尽可能多的产品，并尽量简化结构，提高精度，简化模块间的联系，降低成本.

2)模块的系列化，即在已有产品接口标准化的前提下，提供系列化模块，通过模块的替换，最大限度并且经济合理地满足客户需求.

1.1.2 混凝土搅拌站的模块化分

对整个系统进行合理的划分是模块化设计成功与否的关键，对搅拌站的模块划分如果很详细，则容易对子模块进行设计和修改，但不利于模块之间接口的标准化，从而大大降低子模块的通用性.模块如果划分太少，将便于模块的拆分和重组，但模块的修改和设计难度将会增加，设计效率也会降低.对搅拌站进行合理的模块划分，就是要在不影响搅拌站整体性能的前提下对搅拌站各个功能进行集成，并对集成后的各功能模块接口进行标准化.

根据混凝土搅拌站模型由物料称量系统、物料输送系统、搅拌系统、电气系统及辅助设备等组成.复杂的搅拌站可表示为一些相关联的子模型的集合，形成树状产品实例结构,如图1所示.

图1 混凝土搅拌站模型结构图

从图1(a)模块划分树状结构可以看出，把搅拌站划分为4个大的模块：粉料容器模块、粉料设备、砂石设备、搅拌系统.图1(b)为利用SolidWorks软件平台建立的混凝土搅拌站模块化装配图.4个模块各自独立通过模块间的标准接口连接，在生产需求变动的情况下，能够实现模块的快速拆分和重组.

标准化接口即可根据实际情况来设计，如粉料装置是通过螺旋输送机进行上料，都是通过管道输送，那么就可以根据实际需要选用合适的国标法兰盘来完成接口的标准化，同样砂石料与称量设备、输送设备、搅拌设备是通过螺栓的连接来完成，那么就可以运用一定柔性的螺栓孔位置来实现接口标准化.

在生产需求变动和生产质量提高时，对不能满足生产需求的模块进行修改或重新设计，新旧模块之间的标准接口可以实现产品的快速替换重组，每一个子模块的更新及模块的拆分和重组都可以形成一种新型产品.从而可以减省大量设计任务，提高设计效率.

1.2 参数化设计

参数化设计对形状规则的系列产品是一种快速、高效的设计方法.它是指形状比较固定的零部件，用标准化参数或常用参数来约束模型的尺寸及拓扑关系，模型尺寸与设置的参数一一对应.当给出不同的参数值时，就可以驱动模型，转化成所需要的零件模型[4]，通过已有产品的参数变化和局部结构的调整，就能得到不同功能的零部件.

设计者依据客户的新需求设计产品总体功能与结构，构建总装配体骨架模型，并完成主要机构运动和原理性运动动画，利用SolidWorks软件参数化草图模块建立骨架草图与子装配草图，并确定各个总装配体、子装配体、零件之间的空间位置与主动尺寸的约束关系[5]，构建产品虚拟的装配模型与结构树，将草图与装配结构树中的零部件关联，在此基础上通过调用已有的子模块或标准件、设计新的零件等多种模式相结合完成整个产品模型的详细设计.

1.2.1 SolidWorks参数化设计

SolidWorks的参数化设计功能十分强大，它主要有2个部分：模型建立的参数化和修改引擎的参数化.SolidWorks中的每个零件都是一个构件，这些零件的建立都是通过尺寸约束和简单的几何约束来完成的，任何参数及几何关系的变动都会直接在建立的模型上反映出来，并且双向传播到所有视图中，毋须对所有视图进行逐一的对照修改，从而提高工作效率和工作质量.

参数化建模技术有3种方法：①基于尺寸驱动的参数化建模；②基于约束驱动的参数化建模；③基于特征模型的参数化建模[6].

1.2.2 基于SolidWorks的参数化建模技术

1.2.2.1 Solidworks系列零部件建模

搅拌站设备大部分都是由通用件和钢结构组成，根据国家标准建立一个搅拌站三维标准件库，设计时直接选用，可以节省建模时间，提高设计效率.其中利用SolidWorks系列零部件功能可以快速建立一系列基于特征和尺寸驱动的零部件，这种基于SolidWorks参数化设计方法进行建模的过程简单，不需要编程，对于设计人员来说能够减少大量重复工作，快速实现系列产品的参数化设计.以搅拌机的常规叶片为例说明其建模步骤.

1)首先分析搅拌机叶片的外形尺寸，对这一系列叶片建立一个统一的基于尺寸和约束驱动的零部件模型.

2)建立搅拌机叶片尺寸的Excel表格.

3)运用SolidWorks设计表功能将Excel表格输入，基于尺寸约束就可以实现不同尺寸叶片的自动生成.

输入表1中的数据，点击不同参数的零件，SolidWorks就可以自动生成不同参数的零部件图，如图2所示.

表1 某品牌搅拌机叶片的参数

图2 系列搅拌机叶片

1.2.2.2 SolidWorks结构件快速建模

钢结构件是机械设计中大量需求的构件，如搅拌站的钢结构框架，传统建模方法是运用特征工具一步步完成各个构件的建模，在对构件进行装配时，工作重复量大，严重拖慢设计进度.SolidWorks软件平台可以有效地解决这一问题.

通过大量的研究总结可以发现在钢结构中存在着大量重复使用的国标型钢、规则型钢等.SolidWorks软件中具有“焊件”工具，该工具包括“结构构件”功能.在进行钢结构件的设计时，首先建立该产品的常用钢结构标准截面库，只需应用2D或3D草图，绘制出钢结构的框架图，然后利用“结构件”功能为3D草图选取合适的截面形状即可完成钢结构建模.

在对混凝土搅拌站的主楼框架进行分析总结发现，搅拌站主楼框架是运用型钢焊接或螺栓螺母连接而成，型钢的种类一共有5大类，其中H型钢3种，角钢1种，槽钢1种，共有200多个构件组成.各个构件建模后装配的过程繁琐，极易出错，这时使用结构件功能实现主楼框架的快速建模，在SolidWorks中建立属于自己产品常用的截面库就很有必要了.如国标的H型钢、T型钢、方钢等，也可自定义厂家常用但却非国标截面，方便自己使用.搅拌楼框架快速建模步骤如下.

1)运用2D或3D草绘功能快速而准确地绘制出主楼框架的线框图.

2)建立搅拌站所用的5种型钢截面库.

3)运用SolidWorks结构件功能为各个线框选取型钢截面.

4)对完成的钢结构主楼框架进行一系列的优化.

图3(a)为3D草图功能建立的主楼框架.此时用SolidWorks“焊件”中“结构”件功能为绘制好的线框图选取型钢截面，选取截面后再经过一系列优化操作，即可快速完成整个框架的建模，结果如图3(b)所示.

图3 主楼3D草图及框架模型

主楼框架完成后，整个框架为一个零件，大大节省了存储空间，减少了建模及装配时产生的错误，节省了建模时间，提高了设计效率.对于其他零部件，利用参数化建模技术，建立搅拌站的基础部件模型库，将前人的设计技术和经验融合进新的产品之中，使新的产品从结构到功能更趋于专一化、合理化，从而实现产品级的参数化，通过各功能模块的灵活调选和组合，可完成整个构件的参数化设计.

1.2.3 SolidWorks工程图

在完成构件的三维设计后，要将设计的产品投入生产，则需要将所设计的三维产品模型转化为可用于实际生产的二维图纸.这些图纸除了清晰地表达出零件的结构和尺寸外，还要注明零件的代号、材料、数量规格等信息，传统设计中对图纸的重复抄录极易出错，校对工作也极其繁琐.SolidWorks的参数化修改引擎，可以准确地将所有三维建模和设计时赋予构件的属性值传递到自动生成的二维图中.

1.2.3.1 SolidWorks工程图参数化修改引擎

在完成SolidWork工程图后，若对原有设计有不满意的地方，可以在三维模型中修改.SolidWorks参数化修改引擎可以将三维模型中的修改直接传递到二维图纸中，反之在二维图纸中的数值修改也能准确地传递到三维模型中，免去重复修改产生的错误.

1.2.3.2 SolidWorks快速工程图功能

在实际生产中，工程图是企业用于制造生产的最终图样，图纸的格式尤为重要.SolidWorks自带的图纸模板不符合我国的国家标准，需要进行大量的修改.所以利用 SolidWorks 软件自带的二次开发功能对 SolidWorks 的标题栏、 明细表进行自定义，使其符合我国国标习惯,能够大幅提高出图速度.如图4和图5两种图纸格式，分别是SolidWorks自带的图纸格式和自定义的A4图纸格式，对常用的图纸格式自定义后进行保存，在下次使用时就可以直接调用，方便快捷，不易出错.

图4 英制图纸格式

图5 国标图纸格式

2 结 语

基于SolidWorks软件平台，提出了一些通过快速建模建立的具有统一接口的产品零件库及模块库，通过产品模块间的替换和重组，实现机械产品的快速三维设计，并基于SolidWorks软件平台的图纸与模型信息可双向传递的优点，实现了生产与设计信息的基本同步，大幅度提高了设计效率.从用户的角度讲，通过简单的选型和参数输入及后期的局部修改就可以得到满足需求的新产品，极大提高了用户快速响应市场的能力，提高了经济效益.

[1]贡智兵．基于产品平台的快速设计关键技术研究及实现[D]．南京：南京理工大学，2007．

[2]黄瑾媛,尹健,封超．模块化设计及其在小型农业作业机设计中的应用[J]．现代机械，2010，37(6)：66-67,74．

[3]贺斌．基于知识工程的汽车覆盖件模具模块化设计技术研究[D]．长沙：湖南大学，2008．

[4]秦慧斌,张亚明,吴淑芳，等．基于SolidWorks的堆垛机参数化设计系统的开发[J]．华北工学院学报，2004，25(1)：24-27．

[5]王乔．基于动态全息产品模型的桥式起重机桥架快速响应设计系统研究[D]．太原：中北大学，2012．

[6]王松涛,王宗彦,吴淑芳，等．基于SolidWorks的巷道式堆垛机快速设计系统[J]．机械设计与制造，2011，45(1)：53-55．

(责任编辑：杜明侠)

Three-dimensional Fast Design of Concrete Mixing Station(Floor) Based on SolidWorks

SHANGGUAN Linjian1, ZHANG Weichao1, WANG Zongling2

(School of Mechanical Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)

Aiming at the diverse needs and the state of making to orders of concrete mixing station(floor), meanwhile to shorten the design and manufacturing cycle and reduce the cost, the modules of mixing station(floor) were divided by tree like hierarchical structure model in the platform of SolidWorks software. The three-dimensional standard parts library was established by parametric technologies, the fast design of the main racks of concrete mixing station was finished by the tool of weld elements. Through the replacement and reorganization of product modules, the market adaptability of manufacturing enterprises of mixing station is greatly increased, and the economic benefits are significant.

mixing station; standardization; modularization; fast design

2014-11-30

河南省产学研项目(132107000026).

上官林建(1972—),男,河南光山人,教授,博士,主要从事机械三维设计及虚拟样机技术等方面的研究.

10.3969/j.issn.1002-5634.2015.01.013

TU64+2.2

A

1002-5634(2015)01-0061-05