基于CAD平台的分水计量水闸系统参数化设计

刘 东，刘振海

(北方工业大学 机电工程学院，北京 100144)

基于CAD平台的分水计量水闸系统参数化设计

刘 东，刘振海

(北方工业大学 机电工程学院，北京 100144)

分水计量水闸系统广泛应用于水利系统，水闸系统的特点为型号多，结构相似度高，设计时重复工作量大。通过应用CAD软件二次开发技术，在通用CAD软件平台上基于水闸结构设计的基本理论，采用现代化的参数化图形处理技术、数据库技术、模块化设计思想以及VBA编程技术，研发了一套集结构设计、尺寸计算、二维设计图样与三维模型自动绘制功能于一体的分水计量水闸系统参数化设计平台。调试运行结果表明，该平台能够很好地实现分水计量水闸系统参数化设计功能。

水闸系统；参数化设计；二次开发；VBA

计算机辅助参数化设计可以有效提高图形生成与修改的速度，在工程设计以及专用设计系统开发等方面具有较高的应用价值，是工业发达国家制造业保持竞争优势、开拓市场的重要手段。目前，国内外科研人员对标准件、典型机械零件与专用机械设备等的参数化设计技术进行了大量研究与应用，已广泛应用于航空航天、汽车、机械、电子和建筑等众多工程设计领域[1-2]。而相比于机械、电子等行业，水利水电行业在相关技术的研发与应用方面成果甚微，国内外尚无成熟的水工CAD系统，也没有影响力广泛的专业从事水工CAD技术研究与应用的部门，现有水闸设计系统大多由设计单位根据需要而开发，其功能、形式较为单一，结构设计与图形绘制的集成度不高，且通用程度不高[3-4]，不能满足分水计量水闸系统的设计需求。

分水计量水闸系统机械结构部分主要由动力传动机构、水闸本体结构以及水封结构组成，具有功率小、传动比大和双轮对称驱动等特点，适用于渠灌区的多种水情。由于水闸系统型号多，结构相似度高，设计计算及绘图重复工作量大而繁复，设计人员没有时间顾及设计选型以及多种方案的比较，可能直接制约相关子工程的设计进度，影响整个工程的设计质量以及设计周期。合理利用CAD参数化设计技术，可以使设计人员摆脱繁复的机械劳动，从而更好地从事创造性、决策性的设计研发工作，提高工程设计的效率及质量。基于通用CAD软件二次开发技术设计的分水计量水闸系统参数化设计平台，具有结构设计、尺寸计算和关键零件结构性能校核、自动绘图和数据存储等功能，为水闸系统的设计提供了高效合理的设计手段。

1 水闸系统设计平台的原理

水闸系统参数化设计平台采用了常用的程序参数化技术与模块化设计思想，二维与三维参数化设计程序开发平台分别选择AutoCAD与SolidWorks软件；数据库以及数据报告文件存储平台分别选择Access与Excel软件；采用VBA编程技术以及事件驱动方式实现，面向对象设计编程，设计过程全部为人机交互方式，既能保持功能的独立性，又能维持数据的共享，形成一个高效的整体设计过程，轻松地实现设计工作的自动化。

1.1 参数化设计的基本原理

参数化设计以尺寸约束为驱动对象，尺寸驱动的目的是根据尺寸约束的变化对图形进行修改，并且保持图形修改后的拓扑结构关系不变[5-6]。由分水计量水闸系统结构特点可知，设计过程中零件的性能校核分析遵循一定的标准规范，结构尺寸之间也具有一定的参数关系，初始数据与结果数据之间具有明确的函数关系，即水闸系统的设计过程具有明显的参数化特点。

尺寸联动是实现产品参数化设计的关键，即提取关键零件的关键参数进行修改，即可实现相关零件结构尺寸的联动修改。零件是组成机械产品的基本单元，部件参数化设计的实现基于各组成零件的参数化设计。在完整的机械产品中，零部件之间一般通过层次关系、继承关系以及装配关系相互关联，装配关系是建立约束关系的基础；根据装配关系建立零部件参数之间的关系，是实现尺寸联动的关键；最简单的装配模型是2个零件之间的装配，2个零件间的数据传递与依赖关系如图1所示，复杂装配模型内的关系可由此类推[7-8]。同理，设计图样图幅与绘图比例的确定亦可由此类推。

图1 零件间数据传递与依赖关系

1.2 平台的模块化设计

水闸系统参数化设计平台应具备设计参数输入、结构尺寸与强度设计计算、二维设计图样绘制和三维模型绘制等功能，且设计流程应当与手工设计流程保持一致。基于水闸系统的结构与设计特点，平台由3个主功能模块构成，各模块又分别包含不同的子模块，模块的设计依据水闸系统设计过程展开，各模块功能明确且具有一定的独立性，在保证平台运行稳定性的同时降低了程序设计的复杂性。水闸系统参数化设计平台的设计流程及模块结构如图2所示。

图2 平台设计流程与模块结构

1.2.1 参数模块

参数模块是设计平台的基础模块，根据水闸结构设计理论以及工程设计习惯，确定了水闸系统设计的基础参数为设计水头、水位超高、过水宽度和水闸行程。按照平台操作界面提供的资料图及系统提示准确输入合理的设计参数，即可进行后续设计计算过程。

1.2.2 数据处理模块

数据处理模块是设计平台的核心模块，平台可根据输入参数初步设计计算各零件结构尺寸，并完成动力传动设备选型计算以及水闸门叶、驱动轴等关键结构件的强度与刚度校核计算，生成绘图参数。平台设计计算结果将自动保存于数据库中，亦可通过“存储数据”功能选项，将水闸关键结构尺寸等相关数据资料存储于数据文件，便于数据传输、调用以及设计人员对设计结果进行分析整理。

数据处理模块运行于平台内部，一般不能通过界面设置对其计算过程进行干涉。在水闸参数化设计过程中，针对非标零件的结构参数，通过对相关参数对水闸系统重要结构功能的影响程度等因素进行综合分析，采用2种途径进行设定：对于影响较小的一般结构参数，采用强制规定的方式进行设置；对于重要结构参数，设计人员可以通过平台操作界面提供的“参数设置”功能选项对预设参数进行修正。

1.2.3 绘图模块

绘图模块是设计平台设计结果的呈现手段，绘图模块对数据处理模块生成的绘图参数进行调用，通过VBA编程技术调用CAD软件平台提供的绘图命令绘制零件图形，确定设计图样的图幅与绘图比例，并标注零件的基本尺寸。设计人员可以根据设计需要在零部件选项卡选取指定零件，通过“二维图形”与“三维模型”功能选项，分别实现指定零件的二维设计图样与三维模型绘制。

2 水闸系统设计平台的实现

2.1 参数化绘图功能的实现

分水计量水闸系统参数化设计主要采用了程序参数化技术，采用尺寸变量驱动图形的编程方式。程序参数化可以集中表现产品模型的定义、表达以及实现，这种方法普遍适用于标准件与定型件等结构固定的典型零件的参数化设计[9-10]。

2.1.1 零件关键参数的确定

在零件参数化设计中，真正驱动设计的是关键参数，次要参数由关键参数决定，常量参数保持不变。零件参数的合理性将直接影响特征建模的正确性与复杂程度、程序编制的复杂程度以及图形显示。以水闸系统升降驱动机构为例，其中部分零件结构关系如图3所示，其机构整体的设计由设计的基础参数决定，而内部各零件的关键参数则由约束关系及性能要求决定，如升降绳的关键参数有绳的直径与长度，进而可以确定升降驱动轮的关键参数为轮槽圈数与轮槽半径。

2.1.2 图形的绘制

水工结构通常具有不定型性，其中的非标零件难以通过程序参数化技术进行建模，在编制参数化设计程序时，可以采用专用程序设计的方法，对于多次调用的专业通用符号和图元，可以将其定义成通用程序，以便于多次调用，从而提高绘图效率和质量；对于非标结构与参数则编制专用程序，并提供个性化修改的功能，这是水工CAD技术进一步发展的关键与技术难点。

2.2 数据存储功能的实现

平台可通过ADO(ActiveX Data Objects)对Access数据库实现访问和管理，水闸系统的总体结构与尺寸数据，包括基础参数以及设计结果数据，将以规定的格式保存于数据库管理系统的相应记录中。数据库技术的使用有利于设计资料的传输与积累，使得平台的设计模块与绘图模块相对独立，提高了平台运行的稳定性以及编程效率。另外，平台可以将部分关键设计结果资料通过Excel软件直接保存为数据报告文件。

2.3 平台操作界面的实现

产品设计应基于设计人员的工程实践经验、实际工程中的具体情况与材料性能等因素[4]，为了体现工程设计人员的主导作用，并且适应于传统设计习惯需要，平台构建并融合了可视化、交互性的对话框操作界面。输入、输出数据设置与水闸结构等相关资料相互对应，各界面完成不同功能且相互联系，重要设计过程的计算结果显示于对话框中，由设计人员进行判断与选择。程序可根据设计资料及理论自动进行初始设计，设计结果与设计要求不一致时，可返回基础参数设置界面或在相关界面对相关输入参数进行修正，输出数据可根据输入参数的变化实现动态更新。水闸设计结果主要以二维设计图样、三维模型与数据报告文件表示，可大大增强设计人员对设计结果的直观掌握，提高设计效率与设计质量。零部件选择及图形绘制操作界面如图4所示。

图4 零部件选择及图形绘制操作界面

2.4 工程设计实例

在AutoCAD环境下运行分水计量水闸系统设计平台，按照平台设计流程依此进行参数输入、设计校核和绘图等操作，即可轻松而高效地获取水闸零件的设计图样与三维模型，设计人员只需根据实际需求对设计结果进行完善，避免了大量的重复性工作。设计实例如图5所示，是平台根据设计参数自动绘制的升降驱动轮-1的二维设计图样与三维模型。

图5 升降驱动轮-1设计实例

3 结语

本文利用CAD软件二次开发技术，在通用CAD软件平台上基于水闸结构设计的基本理论，采用现代化的参数化图形处理技术、数据库技术、模块化设计思想和VBA编程技术，研发了一套集结构设计、尺寸计算和设计图样与模型自动绘制功能于一体的分水计量水闸系统参数化设计平台。

该平台主要完成了如下参数化设计功能：1)完成了水闸系统的参数化设计功能，简化了设计流程，提高了设计效率，该设计平台具有二维设计图样与三维模型自动绘制功能；2)设计平台具有水闸关键零件的工作性能校核功能，能够对关键零件自动进行强度和刚度计算，且能够校核零件工作的可靠性。

[1] Trivedi R D, Shah D B, Patel K M. 3D parametric modeling for product variants using case study on inner ring of spherical roller bearing[J].Procedia Engineering，2013，51:709-714.

[2] Yassine A A. Parametric design adaptation for competitive products[J]. Journal of Intelligent Manufacturing，2012，23(3):541-559.

[3] 陈文龙.船闸人字门可视化CAD集成系统研究[D].南京:河海大学，2003.

[4] 吴玉光，朱灯林，林仁荣，等.平面钢闸门集成CAD 软件设计[J].计算机辅助设计与图形学学报，2001，13(1):44-47.

[5] 兰丽辉.关于CAD产品的参数化设计方法的探讨[J].长春工程学院学报：自然科学版，2003，4(3):70-72.

[6] Gujarathi G P, Ma Y S. Parametric CAD/CAE integration using a common data model [J].Journal of Manufacturing Systems，2011，30(3):118-132.

[7] 陈酹滔.零部件参数化设计方法研究与系统实现[D].南京:南京理工大学，2004.

[8] Chen X, Gao S M, Yang Y D, et al. Multilevel assembly model for top-down design of mechanical products [J]. Computer-Aided Design，2012，44(10):1033-1048.

[9] 林希.参数化技术在计算机辅助设计中应用[J].电子测试，2013(8):247-248.

[10] 王鸿钧.典型机械零件参数化设计系统的研究与开发[J].制造业自动化，2010，32(7):36-38.

责任编辑彭光宇

Water-meteringSluiceGateSystemParametricDesignbasedonCADPlatform

LIU Dong，LIU Zhenhai

(College of Electro-mechanical Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

Water-metering sluice gate system is widely used in water systems and characterized by varieties of models with highly similar structures. In order to effectively reduce the wasteful duplication of effort, a parametric design platform is developed based on the basic design theory and method of sluice gate structure and re-development technology of commonly using CAD platform. This platform is developed with modern parametric graphics processing technology, database, modular design concept and VBA programming technology, and provides the function of structure design, dimension calculation, automatic drawing and three-dimensional modeling. Program debugging operation shows that this platform is able to well realize parametric design of water-metering sluice gate system.

sluice gate system, parametric design, re-development, VBA

TP 391.72；TV 663

:B

刘东(1976-)，男，博士，副教授，主要从事先进制造技术等方面的研究。

2015-02-09