基于C 号的桥式起重机模块化参数化设计系统的实现

张 辉， 于万成

（太原重工股份有限公司， 山西 太原 030024）

CAD[1]技术的广泛应用为产品设计提供了丰富的设计资源，合理的利用这些资源能够有效的缩短产品开发周期，提高产品设计质量。目前，由于起重机设计参数繁多，一个零、部件可能涉及到数十个参数，这些参数仅靠人力管理就显得非常吃力。同时，由于很多设计单位仍然采用手工绘图方式，这种绘图方式较为繁琐，同时由于设计人员在设计计算上对于系数取值的差异，导致同一批产品个性化设计较多，设计的规范性较差。随着计算机技术的发展，数据库管理系统引入到人类的日常生活中，在数据库[2]强大的功能下，日常的数据管理显得非常容易。因此采用数据库技术管理产品的参数化及CAD 二次开发，能够极大的提高工作效率，缩短设计周期，实现产品的快速化、规范化设计。

1 桥式起重机设计系统

本文针对桥式起重机整体结构，采用面向对象的设计思想，结合数据库技术和CAD 技术，以Windows 操作系统作为平台，采用C 号作为开发工具，以Access 数据库作为后台数据存储空间，设计并实现了基于C 号的桥式起重机参数化管理系统，其系统工作流程和模块划分如图1 所示。

该系统主要包括数据库模块、设计计算模块、优化设计模块，通过参数化绘图模块、快速报价模块、说明书生成模块生成由于指导生产的CAD 图形文件，提供经销人员的报价单文件和整体计算过程的计算说明书文件。

图1 系统工作流程和模块划分

2 系统的模块划分

本软件结合了软件工程中高聚合、低耦合[3]的特点采用模块化的设计方法实现了各个模块。总体来说，软件可以划分为以下几个模块：

2.1 数据库模块

该模块首先根据用户的需求以及前期设计方案选择相应的大、小车结构型式，同时输入该起重机设计所需要的主要参数如跨度、起重机运行速度、主小车起重量、主小车运行速度、主小车起升高度、副小车起重量、副小车运行速度、副小车起升高度以及主副小车左右极限等主要参数，然后利用数据库中的查询机制从Access 数据库中查找与之最相近的产品参数，读入该产品原始参数作为初始数据，如果有需要修改的数据，可以进行相关数据的修改工作，整个数据修改完毕后，数据库将所有数据作为一个数据集存入数据库中，为将来数据的可追溯性和重用性提供保证。

2.2 设计计算模块

该模块以C#编程语言，对桥式起重机桥架结构进行参数化的数学建模，并将其封装为CQZJ 类，该类针对桥式起重机桥架结构的强度、刚度和稳定性[4]进行数学计算。并结合Access 数据库对数据进行灵活、方便的管理，保证了数据的唯一性促进了同类工程数据的一致性。

2.3 优化设计模块

该模块采用遗传算法（Genetic Algorithm，简称GA）进行优化设计。其优化算法既能保留弱搜索方法能搜索到全局的最优点，又能有强搜索方法的高寻优速度和效率，GA 就是强搜索方法和弱搜索方法的折中[5，6]。本系统以起重机桥架结构自重最轻作为优化的目标函数，以主梁截面参数如主梁的高度和宽度、主梁下盖板厚、主副腹板厚度作为优化变量，以现行《起重机设计手册》和《起重机设计规范》中规定的起重机金属结构所应满足的强度、刚度和稳定性以及制造工艺和尺寸限制等作为优化的约束条件。进行优化设计时，设计师只需要输入基本设计参数，系统通过调用优化设计模块，运行后提供一组符合设计要求的最优截面尺寸参数。

2.4 参数化绘图模块

该模块主要应用参数绘图技术，其核心思想是：通过C#编程生成接口文件，用SCR 命令组文件或DXF 文件来进行参数化设计及绘图[7]。其优点是形式直观，可以使用AutoCAD 中的所有绘图命令，自动进行图纸的生成工作，同时输出详细的材料明细表。

2.5 快速报价模块

该模块嵌入到整机及部件的设计计算过程中，在完成桥式起重机的整机设计之后，相关部件的直观成本便存储到数据库中。在进行整机及部件快速报价时只需从数据库中读取桥式起重机各个部件的直观成本，然后销售人员在相关界面上输入影响产品关联成本的因素系数，最后点击计算报价即可完成对整个桥式起重机的报价，这样简化了产品报价的过程，提高了企业效率。

2.6 说明书生成模块

该模块利用Microsoft Word 提供的COM（Component Object Model，组件对象模型）接口，引入MS Word9 类，该类能够控制Word 软件的启动、关闭以及文字、图片、表格等操作。将MSWord9 类应用到桥式起重机结构的计算说明书模块，开发出图文并茂的计算说明书，编程简单灵活，结构化能力强，文件形式较为简单[8]。

快速报价模板和说明书文件模板设计时，首先由客户给出一个Word 模板文档，然后根据Word 对象的应用特点，只需要在说明书中设定好标签即可在程序中将相应的数据内容自动填写到设计好的位置处，对于数据表格来说也可以采用相同的办法。最后生成Word 说明书文件时也可以进行简单的编辑、排版等操作。

3 关键技术

3.1 起重机快速定制技术

以桥式起重机为对象，以客户需求驱动为基础，对产品功能模块进行详细分析，根据质量机能展开原理（QFD）实现功能模块到产品结构的映射；按照产品模块划分方法和原则，将起重机划分为多级模块，定义模块之间的接口；确定研究对象的基本参数；然后将参数化设计方法引入以通用化和标准化为前提的模块化设计方法中，重点研究柔性化模块的形成机理，病机案例起重机的柔性化模块；根据参数化模型驱动机制，选取部件参数化模板文件夹，进行柔性模块的参数化设计，最终形成满足客户需求的工程图纸和产品相关文档。

3.2 起重机优化设计技术

以桥式起重机为对象，通过建立起重机的结构的产品数据库；根据多种设计方法的起重机结构设计步骤，结合起重机结构设计师的长期积累的设计经验和建立的产品数据库确定出起重机的基本尺寸，针对不同类型、不同吨位、不同工作级别的起重机结构具有的特点，总结、归纳出不同的优化方法。

3.3 面向对象技术

本系统开发所采用的是面向对象技术，封装和继承就是面向对象的两个常用方法。比如针对Access 数据库和Word 软件的操作，并且每个操作员只能操作自己权限的数据。这样就保证了数据有更高的安全性。

4 结语

本文对桥式起重机模块化参数化设计系统的各个模块及关键技术进行了详细的介绍，通过模块化参数化设计方法帮助设计工程师实现起重机快速定制设计、优化设计，达到减少企业的生产成本，提高起重机的市场适应性，并实现了基于模块化参数化的桥式起重机设计系统。该系统使用简单方便，运行速度快，生成图纸质量高。在传统方法的基础上提高了起重机的设计效率，降低了设计成本，提高了企业市场竞争力。