装配驱动的塔式起重机三维辅助设计系统研究*

王忠雷，张长江，石奇龙，杨晨立

（山东建筑大学机电工程学院，山东 济南 250101）

塔式起重机（以下简称“塔机”）是常用的起重设备之一，在土木、建筑等工程建设领域有着广泛的应用，它具有工作效率高、适用范围广、回转半径大、起升高度高、安装与拆卸比较方便等特点。塔机的装配设计是塔机整个设计过程的重要组成部分，对保证产品质量和降低产品成本起着关键性的作用。目前，塔机的装配设计主要存在2 个方面的问题：①计算复杂、设计周期长。目前塔机的装配设计普遍采用SolidWorks 软件进行几何建模，通常会遇到完成装配体后，模型与设计要求不符，此时只能逐一修改相关的零件模型，浪费大量的时间。②塔机的装配设计方法不易掌握，一般的计算机辅助软件不能满足装配设计要求，使得在快速研制塔机新产品中遇到困难[1]。

近年来随着计算机辅助设计技术的快速发展[2-3]，很多学者研究了SolidWorks 二次开发技术，李建华等[4]研究了一种基于SolidWorks 二次开发的三维交互辅助装配方法，实现了装配数据的实时可视化；目登臣等[5]利用应用程序接口函数对SolidWorks 软件进行二次开发，形成了一套可独立运行的齿轮零件参数化造型系统；刘金凤等[6]基于SolidWorks 二次开发技术，对发动机活塞参数化设计进行了研究，提高了活塞设计效率。

从这些研究成果可以看出，由于SolidWorks 造型便捷、二次开发技术易于实现，已成为机械辅助设计领域的主流软件。但是目前基于SolidWorks 二次开发实现的参数化辅助设计，以结构简单，尤其是装配关系简单的零部件为主。对于大型、结构复杂的装配体的辅助设计系统还不多见，基于装配驱动的“自上而下”的智能辅助设计系统更为少见。因此本文针对上述问题，研究并设计了一种对话框式的塔机智能装配的三维辅助设计系统。

1 装配驱动塔机三维辅助设计系统设计

本系统由智能辅助设计平台、零部件信息数据库、外部链接文件、零部件三维模型库以及SolidWorks 系统5 个部分组成。系统的总体框架如图1 所示，系统以*.exe 方式独立运行于SolidWorks 之外，并通过修改SolidWorks 三维模型的外部连接文件，实现三维模型的尺寸驱动。

图1 系统整体框架

系统工作时，辅助设计平台依据设计要求，调用零部件信息数据库，搜索相关零部件并确定尺寸信息，通过辅助设计平台，写入外部链接文件，最后SolidWorks 系统会自动调用外部链接文件和三维模型库，生成符合设计要求的零部件三维模型。

2 装配驱动塔机三维辅助设计系统开发

2.1 零部件信息数据库的建立

以FP6010 塔机为研究对象，设计并建立塔机零部件信息数据库，包括零部件信息表和零部件尺寸信息表，描述塔机零部件关系和零件尺寸对应关系。

零部件信息表主要存储零部件基本信息，包括零部件编号、零部件所属装配体编号、零部件层次、零部件名称、零部件数量、零部件类型、零部件材料、零部件质量、零部件尺寸数量以及原材料参数（长、宽、高等用于直接下料加工的简单零件）、备注等信息。零部件所属装配体编号为零部件信息表的主要字段信息，通过零部件所属装配体编号，辅助设计程序自动建立树形零部件信息表。

零部件尺寸信息表主要存储零部件尺寸信息，包括零部件编号、尺寸顺序号、尺寸类型、尺寸名称、尺寸代码、参数名称、默认值、尺寸上偏差、尺寸下偏差、尺寸类型、尺寸源部件编号、尺寸表达式等信息。零部件尺寸信息表，通过尺寸数据来源表达装配关系，零件尺寸数据包括3 个类型：①自由尺寸，即装配不相关尺寸；②直接引用尺寸，即零件尺寸直接由装配体尺寸决定；③表达式引用尺寸，即尺寸由装配体尺寸构成的表达式决定。

2.2 SolidWorks 参数化模型建立

为实现零件的尺寸驱动，采用SolidWorks 参数化建模的方式进行零件三维模型建立。以销轴的参数化建模为例。

首先通过图2（a）所示销轴零件图的尺寸信息，用SolidWorks 软件绘制出销轴一半（下部分）的草图，然后通过“旋转”“拉伸切除”命令获得如图2（b）所示的销轴三维图。

图2 销轴三维模型建立过程

其次为定义变量。通过零件图上的尺寸信息对变量进行赋值，分析零件结构获得结构的关键尺寸Ln、Dn、Wn（n=1，2，…），如图3（a），中把Ln、Dn以及Wn作为零件的驱动尺寸，将驱动尺寸定义为全局变量；然后如图3（b）把零件尺寸与特征尺寸构造函数关系；最后将方程式导出，如图3（c）所示，形成方程式外部链接文件，其中，例如“W1”之类为基本数据定义方程式，“D1@草图1”之类为关系定义方程式，用于修改基本数据定义方程式。通过修改外部链接文件，可以实现模型方程式基本数据的修改，从而进一步修改三维模型的尺寸值，实现模型的尺寸驱动。

图3 销轴的参数化过程

2.3 “自上而下”装配驱动的实现

传统的SolidWorks 设计和建模采用“自下而上”的设计思路，即首先设计和建立零件模型，然后生成装配模型。通常，创建完装配体后，会发现模型不符合设计要求，此时只能逐一修改相关的模型，随着零件数量的增加，检测和更正这些错误会耗费大量的时间；而“自上而下”辅助设计，是将装配尺寸定义在部件上，当装配尺寸修改时，程序会自动查询相关零件尺寸，并根据定义的关系进行尺寸的计算和修改。为了提高辅助设计系统的效率、准确性，因此本文使用了“自上而下”三维辅助设计方法。

SolidWorks 模型驱动法根据修改尺寸的方法不同，可以分为3 种：直接尺寸驱动法、方程式驱动法、外部文件驱动法。

直接尺寸驱动法调用API 函数直接修改模型尺寸；方程式驱动法通过修改模型方程式中的全局变量，间接修改三维模型尺寸；外部文件驱动法通过修改模型方程式的外部链接文件，间接修改方程式中的全局变量，进而修改模型尺寸。与直接尺寸驱动法、方程式驱动法相比，外部文件驱动法不直接操作SolidWorks 软件，辅助设计系统与SolidWorks 软件耦合度低，系统稳定性和可靠性强，另外该方法可以实现多个零件的一次性尺寸驱动，适用于本文提出的“自上而下”装配驱动辅助设计方法，因此本文采用外部链接文件驱动法。为装配驱动的塔机三维辅助设计系统“自上而下”辅助设计的技术路线如图4 所示。将装配尺寸定义在部件上。

图4 “自上而下”辅助设计的技术路线

通过Access 数据库定义零件尺寸与装配尺寸的关系，当装配部件尺寸修改时，程序自动查询相关零件尺寸，并根据定义的关系进行尺寸的计算，修改相关零件外部链接文件，相关零件模型尺寸也随之改变，从而实现装配部件尺寸的自动修改。

3 装配驱动塔机三维辅助设计系统应用

塔机“左引进轮支架”的辅助设计。以塔机“左引进轮支架”的装配驱动为例，选择“辅助设计”下的“装配驱动”，塔机“左引进轮支架”的装配驱动辅助设计工作界面，塔机“左引进轮支架”由“把手”“阶梯轴”“连扳”“立板”“底板”“销轴”6 个基本零件，从零件信息图可以看出装配模型包含销轴直径D1、部件总长L1，顶板厚度W1等17 个关键尺寸，把这17 个关键尺寸定义为全局变量，并且构造函数关系，最后导出外部链接文件。点击界面上的“装配驱动”会生成基于默认尺寸的装配模型。生成默认尺寸装配模型的部分代码为：

1）SWApp：=GetOrCreateObject（’SolidWorks.Application’）；（创建或获取SolidWorks 对象）

2）SWApp.Visible：=True；（使创建的SolidWorks对象可见）

3）PathName：=Dirstr+’SWM’+data.AQ1.fieldbyname（’ID’）.AsString+’.SLDASM’：（模型的读取路径）

4）Part.ViewZoomtofit2：（使生成的可视化模型界面显示大小适宜）

通过系统交互式设计界面，将销轴直径D1由40 mm改为30 mm，部件总长L1由400 mm 改为340 mm，顶板厚度W1由20 mm 改为40 mm（在界面上直接修改数据即可），相当于修改了外部链接文件，点击“装配驱动”系统会自动更新相关零件尺寸，并实现装配体模型的更新。通过装配驱动的智能辅助设计系统，设计人员可以快速的优化部件尺寸、高效实现系列化设计。自动更新零件尺寸的部分代码为：

1）begin（开始）

2）T1：=PID；（装配尺寸数据）

3）Repeat（进入循环）

4）Str：=T1.Text；（寻找关联子尺寸）

5）ChangeData（Str）；（尺寸修改）

6）SaveToText（Str，Data.RecordCount）；（保存修改尺寸）

7）T1：=T1.GetNext；（寻找下一个关联子尺寸，直到相关尺寸都修改完毕）

8）end；（循环结束）

配合前面生成默认装配体的代码，从而实现新尺寸模型的装配驱动。

4 结论

装配驱动的塔式起重机三维辅助设计系统是运用Delphi 语言对SolidWorks 进行辅助性开发，在SolidWorks 参数化建模的基础上进行程序化设计开发，从而实现抽象设计到实体三维模型的快速转换，在系统设计和开发的过程中，获得如下结论：①通过数据库定义了塔式起重机部件和所属零件的隶属关系，并建立了部件尺寸和所属零件尺寸之间的关系；②采用SolidWorks 二次开发技术，应用“外部链接文件驱动”方式建立了批量零件尺寸修改的尺寸驱动方法；③建立了“自上而下”装配驱动的塔式起重机三维辅助设计系统。