基于Solid Edge二次开发的粗氩塔快速形体重构与智能出图的研究与应用

欧丹，孙磊磊，卢斌攀

(杭氧集团股份有限公司设计研究院，浙江 杭州 310000）

1 前言

空气分离，简称空分，是指利用低温冷冻原理从空气中分离出其组分（氧、氮和氩、氦等稀有气体）的过程。空分精馏塔是空分设备的核心组成部分，通常采用项目化管理组织设计，一直存在设计周期长、交付周期短的矛盾问题，并且这一矛盾随着我国空分设备行业的高速发展日益凸显。

国外统计资料显示，构成各种机械的零件中，标准件占20%，相似通用件占70%～75%，专用特殊件占5%～10%。事实证明，企业的机械产品在项目化定制时，具有高相似性的通用件以及设计变通复杂的专用特殊件是设计变量的主体。由此可见，合理采用变量设计是提高设计效率的有效途径。通过引入变量化技术，对CAD/CAM软件扩展形成更加专业或新的功能，以解决用户特殊功能需求，是解决当前设计周期长的有效手段。研究探索出一种专用产品智能快速设计系统不仅是传统设计向数字化、网络化和智能化设计的转变与提升，更是实现产品创新和快速输出、设计资源有效整合与利用的重要途径。

本文以精馏塔中常见的粗氩塔设计为例，基于变量化设计策略，开发了“总体系统设计-数据资源库设计-模型资源库设计-程序模块设计”的全流程粗氩塔快速设计与出图体系，建立了模型快速生成与自动出图的粗氩塔智能快速设计与出图系统，解决了Solid Edge关联模型构建、Solid Edge模块变量与API（应用程序接口）的数据互通、关联模型驱动Solid Edge工程图纸智能绘制的算法与输出、致命性故障快速反应等难点问题，实现了粗氩塔设计的快速形体重构与自动出图功能，可缩短粗氩塔设计周期90%，极大地提高了粗氩塔设计效率。

2 总体系统设计

粗氩塔智能快速设计系统的系统框架如图1所示。该系统是通过建立Solid Edge设计资源库协同共享平台，并在其平台上集成数据资源库设计与程序模块设计而形成的，是将特殊、小批量的设计任务转变为通用、大批量的数据工作，再根据特定设计条件，实现设计内容快速输出的可行性途径。

图1 粗氩塔智能快速设计系统系统框架

该系统的运行原理是对粗氩塔Excel设计数据资源库进行结构化开发，将参数设计、方案设计以及产品属性进行数据结构与算法设计，依据数据分类、分级输出设计结果，然后将输出数据作为交互载体映射到Solid Edge ST8设计资源库实现数据源重生成以驱动项目化设计工作，同时利用智能接口二次开发语言Visual Studio C#对Solid Edge ST8进行二次开发，依据接口管理、Bom输出、模型操作以及图纸输出等模块进行输出数据的二次整合与处理，联合后台数据处理与传递，从而实现可视化三维模型的快速形体重构与图纸自动输出；Solid Edge ST8三维图形处理软件特有的变量化控制技术还可作为并行设计入口，对粗氩塔模型文件进行非常规数据资源库设计，以及新产品开发、老产品改形等创新式模型设计及图纸输出。

3 子系统设计

3.1 数据资源库设计

在塔器的快速设计中，数据资源库是设计相关数据的集合，应具有对已有产品数据进行提取、修改和存储的功能，利用Excel实现数据库管理是快速有效的设计与开发途径。在开发Excel设计数据资源库前，先要建立塔器（粗氩塔）标准化、模块化以及规范化的高效设计方法与流程应用体系，依据粗氩塔设计主控参数创建关系数据库，同时将关系模型分为零部件设计、选型设计、属性设计以及贴板设计；然后，再根据各自的数据属性分类为数值属性、二元属性、标称属性、离散与连续性属性等。零部件设计主要包含数值属性，选型设计主要包含数值属性、二元属性、标称属性以及离散与连续性属性，属性设计主要包含数值属性、二元属性和标称属性，贴板设计作为外部输入条件获取，可利用VB创建并调用Excel宏操作，通过条件编译将逐条输入归总实现分类输出的效果。数据资源库设计关系流程如图2所示。

图2 数据资源库设计关系流程图

为符合通用型设计需求，达到快速设计的效果，粗氩塔设计资源库设计规则是：（1）依据粗氩塔装配特点分为标准件、通用件以及专用特殊件，标准件作为检索资源库常量值引用，通用件作为公共变量参数引用，专用特殊件作为独立变量单独引用。（2）根据粗氩塔标准设计准则设计出全局变量与局部变量，变量数据根据数据属性分类、逐层分级至不同输出层，以简化Solid Edge应用程序接口的数据处理流程。（3）可创建Excel二次开发环境，将大量独立数据流按照制定规则排列组合，以简化Solid Edge应用程序接口的数据处理流程。

3.2 程序模块设计

程序模块设计是Excel数据资源库与Solid Edge设计资源库共享平台数据联系的桥梁。程序模块设计即是对Excel、Solid Edge三维设计软件的二次开发，通过软件开发的方式将设计经验、设计流程和思路固化到软件的操作过程中，从而得到一种适用于本企业或本行业的专用工业设计软件。

程序设计中，建立系统结构化设计方法的基本思想就是使系统模块化，即把一个系统自上而下、逐步分解为独立功能的模块所组成的系统，以逻辑模型为基础，按功能逐步由上向下、由抽象到具体，逐层将其分解为一个多层次的、具有相对独立并借助一套标准设计准则和图表等工具，逐层次地将系统分解成多个具有一定独立性的模块，把一个复杂的系统转换成易于实现、易于维护的模块化结构，从而达到设计目的。

利用Solid Edge ST8、Excel的系统软件开发工具包（SDK）在Windows平台下提供的应用程序接口（API）可帮助目标系统开发者快速实现Excel数据源与Solid Edge三维模型、工程图的数据联系，实现数据源的自动传递、处理与输出。

（1）模型调用Excel数据源子模块设计。要实现特定某项目的粗氩塔快速形体重构，需要快速获取项目数据源至系统模型中，然后根据获取到分属不同的数据源，按尺寸、选型以及属性分别操作系统模型，并根据快速形体重构后的模型读取出产品BOM数据，输出至BOM信息统计表中。因此，在面向模型系统分析和设计时，需将快速形体重构和BOM输出分别组成单元模块进行封装，通过模型对象对外提供的接口进行数据的访问或修改，并将项目识别信息等用户数据存储在后台，以方便其他子模块过程调用。详细流程如图3所示。

图3 模型调用Excel数据源子模块流程图

（2）工程图纸快速生成模块设计。图纸，是工程技术人员传递技术信息、交流思想的中间媒介。二维平面图纸均可认作是不同基本图形元素的集合，设计人员在进行某一图纸设计时，所有的设计思路与基本图形元素表征就是该幅图纸的“程序编译过程”。虽然，Solid Edge三维链接模型与二维工程图完全相关连，可实时对模型或图纸进行关联数据修改，但是，该链接模型在结构设计或是图纸内容布局上均为瞬时定量状态，无法满足基于系统变量的快速工程图输出要求。

因此，只有利用Solid Edge创建链接模型的视图功能快速获取图元信息，然后再设计出特定图纸的逻辑功能模块连接Solid Edge相关数据接口才可实现快速图纸输出功能；因全套设备图纸是由多个零部件图组成，各图纸文件之间相对独立，而部分图纸之间又存有数据联系，因此，还需在模块设计里加入后台管理模式才能保障各图纸文件之间的数据流转。详细流程如图4所示。

图4 工程图纸快速生成模块流程图

3.3 Solid Edge设计资源库协同共享平台

得益于变量控制技术在三维设计中的实现，Solid Edge在做模型设计时，提供了丰富的变量设计以供设计者二次开发使用。因此，首先，建立主参数模型，通过外部参数输入，灵活利用链接数值来设计零件，可将现有设计原则快速融入到当前模型中，使得当前模型包含现有更明确的设计意图，让模型显示动态化、半参数化；其次，依据零部件分类，将设计塔器涉及的标准件、通用件、特殊件等建立Solidedge设计资源库，既能丰富对象系统的引用与联调单元，又可有效提高项目设计的重复利用率；最后，在共享平台设置设计资源库访问与修改权限，方便设计人员协同设计与管理主参数模型。

4 应用实例与应用效果

4.1 应用实例

本节将描述本快速设计系统应用于粗氩塔设计及出图的一个应用实例，以展示系统操作和重要模块操作过程。

首先，在数据资源库中设置设计主参数，主操作界面如图5所示。界面分为项目信息区、主参数编辑区、管口列表3个部分。项目信息区设置当前项目设计代号，主参数编辑区显示主设计输入参数，管口列表罗列塔器外部配管状态的详细信息，管口列表支持下拉列表选择，提高编辑效率，方便数据载入。

图5 主操作界面

然后，在程序模块图6所示中，先进行快速形体重构操作，再进行图纸快速输出操作。同时载入Solidedge设计资源库中参数模型地址和Excel数据资源库地址，通过读取模型文件与Excel文件匹配信息源，驱动模型操作，输出目标模型与BOM表文件；图纸生成区域内含根据模板图纸封装为多个独立的出图模块，打开Solidedge设计资源库中对应图纸模板，驱动出图模块，系统会依据设计给定节点及界限值，在后台按优先级自动进行图纸资源匹配与设计，一键快速生成目标图纸。

图6 快速形体重构与工程图纸快速输出

4.2 应用效果

为验证本系统的可靠性和高效性，将本系统应用于一个设计项目中，并与传统项目化设计方法进行对比，本系统在设备结构选型、管口方位布局、贴板设计、报表和工程图出图上实现了一键输出，避免了项目化设计中的重复工作，减少了绘图设计错误，塔器的系统设计由传统设计15天左右缩短到0.5天内，效率提升90%以上。

5 结语

本文通过引入变量思想、对粗氩塔进行参数化和模块化集成整合与重组，配合Solid Edge ST8三维设计软件以及Visual Studio C#二次开发，实现了粗氩塔的快速形体重构与工程图纸智能输出。基于本文的系统设计方法可以推广到同类型设备的设计中，极大地缩短产品的设计周期。上述功能的实现是多方面因素共同作用的结果：（1）数据资源库涉及粗氩塔所有可能的结构与选型设计数据资源，增大了快速形体重构的类型变量边界；（2）数据资源库在常规设计基础上融合了结构设计与属性设计，依据数据源设计的各类接口应用程序实现了快速形体重构与工程图纸智能输出的可能；（3）Solid Edge设计资源库提供了丰富的标准件库与变量模型库，扩大了快速形体重构的模型适用范围；（4）Solid Edge设计资源库提供的目标图纸和报表模板，简化了重构后的模型信息导入，提高了工程图纸自动输出的速度。