（机械制造及其自动化专业论文）桥式起重机桥架三维参数化设计系统开发.pdf

摘要 桥式起重机桥架设计规范，已成为一种系列化产品。同系列产品的主要桥式起重机 桥架设计规范，已成为一种系列化产品，同系列产品的主要区别是参数或局部结构的不 同，而整体结构相似。同系列产品之间存在功能相似或结构相近的零部件以及一些标准 件，这些都为进行参数化、系列化相似性设计创造了条件。设计人员在设计同一系列桥 式起重机桥架的不同型号产品时，只需要在此系列己有产品设计的基础上进行系列化相 似性设计。通过对这些零部件模型的快速修改生成新产品的三维零件模型，通过重新装 配生成新产品的三维装配模型。 本文设计的桥式起重机桥架三维参数化设计系统是在研究桥架的结构特点、设计流 程、设计方法的基础上，同时结合设计工程师的设计经验以及桥架的设计理论，充分考 虑企业的实际需求，以s o l i d w o r k s 为软件支撑平台，利用v i s u a lb a s i c 6 0 语言对 s o l i d w o r k s 提供的a p i 函数进行二次开发，采用了面向对象的系统设计方法以及模块化 的系统划分方法，开发了既相互独立又相互联系的主梁、端梁、副主梁、附属结构和桥 架总装参数化设计系统，并建立了零部件模型库、工程图库、特征库。同时根据工程图 模板参数化驱动后出现图面凌乱的情况，对工程图绘制的理论和方法进行了研究，进行 了工程图的二次开发，通过程序实现工程图的自动调整。系统提高桥式起重机桥架的设 计效率达6 0 以上，使原来数个工程师需长时间才能完成的设计工作能够在短短的十几 分钟内完成，大大的降低了工程师的劳动强度，缩短了殴计时问，使他们可以将更多的 时间投入到新产品和新结构的研发上。 关键词：桥式起重机，桥架，参数化设计，a p i ，工程图自动调整 t it l e ：t h e3 dp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e md e v e l o p m e n to ft h em e t a ls t r u c t u r eo f o v e r h e a dt r a v e li n gc r a n e a b s t r a c t t os o m ed e g r e e ，o v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n ei sb e i n gt a n d e mp r o d u c t s ，t h em e t a l s t r u c t u r ed e s i g no fo v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n ei s q u i t es t a n d a r d ，t h em a i n d i f f e r e n e eb e t w e e nt h es a m et a n d e mp r o d u c t si sj u s tp a r a m e t e r sa n ds u b s t r u c t u r e ， t h eo v e r a l ls t r u c t u r ei ss i m i l a r i fe n g i n e e rw a n tt od e s i g nd i f f e r e n tt y p eo f t h es a m et a n d e mp r o d u c t s ，t h e yd o n tn e e dt or e s t a r tt h ed e s i g n 。w h a tt h e ys h o u l d d oi sj u s ts o m es i m i l a r i t ys e r i a ld e s i g nb a s e do nt h eb a s icd e s i g n t h ef u n c t i o n s i m i l a r i t ya n ds t r u c t u r es i m i l a r i t y ，a l s ot h es t a n d a r dp a r t sp r o v i d et h e c o n d i t i o nf o rd o i n gp a r a m e t r i cs e r i a ls i m i l a rd e s i g n t h r o u g ht h e s e p a r t s m o d e l sf a s tm o d if i c a t i o n ，t h e yc a nd e s i g n3 dp a r t sm o d e lo fn e wp r o d u c t sa n d a s s e m b l y i nt h isp a p e r ，t h e3 dp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mo fo v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e isd e s i g n e db a s e do nt h es t u d yo fs t r u c t u r ef e a t u r e ，a l o e st h ed e s i g nf l o wa n d d e s i g nm e t h o d ：c o n t e m p o r a r yc o m b i n et h ee n g i n e e r sd e s i g ne x p e r i e n c ea n dt h e o r y o fm e t a ls t r u c t u r ed e s i g n ：a n dc o n s i d e rt h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n to fe n t e r p r i s e b a s e do nt h e3 dd e s i g np l a t f o r m - - s o l i d w o r k s ，r e d e v e l o p 丌1 e n tt h ea p if u n c t o no f s o l i d w o d r k sb yv b 6 0 ，a d o p tt h eo b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g ya n dm o d u l a rd e s i g n t e c h n o i o g y ，d e v e l o pt h ep a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mt h a t i sb o t hm u t u a l i n d e p e n d e n c ea n di n t e r r e l a t i o n ，i n c l u d i n gm a i ng i r d e r ，e n dg i r d e r ，a s s i s t a n t g i r d e r ，a t t a c h e ds t r u c t u r ea n dm e t a ls t r u c t u r ea s s e m b y ，a n ds e tu pt h ep a r ts m o d e la n de n g i n e e r i n gd r a w i n g sd a t a b a s ea n dc h a r a c t e r i s ticd a t a b a s e a c c o r d i n g t ot h ea b s u r d n e s so f e n g i n e e r i n gd r a w i n g sa f t e rp a r a m e t r i cd r i v i n g ，d o r e d e v e l o p m e n tt ot h ee n g i n e e r i n gd r a w i n g sb a s e do nt h es t u d yo ft h e o r ya n dm e t h o d o fe n g i n e e r i n gd r a w ln g s ，r e a l i z et h ea u t o r e g u l a t i o nt h r o u g hp r o g r a m m i n g t h e e f f i e i e n c yi si m p r o v e db y6 0 ，m a k ee n g i n e e rc o m p l e t et h ed e s i g nw o r kt h a tn e e d m a n ye n g i n e e ral o n gt i m e sw o r kn o wj u s taf e wm o r et h a nt e nm i n u t e s ，g r e a t l y r e d u c et h ee n g i n e e r si n t e n s i t yo fw o r ka n dc u tt h ed e s i g nt i m e ，s ot h ee n g i n e e r s c a np u tm o r et i m ei n t ot h ei n n o v a t i o no fp r o d u c t k e yw o r d s ：o v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e ，m e t a ls t r u c t u r e ，p a r a m e t r i cd e s i g n ，a p i a u t o r e g u l a t i o no fe n g i n e e r i n gd r a w i n g s 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以踢确方式标踢。 论文作者签名：勘金幽12 日期：礁! ：墨：兰i 关于学位论文使用权的说职 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签 名：晕冱鑫边! l 导师签名；互堡鑫 b 期：2 盟：互二兰； 日期：2 翌! i ：圣：兰苎 中北大学硕士学位论文 1 1 国内外起重机发展与研究现状 1 1 1 国外起重机发展与研究现状 1 绪论 ( 1 ) 国外起重机发展现状 月前，在国外起重机行业，欧洲、美国和同本处于领先地位“。其中，欧洲作为起 重机的发源地，起重机产品技术先进、性能高、可靠性高，产品销往全球；美国起重机 行业的技术水平相对落后于欧洲，不过近年来，美国起重机械业通过收购和合并手段， 得以蓬勃发展，某些技术己领先于欧洲，产品主要销往美洲地区和亚太地区；日本作为 二战后崛起的经济强国，起重机开发生产虽然起步较晚( 起步于2 0 世纪7 0 年代) ，但 是发展速度很快，很受亚太市场欢迎，日本还通过收购等手段不断更新生产技术”1 。 随着世界销售市场对起重机械需求量的不断增加，困外各种起重s j t $ j j 造企业在生产 巾不断地采用优化设计、机械自动化和自动化设备以提高劳动生产率，这对世界销售市 场、制造商和用户都产生了巨大的影响。有关调查资料表明，6 5 的起重机械用户主要 是为了提高生产率、减少劳动工资，因而要求采用先进的起重机设备的用户便越来越多。 近年来，美国因制造技术、质量问题和价格昂贵等原因，降低了其在世界上的竞争能力； 联邦德国德马克公司( d e m a g ) ，由于实行了生产技术振兴，解决了提高生产的工艺手段， 以占优势的新产品来保持其发展的优势，该公司1 9 8 5 年研制成d h 系列电葫芦，1 9 9 0 年又研制了d k 新系列电葫芦，其制造的电动葫芦双梁起重机有一半以上供出口，产品 在国际市场上声誉很高，销路甚广“。 现在，国外的起重机发展呈以下的趋势“1 ：没备向人型化发展；产品的设计、制造、 装配的自动化程度不断提高；机械化运输系统的组合运用。 ( 2 ) 国外起重机研究现状 国外超重运输机械发展到今天，已经到了相当成熟的地步，其结构形式基本上都是 经反复优化设计，并经实践检验的。随着计算机技术的广泛应用，许多国外起重机制造 中北大学硕士学位论文 商从应用计算机辅助设计系统( c a d ) ，提高到应用计算机进行起重机的模块化设计。尽 量使用标准件设备迅速组合和安装，减少标准件外组合部分的加工制造。组合构件的使 用对生产非标准件起重机来讲，有助于减少成本0 1 。 如今，起重机研究的发展趋势为。3 ：广泛采用c a e c a d c a m c a p p 等计算机技术：标 准化、系列化、模块化。 1 1 2 国内起重机发展与研究现状 ( 1 ) 国内起重机发展现状 目前，国内主要的起重机生产厂家有大连大起集团有限责任公司、太原重型机械( 集 团) 有限公司、上海起重机有限责任公司、上海振华港机公司、宁夏银起集团有限责任 公司、山东起重机厂有限公司等，其它小厂约有上千家。国内的大型起重机生产厂家技 术水平不断提高，占据了国内绝大部分和国外部分市场，特别是大连大起集团有限责任 公司在小吨位起重机、太原重型机械( 集团) 有限公司在大吨位起重机生产方面处于国 内的领先地位。 近几年来，由于国家实行积极的财政政策，增加固定资产和社会发展投资，拉动内 需，国内经济形势良好，对于起重机的需求也在不断的提高。全国及非国有5 0 0 万以上 规模的起重机生产企业为2 1 0 家左右，销售收入约为2 7 亿元人民币。5 0 0 万以下的非国 有起重机生产企业保守估计为1 0 0 0 家，销售收入约为l o 亿元人民币。进口产品约为4 亿元人民币”3 。 目前国内起重机发展呈现以下趋势”： 1 ) 大型化、高效化、无保养化、节能化 2 ) 自动化、智能化、集成化、信息化 目前已出现了能自动装卸物料、有精确位置监测和有自动过程控制的桥式起重机， 有的起重机还装有微机自检系统。 3 ) 成套化、系统化、综合化、规模化。 将各种起重运输机械的单机组合为成套系统，加强生产设备与物料搬运机的有机结 合。 4 ) 模块化、组合化、系列化、通用化。 2 中北大学硕士学位论文 单件小批量生产方式转化为相当批量和规模的生产方式，提高效率，降低成本。 ( 2 ) 国内起重机研究现状 长期以来，国内的起重机设计手段不完善、工艺水平较低。大多利用图扳手工设计 制图，需要较长的设计周期。虽然c a d 技术在国内起重机行业得到广泛的作用，但应用 水平却参差不齐，关键问题是由于“设计”上的差异。国内一些应用水平较高的部门已 真正做到了计算机辅助设计，而还有相当一部分用户仍停留在传统型c a d 应用系统上， 对一些重大非标准起重机产品设计，设计人员先在头脑中完成设计，再利用计算机实现 几何信息的处理，把c a d 技术作为一种绘图、描图的工具。对于起重机c a d 的二次开发， 如起重机方案设计和起重机械零部件辅助工艺规程设计还未完善。起重机方案图设计， 只是把预先设计外形尺寸及主要参数输入到计算机内，显示并打印出所需起重机的总 图，计算机不能对主要受力点的应力进行分析，不能进行设计计算和标准部件的选择。 一些起重机厂家，对成系列、成批量的通用起重机产品( 如5 5 0 t 双梁桥式起重机) ， 为了降低成本，简化生产管理，通用化设计也只能做到对车轮组、滑轮组、卷筒组和联 轴器的通用化设计，对于运行机构、小车架，仍只能按不同起重量设计，桥架端梁则按 不同超重量，不同小车轨距多款设计，对桥式起重机的设计不能使整机与机构、机构与 部件、部件与零件之间的参数匹配”1 。 从8 0 年代以来，我国在起重机械方面的研究取得了重大成果。国内的许多科研院 所以及大中小企业都对起重机结构、材料、生产制造、装配等各个方面进行了研究。特 别是武汉科技大学、大连理工、华中科技大学、重庆大学、太原科技大学、中北大学以 及一些研究单位丌展了起重机的模块化、参数化、标准化、智能化设计研究，开发了一 些基于二维或三维c a d 的设计系统。下面主要从计算机辅助设计技术在起重机设计中的 应用的研究加以阐述。 武汉科技大学机械自动化学院机电工程研究所的乔慧丽研究了基于参数化和模块 化的门式起重机设计。在研究门式起重机的模块化设计过程的基础上，提出了实现门式 起重机设计模块化的整体方案：在对模块的创建应用了参数化设计的方法基础上，提出 了门式起重机模块化设计的模块管理方法；在研究皋于模块化设计的产品结构管理模式 的基础上，建立了模块化产品的产品结构管理系统”1 。 长春工程学院机械工程系的王文忠以a u t o d e s k 公司的二维c a da u t o c a d 为支撵软 3 中北大学硕士学位论文 件，将一幅工程图分成许多图素，通过对每一图素进行参数化绘图，最终实现整幅图的 参数化绘制。但由于二维软件本身的局限性、功能等各个方面都还不太完善，使得开发 的系统存在很大的局限性”“。 大连理工的王永福应用模块化设计理论对桥式起重机的模块化进行分析，提出了基 于模块化的桥式起重机新产品的设计步骤和设计内容。同时，大连理工的蔡盛宝对桥 式起重机的模块化设计也进行了研究，在桥式起重机的模块化划分上提出了新的划分方 法，克服了以往划分方法中没有解决的模块数与模块大小之间的矛盾，以及模块内结合 度弱，模块间结合度强，模块间接口复杂等缺点“。 中北大学机械工程系c a d c a m 研究室的王宗彦、吴淑芳、秦慧斌、侯志利对桥式起 重机桥架主梁的三维参数化设计进行了初步研究，在s o l i d w o r k s 软件平台上开发了基 于s o l i d w o r k s 的桥式起重机桥架主梁三维设计系统“”! 。 太原重型机械( 集团) 有限公司的王吉生对桥式起重机的三维参数化设计进行了 研究，提出了零部件高效的参数化建模模式，大型部件建模实用策略和建库方式“1 。：同 时该公司的王建一、李晓宏等对三维c a d 在重型机械产品的应用中进行了探讨，针对重 型机械产品设计，阐述了目前三维设计的应用特点及如何尽快为企业产生经济效益，探 讨了自底向上和自顶向下两种设计方法的特点和应用范鼠同时指出了软件的有待完善 之处和使用中应注意的问题“”。 1 2 课题的背景和意义 目前，c a d 软件在机械行业的应用已经非常广泛，已成为机械设计与开发的主要工 具，制造业领域的厂家均已完成“甩图板”，特别是二维c a d 软件( 如a u t o c a d ) 在绝大 多数企业的设计或者绘图：i ：作中已成为最常用的辅助设计绘图的工具，大大减轻了设计 人员的劳动强度，提高了设计效率。但随之也产生了很多的问题：一是软件的本地化： 二是怎么管理海量的电了图档：三是怎么实现对电子图档的重复利用。其中对于电子图 档的再利用，大多数企业是通过对二维c a d 软件进行二次来实现的，这种方法在一定程 度上解决了企业一些问题，但由于二维c a d 软件的局限性，其不能完整地表达产品的设 计信息以及不能很好的实现参数化功能，将其二次开发局限在有限的功能范围内。 三维c a d 软件系统的出现，特别是面向特征的造型技术的产生，以及其自动从三维 4 中北大学硕士学位论文 实体模型生成二维工程图的能力，以及后续的处理能力，将c a d 技术的应用推向了一个 更高水平，其产生的巨大效益使入们期望它能取代工程图”，但特征造型系统尚存在如 下问题：( 1 ) 几何模型的精度及覆盖率有待进一步提高“”；( 2 ) 非几何信息表示的完整 性、透明性有待进一步提高“。因此，现有的特征设计系统还不能方便有效地全方位支 持设计各环节的无纸化，二维工程图还将在一定时期内存在。具体到二维工程图的生成， 现有的c a d 软件系统表现出的不足为：( 1 ) 由于以实体造型技术为核心支持，其在几 何表示和几何投影变换上的不足必须由设计人员在二维工程图上予以补充和修改“”： ( 2 ) 零件尺寸、设计基准要么不能自动生成，要么生成表示方式不符合设计人员要求； ( 3 ) 非几何信息直接从特征模型映射至工程图表示存在困难，或者非几何信息在特征 模型中不能完整表示，须由设计人员在图纸上人为添加“”。所有这些，使得即使在c a d 软件支持下，生成二维工程图仍是一项费时费力的工作。究其原因，是由于现有特征造 型系统的系统目标过高，在特征表示及特征映射上对二维工程图表示的要求没有足够重 视”。工程图的处理需要传递大量的非几何特征信息，如表面粗糙度、材料、公差、尺 寸等。目前多数c a d 应用软件例如u g 、p r o e 、c a 、i a 等都能够实现三维n - - 维的自动 转化以及二者的相关性，但是由于不同行业对工程图的要求不同，相同行业中不同企业 都各自有自己的企业标准，尺寸及公差的标注、标题栏的填写、明细栏的生成依旧十分 繁琐，而且容易出错。 太原重型机械( 集团) 有限公司( 以下简称太重) 是目前国内最大的桥式起重机生 产厂家。近年来，太重投资3 3 8 万元用于提高设计装备水平，实现了设计人员人手一台 计算机，结束了“爬图板”设计的历史，大大提高了工作效率和工作质量；广泛应用 了c a d ( 绝大部分二维c a d ) 、c a f 、c a m 、c a p p 、p d m 等现代信息及技术，采用了二维 动态优化设计，实现了产品的“无差错设计”，主导产品中高新技术的价值量3 0 4 0 “。 近年来，随着国内外桥式起重机需求量的增大，太重越来越感到产品设计过程中重 复劳动占用的时间比例越来越大，如：出零件图纸和手工设计计算的时问占到整个设计 时间的6 0 一8 0 ，产品开发的时间被压缩到不足3 0 ，虽然也丌发了一些基于二维c a d 的设计系统，但由于前面所述的原因，效果并不是特别的理想，不能真正把以前的工作 成果和知识经验有效的运用到新的产品设计中去，这不仅延缓了产品出厂的时间，而且 由于重复劳动占用了大量的设计时间，使得设计人员不能把主要的精力投入到新产品的 中北大学硕士学位论文 开发中去，并且前辈工程师的知识经验也不能得到很好的继承。由于太重每设计一套产 品都要绘制一套新的工程图，所以绘制工程图占用了设计的大部分时间，特别是桥架部 分，每次都要绘制结构类似的工程图，造成人力、物力的浪费。 本系统的开发就是为了提高桥式起重机桥架设计效率，缩短设计周期，减少重复劳 动。本文的研究工作得到了国家高技术8 6 3 计划项目“重大技术装备模块化参数化智能 化协同设计系统”的支持。该项目可以分为三个部分：第一部分是桥式起重机的有限元 分析；第二部分是桥架参数化设计系统；第三部分是小车架模块化、参数化设计系统。 项目的系统框架为图1 1 所示。 上上 厘垂蟊 尚日匡蚕 圆日匝哿燮到 区圃 图1 1 系统框架图 本系统在太原重型机械( 集团) 有限公司己通过实例验证，原来需几位工程师长时 间的设计工作，现在能够在十几分钟的时间内完成，参数化驱动后生成的图纸能够满足 企业的生产需要，提高设计效率达6 0 以上。 13 论文的主要研究内容 本文主要研究桥式起重机桥架三维参数化设计，所设汁的“桥式起重机桥架三维参 6 中北大学硕士学位论文 数化设计系统”是针对箱形梁桥式起重机设计的，研究的主要内容如下： ( 1 ) 对桥式起重机桥架的设计计算知识和设计工程师的设计经验进行总结，应用 面向对象技术建立桥式起重机桥架设计知识支持模块； ( 2 ) 利用三维c a d 的参数化功能和二三维的关联特性，快速建立三维参数化模型， 同时自动生成和更新： 程图，建立零部件模型库和工程图库； ( 3 ) 利用特征造型方法建立用户特征库； ( 4 ) 利用三维c a d 的二次开发功能对参数化后自动生成的工程图进行智能化调整。 本文研究的方法具有普遍的推广意义，设计思想和方法可以推广应用于起重机行业 及其他机械行业。 1 4 论文体系 第一章阐述国内外起重机设计的研究现状及本课题的研究背景和意义； 第二章介绍了系统的总体设计方案，详细叙述了系统的基本理论和s o li d w o r k s 的 二次丌发方法以及它们在系统中的应用； 第三章主要描述了系统的设计过程； 第四章详细叙述了基于s o l i d w o r k sa p i 的工程图调整方法； 第五章以桥式起重机主粱为例说明了系统的使用方法； 第六章是本文的结论和展望。 7 中北大学硕士学位论文 2 ，1 系统开发目标 2 系统总体开发方案 系统丌发目标是建立“桥式起重机桥架的三维参数化设计系统”，进一步提高起重 机桥架设计效率。 2 2 系统开发方法 系统采用的开发方法是以三维c a d 系统s o l i d w o r k s 为软件支撑平台，通过对桥架 的结构进行参数化分析，对桥架的设计计算知识、设计理论及工程师的设计经验进行总 结，建立桥架设计知识模块、标准件库、用户特征库、桥架主要零部件的三维参数化模 型库和工程图库，最终实现通过输入桥架的主要参数自动生成一套新的桥式起重机桥架 三维实体模型和工程图。 2 3 系统开发环境与工具 2 3 ，t 开发环境 开发环境是指进行软件开发的硬件环境和软件环境。 硬件环境：p e n t i u mi v 以上微机( 最好是图形工作站) ，内存l g 以上，要求2 5 6 m 显存( 最好配有图形加速卡) ，显示1 0 2 4 7 6 8 ，u s b 接口、光驱和其它的外部设备。 软件环境：操作系统为w i n d o w sx p w i n 2 0 0 0 n t 等。当今的主流三维实体造型软件 s o l i d w o r k s 2 0 0 5 或更高版本，面向对象的v i s u a lb a s i c 6 0 作为二次开发工具， a c c e s s 2 0 0 3 提供后台数据支持。 23 2 开发工具 “桥式起重机桥架三维参数化设计系统”软件静台使用v b 6 0 作为开发工具，后台 采用a c c e s s 2 0 0 3 作为数据库处理工具。 8 中北大学硕士学位论文 v i s u a lb a s i c 6 0 ( 以下简称v b 6 0 ) 是m i c r o s o f t 公司开发的一种可视化、面向对 象的编程语言。它易学易用、丌发效率高，得到广泛应用。它所具有的图形设计工具， 结构化的时间驱动编程模式，开放的环境，可以使用户既快又方便地编写出w i n d o w s 下 的应用程序“。 m i c r o s o f ta c c e s s 关系数据库管理系统是一种小型关系数据库管理系统，其高效、 可靠的数据管理方式，面向对象的操作理念以及强大的网络支持功能，使其受到很多小 型数据库应用系统开发者的青睐。a c c e s s 数据库以j e t 数据库引擎作为数据访问引擎。 j e t 数据库引擎完全对a c c e s s 的支持。d a o 访问方法为访问j e t 数据库作了优化。 a c c e s s 2 0 0 3 数据库有表、查询、窗体、报表、宏和模块六种对象组成”“。 2 4 系统开发方案 在研究参数化设计技术与特征造型技术的基础上，应用参数化设计原理和方法对桥 式起重机桥架进行参数化分析；i 司时应用特征造型技术对桥架的零部件结构进行分析， 建立特征库；充分考虑桥架的标准化程度，应用标准件库技术建立桥架零部件的标准件 库；利用s o l i d w o r k s 进行桥架零部件的参数化建模。 2 4 1 桥式起重机参数化设计方法选择 参数化设计就图形的驱动方式来说，有设计变量驱动图形法、表格驱动图形法、尺 寸驱动图形法和用户元素驱动图形法四种方法。就零件的设计开发顺序来说，有自顶向 下和自底向上两种设计开发方法：就参数化设计系统的开发方式来说可分为进程内程序 开发和进程外程序开发两种开发方法；就零件模型特征的生成方式有手动生成和编程生 成两种方式。 在本系统的开发中，根据桥式起重机桥架系列的特点，选择基于装配布局草图自顶 向下的丌发方式，如对于整个桥架的参数化驱动，是通过对桥架的装配布局草图来完成 的；在特征生成方面采用手动生成和编程生成相结合来完成，如一些结构固定、定位尺 寸不定的零部件则采用手动生成，对于那些结构简单，而位置不定的零部件则通过编程 来完成：在图形驱动方面，四种方法相结合，不同的情况采取不同的方法，如特征种类 9 中北大学硕士学位论文 数固定，但具体采用什么特征不定的零部件，则采用用户元素驱动图形的方法；如果在 参数化后只是零件的特征尺寸发生改变，则采用尺寸驱动图形法；如果是标准件则采用 系列表格进行参数化驱动图形法。就整个基于装配布局草图的参数化系统来说采用变量 驱动图形法。 24 2 桥式起重机参数化分析 本课题的任务和目标就是以太原重型机械集团有限公司的桥式起重机桥架系列( 箱 形粱结构桥架，以下所指桥架结构皆为箱形结构) 为研究对象，对其进行参数化分析， 以三维c a d 软件s o l jd w o r k s 为平台建立桥架系列的参数化模型库和工程图库，同时开 发参数化设计系统，通过参数化设计系统驱动参数化模型和工程图，最终生成新的结构 类似或功能相似的桥架。要达到上述目的，首先就应该在对桥架系列结构进行分析的基 础上建立桥架的零部件模型，同时根据参数化设计的要求对其进行参数化设置，就零件 模型来说，它主要包括特征信息、约束信息和属性信息三个部分。特征信息是指构成零 件模型的基本几何特征，包括拉伸、旋转、倒角等；约束信息是指特征所依赖的尺寸、 位置、几何关系、结构约束和设计约束等；属性信息是指模型中需要表示给几何特征的 信息，如：材料属性、表面粗糙度、重量及管理信息等。建立零件的三维模型后，对其 进行相关的参数化设置，进一步生成可参数化的零件模型，其中零件模型参数化设置是 指将模型有关的几何特征信息、约束信息以及属性信息有机地组合起来，形成一个完整 的参数化模型。当设计人员改变特征的尺寸参数、设计参数或结构参数时，参数化模型 能够根据尺寸约束、设计约束、几何约束等自动计算出满足约束关系的零件三维模型， 参数化设计的关键是模型的表达能力和计算求解的效率。 桥式起重机桥架的标准化、系列化、模块化的程度很高，在一个或几个系列范围内， 大部分的桥架零部件都是相同或相似的，只是尺寸大小不同。因此在桥架设计过程中， 采用参数化设计技术进行设计具有很大的优势，根据传统的模块化划分方法将其划分为 主梁、副主梁、端梁、附属结构等几个模块；根据标准化的程度高低分为标准化程度高 的零部件和标准化程度比较低的零部件，如主梁头部标准、门标准、t 型钢标准、标准 件( 槽钢、角钢等) ；其它的零部件都具有类似的结构形式，因此非常有利于进行参数 化设计。 1 0 中北大学硕士学位论文 根据桥架的模块化程度，可将桥架的参数化分为主梁参数化、端梁参数化、副主梁 参数化、附属结构参数化和桥架总装参数化五个部分进行设计。 主梁是桥式起重机桥架必不可少的部件，它具有结构复杂、尺寸大、多为板件这些 特点，它一个方面承载着大车运行机构，另一个方面又承载着主小车，因此主梁的设计 非常重要。根据( 太原重型机械( 集团) 有限公司) 桥式起重机桥架主梁头部标准，整理 出来的主粱头部结构形式可分为8 轮、1 2 轮、1 6 轮三个系列，目前( 太原重型机械有 限公司) 生产的桥式起重机桥架主梁大部分都是采用这些头部结构的变体。主梁头部复 杂，中问部分除了隔板的分布及其它附属结构都比较简单，主梁头部具有零部件多、结 构复杂等特点，因此主梁的参数化设计主要集中在头部。虽然主梁的头部结构比较复杂， 但是同前生产的主梁头部大部分都是依照主梁头部标准或是标准的变体。进行主梁的头 部参数化只需要建立头部标准的几种结构形式的参数化模型，然后通过分析建立部分能 够通过程序调整结构的参数化零件模型及主梁中间部分的零部件参数化模型，最终实现 整个桥架主梁的参数化设计。 副主梁的结构形式相对主梁来说比较单一，不同桥架系列的副主梁结构形式没有太 大的差别。进行副主梁的参数化设计，只需要建立能够进行部分零件结构变换的副主梁 参数化模型。 端梁是桥式起重机桥架必不可少的一部分，端梁的结构形式比较复杂，种类比较多 样。根据与主梁的连接方式端梁可以分为刚性连接和铰接两种结构的端梁；根据端梁的 外形可以分为直梁和凹梁两种形式。一般来说，不同系列的端梁结构形式比较固定，可 以将端梁设计为组合模块，在完成桥架主梁、副主梁及附属零部件设计后，根据需求选 择相应的端梁结构形式。故进行端梁的参数化设计需要建立不同结构形式的参数化模 型，同时设计好端梁与主梁、副主梁连接部分的零部件。实现端梁参数化设计的难点是 端梁与主梁的连接板和隔板的设计。 对桥式起重机桥架进行模块划分，分别建立主梁、副主梁、端梁和附属结构的参数 化设计模块，最终形成桥架的整体参数化设计系统，是本文研究的桥式起重机桥架三维 参数化设计系统的总体设计思想。 中北大学硕士学位论文 2 43 桥式起重机参数化建模 2 43 1 参数化建模的基本方法 本文所设计的桥式起重机桥架的零部件建模是在三维软件平台s o li d w o r k s 上进行 的。 在s o l i d w o r k s 中参数化建模可以通过两种方法实现，一种方法是用户根据需要直 接用程序生成需要的模型，称为完全程序化参数建模；另一种方法是利用已有的模型， 通过修改模型参数的方法得到需要的模型，称为参数修改法建模。 完全程序化参数建模采用程序方法进行建模时，建模的过程完全由程序进行控制， 相当于将手动分步建模的过程由计算机连续完成，理论上讲，凡是手工建模能够完成的 复杂模型都可以用这种方法生成。完全程序建模的方法特别适合生成具有多个变参数的 模型，建模的灵活性强，不需要模型库的支持，可以在建模的同时完成设计计算、强度 校核、寿命计算等工作，程序可实现的功能强大，参数的输入也可以采用数据库等多元 化的方法。通常情况下，这种方法的程序设计工作量较大，要求程序员对s o l i d w o r k sa p i 函数具有较高的理解和运用能力，适合于模型比较简单、参数变量多或参数间有关联的 情况。由于s o l i d w o r k sa p i 的函数较多，全部熟悉比较困难，一个简单的了解函数应 用的办法是通过s o l i d w o r k s 中朐宏来记录用户在造型过程中的操作，所有的操作会以 v bs c r i p t 的形式保存卜i 来，而几乎所有的v c + + 函数名与v bs c r i p t 的函数名相同或类 似，然后通过帮助得到相应函数的用法。具体的实现方法参见文献”“2 “。 参数修改法建模采用参数修改法建立参数化模型必须有模型库的支持，模型库通常 由用户事先用手工方式建立，保存在程序指向的目录下。需要使用时，从模型库中打开 模型文件，对指定的尺寸参数进行修改，重建，就可以获得满足需要的模型。这种方法 的程序设计工作量小，与造型过程无关，适用于模型标准化程度高的情况或造型过程复 杂，可变参量少的情况。参数修改法建模对模型库的要求较高，手工建模时需要综合考 虑尺寸标注方式，尽量避免尺寸参数问的关联和制约关系，需要修改的尺寸参数必须独 立标注，尺寸标注的名称可通过奁阅其属性获得。可变参数的输入可以通过对话框、数 据库等多种方式实现，也可以从程序的设计计算结果中获得，修改模型参数前必须打开 1 2 中北大学硕士学位论文 零件库中对应的零件，打开零件的操作可以由手动完成，也可以通过程序完成。这种建 模方法不需要程序员掌握大量的s o l i d w o r k sa p i 建模函数，程序的复杂程度与模型的 复杂程度无关。由于参数修改必须对应指定的标注对象和零件对象，所以这种建模方法 对模型库的依赖性很强，模型库一旦确定就不能随意修改，否则将造成程序无法正常运 行：。 根据桥式起重机桥架零部件的特点，在桥式起重机桥架参数化模型的建模过程中， 采用两种方法相结合的方式：对于结构形式固定的零部件采用参数修改法进行建模；对 于部分特征不定的零部件采用两种方法相结合建立模型；对于结构形式变化很大的零部 件，采用完全编程法建立参数化模型。 2 4 3 2 参数化建模的过程 结合特征造型方法进行零件的参数化建模的过程就是一个特征的增加、修改的过程 以及模型的参数化设置的过程。基于s o l i d w o r k s 建立参数化建模的一般过程如图2 1 所示( 参考文献： 6 ) ： 图2 1 参数化建模一般过程 ( 1 ) 分析图纸 进行参数化设计时，分析图纸不仅要搞清楚零件的整个外部、内部的结构，还要总 结零件所具有的特征，最终确定零件整个参数化驱动方案，即确定哪些参数是主要参数， 哪些参数作为辅助参数。 图纸的分析过程是一个与设汁工程师交流的过程。分析图纸是从各个模块的装配工 程图入手的，即一个自顶向下的过程，先分析部件工程图，以确定整个部件的驱动方案 以及主参数；然后是对于下一级零部件工程图纸进行分析，确定这一级的驱动方案以及 其主参数与上一级部件的主参数的相互关系。 ( 2 ) 建立基体特征 基体特征建立的是否合理将直接影响后续特征的建立，会影响到整个零件的参数化 中北大学硕士学位沦文 驱动方案。在s o l i d w o r k s 中，进行参数化建模的第一步就是建立基体特征，根据图纸 分析的结果，建立拉伸、旋转等基本特征。然后在此基础上建立新的特征。一般来说， 零件的参数化驱动方案所确定的主要零件驱动参数都和基体特征的尺寸有关，如果基体 特征建立的过于复杂，将不利于整个零件的参数化驱动，同时可能增加新的驱动参数。 ( 3 ) 增加特征 图2 2 隔板建模 增加特征是在基体特征的基础上进行的，其过程与建立基体特征的过程相似，它是 一个增加材料或者去除材料的过程。所增加特征的图形元素要与基体特征建立约束关 系，这样建立起来的特征才不会增加新的驱动参数，才能适应整个零件的参数化驱动方 案。在建立这些特征的过程中，根据图纸分析和整个装配体的驱动方案，有些特征的添 加必须增加额外的驱动参数就应进行特殊处理，不能按照一般的建模方式。如图2 2 所 示的桥式起重机桥架主梁隔板的建模，一般的特征建模方法是将l 、2 、3 、4 处的切除 特征合成建立为一个切除特征，但根据图纸分析以及考虑到整个桥式起重机桥架的参数 化设计，可知2 、3 处的切除特征是为了避开角钢，1 、4 处的切除特征是为了避开t 型 钢，但是角钢的数量和t 型钢的有无在不同的情况是有区别的，因此建立特征时1 、4 1 4 中北大学硕士学位论文 处的特征应该分别建立，2 、3 处的特征可以同时建立。其它许多零件特征尤其是主梁零 件的一些特征应该根据t 型钢的有无进行相应的设置。 ( 4 ) 参数化设置 这里的参数化设置指零件的参数化设计方案中主参数的相关设置、主参数与辅助参 数之间相互关系的设最以及零部件相关的属性设置，它是影响零件的参数化设计的一个 方面。由于s o l i d w o r k s 建立的特征难以进行区分，进行参数化设置一个方面就是变量 名的设置，使得变量更加容易区分，在使用时能很快地区分出要使用的变量；另外一个 方面就是在确立主参数的情况下建立零件的主参数和辅助参数之间的关系式。 ( 5 ) 修改 在s o l i d w o r k s 的整个建模过程中，由于其特征造型系统的特点，几乎所有进行的 步骤都是可以修改的，在建模的任何阶段随时可以对整个模型进行修改。 匕 豸 么 匕 宏 习n 叫6 18 匕 匿 么 卅 虿n2 6 18 l 毖 荔 z4 确十1 1 卜 行5 + 1n 6 一- i - 1 二陌一5 1 8 图2 3 t 型钢与主腹板对接方式 1 5 中北大学硕士学位论文 2 4 3 3 参数化建模实例 焊接技术是桥式起重机装配技术中使用地最多的一项技术，桥架的装配也不例外， 桥架的设计就必须考虑到焊接标准的要求，因此在桥架的零部件参数化建模过程中也必 须考虑焊接标准进行相关的设计。下面以t 型钢建模为例进行阐述，据焊接标准“6 1 t 型 钢与主腹板的对接方式有以下几种( 如图2 3 所示) ： 通过对t 型钢图纸进行分析，可知t 型钢本身很简单，t 型钢模型只有几个简单的 特征，但据焊接标准可知，随着腹板的厚度( 6 ) 以及t 型钢厚度( 6 ) 的变化，t 型 钢所开的坡1 3 也将会不同，有时不用开坡口、有时需要开一个坡口、有时需要开两个坡 口、有时还要开阶梯型坡1 ：3 。要建立t 型钢的参数化模型，就必须将前述的几种情况都 考虑进去，建立一个合适的参数化模型，能够在t 型钢参数化后满足以一k j l ；f , b 情况的需 求，这里有两种建模方式，一种是先建立好特征再通过程序调整，另外一种是利用编制 程序来实现特征的变化，后者需要编制大量的程序。 在本文所开发的桥式起重机桥架三维参数化系统中，由于桥架的绝大部分零件都是 板件，零件之问的装配方式大多为焊接，遵照焊接标准，大部分零件的参数化建模都会 遇到与t 型钢建模类似的情况，即零件之间焊接处的特征出现多样化的情况，在本系统 图2 4t 型钢参数化模型 1 6 中北大学硕士学位论文 的设计中解决这种特征多样化的方法就是以最大化特征( 建立所需要特征) 建立参数化 模型，同时在程序中通过判断来实现特征的选取( t 型钢建模如图2 4 所示) 。 图2 4 所示t 型钢参数化模型包含的特征有基本特征拉伸1 、切除拉伸1 和2 、倒 角l 和2 、圆角l ，其中倒角1 、2 以及切除拉伸2 就是以最全特征方式建立的特征，在 这种特征建模方式下，就可以通过程序判断腹板的厚度6 与t 型钢的厚度6 。之间的关 系进行特征的压缩或解压缩，同时对特征的定形、定位尺寸进行相应的调整，就可以实 现t 型钢的参数化。在建模过程中需要注意的是特征的建立顺序，因为后面建立的特征 有时是建立在前面建立的特征之上的