（机械制造及其自动化专业论文）基于solidworks的桥式起重机cad系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 桥式起重机被广泛应用于国民经济建设的各个领域，产品已经形成多个系 列，随着经济建设的发展，用户对其性能要求越来越高。但是目前的设计手段 还停留在二维阶段，工作量大、设计过程不直观、设计过程中的错误也不容易 发现。随着三维图形技术和计算机技术的发展，三维设计已经成为c a d 发展的 必然趋势。目前，三维c a d 技术在桥式起重机设计方面的应用主要集中在起重 机产品的三维实体造型、出效果图等方面，而对起重机比较全面的三维参数化 设计、出工程图方面的研究尚处于探索阶段。 通用桥式起重机设计制造己形成标准系列化产品，同系列产品之间存在功 能相似或结构相近的零部件( 包括一些标准件) ，这些都为进行参数化设计创造了 条件。设计人员在设计同一系列桥式起重机的不同型号产品时，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。 基于这样的思想对桥式起重机参数化设计进行研究。 本文设计的桥式起重机三维参数化设计系统是在研究桥式起重机结构特 点、设计流程、设计方法的基础上，以s o l i d w o r k s 为软件支撑平台，以a c c e s s 为后台数据库，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 二次开发而形成的一个系统。该系统结合设计工程师的设计经验以及桥式起重 机的设计理论，充分考虑企业的实际需求，采用面向对象的系统设计方法以及 模块化的系统划分方法。 首先，研究了系统开发的几个关键技术，其次是建立零部件模型库、工程 图库、数据库。接着是系统开发，开发了既相互独立又相互联系的桥架、运行 机构、起升机构等模块，最后结合一个实例对系统的使用进行了阐述。 本课题开发的桥式起重机三维参数化系统，界面友好，设计直观，模型自 动生成，能迅发现干涉等装配问题；图纸自动更新，减轻了工作量。不仅可以 提高设计效率和设计质量，而且也符合了现代设计发展的要求。本课题研究旨 在为桥式起重机的研发提供一种先进、可靠、快速的设计系统。 关锤响：桥式起重机，c a d ，参数化设计，二次开发 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r i d g ec r a n ei sa p p l i e di na l lf i e l d so fc o u n t r ye c o n o m yc o n s t r u c t i o nw i d e l ya n d t h ep r o d u c t sh a v em a n ys e r i e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m yc o n s t r u c t i o n ，t h e e n s t o m e r sd e m a n do fp e r f o r m a n c et oc r a n eb e c o m e sm o r ea n dm o r el l i 曲b u ta t p r e s e n t , t h ed e s i g nw a yi ss t i l lr e s to nt h et w o - d i m e n s i o n a ls t a g e ，t h ew o r k l o a di s g r e a t , t h ec o b r s eo fd e s i g ni s n ti n t u i t i o n i s t i ca n dt h ea r f o r si nd e s i g nc o u r s e sc a nn o t b e e nd e t e c t e de a s i l y w i t ht h e d e v e l o p m e n to ft h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c sa n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y t h et h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g nh a sb e c o m ea n i n e v i t a b l e t e n d e n c yi nc a da p p l i c a t i o nf i e l d a tp r e s e n t ，t h ea p p l i c a t i o no ft h r e e d e m e n s i o n a l c a dt e c h n i q u e so no v e r h e a d t r a v e l i n g c r a n e d e s i g nm a i n l y f o c u s e so n t h r e e - d i m e n s i o n a ls o l i d m o d e l i n g ，r e n d e r i n gp i c t u r e ，a n ds o o n b u tt h eo v e r a l l t h r e e - d e m e n s i o n a ld e s i g no nt h ew h o l ed e s i g ni ss t i l la tt h eg r o p i n gp h a s e t os o m ed e g r e e ，b r i d g ec r a n ei sb e i n gt a n d e mp r o d u c t s ，t h ed e s i g no fb r i d g e c r a n ei sq u i t es t a n d a r d ，t h em a i nd i f f e r e n c eb e t w e e nt h es 锄et a n d e mp r o d u c t si sj u s t p 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 o d e s i g nd i f f e r e n tt y p eo ft h es a n l et a n d e mp r o d u c t s ，t h e yn e e d n tt or e s t a r tt h ed e s i g n ， w h a tt l l e ys h o u l dd 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 i cd e s i g n t h ef u n c t i o ns 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 ep a r t sm o d e l sf a s t m o d i f 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 f n e wp r o d u c t sa n da s s e m b l e i nt h i sp a p e r , 、啊t l lt 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 dd e s i g n m e t h o d ，t h e3 dp a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e m o f b r i d g ec r a n ei sd e s i g n e db a s e do nt h e3 d d e s i g np l a t f o r m - s o l i d w o r k sa n d d a t a b a s e - a c c e s s2 0 0 3 ，r e d e v e l o p m e n tt h ea p i f u n c t i o no fs o l i d w o d r k sb yv b 6 0 t h i ss y s t e mc o m b i n et h ee n g i n e e r sd e s i g n e x p e r i e n c e a n dt h e o r yo fm e t a ls t r u c t u r e d e s i g n ,a n dc o n s i d e rt h ep r a c t i c a l r e q u i r e m e n to fe n t e r p r i s e ，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 l o g y i nt h i st h e s i s ，f r i s t l y ，s t u d yk e yt e c h n o l o g yo fs e c o n d a r yd e v e l o p m e n t s e c o n d l y ， b u i l dt h ep a r t sm o d e l ，e n g i n e e r i n gd r a w i n g sa n dd a t a b a s e t h em i r d ，d e v e l o p e dt h e i i 武汉理工大学硕士学位论文 p a r a m e t r i cd e s i g ns y s t e mw h i c hb o t hm u t u a li n d e p e n d e n ta n di n t e r r e l a t i o n , i n c l u d i n g m a i ng i r d e r , t r a v e l l i n gm e c h a n i s m , h o i s t i n gm e c h a n i s m t h el a s t ，i l l u m i n a t eh o wt o u s et h i ss y s t e mb ya ne x a m p l e i nt h i st h e s i s t h et h r e e d e r n e u s i o n a lp a r a m e t r i cc a ds y s t e mi sd e v e l o p e d 、】l r i t t la f r i e n d l yu 辩ri n t e r f a c ew h i c hi se a s yt ou s ea n du n d e r s t a n d t h em o d e li ns y s t e mi s b u i l t a u t o m a t i c a l l y w i t hi n t e r f e r e n c ec h e c k e n g i n e e r i n gd r a w i n g si su p d a t e d a u t o m a t i c a l l y i tn o to m yi m p r o v e st h ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t y ，b u ta l s om e e t s t h en e e do ft h em o d e r nd e s i g nt e c h n i q u e t h et e c h n i q u e sd i s c u s s e di n t h i st h e s i s p r o v i d e sa nm v a n c e d ，r e l i a b l ea n dr a p i dd e s i g n 印p r o a c hf o rb r i d g ec r a n e k e y w o r d s ：b r i d g ec r a n e ；c a d ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t i i i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 桥式起重机的相关介绍 1 1 1 桥式起重机在国民经济中的应用 起重机作为物料搬运、装卸或用于安装的机械设备，可以减轻或代替人们 的体力劳动，提高劳动生产率。它被广泛应用于国民经济的各个领域之中。在 冶金行业、机械制造工业、电力工业、煤炭工业、交通运输业、建筑工业、建 材工业等国民经济支柱行业中，起重运输机械都扮演着重要的角色。随着时代 的发展，制造工厂和装卸作业场所开始转向室内，使桥式起重机占据了主导地 位。桥式起重机主要应用于大型加工企业，如钢铁、冶金和建材等行业，完成 生产过程中的起重和吊装等工作。其中用于生产车间的桥式起重机，是起重机 的一个主要类型，由于起重机行驶在高空，作业范围能扫过整个厂房的建筑面 积，具有非常重要的不可替代的作用，因而深受用户欢迎，得到了极大发展【l 】。 1 1 2 桥式起重机的发展趋势 当今，桥式起重机已不再是传统意义上粗大笨重、操作复杂、维护困难的 工业设备，它将面向用户的设计理念与世界先进技术的完美结合在一起。塑造 出具备体积轻巧、结构紧凑、操作简便、使用安全、免维护等特性的产品是起 重机设计的目标。今后，桥式起重机的发展趋势为【2 】： ( 1 ) 向大型化、高效率化、无保养化和节能化发展。 ( 2 ) 向自动化、智能化、集成化和信息化发展。 ( 3 ) 向成套化、系统化、综合化和规模化发展。 ( 4 ) 向模块化、组合化、系列化和通用化发展。 ( 5 ) 向小型化、轻型化、简易化和多样化发展。 ( 6 ) 采用新理论、新方法、新技术和新手段提高设计质量。利用c a d 提高 设计效率与质量，与计算机辅助制造系统相衔接，实现产品设计与制造一体化。 ( 7 ) 采用新结构、新部件、新材料和新工艺提高产品性能。 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 3 桥式起重机的类型 随着生产规模的日益发展，对起重机的工作性能提出了更新、更高的要求： 起重量增大、工作频繁、操作灵活可靠，自重减轻等。为了满足各种不同场合 的使用要求，人们已经开发出各种类型的桥式起重机。 根据桥架结构和起重小车形式的不同，桥式起重机分为：电动单梁桥式起 重机、电动双梁桥式起重机、单主梁桥式起重机、电动葫芦双梁桥式起重机等。 桥式起重机的类型很多，各有各的优缺点和不同的适用范围。但目前使用范围 最广、构造较为典型的是电动双梁桥式起重机【3 】。 电动双梁桥式起重机是桥式起重机的一种典型构造。它由起重小车、桥架 金属结构、桥架运行机构以及电气控制设备等四个部分组成。司机室的位置根 据使用环境，可以固定在桥架的两侧或中间，特殊情况下也可以随起重小车移 动。 吊钩式电动双梁桥式起重机称为通用电动双梁桥式起重机。为了适应搬运 多种物品的需要，可以配置各种不同的吊具。 通用电动双梁桥式起重机的起重量一般在5 5 0 0 t 之间。我国目前生产的标 准桥式起重机的起重范围为5 2 5 0 t ，它们分别属于两个系列产品，其规格如下【4 】： 5 t 、8 t 、1 2 5 3 t 、1 6 3 t 、2 5 5 t 、3 2 8 t 、5 0 1 2 5 t ( 属于中、小起重量系列) ； 8 0 2 0 t 、1 0 0 3 2 t 、1 2 5 3 2 t 、1 6 0 5 0 t 、2 0 0 5 0 t 、2 5 0 5 0t ( 属于大起重量系列) 。 其中l o t 以上的起重机均有主、副两套起升机构，副钩起重量一般取主钩 的2 0 左右，以便充分发挥起重机的经济效能。 标准的电动双梁桥式起重机的跨度为1 0 5 - 3 1 5 m ，每隔3 m 一种规格。 1 2s o i ；d w o r k s 概述 由美国s o l i d w o r k s 公司于1 9 9 5 年1 1 月研制开发的s o l i d w o r k s 是一套基于 w i n d o w s 平台的全参数化特征造型软件，它可以十分方便地实现复杂的三维零 件实体造型、复杂装配和生成工程图。图形界面友好，用户上手快。该软件可 以应用于以规则几何形体为主的机械产品设计及生产准备工作中，其价位适中。 该软件采用p a r a s o l i d 作为几何平台和d c m 作为约束管理模块，自顶向下基于 特征的实体建模设计方法，可动态模拟装配过程，自动生成装配明细表、装配 爆炸图，动态装配仿真、干涉检查、装配形态控制，由于s o l i d w o r k s 的全面支 2 武汉理工大学硕士学位论文 持中文，使得其界面异常友好，易于掌握，其拥有动力学插件c o m o s m o t i o n 、 静力学分析插件c o m o s w o r k s 、工程效果图插件p h o t o w o r k s 、动画插件s o l i d w o r k s a n l n l a t o r ，提供了几乎与所有主流三维软件的接口，所以本课题选用其作为开发 平刨5 1 。 s o l i d w o r k s 是面向机械设计的c a d 应用软件，此软件充分利用图形界面的 优势，便于机械设计人员掌握。使用s o l i d w o r k s 工具，机械设计人员能按照其 设计思想绘制出草图，开发出产品的三维模型和详细的工程图1 6 】。 1 2 1s o ii d w o r k s 的基本功能 1 1 实体建模 s o l i d w o r k s 提供了无与伦比的、基于特征的实体建模功能。通过拉伸、旋转、 薄壁特征、高级抽壳、特征阵列以及打孔等操作来实现产品的设计。 三维草图功能为扫描、放样生成三维草图路径，或为管道、电缆、线和管 线生成路径。 2 ) 装配设计 装配设计从细节上帮助用户提高效率。组合的配合参考、零部件阵列、另 存为零件、配合修复工具、替换零件、调色板装配体、物理仿真、提供物理动 力学等的软件功能。 利用镜向零部件可以更快速地完成设计，因为您可以基于现有的对称设计 创建新的零部件和装配体。 使用智能零件技术可以简化重复的任务，这种技术是一种使装配体任务( 例 如选择并将标准螺栓插入孔中，以及按正确的顺序添加垫圈和螺母) 自动进行的 创新【刀。 3 1 工程图 s o l i d w o r k s 可以不必绘制任何直线或圆弧即可得到可用于生产的详细工程 图。得到的工程图完全关联工程视图和物料清单在您每次修改零部件或装配体 设计时会自动更新。 s o l i d w o r k s 提供了生成完整的、车间认可的详细工程图的工具。工程图是全 相关的，当您修改图纸时，三维模型、各个视图、装配体都会自动更新。 从三维模型中自动产生工程图，包括视图、尺寸和标注。 增强了的详图操作和剖视图，包括生成剖中剖视图、部件的图层支持、熟 3 武汉理工大学硕士学位论文 悉的二维草图功能、以及详图中的属性管理员。 使用r a p i d d r a f l 技术，可以将工程图与三维零件和装配体脱离，进行单独 操作，以加快工程图的操作，但保持与三维零件和装配体的全相关。 用交替位置显示视图能够方便地显示零部件的不同的位置，以便了解运动 的顺序。交替位置显示视图是专门为具有运动关系的装配体而设计的独特的工 程图功能。 自动的中心标记、自动的中心线、孔的插图编号、工程图的视图模板、快 速生成草图等功能为您提供方便。 自动生成零件序号：执行单个操作，便可为一个或多个工程视图中的每个 零部件添加零件序号。您可以控制零件序号的方向和对齐方式【引。 1 2 28 0 ii d w o r k s 的建模原则 1 ) t o p d o w n ( 自顶向下) 的设计 自顶向下的设计是指在装配环境下进行相关设计子部件的能力。不仅做到 尺寸参数全相关，而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关。 用户可以在装配布局图做好的情况下，设计其它零部件，一旦修改其中一 部分，则与之相关的零件尺寸等自动更新，不需要人工参与。 2 ) d o w n t o p ( 自底向上) 的设计 自下向上的设计是指在用户先设计好产品的各个零部件后，运用装配关系 把各个零部件组合成产品的设计能力。在装配关系定制好之后，不仅做到尺寸 参数全相关，而且实现几何形状、零部件之间全自动完全相关。 用户可以在产品的装配体做好后，修改其零部件，与之相关的装配体模型、 尺寸等自动更新，不需要人工参与 9 1 。 本次课题模型库的建立采用自底向上的设计方法，首先生成零件，再通过 装配关系构建整机模型。 1 2 3s o i d w o r k s 的二次开发 s o l i d w o r k s 只是通用的商业c a d 软件，不可能满足所有产品设计及企业开 发的特殊要求，对其进行针对本企业的及特定产品的二次开发工作是很有必要 的。由于s o l i d w o r k s 是基于w i n d o w s 平台的原创软件，不是像其它一些图形软 4 武汉理工大学硕士学位论文 件，如p r o - e 、u g 、c a t i a 等都是从图型工作站移植到p c 平台上的，所以该 软件有先天性的二次开发优势【l o l 。 s o l i d w o r k 。提供了很好的二次开发接口a p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e ) i 泵i 数，提供了支持o l e ( o b j e e tl i n k i n ga n de m b e d d i n g ，对象的链接与 嵌入) 和c o m ( c o m p o n e n to b j e g tm o d e l ，组件对象模型) 的开发方式，为二次开 发提供了便利的开发条件。 1 3 课题研究的背景 我国起重机行业应用c a d 技术经过多年的吸收消化和攻关推广，已经具有 良好的基础和规模，而从产品的开发需要和技术发展趋势来看，目前正从单一 的c a d 技术应用向计算机辅助设计工程c a d e ( c o m p u t e ra i d e dd e v e l o p m e n t e n g i n e e r i n g ) 发展，开发应用的对象也已从单一部件向产品整机为目标，全过程 综合应用c a d 的方向发展。因此，基于特征化的参数化建模技术逐渐成为当前 c a d 技术的研究热点【l l 】。 起重机行业c a d 技术发展归纳为以下几个阶段： 1 ) 甩图板阶段：以二维绘图为主，辅以部分三维造型，其目标在于提高绘图 效优选法和质量。 2 ) 专用系统开发应用阶段：在图形支撑软件基础上，针对某一专用系统进行 二次开发，以提高软件的针对性和易用性。 3 ) 基于产品数据管理p d m 的一体化集成应用阶段：以产品整机设计及开发 全过程为目标，通过计算机网络和数据库技术，把企业生产过程中所有与产品 相关的信息( 包括开发计划、加工、计划调度、装配和检测等) 集成在统一的平台 上，构成一个以产品为核心的管理系统。 4 1 网络化阶段：建立基于虚拟技术、企业局域网和分布式客户机服务器模 式基础上的c a d c a p p c a m 协同开发环境，以实施产品开发并行工程为主要特 征f 瑚。 目前起重机行业已处于第二层次的实施，部分企业己开始第三层次的探索。 在此阶段，参数化、变量化技术逐渐成为学术界、产业界的研究热点。许多学 者从不同的应用领域、不同的理论背景提出了许多参数化模型和求解算法。现 代市场要求的产品设计和生产周期越来越短，加之三维c a d 技术在我国的快速 5 武汉理工大学硕士学位论文 发展，设计人员的设计工作将由二维绘图逐渐向三维参数化设计转型。 1 4 国内外研究动态 1 4 1 国外c a d 技术发展动态 从6 0 年代至今国外c a d 技术的发展先后经历了四次技术革命，进x , 7 0 年代 后，飞机和汽车工业飞速发展，遇到了大量的自由曲面的设计问题，法国达索 飞机制造公司的开发人员开发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出 了三维曲面造型系统c a t i a 。c a t i a 的出现标志着第一次c a d 技术革命高 档次的自由曲面造型系统。 7 0 年代末到8 0 年代初，c a e 技术也开始有了较大进步，由于表面模型技术 只能表达形体的表面信息，难以准确表达零件的其它特性，如质量、重心、惯 性矩等，对c a e 发展十分不利。1 9 7 9 年，s d r c 公司发布了世界上第一个完全基 于实体造型技术的大型c a d c a e 软件i d e a s 。三维实体造型技术的普及应 用，标志着c a d 发展史上的第二次技术革命。 2 0 世纪8 0 年代中期，c v 公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的 算法一参数化实体，该方法主要有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数 据相关、尺寸驱动设计修改。p t c 公司开始研$ t j p r o e n g i n e e r 的参数化软件并获 得了巨大的成功。可以认为，参数化技术的应用主导了c a d 发展史上的第三次 技术革命。 参数化技术的应用成功，使得它在2 0 世纪9 0 年代前后几乎成为c a d 业界的 标准，但是技术理论上的认可并非意味着实践上的可行性。s d r c 公司的开发人 员发现，参数化技术的“全尺寸约束”这一硬性的规定干扰和制约着设计者创 造力及想象力的发挥。于是，他们以参数化技术为蓝本，提出了变量化技术， 并于1 9 9 3 年推出了全新体系结构的i - d e a sm a s t e rs e r i e s 软件。无疑，变量化技 术驱动了c a d 发展的第四次技术革命l 。 1 4 2 国内o a d 技术发展动态 在8 0 年代中后期，国内高等院校和科研单位在c a d 技术的基础理论、软 件环境及应用软件等方面的研究已取得了较好的成果。例如，在优化设计方面， 华中理工的优化程序库o p b 及机械零部件的优化设计程序在工矿企业中得到了 6 武汉理工大学硕士学位论文 推广；在二维交互绘图系统方面，不少自主版权的软件，如清华大学和华中理 工大学共同开发的高华c a d ，中科凯思软件工程研制中心的p i c a d ，北京大学 凯达电脑公司的b c a d 等，在国内行业中推广使用：进入9 0 年代以后，随着实 体造型技术的发展，在三维造型和几何设计方面，北京航空航天大学的p a n d a 、 金银花系统，清华大学和华中理工大学共同研制的c a d m i s 等都实现了参数化 特征造型、曲面造型、数控加工和有限元分析的集成，但商品化程度还较低； 在有限元分析前后处理系统g h f e m 实现了集成；在数控编程方面，南京航 空航天大学的超人c a d c a m 、华中理工大学的g h n c 均可实现复杂曲面的造 型和数控代码的自动生成和加工仿真；在工程数据库方面，浙江大学的o s c a r 、 华中理工大学的g h e d b m s d e n g 在国内处于领先水平。另外，在应用领域， 如通用机械零件设计、冲压和注射模具设计和制造、汽车外形设计、汽轮机叶 片设计分析等方面我国均研制出了实用的c a d 软件【1 3 1 。 1 4 3 国内起重机行业c a d 二次开发研究动态 国外商品化的三维c a d 系统是为工业发达国家企业开发的，产品设计的诸 方面不符合我国国家设计标准，在企业应用中仍然需要进行本土化的二次开发 工作。近年来，针对这一需求，我国不少研究人员都或多或少地进行过三维c a d 二次开发的尝试。 从9 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。特别大连理工大学、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开展了起重机的模块化、参数化、标准化、智能化 设计研究，开发了一些基于国外c a d 软件的三维设计系统【1 4 1 。 大连理工大学硕士生张雄在导师张晓丽的指导下进行了基于知识的桥式起 重机c a d 系统研究与开发；大连理工大学滕弘飞、高顺德老师指导的低净空系 列桥式起重机参数化c a d 系统研究；在武汉科技大学罗会信教授指导下，其硕 士生李华进行了基于s o l i d w o r k s 平台的桥式起重机结构件创新设计平台的研究； 郑州大学秦东晨教授、陈江义副教授指导其硕士生进行了基于p r o e n g i n e e r 二次 开发的桥式起重机关键零部件参数化设计系统研究；中北大学硕士生杨金刚在 导师指导下进行了基于s o l i d w o r k s 平台桥式起重机桥架三维参数化设计系统的 研究。 7 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 本课题研究的目的及意义 目的：为桥式起重机设计建立一个专用的参数化c a d 系统。 意义： ( 1 ) 起重机设计的重复率相当高，虽然各种型号起重机的结构不完全相同， 但其外形尺寸和结构形式则基本一致，走参数化的道路，提高了机械设计的效 率，便于使产品系列化，为模块化设计提供了方便。 ( 2 ) 在计算机内部建立相应的三维实体模型能够更直观、更全面地反映设计 意图，并且在三维模型的基础上可以进行零件装配、干涉检查、有限元分析、 运动分析等高级的计算机辅助设计工作。建立三维实体模型以后，还可以根据 需要由模型生成传统加工过程所用的工程图。 1 6 本课题研究的主要内容 论文基于s o l i d w o r k s 的参数化设计功能，进行二次开发研究，以某一型号 的通用桥式起重机作为样机，建立一套完整的零部件三维模型和与此相关联的、 全面的工程设计详图，形成界面友好的桥式起重机c a d 系统。通过该系统实现 由一个样机通过修改参数和尺寸生成不同系列机型的功能。 主要研究内容： ( 1 ) s o l i d w o r k s 二次开发的关键技术； ( 2 ) 参数化模型库、图纸库、数据库的建立； ( 3 ) 桥式起重机c a d 系统的构造与设计； ( 4 ) 桥式起重机c a d 系统的应用。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章s o li d w o r k s 二次开发关键技术 s o l i d w o r k sa p i ( s o l i d w o r k sa p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 提供了支持 二次开发的应用编程接口，通过该接口可以开发专用软件以扩充原s o l i d w o r k s 的功能。该开发接口支持s o l i d w o r k s a c t i v e x a u t o m a t i o ni n t e r f a c e 技术( 即通常所 说的a c t i v e ) ( 自动化界面技术) ，由于s o l i d w o r k sa c t i v e x 技术是一种完全面向 对象的技术，所以许多面向对象化编程的语言( 如v b ，v c + + ) 可以通过a c t i v e x 与s o l i d w o r k s 进行通信，可以使用各种面向对象编程的语言对其中的方法、属 性进行引用，从而达到对s o l i d w o r k s 实现编程的目的，也就是达到二次开发的 目的 1 5 1 。 下面就对基于特征的参数化建模、a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术、s o l i d w o r k s 二次开发接口a p i 对象、数据库等四种s o l i d w o r k s 二次开发关键技术进行分析 和研究。 2 1 基于特征的参数化建模方法 特征是作为捕捉设计者意图的方式而提出的，以取代用直线、圆弧、圆等 基本几何元素构图的方式。特征实体具有一定的智慧，它们不但具有明确的工 艺特征结构，而且能始终记忆自己的功能属性和与其它相关实体的适应关系。 修改某一特征实体，会自动引起整个设计模型的相关变化，其中包括实体本身 的物理量( 如质心和惯性矩等数据) 的变化。例如，孔特征会始终记忆自己当前的 形状、位置和负体积特征，机械设计师能利用自己熟悉的工艺特征( 如孔、倒角、 倒圆等) ，而非纯几何意义上的体素来组织设计意图，使设计变得容易【1 6 1 。 基于特征的参数化方法，其理论提出就是针对三维实体，参数化特征建模 已经成为三维c a d 产品设计的主流，基于特征的设计更符合设计人员的设计 思路，更有利于发挥设计者的创造力和想象力。s o l i d w o r k s 作为目前运行于微 机上的优秀三维机械c a d 软件之一，是功能强大的参数化特征建模工具。 2 1 1 参数化特征建模在s o ij d w o r k s 中的实现方法 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 9 武汉理工大学硕士学位论文 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。 1 ) 完全程序化参数建模 完全程序化参数建模采用程序方法进行建模。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、参数变量多或参数问有关联的情况。 2 ) 参数修改法建模 参数修改法建模采用参数修改的方法建立模型。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 数间的关联和制约关系，需要修改的尺寸参数必须独立标注，尺寸标注的名称 可通过查阅其属性获得。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u ”。 2 1 2 本课题采用的参数化建模方法 根据桥式起重机零部件的特点，在桥式起重机c a d 系统中，多采用参数修 改法建模，辅以完全程序化参数建模。对于结构形式固定的零部件采用参数修 改法进行建模，如桥架等：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，如隔板装配模型。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 2 2a c t i v e xa u t o m a t i o n 技术 a c t i v e xa u t o m a t i o n 是m i c r o s o f t 公司提出的一个基于c o m ( c o m p o n e n t o b j e c tm o d e l ，组件对象模型) 的技术标准，以前被称为o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n d e m b e d d i n g ，对象链接与嵌入) 技术，其宗旨是在w i n d o w s 系统的统一管理下， 协调不同的应用程序，准许这些应用程序之间相互沟通、相互控制。每个应用 程序可以决定自己的哪些信息可暴露出来，这些暴露出来的信息可以被其它应 用程序所操纵【嘲。 a c t i v e x a u t o m a t i o n 技术通过在两个程序间安排对话，达到一个程序控制另 一个程序的目的；但是这种对话不是双向的，对话的双方也不是平等的。客户 程序( c l i e n t ) 是开始要求对话的应用程序，服务程序( s e r v e r ) 是相应c l i e n t 的应用程 序。a c t i v e x a u t o m a t i o n 的代码在c l i e n t 上运行，而这些代码所控制动作由s e r v e r 执行。 一个应用程序控制另一个应用程序的过程一般是这样：首先，一个应用程 序决定引发a c t i v e x a u t o m a t i o n 操作，这个应用程序自动成为c l i e n t ，被它调用 的应用程序成为s e r v e r ，s e r v e r 收到对话的请求后，决定暴露哪些对象给c l i e n t 。 在给定的时刻，由c l i e n t 决定使用哪些对象。然后a e t i v e x a u t o m a t i o n 命令被传 给s e r v e r ，由s e r v e r 对这些命令做出反应。 这里将s o l i d w o r k s 理解为一个服务程序( s e r v e r ) ，而二次开发出来的程序作 为客户程序( c l i e n t ) 。用户只要在客户程序上进行操作，客户程序将驱动s o l i d w o r k s 完成相关的工作。图2 - 1 是a e t i v e xa u t o m a t i o n 所采用的a e t i v e x 的c s 实现模型。 图2 - 1a c t i v e xa u t o m a t i o nc s 实现模型 武汉理工大学硕士学位论文 2 3s o li d w o r k s 二次开发接口a p l 对象 s o l i d w o r k sa p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 是s o l i d w o r k s 基于 a c t i v e x a u t o m a t i o n 的应用编程接口，包含了数以百计的功能函数，这些函数提 供了程序员直接访问s o l i d w o r k s 的能力。s o l i d w o r k s 提供v b 、v b a 、c 、 v c + + 、s o l i d w o r k s 宏等开发接口，具有以下特剧1 9 1 ： 夺直接利用s o l i d w o r k s 内核代码； 夺直接访问s o l i d w o r k s 数据库、图形系统、几何造型核心： 充分利用v b 、v c + + 等可视化编程工具； 夺充分利用w i n d o w s 资源。 即，利用s o l i d w o r k sa p i 可以方便高效地设计具有w i n d o w s 风格的、与 s o l i d w o r k s 无缝集成的应用程序。 1 ) s o l i d w o r k sa p i 对象层次结构 s o l i d w o r k s a p i 是一个自上而下的多层次的树形网络( 图2 2 1 。 图2 - 2s o l i d w o r k sa p i 层次结构图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 s o l i d w o r k 漆a p i 是树型层次结构，s l d w o r k s 是根目录对象类，位于应用程 序的底层，是访问s o l i d w o r k s a p i 所有对象的入口程序。接口对s o l i d w o r k sa p i 的调用实行逐级寻访，即先调用能实现所需功能的对象的父对象，然后调用与 父对象相关的子对象，如果子对象所封装的属性和方法不能实现所需要的功能， 则继续调用该子对象的下级子对象，如此逐级遍历，直到结束。对s o l i d w o r k s a p i 对象的调用不能跨级，因为父对象与子对象是包含关系，而不是继承关系，父 对象包含子对象的属性和方法，子对象自身不带有该属性和方法，跨级调用程 序将会出错【2 们。 s 1 d w o r k s 对象是s o l i d w o r k sa p i 中的最高层的对象，它能够直接和间接地 访问s o l i d w o r k sa p i 中的所有其他对象。利用它，可以实现应用程序的最基本 的操作，如生成、打开、关闭、结束文件、重排图标和窗口、设置当前激活文 件、生成属性定义，也可以对s o l i d w o r k s 的系统环境进行设置。m o d e l d o c 2 对 象属于模型层，是s 1 d w o r k s 的子对象。用m o d e l d o c 2 对象可以实现视图设置、 轮廓线修改、参数控制、对象选择、打开和保存文档、生成编辑特征参量、生 成框架等与实体模型相关的各种操作。在s o l i