橋式起重機數字化設計系統的研究與開發

臧春田，王宗彥，李玉虎，石瑞敏，馬旭

(中北大學 a. 機械工程學院； b. 山西省起重機數字化設計工程技術研究中心，山西 太原 030051)

0 引言

目前，橋式起重機作為車間生產的重要運輸設備，應用廣泛，其運行速度快，工作效率高，橫架于車間、倉庫等場所的上空，對目標貨物進行起吊、搬運等操作。隨著全球起重機市場需求的不斷擴大，起重機正朝著大型化、輕型化的方向發展，起重機的設計朝著定制化、參數化的方向發展[1]。很多中小型企業當前對于起重機的設計依舊采用的是傳統手工計算設計的方法，在設計過程中存在大量繁瑣的工作[2]。

在此背景下，本文面向起重機行業，通過研究起重機設計共性關鍵技術，開發模塊化、參數化、智能化的起重機快速設計系統[2]，幫助設計工程師實現了起重機快速定制設計、優化設計以及零部件校核。該系統的成功開發降低企業生產成本，顯著提升相關產品的生產效率，最終達到提高企業市場競爭力的目標。

1 橋式起重機智能設計系統構建

1.1 系統框架構建

以起重機為研究對象，結合客戶實際生產需求，按照產品模塊劃分方法和原則，將起重機各級結構劃分為不同層級的多個模塊，并整合各模塊之間的對接方式；確定設計對象的基本參數，引入參數化設計方法及標準，形成了一定的規范與標準的模塊化設計方法；通過研究柔性化模塊的形成機理，建立起重機的柔性化模塊；最后根據參數化模型驅動的相關技術，進行柔性模塊的參數化設計，形成滿足客戶需求的工程圖樣和產品設計的相關文檔。

起重機設計系統技術路線如圖1所示，其中包含總體功能框架制定、設計部件及參數確定、模型驅動機制、工程圖優化調整及產品設計文檔管理[3-5]。

圖1 起重機設計系統技術路線

1.2 系統模塊化設計

模塊化設計是實現產品快速設計的重要策略，模塊化設計的本質就是對整個系統功能進行分析，根據實現的功能的不同，對系統的功能進行模塊劃分，不同的模塊實現不同的功能[6]。

根據企業的需求，本系統的開發主要包含3個大模塊的開發，即系統管理模塊、總體設計模塊和數據庫模塊。本文主要研究的是起重機總體設計模塊，其包含大車設計和小車設計，大車與小車的設計中又分別有機構設計和結構設計模塊。

2 設計系統關鍵技術應用

2.1 二次開發技術

1) SolidWorks二次開發技術

橋式起重機三維模型是通過SolidWorks以草圖建模的方式創建橋式起重機所有機構、結構的三維模型，再以草圖裝配的方式構建整機的三維裝配圖。本系統中SolidWorks二次開發是通過Visual Studio2010打開SolidWorks，讀取XML文件獲取各驅動尺寸，并進行尺寸驅動、模型裝配和文件保存等。

啟動SolidWorks并打開模型代碼：

string Modelpath = @"D:大車主梁SLDASM";

SoliWorksTool.SoliWorksTool sw = new SoliWorksTool.SoliWorksTool(true);

sw.OpenSwDoc(Modelpath);

驅動草圖尺寸代碼：

sw.setDimensionValue("D1@草圖",

double.Parse(Xe.Element("大車").Element("走臺").Element("走臺筋板間距").Value));

關閉并保存模型代碼：

public void Close(string PartFullName, bool IsSave)

{

ModelDoc swModel = swApp.ActiveDoc;

if (IsSave)

{

swModel.EditRebuild3();

swModel.Save(true);

}

swApp.CloseDoc(PartFullName);

}

2) CAD二次開發技術

Visual Studio2010是通過AutoCAD ActiveX來和AutoCAD進行通信的[7]。AutoCAD的Acad Model Space數據庫中有對圖元對象進行操作的方法和屬性，可以完成對樣圖中各類圖元的創建和編輯。本文采用COM接口和.NET接口進行混合編程，使用COM控制AutoCAD的外部進程，并在進程中載入.NET組件。這樣既可以實現進程間通信，又兼顧了.NET組件的廣泛性。通過讀取XML文件獲取主梁的各參數尺寸，實現對圖樣中各尺寸標注及明細欄文本的驅動，并完成二維工程圖的輸出保存。列舉主要代碼如下：

if (ent is AcadDimension)

{

if (ent.TextOverride == "Y0")

{

ent .TextOverride = Y[0].ToString();

}

}//標注類圖元驅動

if (ent is AcadText)

{

if (ent.TextString == "L")

{

ent .TextString = L.ToString();

}

}//文本類圖元驅動

AcadBlockReference a= CAD.ActiveDocument.ModelSpace.InsertBlock(point01, Name, 1, 1, 1, 0, Password);

a.Explode();

a.Delete();//插入塊

2.2 參數化建模技術

參數化設計實際上是一種基于拓撲學思想的計算機輔助設計技術，其本質是將研究對象的一些特征通過參數的方式進行表達，并通過參數對設計對象建立拓撲關系。本文主要是對模型進行參數化設計。

建立橋式起重機模型庫是SolidWorks二次開發的基礎支撐，任何一個零件模型都對整機的模型產生重要的影響。橋式起重機整機三維模型的建立首先需要對起重機的結構、機構的各個零件分別建立三維模型，然后將零件的模型進行裝配，最終得到橋式起重機的整機三維模型，圖2為三維模型庫。

圖2 三維模型庫

三維模型庫的建立需要將各個零件的所有尺寸都保存在提前定義好的SQL Server2008數據庫中，當需要某個型號的零件時，只需要通過程序讀取數據庫中的數據，然后利用程序驅動模型庫中對應的模型，就可以生成所需零件的三維模型。

3 設計實例驗證

3.1 起重機選型及參數選擇

進入數據庫后，打開Visual Studio2010，生成解決方案，點擊啟動調試按鈕，進入起重機設計系統主界面，如圖3所示，選擇文件下拉菜單中的新建橋式起重機設計。

圖3 起重機設計系統主界面

新建起重機設計后，進入系統主參數輸入界面，輸入起重機型號，跨度起重量等基本參數和文件保存路徑后，點擊“保存并關閉”按鈕進入到起重機的設計界面。

3.2 起重機模塊化設計流程

主參數輸入完成后，首先對橋式起重機小車進行設計，依次進入橋式起重機起升機構設計，小車運行機構選型，小車架結構設計。以起升機構設計為例，在起升機構的設計中，需要依次對鋼絲繩、卷筒、電動機、減速器、制動器、浮動軸、制動聯軸器、聯軸器、吊鉤組、上滑輪組進行設計選型，各個選型的參數都會在界面右側顯示。當起升機構選型設計完成之后點擊“保存并關閉”按鈕進入小車運行機構的設計選型。起升機構設計界面如圖4所示。

圖4 起升機構設計界面

其次對起重機大車進行設計，大車設計主要包括大車運行機構設計和橋架設計。以大車運行機構設計為例，如圖5所示，在該界面的左側是機構設計選型部分，中部是運行機構的示意圖，右側為結構選型的實時設計參數。該部分的機構設計主要是對車輪組、電動機、減速器、制動器、浮動軸、制動聯軸器、高速聯軸器、低速聯軸器的設計。

圖5 大車運行機構設計界面

最后對橋架主要承重部件進行強度、剛度以及穩定性校核，圖6為橋架強度、剛度校核界面。

圖6 橋架強度、剛度校核界面

完成以上設計后，輸出的相關圖樣文件，起重機參數及計算書等自動保存在所設置的文件保存位置中。

4 結語

本文以Visual Studio2010為開發環境，運用參數化和模塊化設計，開發的橋式起重機模塊化設計系統，顯著提高了橋式起重機的設計效率，能夠完成橋式起重機整車以及大車、小車中各模塊的設計出圖，極大滿足起重機企業的需求，提高了企業的競爭力。此外，隨著對該設計系統的不斷完善，該設計平臺還可用于門式起重機、懸臂起重機等的設計，不斷推進企業的信息化建設。