基于C++的自動繪圖技術在風機塔架設計中的應用

陳茁

摘 要：風力發電機（以下簡稱風機）作為風電能源轉換的主要設備已在全球范圍廣泛應用。塔架作為風機支撐系統在整個設計中占據舉足輕重的地位。在實際設計中由于定制化策略的推行，塔架設計任務往往十分繁重。考慮到塔架結構統一的特點，設計趨向標準化，理論上可以使用編程，控制繪圖軟件完成參數化繪圖以節省人力和時間。本文即設想選用一種編程語言設計一種應用程序實現上述功能。

關鍵詞：塔架;C++/CLR;自動繪圖;AutoCAD

1 緒論

風力發電機塔架設計有模式可循，這對使用程序控制繪圖軟件自動繪圖提供了可行性。本文希望通過甄選出合適的編程語言，編制應用程序控制AutoCAD使其自動繪制圖紙，并希望通過輸入參數的方式讓程序實現繪制不同類型不同尺寸塔架的功能。

2 塔架設計

現存風機塔架結構多種多樣，除了圓錐形分節鋼筒式塔架之外，桁架式和混合式塔架結構也因其在價格和易于建造等方面的優勢在慢慢興起，但從實際建造情況看來，圓錐形分節鋼筒式塔架依然是主流。

在風力發電機中，塔架結構主要包括筒壁、連接法蘭、平臺和內附件以及一些基礎部件。繪圖需要獲取的繪圖數據就包括上述組件的各項定形定位尺寸。

塔架雖說結構簡單，但在行業定制化政策推行的背景下，一個風電項目往往會出現兩個及以上機型，在海上項目上甚至會出現更多機型的情況，每種機型包含數百張圖紙，這也是編寫該自動繪圖程序的意義所在。

3 C++/CLR

3.1 語言選擇

如今編程語言眾多，有以學習成本低，跨平臺使用便利等優點迅速崛起的Python，也有功能強大簡單易用的Java。本程序由于會出現大量的跨程序調用，而選用了在處理速度上有優勢的C++。同時，C++開發的程序通用性強，對后期普及和修改也十分友好。

3.2 C++/CLR優點

C++/CLR的基礎是C++，在討論C++/CLR之前，我們需要了解CLI（Common Language Infrastructure，通用語言框架），該框架提供了一套可執行代碼和它所運行需要的虛擬執行環境的規范。更通俗的說，它是一個虛擬平臺，是操作系統和應用程序間的一層抽象聯系。本文研究的目的在于用微軟的.NET框架設計一個可執行程序窗體，以此來收集數據并控制繪圖軟件繪圖，而作為微軟的.NET基礎的CLR（Common Language Runtime，實時通用語言）就是CLI的一個實例。C++/CLI支持對本地ISOC++編程和.NET托管編程的無縫集成，這不僅是一種機械的相加，而是能夠像.NET調用Windows API一樣通過P/Invoke來實現函數互調，而且可以實現類型class級和ISOC++和.NET類庫的相互使用，更重要的是它能夠實現類型的混合。

4 自動繪圖

4.1 技術基礎

本文所探究的自動繪圖技術是針對AutoCAD繪圖軟件的，本質上是一種參數指令化的編程繪圖過程，這很容易讓人聯想到AutoLISP。AutoLISP提供了操控AutoCAD繪圖的各種基礎命令，但是其代碼繁雜且可讀性差。對于風力發電機塔架這種圖紙眾多的大型項目而言代碼必定冗長，后期的更改難度也大。另外，這種方式編制的程序對于外部文件的支持性較差，風機塔架有眾多數據，若手動輸入數據則會耗費大量時間，這與省時省力的初衷背離。

雖然AutoLISP用在像風力發電機這樣圖紙眾多的大型項目上有些吃力，但AutoLISP中的命令和AutoCAD的API卻給我們提供了無限可能。

4.2 技術實現

4.2.1 控制

上文提到，很多應用軟件都留有API（Application Programming Interface，應用程序接口），這些接口為程序之間互聯和二次開發以提供了渠道，機械制造設計常用的繪圖軟件AutoCAD當然也包括在內。編程前從CAD的安裝位置找到對應版本的API并添加到主程序中即可讓程序擁有溝通CAD的能力。

打通程序之間的壁壘后，就可以進行繪制命令的編寫了。AutoLISP中的命令在《AutoCAD VBA開發人員手冊》中都有相應介紹，例如使用AutoLISP在CAD畫直線，雖然只需要定義起點終點兩個參數，但是代碼定義繁雜易讀性不高，同時代碼的移植性不好，很難脫離CAD環境運行，此時C++改寫的優勢就凸顯出來了。改寫的指導書就是《AutoCAD VBA開發人員手冊》，將AutoLISP命令用C++的語法改寫，就可以借C++的快捷便利和優良的移植性彌補AutoCAD VBA編程的缺點。

4.2.2 數據

上文2.1塔架設計內容所述的塔架各部分組件的定形定位尺寸就是本程序的數據輸入。這部分數據可從載荷強度計算單位獲得。考慮到參數眾多，可利用表格處理工具將參數整理分類，將筒壁、法蘭、平臺、基礎和參數化的配置選項分列不同表單，并保存輸出一個表格文檔，繪制時只需通過更改表格對應部分數據即可。

4.3.3 繪圖

編程和手工繪圖在原理上是相同的，都是將基本圖元進行排列組合成完整的圖紙。不同的是手工繪圖通過點選或者輸入命令一個個圖元添加，大型重復度較高的項目圖紙對于手工繪圖來說費時費力且易出錯;編程繪圖過程則是通過程序調用命令進行圖元添加。程序編制好后正確性有保障且速度快。

繪圖代碼的編寫最重要的就是確定好幾何關系，根據數據表中的信息和圖元相互關系拆解圖紙，并通過解析法轉換成代碼;其次需要控制好圖層，編程按圖層順序繪制，在對應的圖層添加內容，可在一定程度上避免繪制混亂。

塊調用是一個很好用的命令。通過創建塊我們可以將圖紙中參數固定的復雜線圖形事先畫好，并單獨保存在統一的塊庫文件夾，使用時只需通過代碼調用即可。代碼中還可以設置塊的方向、大小和比例，可大大節省分別編寫的工作量，同時節省運算消耗。需要注意的是繪制塊時應留心線型和比例，否則會出現視覺不匹配。

自動繪圖進行中切忌操作CAD軟件，軟件內部通過指令代碼來工作，簡單的鼠標點擊也會將點擊的指令代碼插入到預設的指令流，這樣會造成指令對錯位報錯。若需要在繪圖過程操作電腦上的其他軟件，可將CAD后臺運行即可。

4.3 軟件封裝

經過上述步驟，自動繪圖軟件的功能已完成，接下來只需將程序制作成安裝包。若條件允許，可將安裝包制作成自動更新版本，后期將更新包放在公共服務器上，安裝過該軟件的電腦在連接服務器局域網的情況下打開自動繪圖程序即可自動檢測更新。

5 小結

計算機對于現代工業的顛覆顯而易見，在信息革命和工業4.0浪潮下，傳統工業模式正在發生著天翻地覆的變化。繪圖作為設計階段的一環，從最初的尺規到CAD再到本文探究的參數化自動繪圖，也許在未來還會因為時下熱門AI技術的加入而實現智能出圖都在促進工業的不斷升級。

本文從多方面敘述了自動繪圖的優點，其不足也顯而易見--編程耗時長，對于設計變更快的機型，有時會出現上一個更新還沒寫好就變更的情況。當這種差值大到一定程度的時候，自動繪圖的優勢就失效了。針對此問題，本文設想未來借助機器學習改善。

從原理上看，本文所探究的自動繪圖技術不僅可以用于風機塔架的設計，對所有具有一定程度規律性的圖紙都可以定制使用。21世紀是信息的時代，各行各業都應插上信息的翅膀方可繼續騰飛。