裝配驅動的塔式起重機三維輔助設計系統研究*

王忠雷，張長江，石奇龍，楊晨立

（山東建筑大學機電工程學院，山東 濟南 250101）

塔式起重機（以下簡稱“塔機”）是常用的起重設備之一，在土木、建筑等工程建設領域有著廣泛的應用，它具有工作效率高、適用范圍廣、回轉半徑大、起升高度高、安裝與拆卸比較方便等特點。塔機的裝配設計是塔機整個設計過程的重要組成部分，對保證產品質量和降低產品成本起著關鍵性的作用。目前，塔機的裝配設計主要存在2 個方面的問題：①計算復雜、設計周期長。目前塔機的裝配設計普遍采用SolidWorks 軟件進行幾何建模，通常會遇到完成裝配體后，模型與設計要求不符，此時只能逐一修改相關的零件模型，浪費大量的時間。②塔機的裝配設計方法不易掌握，一般的計算機輔助軟件不能滿足裝配設計要求，使得在快速研制塔機新產品中遇到困難[1]。

近年來隨著計算機輔助設計技術的快速發展[2-3]，很多學者研究了SolidWorks 二次開發技術，李建華等[4]研究了一種基于SolidWorks 二次開發的三維交互輔助裝配方法，實現了裝配數據的實時可視化；目登臣等[5]利用應用程序接口函數對SolidWorks 軟件進行二次開發，形成了一套可獨立運行的齒輪零件參數化造型系統；劉金鳳等[6]基于SolidWorks 二次開發技術，對發動機活塞參數化設計進行了研究，提高了活塞設計效率。

從這些研究成果可以看出，由于SolidWorks 造型便捷、二次開發技術易于實現，已成為機械輔助設計領域的主流軟件。但是目前基于SolidWorks 二次開發實現的參數化輔助設計，以結構簡單，尤其是裝配關系簡單的零部件為主。對于大型、結構復雜的裝配體的輔助設計系統還不多見，基于裝配驅動的“自上而下”的智能輔助設計系統更為少見。因此本文針對上述問題，研究并設計了一種對話框式的塔機智能裝配的三維輔助設計系統。

1 裝配驅動塔機三維輔助設計系統設計

本系統由智能輔助設計平臺、零部件信息數據庫、外部鏈接文件、零部件三維模型庫以及SolidWorks 系統5 個部分組成。系統的總體框架如圖1 所示，系統以*.exe 方式獨立運行于SolidWorks 之外，并通過修改SolidWorks 三維模型的外部連接文件，實現三維模型的尺寸驅動。

圖1 系統整體框架

系統工作時，輔助設計平臺依據設計要求，調用零部件信息數據庫，搜索相關零部件并確定尺寸信息，通過輔助設計平臺，寫入外部鏈接文件，最后SolidWorks 系統會自動調用外部鏈接文件和三維模型庫，生成符合設計要求的零部件三維模型。

2 裝配驅動塔機三維輔助設計系統開發

2.1 零部件信息數據庫的建立

以FP6010 塔機為研究對象，設計并建立塔機零部件信息數據庫，包括零部件信息表和零部件尺寸信息表，描述塔機零部件關系和零件尺寸對應關系。

零部件信息表主要存儲零部件基本信息，包括零部件編號、零部件所屬裝配體編號、零部件層次、零部件名稱、零部件數量、零部件類型、零部件材料、零部件質量、零部件尺寸數量以及原材料參數（長、寬、高等用于直接下料加工的簡單零件）、備注等信息。零部件所屬裝配體編號為零部件信息表的主要字段信息，通過零部件所屬裝配體編號，輔助設計程序自動建立樹形零部件信息表。

零部件尺寸信息表主要存儲零部件尺寸信息，包括零部件編號、尺寸順序號、尺寸類型、尺寸名稱、尺寸代碼、參數名稱、默認值、尺寸上偏差、尺寸下偏差、尺寸類型、尺寸源部件編號、尺寸表達式等信息。零部件尺寸信息表，通過尺寸數據來源表達裝配關系，零件尺寸數據包括3 個類型：①自由尺寸，即裝配不相關尺寸；②直接引用尺寸，即零件尺寸直接由裝配體尺寸決定；③表達式引用尺寸，即尺寸由裝配體尺寸構成的表達式決定。

2.2 SolidWorks 參數化模型建立

為實現零件的尺寸驅動，采用SolidWorks 參數化建模的方式進行零件三維模型建立。以銷軸的參數化建模為例。

首先通過圖2（a）所示銷軸零件圖的尺寸信息，用SolidWorks 軟件繪制出銷軸一半（下部分）的草圖，然后通過“旋轉”“拉伸切除”命令獲得如圖2（b）所示的銷軸三維圖。

圖2 銷軸三維模型建立過程

其次為定義變量。通過零件圖上的尺寸信息對變量進行賦值，分析零件結構獲得結構的關鍵尺寸Ln、Dn、Wn（n=1，2，…），如圖3（a），中把Ln、Dn以及Wn作為零件的驅動尺寸，將驅動尺寸定義為全局變量；然后如圖3（b）把零件尺寸與特征尺寸構造函數關系；最后將方程式導出，如圖3（c）所示，形成方程式外部鏈接文件，其中，例如“W1”之類為基本數據定義方程式，“D1@草圖1”之類為關系定義方程式，用于修改基本數據定義方程式。通過修改外部鏈接文件，可以實現模型方程式基本數據的修改，從而進一步修改三維模型的尺寸值，實現模型的尺寸驅動。

圖3 銷軸的參數化過程

2.3 “自上而下”裝配驅動的實現

傳統的SolidWorks 設計和建模采用“自下而上”的設計思路，即首先設計和建立零件模型，然后生成裝配模型。通常，創建完裝配體后，會發現模型不符合設計要求，此時只能逐一修改相關的模型，隨著零件數量的增加，檢測和更正這些錯誤會耗費大量的時間；而“自上而下”輔助設計，是將裝配尺寸定義在部件上，當裝配尺寸修改時，程序會自動查詢相關零件尺寸，并根據定義的關系進行尺寸的計算和修改。為了提高輔助設計系統的效率、準確性，因此本文使用了“自上而下”三維輔助設計方法。

SolidWorks 模型驅動法根據修改尺寸的方法不同，可以分為3 種：直接尺寸驅動法、方程式驅動法、外部文件驅動法。

直接尺寸驅動法調用API 函數直接修改模型尺寸；方程式驅動法通過修改模型方程式中的全局變量，間接修改三維模型尺寸；外部文件驅動法通過修改模型方程式的外部鏈接文件，間接修改方程式中的全局變量，進而修改模型尺寸。與直接尺寸驅動法、方程式驅動法相比，外部文件驅動法不直接操作SolidWorks 軟件，輔助設計系統與SolidWorks 軟件耦合度低，系統穩定性和可靠性強，另外該方法可以實現多個零件的一次性尺寸驅動，適用于本文提出的“自上而下”裝配驅動輔助設計方法，因此本文采用外部鏈接文件驅動法。為裝配驅動的塔機三維輔助設計系統“自上而下”輔助設計的技術路線如圖4 所示。將裝配尺寸定義在部件上。

圖4 “自上而下”輔助設計的技術路線

通過Access 數據庫定義零件尺寸與裝配尺寸的關系，當裝配部件尺寸修改時，程序自動查詢相關零件尺寸，并根據定義的關系進行尺寸的計算，修改相關零件外部鏈接文件，相關零件模型尺寸也隨之改變，從而實現裝配部件尺寸的自動修改。

3 裝配驅動塔機三維輔助設計系統應用

塔機“左引進輪支架”的輔助設計。以塔機“左引進輪支架”的裝配驅動為例，選擇“輔助設計”下的“裝配驅動”，塔機“左引進輪支架”的裝配驅動輔助設計工作界面，塔機“左引進輪支架”由“把手”“階梯軸”“連扳”“立板”“底板”“銷軸”6 個基本零件，從零件信息圖可以看出裝配模型包含銷軸直徑D1、部件總長L1，頂板厚度W1等17 個關鍵尺寸，把這17 個關鍵尺寸定義為全局變量，并且構造函數關系，最后導出外部鏈接文件。點擊界面上的“裝配驅動”會生成基于默認尺寸的裝配模型。生成默認尺寸裝配模型的部分代碼為：

1）SWApp：=GetOrCreateObject（’SolidWorks.Application’）；（創建或獲取SolidWorks 對象）

2）SWApp.Visible：=True；（使創建的SolidWorks對象可見）

3）PathName：=Dirstr+’SWM’+data.AQ1.fieldbyname（’ID’）.AsString+’.SLDASM’：（模型的讀取路徑）

4）Part.ViewZoomtofit2：（使生成的可視化模型界面顯示大小適宜）

通過系統交互式設計界面，將銷軸直徑D1由40 mm改為30 mm，部件總長L1由400 mm 改為340 mm，頂板厚度W1由20 mm 改為40 mm（在界面上直接修改數據即可），相當于修改了外部鏈接文件，點擊“裝配驅動”系統會自動更新相關零件尺寸，并實現裝配體模型的更新。通過裝配驅動的智能輔助設計系統，設計人員可以快速的優化部件尺寸、高效實現系列化設計。自動更新零件尺寸的部分代碼為：

1）begin（開始）

2）T1：=PID；（裝配尺寸數據）

3）Repeat（進入循環）

4）Str：=T1.Text；（尋找關聯子尺寸）

5）ChangeData（Str）；（尺寸修改）

6）SaveToText（Str，Data.RecordCount）；（保存修改尺寸）

7）T1：=T1.GetNext；（尋找下一個關聯子尺寸，直到相關尺寸都修改完畢）

8）end；（循環結束）

配合前面生成默認裝配體的代碼，從而實現新尺寸模型的裝配驅動。

4 結論

裝配驅動的塔式起重機三維輔助設計系統是運用Delphi 語言對SolidWorks 進行輔助性開發，在SolidWorks 參數化建模的基礎上進行程序化設計開發，從而實現抽象設計到實體三維模型的快速轉換，在系統設計和開發的過程中，獲得如下結論：①通過數據庫定義了塔式起重機部件和所屬零件的隸屬關系，并建立了部件尺寸和所屬零件尺寸之間的關系；②采用SolidWorks 二次開發技術，應用“外部鏈接文件驅動”方式建立了批量零件尺寸修改的尺寸驅動方法；③建立了“自上而下”裝配驅動的塔式起重機三維輔助設計系統。