（机械工程专业论文）桥式起重机关键零部件的参数化设计系统研究.pdf

郑州大学硕二e 论文 郑重声明 本人的学位沧文足在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽 窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由 此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) ：缸触云 2 0 0 6 年3 月 1 0h 郑卅大学硕士论文 摘要 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 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爱集巾在 起垂机产品的三维实体造型、产品的有限元分析、标准件库的建市等方面， 而对起重机比较全面的设计尚处于探索阶段。本课题开发的桥式超重机二二 维参数化系统，小仪可以提高设计效率和设计质量，而且对产品的有限元 分析具有一定的实用价值和参考意义，同时也符合了现代设计发展的要 求。 本课题是在p r o ew i l d f i r e 的版本上，在v c + + 6 ，o 的编泽环境中利用 p r o t o o l k i t 对p r o e 进行二次开发，建立了一个桥式超重机的三维c a d 系 统。本课题对系统总体进行了分析和设计，将系统的参数化模块分为总体 设计模块、标准件设计模块和系列件设计模块。利用面向对象技术，对设 计对象、设计参数和模型进行分类；通过对桥架的三维参数化设计方法的 研究，提出了实现参数化的两个途径，分别是建立参数化模型库和模型的 参数化装配；对p r o e 的二次开发技术进行了研究，并建立了扩展功能函 数库；以v c + + 6 o 为开发工具，开发了系统友好的界面。 本课题研究为起重机的研发提供了一种先进、可靠、快速的设计系统。 关键词：桥式起重机，c a d ，参数化设计，二次开发 郑州大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h f e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c sa n dc o m p u t e r t e c h n oj 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 ni n e v i t a b l ct e n d e n c y i 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 dt r a v e l i n gc r a n ed e s i g nm a i n l yf 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 ， f i n i t ee l e m e n t a n a l y s is ，b u i l d i n g s t a n d a r d i z e dc o m p o n e n t sl i b r a r y ，a n ds oo n b u tt h eo v e r a l lt h r e e - d c m e n s i o n a l d e s i g no nt h ew h o l ed e s i g ni ss t i l l a tt h eg r o p i n gp h a s e i nt h i st h e s i s ，t h e t h r e e d e m e n 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 p e di nt h es t e e ls t r u c t u r e o f o v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e s i tn o to n l yi m p r o v e st h ed e s j g ne f n c i e n c ya n d q u a l i t y ，b u ta l s oh a sg r e a tp r a c t i c a lv a l u ea n dc a nb ear e f 色r e n c et o o lf b rt h e “n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h ep r o d u c t s m o r e o v e r ，i tm e e t st h en e e doft h e m o d e r nd e s i g nt e c h n i q u e j nt h i st h e s i s ，as i m p l et h r e e d i m e n s i o n a lp a r a m e t “cc a ds y s t e mo nt h e s t e e ls t r u c t u r eo fo v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n ei sd i s c u s s e d t h es y s t e mi sb a s e d o nt h ep r o ew i l d n r ep l a t f o 珊 a n di s“n i s h e db yu s i n gp r o t o o l k i ta s s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o li nav c + + 6 0c o m p “e r t h i st h e s i sh a sad e t a i l e d d i s c u s s i o na b o u tt h ea n a l y s i sa n dd e s i g no ft h ep a r a m e t “cc a ds y s t e m h e r e t h ep a r a m e t e rd e s i g nm o d u l ei sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t si n c l u d i n gt h eo v e r a l l d e s i g nm o d u l e ，t h ec o m p o n e n td e s i g nm o d u l ea n dt h ee l e m e n td e s i g nm o d u l e e a c hm o d u l eh a si t so w ns u b m o d u l e s b yu s i n gt h eo b j e c t o r j e n t e dt e c h n i q u e t h ed e s i g no b j e c t s ，d e s i g np a r a m e t e r sa n dm o d e l sa r ec l a s s i f i e da sd i f f b r e n t g r o u p s t h i st h e s i sa l s oi n t r o d u c et w oa p p r o a c h e so nh o wt o f i n i s ht h e p a r a m e t “cd e s i g n t h e y a r e p a r a m e t “c m o d e l“b r a r ya n d p a r a m e t r i c a s s e m b l i n gm o d e l sr e s p e c t i v e l y f i n a l l y ， t h i st h e s i ss t u d i e st h es e c o n d a r y d e v e i o p m e n tt e c h n i q u e so np r o ep l a t e f o r ma n db u i l d se x t e n d e df u n c t i o n a l f u n c t i o nl i b r a r y w i t hv c + + 6 o ，af r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ew h i c hi se a s yt ou s e a n du n d e r s t a n di sd e s i g n e d t h et e c h n i q u e sd i s c u s s e di nt h i st h e s i sp r o v i d e sa na d v a n c c d 、r e l i a b l e a n dr a p j dd e s ig na p p r o a c hf o ro v e r h e a dt r a v e li n gc r a n e 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 ，c a d ，p a r a m e t r i cd e s i g n ，s e c ( ) n d a r y d e v e lo p e m e n t 3 郑州大学硕士论文 1绪论 1 1c a d 技术国内外现状与发展 c a d 技术是一项综合性的工程设计技术，涉及诸多学科，如计算机科 学、计算数学、几何造型、计算机图形显示、数据结构和数掘库、仿真、 数控、机器人和人工智能技术以及与产品设计和制造有关的专、f k 知识等。 c a d 技术可以承担产品设计中的零件设计、装配设计、模具没计、机构没 计与分析、有限元分析、数控加工与仿真等环节的关键工作，与传统的设 计内容和方式相比产生了根本性的变革。 1 1 1 国外c a d 技术发展概况 c a d 技术起步于5 0 年代后期，在其发展初期，c a d 的含义仪仅是计 算机辅助绘图( c o m p u t e r a i d e d d r a w i n go r d r a f t i n g ，简称c a d ) ，而不是现 目前研究的c a d 所包含的全部内容。6 0 年代，随着计算机软硬件技术的 发展，使在计算机屏幕上绘图变为可行，c a d 开始迅速发展。人们希望借 助此项技术来摆脱繁琐、费时、精度低的传统手工绘图。此时，c a d 的出 发点是用传统的三视图来表达零件，以图纸为媒介进行技术交流，这就是 二维计算机绘图技术。6 0 年代是以简单的二、三维线框造型系统为主，这 种初期的线框造型系统只能表达几何数据间的拓扑关系。由于缺乏形体的 表面信息，与二维绘图技术相比，具有立体感，有较好的可视性，但这种 模型c a e 及c a m 均无法实现。 第一次c a d 技术革命一高档次的自由曲面造型系统。进入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，此时， 法国人提出了塞尔算法，同时也使得法国达索飞机制造公司的丌发人员， 能在二维绘图系统c a d c a m 的基础t ，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 的出现标志着计 算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视图模式中解放出来，首次实 现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使得c a m 技术玎发有 了现实的基础，改变了以往只能借助油泥模型近似表达曲面的落后r 作方 式，为人类带来了第一次c a d 技术革命。 笫二次技术革命一一三维实体造型技术出现。7 0 年代末到8 0 年代初， 由，i 计算机技术的跨越发展，c a e 、c a m 技术也开始有了较大进步。有了 表面模型，c a m 的问题可以基本解决。但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、t | ! ：i 性矩等， 刈c a e 发展十分不利。1 9 7 9 年，s d r c 公司发布了雌界 + 第一个完全基 于实体造型技术的大型c a d c a e 软件一一i d e a s 。由丁实体造型能够精 6 郑州大学硕j 论文 确表达零件的令部属性，在理沦上有助了二统一c a d 、c a e 、c a m 的模型 表达，给设计者带来了极大的方便性，也代表了未来c a d 技术的发展方 曲。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_ 次技术 ： 革命。 第三次技术革命一参数化技术。2 0 世纪8 0 年代中期，c v 公司提出 r 一种比无约束自由造型更新颖、更好的算法一一参数化实体，浚方法主 要有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺i j 驱动设计修改。 但由于投资及开发工作量较大，c v 公司否决了参数化技术方案，策划参 数化技术的人员因此而成立了一个参数技术公司( p a r a m e t r i ct c c h n 0 1 0 9 y c o r p ，简称p t c ) ，开始研制p r o e n g i n e e r 的参数化软件。到2 0 世纪8 0 年 代术，随着c a d 技术的广泛应用，p t c 公司获得了巨大的成功。目前，p t c 在c a dr 丁场份额排名上已名列第一。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。 第四次技术革命一变量化技术。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l9 9 3 年 推出了全新体系结构的i d e a sm a s t e rs e “e s 软件，解决了在欠约束情况 下方程联立求解的数学处理和软件的实现。变量化技术既保持了参数化技 术的原有优点，同时又克服了它的不足之处，它的成功应用为c a d 技术 的发展提供了更大的空间和机遇。无疑，变量化技术驱动了c a d 发展的 第四次技术革命。 总结4 0 年的c a d 技术的发展历史，各阶段的主要技术特点为： 2 0 世纪6 0 年代一一二维、三维线框造型； 2 0 世纪7 0 年代一自由曲面造型： 2 0 世纪8 0 年代中期至今一基于约束的实体造型。 目前流行的c a d 技术基础理论主要是以p r o e n g i n e e r 为代表的参数化 造型理论和以i d e a s 代表的变量化造型理论两大流派，它们都属于基于 约束的实体造型技术。这两种理论是在近l o 多年产生的，并且赢得了广 泛的认同。在这两种理论之前，基本上是属于表面及线框造型技术为代表 的无约束自由造型技术。与基于约束造型理论同期并存的技术流派还有： 起源于英国的基于图表的造型a p p l l c o n 的自由度分析造型，綦于a l 的 约束满意算法造型等。由于这些技术流派未能在业界得到实质性的应用， 因而不能作为主流技术。 1 1 2 国内c a d 技术的发展概况 郑州大学硕士论文 我国在c a d 技术方面的研究始于7 0 年代初期。当时，主要的研究内 容是计算机辅助几何设计和计算机辅助绘图，主要研究单位是高校。“七 五”期间，崮家在机械c a d c a m 方面有较大的投资，我国工程设汁歼始 引进r 整套的c a d c a e a c m 系统，首先在船舶、大型军工企、k 、航空航 天领域开始应用，其系统以大型计算机和大型软件为主。功能很强，但价 格昂贵，如c a t t a 、c a d a m 软件，难于在我国推广普及。在8 0 年代中 后期，我固的c a d c a m 技术有了较大的发展，c a d c a m 技术的优点被 越来越多的人所注意。我国又引进了大量的围外软件，如l d e a s 、 p r o e ng i n e e r 、u g i i 、c a d d s 5 等，硬件主要以工作站为主，成套的价格 相对于“七五”期间的大系统要低的多，且性能有了很大的提高。这期 问，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 软件等方面的研究己取得了较好的成果。例如，在优化设计方面，华巾理 _ 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、世中得到了 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h = 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 ， 北京大凯凯达电脑公司的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 l s 等都实现了参数化特征造型、陆面造型、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。 l ，1 3c a d 技术发展趋势 随着c a d 技术的不断研究、开发与广泛应用，对c a d 技术进出越来 越高的要求，因此c a d 从本身技术的发展来看，其发展趋势是集成化、 智能化、并行 程、网络化、虚拟设计肯标准化，这里不一一叙述。 1 2 起重机行业c a d 技术应用、发展及趋势 1 2 1c a d 技术在起重机制造业中的发展及应用 近年米，随着计算机的广泛应用，许多国外起重机制造商从应用一维 c a d 系统，提高到应用三维系统进行起重机的模块化设计。根据市场预测 却州大学硕士论文 的统计数字和积累的资料、图表、图线，在严密的科学理论指导下，拟定 起重机结构、机构、部件等多层次的标准化、模块化单元。起重机采用模 块单元化设计，不仅足种设计方法的改革，而且将影响整个起重机行业 的技术、生产和管理水平，老产品的更新换代、新产品的研制速度将人大 加快。对起重机的改进，只需针对几个需要修改的模块，设计新的起重机 只需选用不同的模块重新进行组合：提高了通用化的程度，可使单件小批 量的产晶改换成相对批量的模块生产。办能以较少的模块形式，绀成不同 功能和不l j 规格的超重机。满足市场的需求，增强竞争能力，如德马克公 i j 的葫芦双梁超重机系列改用模块化并进行优化设计后，比啦件的没计费 用下降了12 ，自重轻，与国内产品相比较，起重量3 2 t ，跨度2 5 m ，困内 双梁起重机自重为4 6 4 t ，电动葫芦桥式起重机白重为2 8 3 t ，而德马克 电动葫芦桥式起重机的自重只有1 8 5 t ，比国内产品分别轻6 0 和3 5 。 中国起重行业c a d 技术的应用研究工作始于7 0 年代中期，是从结构有 限元分析开始的。但由于受计算机硬件条件限制，应用范围较小，应用水 平的二次开发能力也较差，有限元程序多以科研院所为主应用。 进入8 0 年代，随着计算机技术的发展和c a d 软件的完善，特别是微 型计算机的普及，c a d 技术在中国起重机行业得到了广泛的应用，但应用 水平参差不齐，关键问题是设计上的差异。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，对一些重大非标准超重机产品设计，设计是在设计人员 的头脑中完成，再利用计算机实现几何信息的处理，把超重机方案设计外 形尺寸及主要参数输入到计算机内，打印出起重机的总图，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。 进入9 0 年代，随着专用c a d 软件价格比的提高及c a d 集成软件的发 展，特别是基于c a d 图形工作站的大型c a d 软件所具有的三维实体造型、 装置、机构漫计以及功能强大的工程分析等功能，为c a d 专用工作站在超 重机设计中进一步应用，提供了更广泛的前景。各起重机制造，在进一步 扩大微机应用范围的同时，也加大了对c a d 工作站及集成软件的投资力度。 低成本、高效益的企业目标也迫切需要c a d 技术。其开发应用的广度的深 度已成为企业技术水平的熏要标志之一。 由于各工厂、院所的投资环境和技术力量发展不平衡，c a d 软件川发 能力也各不相同。机车车辆产品主要制造厂因耨产品开发和市场竞争的需 要，在绘图软件的开发上作了大量工作，根据工厂产品设计的实际需要， 建萨了产品漫计图库，丌发出相应的管理系统，大大提高了产品设计中绘 图的工作效率。有的与结构分析模块有数据接r ，可以较方便地完成结构 分析。科研院所充分发挥实验手段先进、丌发能力强的优势，结合试验研 究的成果，在对大型软件进行次开发和专用软件丌发方面作了大量的工 郑州大学碗十论文 作。对起重机设计标准和规范实行统一管理，其中桥架、小车、提升机构 图库的建立，受到了工j 一的欢迎。 1 2 2 我国起重机制造行业c a d 开发现状分析 我幽超重机行业应用c a d 技术经过多年的吸收消化和攻关推广，已 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，日前 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 d d c v e l o p m e n te n 百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 及其相关技术的方向发展。因此，基丁 特征化的参数化建模技术【1 1 和反求工程的创新设计方法也逐渐成为当前 c a d 技术的研究热点。将有如下特点： 起重机行业c a d 技术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，以专用系统设计开发的 效率为主要特征。 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 及丌发全过程为目标，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 ) 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。 目前起重机行业已处于第二层次的实施，部分企业已开始第三层次的探 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。现代巾- 场对产品设计的要求己经发生r 根本的变化。多品种、小 批量替代了少品种犬批量的传统生产模式，这就导致了设计和生产周期越 来越短，相应带来的c a d 建模技术也有了思想和实质上的飞跃，没计人 员利用二维绘图、三维线框模型、三维实体模型f2 1 ，将设计工作由绘图转 向了行为建模pj 。 1 2 3 我国起重机制造行业c a d 开发发展趋势 由于计算机技术和电子技术的发展，我国起重机行业c a d 技术的发 展将宵如下特点： 1 以c a d 工作站为提高型、微机为普及型的c a d 网络将成为主流。 1 0 邦州大学硕士论文 制造厂以产品设计为主，用微机完成二维设计图，以提高设计效益。用c a d 工作站进行三维造型设计、结构分析、结构优化、装配十涉检查、动力学 分析等，以提高产品设计水平。微机和工作站形成网络，三维图形信息可 以向二维绘图信息转换。由于关系型工挥数据库的发展，这种i 维向一维 的转变会起来越方便、快捷。 2 起重机c a d c a m 集成系统的发展以及与m i s 联网，形成起重 机没计信息共享系统，将成为起重机c a d 技术发展的主要趋势。 c a d c a m c a e 计算机工程辅助系统以概念设计为基础，以三维实体造型 为起点，它的基本功能包括蓝图构图、参数化造型、尺寸驱动和编辑等， 具有统一的起重工程数据库，即专家设计共享数据库。以后，我国起重机 将向c a d 、c a m 、g t ( 成组技术) 、f m s ( 柔性制造系统) 和机器人技术 集成方面发展。通过网络标准化和统一的工程设计数据库结成一个c i m s ( 计算机集成制造系统) 。 3 概念设计突破了传统的c a d 技术，是起重机c a d 系统的发展方 向。这种新的设计造型技术，灵活方便，又能纳入设计经验，从而大大提 高了产品设计过程中的效率和质量。 4 人才将成为开发超重机c a d 技术的关键。起重机c a d 技术汇集 了力学、数学、计算机图形学、结构分析与优化等多门学科的专业知识。 在计算机软、硬件基础上，c a d 技术的发展关键在于技术人才，使用软、 硬件的人才培养是最根本的。 1 3 本课题研究的目的及意义 随着三维图形技术和计算机技术的发展，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，还可以根据需要由该模型方便地 生成传统加工过程所用的工程图。 机械产品的设计从产品构思、要领表达、结构设计、性能分析剑最终 的产品加工是一个非常复杂的过程，这种设计过程的复杂性、多样性和灵 活性就要求设计造化必须走参数化的道路，从而提高机械设计的效率，这 也是机械设计师梦想的事情。起重机设计的重复率相当高，随着起重机用 途和生产工艺条件的不同，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，便于进行参数化设计。另外，构成钢结构乍 体的桥架主要是由各种断面的型钢焊接而成的，如槽钢、角钢等，便 建 立参数化模型库。因此，为起重机钢结构设计建立一个专j = l 的参数化c a d 系统是可行的，电是非常有实际意义的。 郑州大学硕_ 上论文 笔者曾成功开发了起重机的参数化c a d 系统，受当时软硬件的限制， 是用a u t o l i s p 语言开发，在d o s 环境下运行，虽然当时为工j 的实际生 产和发展起到了很大的作用，但已经不适应现代技术的发展和上厂的实际 可行性。如果起重行业能够利用c a d c a m 系统提高桥架钢板f 料的精度， 仅此一项，每台起重机就节约钢材约o 5 o 7 吨：如果应用c a d c a m 系统 进行模块化设计，可以实现对用户特殊要求的快速响应制造，缩短设计制 造剧期，提高整机质量。 1 4 本课题研究的主要内容 据统计，机械制造领域的设计工作有5 6 属于适应性设计，2 0 属于 参数化设计，只有2 4 属于新设计。某些标准化程度高的领域，参数化设 计达到5 0 左右。上述数据说明，工程技术人员的大部分时间和精力都消 耗在重复性工作或局部小修改之中了，不可能有充沛的精力去从事创造性 工作，也不会有足够的时间去学习掌握新知识和新技能。 桥式起重机是桥架型起重机的一种，它广泛地应用于室内和室外的工 作场合，桥式起重机是一种结构形式相对稳定，系列件、通用件和相似件 占相当比例的产品。选择一种结构较为通用的机型作为样机，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，采用三维设 计软件完善的参数化设计功能，对系列件、通用件，完成其所有规格的系 列设计；对相似件完成主要参数控制的相似设计，形成大量模块化的快速 设计。如此，大部分零部件的模型和工程图就可由计算机自动完成，设计 人员只需做组装、特殊零部件的设计和局部修改，即可完成产品设计。 为了发挥设计人员的创造性，将他们从大量繁重的重复劳动中解放出 来。减少设计、计算、制图、制表所需的时间，缩短设计周期，实现产品 的系列化，就需要研究和开发相应的参数化c a d 系统。 本次课题是基于p r o e 平台，对垂直型桥式起重机系列的参数化c a d 系统进行总体结构和部分参数化功能的设计，主要完成以下研究内容： ( 1 ) 总体设计，即设计出系统的界面和整个结构； ( 2 ) 创建系统的数据库； ( 3 ) 完成系统桥架结构图的参数化设计。 郑州人学硕士论文 2 起重机桥架c a d 系统总体设计 2 1 起重机c a d 应用软件的二次开发 2 1 1c a d 应用软件的开发形式 随着计算机在各个领域的广泛应用，计算机软件的日俱增，在各种工 程设计和制造部门的c a d c a m 应用中，基关键是要有相应的多种专用的 应用软件，尤其是适应于本单位生产实际的高质量、实用性强的c a d c a m 软件。在进行应用设计或开发时，就结合软件工程学的要求采用科学的方 法和技术。c a d 应用软件的开发方法一般分为两种，一种是在高级程序设 计平台上运用多种开发工具进行自主版权的c a d 系统开发，例如在微帆 作为硬件平台时，可选用w i n d o w s 环境及各种c + + 语言等。另一种是在已 有的通用c a d 系统软件基础上，如a u t o c a d 、p r o e n g i n e e r 、c a d d s 5 、 c a t i a 等，针对具体机械产品组织力量进行二次开发。第一种方法的好处 是开发者本人拥有开发系统的所有技术，自主版权，但需要投入大量人力 物力，因此，没有一定数量的开发人员所构成的集团组织是无法这样作的， 对一般技术人员说不宜采用这一途径。相比之下，基于通用c a d 系统的 二次开发是一种投资小、见效快的开发途径。 图2 1c a d 技术过程 计算机辅助设计( c a d ) 的技术过程，通常如图2 1 所示。 郑州大学硕十论文 2 1 2 参数化的实现方法 要实现参数化设计系统，参数化模型的建立是关键。参数化模型必须 能够表示图形的几何约束和拓扑关系约束。在参数化模型中，约束通常可 分为几何约束和工程约束两人类。几何约束包括结构约束和尺寸约束，其 中结构约束是指几何元素之间的拓扑约束关系，如平行、垂直、相切、对 称等；尺、r 约束则是通过尺寸标注表示的约束，如距离尺寸、角度尺寸、 、f 径尺寸等。这些约束是由系统自动搜索出来的隐含约束。r 。程约束是指 r 寸之间的约束关系，通过人工定义尺寸变量及它们之闻在数值上和逻辑 卜的关系来表示。 相应的，在参数化设计系统巾，设计人员根据工程关系和几何火系来 指定设计要求，要满足这些设计要求，不仅需要考虑尺寸或工程参数的初 值，而且要在每次改变这些设计参数时来维护这些基本关系，即将参数分 为两类，其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连 接几何信息，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下， 系统能够自动地变参数。因此模型中建立的各种约束关系，正是体现了设 汁人员的“设计意图”。 根据参数化程序的研制方法和使用范围，可以把参数化设计方法分为 专用参数化设计方法、前参数化设计方法和完全参数化设计方法。 1 专用参数化设计 专用参数化设计方法是针对具体结构提取参数，并编制专用的程序， 这种程序只适用于特定的结构图形，其参数的形式和个数、运行方式、方 法都不能变动。一般通过数据文件或菜单输入图参数。把计算坐标点的规 则直接编写在程序中，根据参数计算图形的坐标点，最后根据坐标点画出 相应的结构图形。 2 前参数化设计 此种方法是直接使用参数化工具在c a d 系统中画图。参数化设计工具 为用户提供参数输入编辑对话框，并且提供多种参数类型选择，用户可以 选择参数类型，以保证与设计习惯相符，方便快捷，可以自动或半自动牛 成由参数计算相应元素坐标的计算规则。使用此种方法可以快速方便地绘 制l ：程图纸和图形，通用性极强，适用于任何结构图形。它的流挥如图2 2 。 3 后参数化设计 此方法是针对已有的设计图( 包括存于图纸上或计算机存储介质中的 i 殳计罔，) 用计算机程序来扫描这些图形、分析并提取相应结构图形兀素 的坐标，确定参数类型和范围，_ e ! i 户可选择合适的参数和规则，或由软件 自动生成相应参数和计算规则，并把最终确定的参数及规则存于图形参数 塑型盔兰型：! 丝兰 一一一一一 _ h _ _ _ _ _ _ 一一。 规则库。这种方法不仅可以用来处理使用参数化方法生成的结构图形，而 且a j 适用于使用其它方法绘制的图形，包括图纸上或计算机存储介质中的 图形、绘图仪绘制或人工绘制的图形。还可以充分利用已有的工程图纸年u 计算机图形库与图形文件，迅速建立各种各样的工程结构参数化图库。 图2 ，2 前参数化设计流程 4 完全参数化设计 这种方法是后参数化设计和前参数化设计方法的结合。不仅可以使用 参数进行绘图，而且可以直接对图形参数进行编辑、修改。前参数化设计 方法和后参数化设计方法可以使用数据文件或数据库来记录图形元素的 参数， 2 2 起重机c a d 系统设计 在进行起重机c a d 系统的开发中，充分应用了面向对象的设训方法 对系统进行了分析和设计，主要体现在以卜几个方面： 首先，在开发工具的选择上，选择v c + + 6 o 作为用户界面的肝发、f 台； 在v c + + 6 o 的开发环境中编写的p r o ，t o o l k i t 应用程序也具有向向对琢 的风格，它利用数据结构在p r o e n g i n e e r 和应用程序之间进行信息的转换， 这些数据结构对于应用程序来讲是不直接可见的，只能通过p r o t o o l k i t 函数来进行访问，而p r o t o o l k l t 函数库中的任何一个函数的功能都是在 一个指定类型的对象上执行一个动作。 郑州大学硕上论文 其次，设计对象的分类方法。在应用面向对象技术开发一个参数化系 统时，首先需要了解总体设计对象，通过分析不同对象的属性，归纳并抽 象 n 它们的公共属性，再把设计对象按各自不同的特性进行分类。在分类 结构中，公共的属性放在结构的高层，特殊的属性放在结构的低层。按照 这种设计方法和分类原则，本系统、主要在以下几个方面进行了分类： 1 起重机的分类 超重机是一个系列化产品，分为桥式起重机、龙门超重机、桅杆起重 帆、门座起重机、塔式起重机、履带起重机、轮胎超重机，而每种根据其 重量可以进一步细分，其分类结构如图2 3 所示。 2 设计参数的分类。 在起重机钢结构的设计中，设计参数非常多，为了便于管理和使用这 些设计参数，可以按以下不同的角度对设计参数进行分类。 按设计参数在各层次结构中的作用域来分，可以分为继承参数和专用 参数，继承参数由上层传递下来，本层设计不但必须满足而且无权直接修 改，专用参数是根据设计需要在本层生成的新参数，其作用域仅为本层或 下面各层。例如，在本系统的总体设计阶段将会确定桥架的长、宽、高等 设计参数，在部件设计阶段，这些参数将作为继承参数，用于部件的设计， 同时该阶段也会确定一些设计参数，这些参数就是专用参数。 幽2 3 起重机的系列 按设计参数的用途看，参数可分为几何参数和非几何参数，其中儿何 参数足描述几何住处信息的参数，是数值型参数，非几何参数是确定模雹! 结构和种类的参数，是非数值型参数。例如：桥架所用型钢的长度是几鲥 参数，桥架剖商形状等是非几何参数。 从参数值的来源看，设计参数又可分为给定参数和经过计算得山的导 出参数。例如，起重机的桥架所用工字钢的号数是由最大起重量计算得到 的，而起重量是给定参数，t 字钢号数是导出参数。 按参数值在历次产品设计时的变化情况分，可分为可变参数和【划定参 6 郑州大学帧士论文 数，可变参数是系列产品在历次产品设计时其值经常被修改的参数，固定 参数是其值相对稳定或不变化的参数。例如，起重机的跨度为固定参数， 而由于起重量桥架设计经常发生变化，其中相关的许多参数就是u ，变参 数。 3 模型库的分类 起重机是由取物装置、制动装置、起升机构、运行机构组成的，其中 每个人部件又都是由一些零部件组成的，所以，我们在建立模型库时，就 可利用面向对象的设计方法，将模型库进行分类，分为总体模型库、部件 模型库、零件模型库和装配关系模型库。在进行部件模型组装时，渊用零 件库中模型和装配关系库中的模型，在进行钢结构总体模型组装时，调用 部件库中的部件模型和装配关系模型库中的模型。其中，零件模型库又叮 分为型铜模型库、扳材模型库等。 2 3 桥架结构概述 桥架钢结构是起重机主体的重要组成部分，它除了要承受或传递作用于 起重机的各种载荷外，还要承担整个起重机各大部件的支承连接作用。桥架 结构的设计在保证强度和刚度的前提下，应该向轻量化的方向发展。以1 0 t 和2 0 t 桥式起重机的钢结构为例，l o t 桥架结构采用有有压筋，整体承载结 构，2 0 t 桥架钢结构采用无压筋，薄板简形整体承载结构，改进了桥架结构， 这方面标志若设计，制造水平的提高，另一方面也说明了c a d 技术在起 重机设汁中的积极性。 止一l - j 一一 一：。 一j 一； ： l j 一一i ! ， n ： ! n 图2 45 t 3 i 5 m 跨度桥架结构图 5 t 桥架钢结构为全钢焊接结构，由底板，侧板和顶板等三部分焊接而成。 在侧板，底板的内面，焊有腹板，端板，形成一个封闭箱型。壳体内面用纵 向粱和上马向梁，柱加强，形成整体承载的合理结构。 郑州大学硕士论文 冈2 55 t 3 1 5 m 跨度桥架剖面翻 起重机部件的构成，可划分为底板，侧板和顶板及其它零部件。 项板底架由钢板切割后焊接而成。顶板不允许有横向焊缝，顶板除承受 起重载荷外，还有承受小车的和移动及起升装置的固定等。顶板两倒是沿底 架两端梁问全长纵向布置的两侧板，顶板两端是型钢结构的端梁。 侧板也由钢板切割后焊接而成，底板不允许有横向焊缝，为了减少自重， 侧板端部采用过渡结构，侧板两端焊接端粱。 底板采用焊接结构，为主要承重板，因此也不允许有横向焊缝。 2 4 系统设计思想 2 4 1 系统开发方法 现代c a d 系统的开发必须以系统工程的观点和正确的方法沦为指导， 以减少和避免开发过程中的失误，提高效率和保证系统的质量。工程化软件 的具体要求是： 1 ) 准确性：实现软件的全部功能，且保证正确； 2 ) 可靠性：软件多次反复使用不失败，出错的概率小于某个指标； 3 ) 简明性：表达简明易读，程序内外层次分明，接口简单； 4 ) 易维护性：能方便地实现校证维护，适应维护和完善性维护； 5 ) 结构化设计：用大家熟悉的顺序、判断、循环三种基本逻辑分支实现 每个模块的程序编制： 6 ) 文档齐全、格式规范：软件从开始设计，丌发，实现运行到最后停止 使用的整个阶段称之为生存期，一般分为需求分析，总体设计详细 设计，编写代码，测试，运行维护六个阶段，在每个阶段都有其具体 内容。 a ) 需求分析阶段：确定软件的开发要求，包括软件应完成的功能， 软件的性能和可靠性等，选择软件开发的软硬件环境。 b ) 总体设计阶段：明确软件的系统结构，包括划分模块，模块之川 郑卅1 人学硕卜论文 的通信等。 c 1 详细设计： 序模块。 d 、编码阶段： e ) 测试阶段： 陷。 把总体设计阶段确定的各个功能模块进一步划分为程 编写各个程序模块的源代码。 对软件进行测试，以检查软件在功能和结构方晒的缺 f ) 软件维护阶段：软件交付用户使用后，对软件进行纠错，完善和 扩充。 此外，在软件开发的各个阶段，都要编写详细的丌发文档。 2 4 2 系统开发模型 目前，机械c a d 软件常用的开发模型有：生命周期模型和快速原形法 等等。 生命周期法采用工程化的原理和方法，将整个c a d 系统的开发过程， 从开始到结束划分为若干阶段，预先规定好每个阶段的任务，再按一定准则 按部就班地完成，这是计算机系统开发中最常用，最有效的方法之一。但缺 点是开发周期长，开发过程烦琐，系统难以适应外部环境的变化。 快速原形法是在生命周期法的基础上发展起来的一种开发方法，又称瀑 布型。它的主要思想是：系统开发人员根据自己的工作经验和对实现系统的 调研分析，尽快建立一个能够反映用户主要需求的原型模型，然后对模型进 行评价、修改，如此反复，周而复始直到满足用户的需求。其优点是开发周 期短，适应性强，能及时对原型系统进行修改，提高系统的开发质量，其缺 点是，快速原形法的选择缺乏评价准则，与系统分析人员的经验及水平密切 相关，如果选择不当，反而浪费时间和精力，并对用户造成不良影响。 起重机桥架c a d 系统的开发模型使用的是生命周期法和快速原形法的 混合方法：基于快速原形法指导下的生命周期法。也就是晓，将二者结合起 来，将已有的经验当作原型来指导生命周期的各阶段工作，从而大大节约了 精力、时间，加快了开发进度。 2 5 支撑软件二次开发及选择 为推广应用c a d 技术，许多企业纷纷购置了昂贵的计算机硬件和c a d 史撑软件系统。由于这些商品化的c a d 软件一般都是通用化软件，堪本上 覆盖整个机械待业各个方面的工作，而用户在应用时都具有自身行业的特 色，因此，用户在引进商品化的c a d 软件后，通常需要那些既掌握讨算机 应用技术又懂得产品设计的人员针对本行业的特点对支撑软件进行修改扩 充，丌发出实用性更强的c a d 应用软件，即所谓的二次开发。 _ 次开发的目的是设计一个软件系统或称之为设计工具来辅助具体的 郑州大学硕士论文 机械设计。二次开发不同于一般的软件开发，主要在于它不是从底层开始的