（机械制造及其自动化专业论文）桥式起重机桥架参数化设计关键技术研究.pdf

桥式起重机桥架参数化设计关键技术研究 摘要 论文选题来源于国家8 6 3 项目“重大技术装备模块化参数化智能化协同设计系统”。 桥架是桥式起重机的主体部分，是整个起重机承受载荷最大的部分，桥架的设计效率和 设计质量将直接影响起重机的性能。桥式起重机桥架属于零部件较多、主体结构基本定 型的机械产品，其设计主要是通过改变主体结构尺寸和改进局部结构来实现，很适宜做 参数化设计。本文在研究桥架结构和设计理论的基础上，确定出桥架参数化设计方法， 重点研究桥架参数化设计中的核心技术，实现桥架的快速高效设计。 本文以面向对象的编程工具v i s u a lb a s i c6 0 为开发工具，通过二次开发技术完 成了s o l i d w o r k s 设计环境下桥式起重机桥架参数化设计系统的开发，主要研究了桥架 参数化模型驱动和工程图调整中的关键技术。利用模板技术、特征建模、布局草图、自 顶向下的装配设计、参数库以及参数化驱动等技术解决了桥架三维模型参数化的问题； 利用工程图建模、工程图元素( 视图位置、视图比例、明细表，尺寸位置等) 的调整技 术解决了桥架二维工程图调整的问题。 桥架参数化设计系统实现了桥架装配设计、参数化驱动以及工程图自动调整等功 能，设计出的产品图纸完全能满足企业的实际生产需求。实践表明，使用本系统后，桥 架设计效率和设计质量大大提高，为企业带来了可观的经济效益。该系统不仅使设计人 员减少了大量的重复劳动，还能使其把更多的精力投入到新产品的研发当中。 关键词：桥式起重机，桥架，参数化，s o l i d w o r k s ，工程图调整 t i t l e ：r e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g yo fp a r a m e t e r i z e dd e s i g no ft h em e t a l s t r u c t u r eo fo v e r h e a dt r a v e iin gc r a n e a u t h o r ：l i uz h i _ g e n g t u t o r ：w a n gz o n g _ y a n a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o no r i g i n e dt h e8 6 3i t e m 一”m o d u l a r i z e d 。p a r a m e t e r i z e d ， i n t e l l i g e n ta n dc o o p e r a t i v ed e s i g ns y s t e mo fg r e a tt e c h n o l o g ye q u i p m e n t ” m e t a ls t r u c t u r e ，t h ec r u c i a lc o m p o n e n to f o v e r h e a dt r a v e li n gc r a n e ，h o l d s m a x i m u ml o a do ft h ew h o l ec a r n e ，w h o s ed e s i g ne f f i c i e n c ya n dq u a l i t yw i l la f f e c t t h ec a p a b i l i t yo ft h ew h o l ec r a n ed i r e c t l y m e t a ls t r u c t u r eo fo v e r h e a dt r a v e l i n g c r a n ei sm e c h a n i c a lp r o d u c tt h a th a sm a n yp a r ta n dp a r t sa n df i x e ds t r u c t u r e i ta d a p t st op a r a m e t e r i z e dd e s i g n ，b e c a u s ei t sd e s i g ni sa c h i e v e db yc h a n g i n g d i m e n s i o no fm a i ns t r u c t u r ea n da m e l i o r a t el o c a ls t r u c t u r e b a s e do nr e s e a r c h o fm e t a ls t r u c t u r ea n dd e s i g nt h e o r y ，t h ed i s s e r t a t i o ne s t a b l i s h e sp a r a m e t e r i z e d d e s i g nm e t h o do fm e t a ls t r u c t u r e ，s t u d i e st h ek e yt e c h n o l o g yi np a r a m e t e r i z e d d e s i g n ，a n da c h i e v e ss i m i l a rf a s td e s i g no fm e t a ls t r u c t u r ef i n a l l y b yd i n to ft h eo b j e c t o r i e n t e dd e v e l o p m e n tt o o l v i s u a l b a s i c6 0a n d r e d e v e l o p m e n tt e c h n o l o g y ，t h ed i s s e r t a t i o nd e v e l o p sp a r a m e t e r i z e dd e s i g ns y s t e m o fm e t a ls t r u c t u r ei ns o l i d w o r k s ，w h i c hs t u d i e sk e yt e c h n o l o g yo fp a r a m e t e r i z e d m o d u l ed r i v ea n dd r a w i n ga d j u s t m e n t t h ed i s s e r t a t i o ns o l v e s3 dm o d u l ep a r a m e t e r o fm e t a ls t r u c t u r eb ym o l d i n gb o a r d ，c r e a t i n gf e a t u r em o d u l e ，p o s i t i o ns k e t c h ， u p - d o w na s s e m b l yd e s i g n ，p a r a m e t e rd a t a b a s ea n dp a r a m e t e r i z e dd r i v e ：s o l v e s2 d d r a w i n ga d j u s t m e n tb yc r e a t i n gd r a w i n ga n da d j u s t m e n tt e c h n o l o g yo fd r a w i n g e l e m e n t ( v i e wp o s i t i o n ，v i e ws c a l e ，1 i s t ，d i m e n s i o np o s i t i o n e t c ) p a r a m e t e r i z e dd e s i g ns y s t e mo fm e t a ls t r u c t u r er e a l i z e st h e f o ll o w i n g f u n c t i o n s ：a s s e m b l yd e s i g n ，p a r a m e t e r i z e dd r i v ea n dd r a w i n ga d j u s t m e n ta n ds o o n i t sd r a w i n g sm e e tp r a c t i c a lp r o d u c er e q u i r e m e n to fc o r p o r a t i o nf u l l y p r a c t i c ei n d i c a t e s ，d e s i g ne f f i c i e n c ya n dp r e c i s i o no fm e t a ls t r u c t u r ei s l a r g e l yi m p r o v e dt h a ne v e r i t w i1 1b r i n gt r e m e n d o u se c o n o m yb e n e f i t s t h e d e v e l o p m e n to fp a r a m e t e r i z e dd e s i g ns y s t e mo fm e t a ls t r u c t u r en o to n l yr e d u c e w o r k i n gi n t e n s i t y ，b u ta l s ol e t se n g i n e e r sv a c a t em o r et i m et oj u m pi n d e v e l o p m e n to fn e wp r o d u c t k e y w o r d s ：o v e r h e a dt r a v e l i n gc r a n e ，m e t a ls t r u c t u r e ，p a r a m e t e r i z e d ， s o l i d w o r k s ，d r a w i n ga d j u s t m e n t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：童i 裹：廷日期：丝2 ：墨：盈 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签名： 童l 苤! 翌 日期：塑2 ：墨! 三i 导师签名： 中北大学学位论文 1 1 课题的国内外研究现状 1 1 1 课题的国外研究现状 1 绪论 c a d 技术产生于本世纪5 0 年代后期。c a d 技术的发展与工业实际应用和需求密切相 关，随着实际应用和c a d 技术的广泛应用，新的需求又不断出现，一些计算机应用的新 技术和一些新的算法在c a d 中随之不断出现和发展，参数化设计技术随之应运而生。 随着国际经济的飞速发展，世界销售市场对大型起重机械的需求量不断增加，从而 使国外各种起重机制造企业在生产中更多地采用优化设计、机械自动化和自动化设备去 提高劳动生产率有关调查资料表明，6 5 的起重机械用户主要是为了提高生产率、减 少劳动工资。因而要求采用先进的起重机设备的用户越来越多。 近年来，计算机辅助设计( c a d ) 已逐步深入到设计过程中，资料“表明美国、德国、 日本等一些起重机公司都广泛应用c a d 彻底抛弃了传统的图板，并且还与计算机辅助工 艺规划( c a p p ) 和计算机辅助制造( c a m ) 相衔接，做到了无图化生产。 许多国外起重机制造商从应用计算机辅助设计系统，提高到应用计算机进行模块化 参数化设计，将起重机功能基本相同的构件、部件和零件划分成有多种用途，有相同联 接要素和可互换的标准模块，通过不同模块的组合，形成不同类型和规格的起重机系列， 使整个起重机行业的技术、生产和管理水平、产品的更新换代、新产品的研制速度大大 加快。 德国德马格公司( d e m a n g ) 生产的桥式起重机充分考虑了模块化和组合化，使系列、 整机、机构、部件和零件互相之间的参数匹配，能力分布达到最为经济合理的搭配效果 啪。利用起重量与起升速度的乘积为常数的方法使起升机构主要部件达到最大限度的通 用，再通过滑轮倍率的变化派生出更多的规格。5 1 2 5 t 桥式起重机系列，多种工作级 别，只需4 种基型的起重小车。该公司开发的标准车轮箱模块系列，上面有多组联接孔， 可选装不同型号的驱动单元，可组装成台车，可与金属结构件组合后用作各种桥式、门 式起重机，巷道堆垛起重机或其它轨行式起重运输机械的运行机械，其车轮有多种踏面 l 中北大学学位论文 形式可供选用。该公司的端梁标准模块系列已经商品化，与主梁之间采用摩擦环和高强 度螺栓的连接方式，提高了互换性和尺寸精度，减少了接合面的加工量，与任一主梁都 可快速有效相接。 美国、日本、德国、及欧洲一些发达国家都进行了产品设计手段的改进，采用三维 参数化设计手段来提高企业的设计效率。国外起重机厂商为了能迅速制造和装配出品种 多样化的产品来，要求企业之间密切联系和协调，企业走向专业化、标准化和系列化m ”。综合国外研究资料呱“”表明，发达国家的模块化、参数化设计技术已经很好地应用 于起重机等大型设备设计制造过程中，并且为企业带来了巨大的经济效益，德马格公司 就是起重机行业的一个典范，其技术已经居于世界起重机设计、制造技术的前列。 国外起重运输机械发展到今天，已经到了相当成熟的地步，其结构形式基本上都是 经反复优化设计，并经实践检验的。随着计算机技术的广泛应用，许多国外起重机制造 商从应用计算机辅助设计系统( c a d ) ，提高到应用计算机进行起重机的模块化设计。尽 量使用标准件设备迅速组合和安装，减少标准件外组合部分的加工制造。组合构件的使 用对生产非标准件起重机来讲，有助于减少成本哪。 如今，起重机研究的发展趋势为“：广泛采用c e c a d c 删c a p p 等计算机技术； 标准化、系列化、模块化程度不断提高。 1 1 2 课题的国内研究现状 近几年来，我国c a d 系统的开发和应用取得了一些成绩，国内已形成了二维c a d 商 品化软件市场，在一些企业也引进了c a d 系统，并取得一些效益。但与国外相比差距仍 然很大。主要表现在以下几个方面：( 1 ) 目前我国c a d 系统仅仅作为绘图工具，缺乏设 计方法和设计理论的指导。在应用方面，很多企业也只是把c a d 作为一个绘图工具，企 业应用中也缺乏对产品设计理论和设计方法的研究，因此企业产品和创新产品少，在市 场上缺乏竞争力。( 2 ) 我国三维c a d 系统还不成熟，必须加快开发。( 3 ) 我国c a d 技术 开发创新少、仿制多。没有创新就没有竞争力，只仿制就不能开发出有竞争力的产品。 从我国二维c a d 到目前研制的三维c a d 都存在这一问题。早在“七五”攻关时用户就提 出了“参数设计问题”、“数据管理问题”及数控编程中的有关要求即现在的“特征造 2 中北大学学位论文 型问题”这些技术，我国c a d 研究开发者也都知道，但都没有引起注意。而国外的c a d 后起之秀p t c 公司抓住了用户需求的时机，快速推出了参数化特征造型c a d 系统 p r o e n g i n e e r ，一举占领了国际市场，至今仍在国际年销售额方面名列第一。( 4 ) 我国c a d 软件的开发缺乏理论研究和算法的研究。( 5 ) 信息集成技术落后。( 6 ) c a d 中 的数据交换格式和标准化落后“。 目前，国内主要的起重机生产厂家有大连大起集团有限责任公司、太原重型机械( 集 团) 有限公司、上海起重机有限责任公司、上海振华港机公司、宁夏银起集团有限责任 公司、山东起重机厂有限公司等，其它小厂约有上千家。国内的大型起重机生产厂家技 术水平不断的提高，占据了了国内绝大部分和国外部分市场，特别是大连大起集团有限 责任公司在小吨位起重机、太原重型机械( 集团) 有限公司在大吨位起重机生产方面处 于国内的领先地位。 与国外起重机设计技术相比，我国的起重机设计技术面i f 岛巨大的挑战与机遇，有待 进一步提高。目前，国内很多高校都在联合企业进行机械产品的参数化设计研究工作， 旨在提高企业的设计水平，缩短设计周期，提高新产品的研发能力。浙江大学、北京理 工大学、大连理工大学、东北大学、华中科技大学、西安理工大学、武汉科技大学、中 北大学、太原科技大学等高校科研院所都针对行业机电产品进行了参数化设计研究工 作。 2 0 0 3 年太原重型机械学院郑荣，庞茂，张亮有“。等曾进行基于a u t o c a d 的门式起重 机专家系统的开发研究，应用模块化与参数化的设计方法进行部件级的通用化、标准化 设计，简化了产品构成，开发了面向专业技术人员的集门机选型、设计、计算、绘图为 一体的专业软件。 同年大连理工大学刘彩霞“”进行了基于面向对象技术的桥式起重机参数化设计系 统研究，实现了基于a u t o c a d 平台的起重机参数化设计计算系统的开发。实现了自动处 理提交参数的功能，系统自行完成机构的设计计算和分析选择，设计结果自动保存并生 成输出设计文档。 2 0 0 4 年太原理工大学机械工程学院“”，以a u t o c a d 作为图形支承系统进行参数化绘 图，采用全参数计算机辅助设计方法，研制了通用的桥式类型起重机桥架c a d 的专业设 计软件。该软件可以设计多种型号、多种系列的桥式类型起重机的桥架。 3 中北大学学位论文 上述桥式起重机参数化设计软件的设计思想比较完善，但是设计手段仍处于 a u t o c a d 的二维设计阶段，没有发挥三维c a d 设计软件的参数化优势，不能实现与p d m 、 c a p p 的集成，也没有从根本上解决工程师出图重复、设计效率低、设计周期长的问题， 因而不能适应目前重大装备产品设计生产的需求。 2 0 0 3 年，华北工学院机械工程系c a d c a m 研究室，以三维特征造型软件s o l i d w o r k s 为设计平台，运用模块化、参数化的设计思想，选择双立柱式堆垛机和单立柱式堆垛机 作为开发对象，完成了北京伊速物流技术有限公司堆垛机系列产品三维设计c a d 软件开 发“。”“”。实现了设计计算、三维建模和工程图的设计集成，为堆垛机设计提供了基于 s o l i d w o r k s 平台的计算机辅助设计工具，并建立了相关标准、经验数据、原有图形资源 等数据库，设计效率提高4 0 以上，达到国内领先水平。之后将该项技术应用于太原重 型机械集团有限公司桥式起重机桥架主梁参数化设计“”。1 ，并推广应用于“起重机桥 架三维参数化设计系统”及“重大技术装备模块化参数化智能化协同设计系统”。后者 得到国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 支持。 2 0 0 4 年，大连理工大学王永福叫1 研究了模块化设计理论及其在桥式起重机设计中的 应用，从面向模块化的角度分析了产品系列的规划，并详细研究了模块化设计的理论体 系，针对新产品的开发提出了一套完整的模块化设计方法。最终通过分析功能模块对客 户需求的影响程度，确定产品系列的核心平台。蔡盛保进行了桥式起重机的模块化设 计，以功能分析为基础，采用模块化设计理论的方法，对桥式起重机的基型产品进行了 充分分解，建立了基型模块矩阵，并对基型模块矩阵进行纵横扩展，建立了全系列模块 矩阵，实现了桥式起重机新产品设计。 2 0 0 5 年，武汉科技大学乔慧丽嘲进行了门式起重机三维参数化及模块化设计系统的 开发研究，将三维参数化c a d 技术和模块化设计技术应用于门式起重机产品开发，提出 了实现门式起重机设计模块化的整体方案。在对模块的创建应用了参数化设计的方法基 础上，还提出了门式起重机模块化设计的模块管理方法。 近年来，参数化设计技术将逐步在大型企业开展应用，沈阳鼓风机厂曾联合高校进 行了基于s o l i d w o r k s 的鼓风机产品参数化设计，大连大起集团有限公司、上海起重机 等国内起重机企业都相继进行了产品的三维参数化设计研究开发工作，但是针对行业的 参数化设计系统还没有全面应用推广。 4 中北大学学位论文 综上所述，目前国内外进行三维参数化设计的方法、理论逐渐成熟。国内外利用 s o l i d w o r k s 进行三维模型参数化设计开发的较多，已经初见成效，但是由于目前工程图 是设计意图的最终表现形式，基于三维参数化设计系统生成的工程图仍有很大局限性， 三维模型参数化驱动后，生成新的产品，其工程图图形变化很大。从真正意义上将 s o l i d w o r k s 三维优势与参数化设计成功集成的案例较少。因此，国内企业的参数化设计 系统的实际应用情况并不乐观，应用推广任务仍然十分艰巨。进一步研究和深化 s o l i d w o r k s 参数化绘图就成为本课题的解决问题之一。 1 2 课题研究的来源和意义 1 2 1 课题研究的来源 论文选题来源于太原重型机械集团( 简称“太重集团”) 有限公司国家8 6 3 项目“桥 式起重机模块化系列化智能化三维c a d 设计”。 1 2 2 课题研究的意义 目前，太重集团有限公司已成为我国最大的大型起重机生产基地，已生产各类桥式 起重机6 0 0 余台，为三峡工程开发设计制造了世界最大的1 2 0 0 吨桥式起重机，这充分 显示了太重集团在大型专用起重设备产品科研开发、设计，制造方面的优势。 随着国内外桥式起重机需求量的增大，太重也越来越感到产品设计过程中重复劳动 占用的时间比例越来越大，如：出零件图纸和手工设计计算的时间占到整个设计时问的 6 0 0 k - - 8 0 ，产品开发的时间被压缩到不足3 0 ，虽然也开发了一些基于二维c a d 的设计 系统，但由于前面所述的原因，不仅延缓了产品出厂的时间，而且由于重复劳动占用了 大量的设计时间，使得设计人员不能把主要的精力投入到新产品的开发中去。因此太重 每设计一套产品都要绘制一套新的工程图，特别是桥架部分，每次都要绘制结构类似的 工程图，造成人力、物力的浪费。 然而现行企业设计效率却制约了生产效率的提高。原因是：没有发挥三维设计的优 势，设计手段以a u t o c a d 为主，绘制工程图仍然是设计师的主要任务之一，重复劳动多， 5 中北大学学位论文 任务重，先进的三维设计软件( s o l i d w o r k s 、u g 、p r o e 等) 还没有真正深入起重机产 品设计中，重复设计占据了设计人员的大量时间，致使新产品研发滞后。在迅猛发展的 计算机时代，企业也认识到自身设计手段的不足，必须增强产品创新能力、缩短设计周 期和提高用户化程度，同时又要降低成本，保证质量及良好的售后服务。因此，太原重 型机械集团股份有限公司技术中心为大力发挥三维机械设计软件的设计优势，提高产品 设计效率，于2 0 0 5 年春季购买了数十套s o l i d w o r k s 2 0 0 5 版软件，为企业在激烈的市场 竞争中处于有利地位创造了条件。 桥式起重机桥架参数化设计的目标定位在建立一套桥架辅助设计工具，旨在提高工 效、缩短设计周期，实现桥架产品的相似快速设计。它包括桥架结构设计、3 d 建模、自 动生成工程图和工程图调整，它将大量减少目前设计工作中的重复劳动，有利于缓解资 源和任务间的矛盾，也能为更新结构留有随时添加的余地，充分考虑和发挥设计师的能 力，使设计工程师们能够从繁重的生产任务中解脱出来，把主要精力放在新产品的研发 当中，加速产品的更新，提高企业的核心竞争力。 本论文的研究工作得到了国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 项目“重大技术装 备模块化参数化智能化协同设计系统”的支持，项目编号：2 0 0 5 m 4 1 5 2 4 0 。该项目可以 分为三个部分：第一部分是桥架参数化设计系统；第二部分是小车架模块化参数化设计 系统；第三部分是参数化桥式起重机的快速有限元分析。本论文研究工作来源于第一部 分桥架参数化设计系统，如图1 1 所示为桥架三维装配模型。 图1 1 桥架装配图 6 中北大学学位论文 1 3 论文的主要工作 基于桥式起重机桥架板件多、焊接多、附属结构零散分布的特点，结合企业实际情 况及企业需求，论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 采用基于特征的参数化设计方法，研究桥架相关模块( 包括零部件、装配体) 的参数化建模方法； ( 2 ) 基于桥架的结构分析，采用布局草图实现白顶向下的桥式起重机桥架装配设 计： ( 3 ) 针对桥架零部件特点，深入研究不同类型的参数化驱动技术； ( 4 ) 进行桥架各相关模块的接口设计，以v i s u a lb a s i c 6 0 为开发工具，开发基 于s o l i d w o r k s 的进程内桥架参数化设计系统； ( 5 ) 深入研究参数化桥架产品的工程图调整问题。 1 4 论文的组织结构 本论文按章节组织如下： 第一章绪论 第二章桥式起重机桥架参数化设计方法研究 第三章桥式起重机桥架参数化模型驱动技术 第四章桥式起重机桥架工程图调整技术 第五章设计系统实例 第六章总结和展望 7 中北大学学位论文 2 桥式起重机桥架参数化设计方法研究 2 1 参数化设计概述 产品在设计过程中，不可避免地要进行反复修改，进行零件尺寸和形状的综合协调、 优化。对于定型的产品设计，需要形成系列，以便针对用户的要求提供不同大小、功率、 规格的产品型号。最初的c n ) 系统所构造的产品模型都是集合图素( 点、线，圆等) 的简 单堆叠，仅仅描述了设计产品的可视形状，不包含设计者的设计思想，因而难以对模型 进行改动，生成新的产品实例，参数化的设计方法正是解决这一问题的有效途径。 通常参数化设计是指零件或部件的形状比较定型，用一组参数约束几何图形的一组 结构尺寸序列，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应，当赋予不同的参数序列值时， 就可驱动达到新的目标几何图形，其设计结果是包含设计信息的模型。参数化为产品模 型的可变性、可从用性、并行设计等提供了手段，使用户可以利用以前的模型方便地重 建模型，并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型，生成系列产品，大大提高 了生产效率，参数化概念的引入代表了设计思想的一次变革。 2 1 1 特征参数化设计技术 随着特征造型技术的发展，出现了基于特征的参数化设计方法啪1 基于特征参数化 方法意在将基于特征设计方法与参数化设计有机地结合起来，实现对多种设计方式和设 计形式的支持。它改变了传统c a d 系统完全靠设计者指出零件几何图素的位置这一限制， 形成一个以特征为操作单位的繁荣新语义实体，这将包含比集合图素多得多的零件描 述。对于一个特征来说，其构成的几何图素之间的拓扑关系是不变的，特征形状的变化 只能通过给特征指定不同的参数值来实现。对零件的修改就可以转化为对构成零件的特 征参数值进行修改，不用直接修改几何图素的位置，大大方便了零件的设计修改过程， 提高了设计效率和准确性。 现在的参数化设计技术以约束造型为核心，以尺寸驱动为特征，允许设计者首先进 8 中北大学学位论文 行草图设计，勾画出设计轮廓，然后输入精确尺寸值来完成最终的设计。与传统的无约 束造型设计方法相比，参数化设计技术最大的不同在于它存储了设计的全过程，能设计 出一族而不是单一的产品模型。它使设计人员不需要考虑细节而尽快草拟零件图，并可 以通过变动某些约束参数来更新设计，而不必运行产品设计的整个过程。参数化技术避 免了重复劳动，避免了资源的浪费。在产品的开发设计阶段应用参数化技术，能够提高 产品的设计效率，缩短新产品的开发周期，使设计工作人员从繁重的计算与绘图中解脱 出来，将主要精力放到创造性的设计工作中去。因此，它成为进行初始设计、产品模型 编辑修改、多种方案设计和比较的有效手段，特别是在系列化设计中，参数化造型技术 的优点就更加突出。 目前，参数化设计的研究范围己由最初的二维图纸参数化设计发展到覆盖产品整个 生命周期的参数化设计，研究的对象除了传统的二维图纸，三维零件实体等以外，还包 括零部件闻的装配关系、产品特征和产品变型设计等产品层次的参数化表示。这使得参 数化自身的含义得到了进一步的拓展。 2 1 2 参数化设计的类型 参数化技术从基于约束的参数化技术实施机理来看，目前主要有以下六种类型： ( 1 ) 基于几何约束的变量几何法 这是一种面向非线性方程组整体求解的代数方法。它将集合形状看作为一系列特征 点，将约束关系转换成以特征点为变化的非线性方程组，通过迭代求解，从而确定出集 合细节隅”。这种方法适用于很大范围约束类型，且循环约束可通过约束方程组的联立 求解得到处理，但它难以避免数值求解稳定性差的缺点，方程组整体求解的规模和速度 难以控制，且迭代初值的选取在很大程度上也影响算法的成功。 ( 2 ) 基于几何推理的人工智能方法 该方法的基本思想是将约束关系用一阶逻辑谓词来描述并存入事实库，通过推理机 的作用，从规则库中选规则并应用于现有事实、推理的结论作为新的事实、推理，记录 所有成功的规则应用并提供重构过程，从而构造出整个几何体“1 。这种方法表达简洁、 直观，且可以避免变量几何法的不稳定性；但系统庞大，速度慢，无法处理循环约束。 9 中北大学学位论文 ( 3 ) 基于构造过程的参数化方法 此方法采用一种参数化履历的机制，通过记录构图过程中体素生成过程的先后顺序 及连接关系捕捉设计者的意图汹。j 这种方法适用于结构相同而尺寸不同的零件设计， 但由于需严格遵守某种顺序，柔性和灵活性不足。 ( 4 ) 基于辅助线的参数化方法 主要特点是所有轮廓均建立在辅助线的基础上，而辅助线的求解条件在作图过程中 已明确规定，不必再作遍历搜索和检索求解条件是否充分。这种方法求解速度快，不足 之处是：当图形比较复杂时，辅助线会影响作图操作。 ( 5 ) 基于图形的参数化方法 此方法直接操纵图形数据库，把图形数据库的数据交换结构略作修改，用图形来描 述实体的相应约束嘶嘲。这种方法不要求用户用系统特定模块的步骤构造原型图，算法 效率高，实现简单，程序量不大，可移植性强。 ( 6 ) 编程参数化 编程参数化通过分析模型的特点，确定样板各尺寸之间的数字关系，给定输入参数， 然后确定其它参数的值，并用高级语言在c a d 系统中加以实现。这种方法主要适用于结 构较稳定，仅尺寸数值发生变化或仅有局部结构变化的场合，常见于在通用商品c a d 软 件上进行二次开发，如进行标准件和常用件的建库工作等。 应用编程方法实现的参数化，能将表格约束的数据、参数间的关系、计算公式等写 入程序，且参数化图形可以任意复杂，还具有运行可靠、速度快的特点，但一般编程实 现的参数化需要用户掌握相应高级语言知识和编程技巧。用编程的方法不仅能实现标准 件的参数化绘制，而且也可以实现非标准件的参数化绘制。对于标准件来说，一般是建 立标准零件库，严格按照国标来限制零件尺寸的大小。所有标准件的尺寸全部存放在数 据库的表中，表中的数据一般是与机械手册上的表格相对应的。当用户选择了一组参数 时，这些参数就会被用来作为绘制零件的基本参数在高级语言中使用，最终这些参数作 为a p i 函数中的形参来绘制图形。对于非标准件来说，参数化的思想与标准件是一样的， 只是没有大量的参数数据存放在数据库中，而是提供给用户一个输入参数的界面来限制 零件的形状。 本论文主要采用编程法进行桥式起重机桥架的参数化设计。 1 0 中北大学学位论文 2 2 桥架参数化设计方法分析 桥式起重机桥架是整个起重机的主体，桥架的重量占整个起重机重量的6 0 以上， 也是承受重力最大的部分。在保证起重机整机性能方面，桥架设计起着非常重要的作用。 2 2 1 理论分析 ( 1 ) 从结构上看，桥式起重机桥架由主梁、副主梁、连接梁以及梯子、栏杆等附 属结构组成。每一部分又都是由很多零部件组成，属于复杂机械产品。而桥式起重机桥 架的主体结构大都类似，所不同的只是桥架局部结构发生变化，因此很适合于系列化设 计。仅通过改变桥架局部结构和参数，就可以设计一套全新的产品，像这样只改变小部 分结构的设计方法，节约了大量的资源。 根据桥架的结构特点，可将桥架的参数化分为主梁参数化、连接粱参数化、副主梁 参数化、附属结构参数化和桥架总装参数化五个部分进行设计。 主粱是桥式起重机桥架必不可少的部件，它具有结构复杂、尺寸大、多为板件这些 特点，它一方面承载着大车运行机构，另一方面又承载着主小车，因此主梁的设计非常 重要。根据( 太原重型机械( 集团) 有限公司) 桥式起重机桥架主梁头部标准，整理出来 的主梁头部结构形式可分为8 轮、1 2 轮、1 6 轮三个系列，目前( 太原重型机械有限公 司) 生产的桥式起重机桥架主梁大部分都是采用这些头部结构的变体主梁头部复杂， 中间部分除了隔板的分布外，其它附属结构都比较简单，主梁头部具有零部件多、结构 复杂等特点，因此主梁的参数化设计主要集中在头部。虽然主梁的头部结构比较复杂， 但是目前生产的主梁头部大部分都是依照主梁头部标准或是标准的变体。进行主梁的头 部参数化只需要建立头部标准的几种结构形式的参数化模型，然后通过分析建立部分能 够通过程序调整结构的参数化零件模型及主梁中间部分的零部件参数化模型，最终实现 整个桥架主梁的参数化设计。 副主梁和连接梁的结构形式相对主梁来说比较单一，不同桥架系列的副主梁、连接 梁结构形式没有太大的差别。 对桥式起重机桥架进行模块划分，分别建立主梁、副主梁、连接粱和附属结构的参 中北大学学位论文 数化设计模块，最终形成桥架的整体参数化设计系统，是本文研究的桥式起重机桥架三 维参数化设计系统的总体设计思想。 以主梁为例，主梁主要由腹板、t 型钢、隔板、上下盖板、门、吊耳、走台以及头 部结构组成。像门、吊耳等零部件已形成标准，所以设计时只需要选择型号即可。另外 由于起重机主粱大都是左右对称结构，很多零件都属于对称制作，三维建模可以很方便 地解决这个问题。 ( 2 ) 从功能上看，像桥式起重机桥架这样零部件数量较多的复杂机械产品，用传 统的二维设计不仅耗时耗力，重复劳动多，而且也继承了二维设计的缺点，出错率较高， 且不容易被察觉采用三维进行装配设计，能很好地解决这一问题。在三维环境下进行 桥架自顶向下的装配设计，可以随意更改设计意图，便捷直观地判断零部件干涉现象、 进行运动学和动力学分析等，这样就提高了桥架的设计出错率和设计质量。 三维实体参数化方法不但弥牢l , y - - 维设计的局限性，而且设计者设计产品时，头脑 中总是先形成三维模型，三维实体建立好以后，再将其转化为二维工程图，这样就更符 合人们的思维习惯。 对桥架进行参数化设计，最终生成的产品图纸质量才是检验设计成败的关键。如果 图纸不能满足企业生产实际所需，系统便没有达到预期的效果，该设计系统就是一个失 败的系统。当然，参数化设计本身就包含了参数化绘图模块，对参数化后的工程图进行 合理化调整，使图纸满足企业生产要求。所以参数化绘图模块则顺理成章地成为了桥架 参数化设计系统的一项重要内容。 2 2 2 桥架参数化设计的重大意义 桥架采用参数化设计比传统设计更具有优越性，参数化设计与传统设计的区别主要 有以下几方面： ( 1 ) 参数化设计面向产品系统 参数化设计面向某一类相似产品系统以至功能相似的相邻产品系统，而不是针对一 种产品。而传统设计方法是针对某一专项任务，从产品的具体功能，具体组织结构入手 设计。 1 2 中北大学学位论文 ( 2 ) 参数化设计是标准化设计 参数化设计的对象是通用的，而传统设计方法是专用性的特定设计。 ( 3 ) 参数化设计是智能化设计 整个桥架参数化设计过程都由计算机自动完成，也体现了智能化的特点。值得一提 的是，由该系统所生成的装配体是智能装配体，它完全是经过参数化设计所生成的，某 一、两个零件的改变不会影响整个装配体的布置，与传统的几何装配体有着质的区别。 ( 4 ) 参数化设计需以一定的新理论为支撑 参数化设计必须对系统工程原理和方法、标准化理论、参数化理论及设计方法有相 当的理解。而传统设计只需要扎实的专业知识和设计经验就可以设计产品。 ( 5 ) 参数化设计程序是由上而下 参数化设计的程序首先着眼于概念设计。而传统设计的程序主要是根据产品的功能 要求设计各零部件，着眼于功能设计、详细设计，其基本特征是由下而上、或由细而总 的。 基于参数化设计的上述基本特点，桥架参数化设计的实际意义体现在以下几个方 面： ( 1 ) 缩短桥架产品的设计和制造周期，提高设计质量，加快供应链运行速度，有 利于企业更好地参与市场竞争； ( 2 ) 最突出的优点是便于桥架产品更新换代和新产品的开发，更好地满足客户的 个性化需求，不断创新设计出功能完善的产品。提高企业的竞争力： ( 3 ) 加快企业标准化进程。企业标准化程度越高，设计效率才会越高； ( 4 ) 对推动企业实施e r p 有着非常重要的作用。 2 2 3 开发工具的选取 s o l i d w o r k s 充分利用w i n d o w s 的优秀界面，为设计人员提供了直观、方便、快捷的 工作界面。其参数化设计确保了零件模型、装配模型、2 d 工程图和材料清单之间的全 程关联，为评价不同的设计方案、减少设计错误和提高设计质量提供了强有力的途径。 基于s o l i d w o r k s 的上述特点，太原重型机械集团有限公司选择s o l i d w o r k s 作为新一代 1 3 中北大学学位论文 设计软件，以适应企业信息化的发展要求。 v i s u a lb a s i c 6 0 ( 以下简称v b 6 o ) 是m i c r o s o f t 公司开发的一种可视化、面向对 象的编程语言。它易学易用、开发效率高，得到广泛应用。它所具有的图形设计工具， 结构化的时间驱动编程模式，开放的环境，可以使用户既快又方便地编写出w i n d o w s 下 的应用程序嘲。 s o l i d w o r k s 支持高级语言v i s u a lb a s i c ，使用v b 进行s o l i d w o r k s 二次开发的最 大好处在于可以直接在s o l i d w o r k s 中录制v b a 的宏文件，拷贝到v b 环境中即可，省去 许多编写和调试程序的时间。 本课题基于s o l i d w o r k s 2 0 0 5 设计平台，采用v i s u a lb a s i c 6 0 开发出s o l i d w o r k s 进程内的桥式起重机桥架参数化设计系统。 2 3 桥架参数化设计关键技术框架 桥架参数化设计技术包括三维模型参数化驱动和二维工程图调整两部分，三维模型 参数化驱动主要实现机械产品各个零部件相关参数的变化，完成系列化产品的快速设 计。工程图调整解决了产品出图的问题，是使产品参数化设计能够真正应用到生产实际 的关键所在。 桥架参数化设计系统通过对机械产品进行三维参数化驱动，利用特征造型技术和参 数驱动技术实现了产品零件模型和总装模型的参数变化，从而使设计人员可以高效快速 地生成新的产品模型。在此基础上对其工程图进行调整，实现了工程图中视图自动更新， 视图位置、视图比例、尺寸位置自动调整，焊接符号和标注数值自动更新，文件名根据 给定代号自动更新，b o m 表自动生成等功能。 桥架参数化设计包括主梁参数化设计、副主梁参数化设计和连接梁参数化设计、附 属结构参数化设计和桥架总装参数化设计等五部分。桥架总装参数化设计建立在主梁、 副主梁、连接梁和附属结构等关联设计的基础上，其关联性非常紧密，任何一处设计的 不合理都会造成总装参数化设计的出错。每一部分参数化设计的关键技术框架如图2 1 所示，其中二维工程图参数化是待三维模型参数化驱动完成后才可进行。参数化模型驱 动中主要技术包括零部件建模、主模型装配、参数化驱动等三部分，实现了零部件的建 1 4 中北大学学位论文 模、总装模型的装配和产品的参数化驱动等。而二维工程图参数化中主要技术有工程图 绘制和工程图调整两部分，实现了零部件工程图、总装工程图的绘制和驱动后工程图中 视图尺寸、视图比例、b o m 表等的调整。 图2 1 关键技术结构图 根据上述关键技术实施，进行桥式起重机桥架参数化设计，主要完成桥架零部件标 准建模、基于布局草图的自顶向下的装配设计、参数化桥架尺寸、工程图参数化等工作。 最终设计一个桥架三维c a d 设计系统。 以下两章重点介绍该系统实施桥架参数化设计中的关键技术。 1 5 中北大学学位论文 3 桥式起重机桥架参数化模型驱动技术 3 1 零件参数化建模 在c a d 技术的发展过程中，零件建模过程经历了二维模型、三维线框模型、曲面模 型、实体模型和特征模型等。零部件建模是桥架参数化驱动的第一步，也是整个驱动进 程中很关键的一步。它不仅仅是用三维软件s o l i d w o r k s 建立三维模型，更多的是要考 虑后续驱动，所以应尽量按照特征进行零件建模。零件的建模必须在充分考虑参数化驱 动的基础上进行。 3 1 1 特征造型技术 特征造型技术就是基于特征的一种能够完整地描述的几何实体模型技术。这种技 术对几何形体的定义不仅包含对于名义形状的描述，还包括诸如规定的公差、表面处理、 材料信息以及其它制造信息等。由于它面向整个设计过程和制造过程，克服了几何模型 的缺陷，从而成为产品建模的发展方向。在构建模型时，首先根据模型结构特点和功能 要求对其进行特征划分，在此基础上对各个特征进行参数化建模，并记录零件的拓扑结 构，以保证设计过程中几何拓扑关系的一致。 特征造型能提供产品定义的高层摇述，使产品设计在更高层次上进行，设计人员的 操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，直接体现了设计意图，使建 立的产品模型容易为非设计人员理解并便于组织生产，设计图样更容易修改，有助于加 强产品设计、分析、工艺准备、加工检验等各部门之间的联系，更好地将产品设计意图 贯彻到后续过程，并及时得到反馈意见。 特征造型必然要面向产品并行设计，并且作为并行