（机械设计及理论专业论文）基于solidworks的桥式起重机参数化设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 目前，桥式起重机被广泛应用于国民经济建设的各个领域，产品已经形成 多个系列，设计生产技术不断增强，发展前景广阔。从国内看，激烈的市场竞 争条件下，降低成本，快速响应用户需求的产品设计技术对于提高企业效益和 增强企业市场竞争力有重要的意义，然而目前机械设计领域的主流设计手段还 停留在以a u t o c a d 为代表的二维图形数字化软件设计阶段，工作量大、重复性 工作多，设计过程不直观、设计中的错误也不容易发现。随着三维图形技术和 计算机技术的发展，三维设计技术具有零件设计更加方便、装配零件更加直观、 机械设计周期更短、设计中的错误易于发现等优势成为机械设计的发展趋势。 本课题开发的桥式起重机参数化设计系统，提高通用桥式起重机的设计效率， 缩短了图纸的修改周期，提高通用桥式起重机三维参数化模型向制造工程图的 转化准确度和效率，符合现代先进设计方法发展趋势的尊虫。 通用桥式起重机设计制造已形成标准系列化产品，同系列产品之间存在功 能相似或结构相近的零部件，本课题以系列化通用桥式起重机为对象，以参数 化设计的理论和三维c a d 设计技术为依据，结合a c , e o s s 数据库技术，在v i s u a l b a s i c 6 0 编译语言环境中对三维c a d 软件s o l i d w o r k s 进行了二次开发，建立桥 式起重机的参数化设计系统。 本课题结合面向对象的参数化编程思想，对通用桥式起重机的结构进行分 析和研究，对桥式起重机参数化设计系统进行分析和设计，将系统的参数化设 计模块分为总体设计模块、桥架结构设计模块、运行机构模块、通用件和标准 件模块等；通过研究三维参数化设计方法，提出桥式起重机参数化设计的方法， 建立桥式起重机零部件、结构的参数化模型、装配模型和标准件、通用件等零 部件的数据库；通过研究三维参数化模型生成二维工程图的方法和生成工程图 的过程中碰到的问题，建立通用桥式起重机的桥架结构和零部件的工程图模板， 提出自动生成工程图过程中出现的尺寸偏移、视图位置位置偏移、焊接符号的 标注和工程图明细表的调整方法。 关键词：桥式起重机，参数化设计，s o l i d w o r k s ，二次开发，工程图 武汉理工大学硕士学位论文 a tp r e s e n t , t h eb r i d g ec l a n ei sw i d e l yu s e di nv a r i o u sa r e a so fn a t i o n a le c o n o m i c c o n s t r u c t i o n , t h ep r o d u c th a sb e e nf o r m e dan u m b e ro fs e r i e s ，d e s i g na n dp r o d u c t i o n t e c h n o l o g yt oe n h a n c et h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c t s a th o m e , t h ei n t e n s em a r k e t c o m p e t i t i o nc o n d i t i o n s ，r e d u c ec o s t s ，r e s p o n dq u i c k l yt oc u s t o m e rn e e d sf o rp r o d u c t d e s i g nt e c h n o l o g y t o i m p r o v e b u s i n e s s e f f i c i e n c y a n de n h a n c em a r k e t c o m p e t i t i v e n e s so fe n t e r p r i s e sh a v ea ni m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e ，b u ta tp r e s e n tt h e m a i n s t r e a mo ft h ef i e l do fm e c h a n i c a ld e s i g nm a n st h ed e s i g nr e m a i n si nt h e a u t o c a dt or e p r e s e n tt h en u m b e ro ft w o - d i m e n s i o n a lg r a p h i c ss o f t w a r ed e s i g ns t a g e , h e a v yw o r k l o a d ，r e p e t i t i v ew o r k , a n dt h ed e s i g np r o c e s si sn o ti n t u i t i v e ，t h ed e s i g n e r r o rw a sn o te a s yt of i n d w i t ht h et h r o o - d i m c n s i o n a lg r a p h i t h n o l o g ya n d c o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h r e e - d i m e n s i o n a ld e s i g nt e c h n o l o g y , w i t hp a r td e s i g nn l o 代 c o n v e n i e n ta n dm o r ei n t u i t i v ea s s e m b l yp a r t s ，m a c h i n e r ys h o r t e rd e s i g nc y c l e ，d e s i g n e l t o r $ ，s u c ha se a s yt od i s c o v e rt h ea d v a n t a g e st ob e c o m et h ed e v e l o p m e n tt r e n do f t h em e c h a n i c a ld e s i g n t h ed e v e l o p m e n to ft h es u b j e c to ft h eb r i d g ec r a n ed e s i g n s y s t e mp a r a m e t e r st oi m p r o v e t h ed e s i g no fg e n e r a l - p u r p o s eb r i d g ea a n ee f f i c i e n c y , s h o r t e nt h ec y c l ec h a n g e st od r a w i n g s ，g e n e r a l - p u r p o s eb r i d g eo r a n et or a i s e t h r e e - d i m e n s i o n a lp a r a m e t e r i z e dm o d e lt ot h em a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n gd r a w i n g s i n t ot h ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c y , i nl i n ew i t hm o d e md e v e l o p m e n tt r e n do fa d v a n c e d d e s i g nr e q u i r e m e n t s g e n e r a lb r i d g eb t a n e d e s i g na n dm a n u f a c t u r e h a sb e c o m et h es t a n d a r d s e r i a l i z a t i o no fp r o d u c t s ，b e t w e e np r o d u c t sw i n ls i m i l a rf u n c t i o no rs t r u c t u r eo f s i m i l a rc o m p o n e n t s ，t h es u b j e c to fas e r i e st a r g e t e da tg e n e r a l - p u r p o s eb r i d g eg t a n et o t h ed e s i g np a r a m e t e r so ft h et h e o r ya n dd e s i g no ft h r e e - d i m e n s i o n a lc a dt e c h n o l o g y 嬲t h eb a s i s ，c o m b i n e dw i la c c e s sd a t a b a s et e c h n o l o g y , v i s u a lb a s i c 6 0c o m p i l e d l a n g u a g ee n v i r o n m e n to fs o l i d w o r k s3 dc a d s o f t w a r ef o rt h es e c o n dd e v e l o p m e n t , t h ee s t a b l i s h m e n to f b r i d g ec r a n es y s t e mp a r a m e t r i cd e s i g n c o m b i n e dw i t ht h es u b j e c to fo b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n go ft h ep a r a m e t e r so f i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h o u g l l t , t h eb r i d g e6 t a n eo ft h eg e n e r a ls t r u c t u r eo fa n a l y s i sa n dr e s e a r c h0 nt h e d e s i g no fb r i d g e c l a n es y s t e mp a r a m e t r i ca n a l y s i sa n dd e s i g n , s y s t e md e s i g n p a r a m e t e r so ft h em o d u l ei n t ot h eo v e r a l ld e s i g nm o d u l e ，t h es t r u c t u r a ld e s i g no f b r i d g em o d u l e ，m o d u l er u ni n s t i t u t i o n s ，i n t e r c h a n g e a b l ep a r t sa n dm o d u l e s ，s t a n d a r d p a r t s ，e t c ；b ys t u d y i n gt h r e e - d i m e n s i o n a lp a r a m e t r i cd e s i g nm e t h o d , t h eb r i d g ec r a n e d e s i g np a r a m e t e r so ft h em e t h o d , t h ee s t a b l i s h m e n to fb r i d g ec r a n ec o m p o n e n t s ， s t r u c t u r a l p a r a m e t e r s o ft h em o d e l ，t h ea s s e m b l ym o d da n ds t a n d a r d p a r t s , i n t e r c h a n g e a b l ep a r t sd a t a b a s e , e t c b ys t u d y i n gt h ep a r a m e t e r so ft h em o d e lt o g e n e r a t et h r e e - d i m e n s i o n a le n g i n e e r i n gd r a w i n g so ft w o - d i m e n s i o n a lm e t h o d sa n dt o g e n e r a t ee n g i n e e r i n gd r a w i n g so ft h ep r o b l e m st 1 1 e ye n c o u n t e ri nt h ec o u r s e ，t h e d e v e l o p m e n to fac o m m o nb r i d g eb r i d g ec r a n es t r u c t u r ea n dc o m p o n e n t so ft h e p r o j e c tp l a nt e m p l a t e , t h ea u t o m a t i cg e n e r a t i o no fe n g i n e e r i n gd r a w i n g sp r o c e s s o f f s e ts i z e ，v i e wt h el o c a t i o no ft h el o c a t i o no fm i g r a t i o n , w e l d i n gs y m b o l sa n d e n g i n e e r i n gd r a w i n g sm a r k e db r e a k d o w no ft h ea d j u s t m e n tm e t h o d k e yw o r d s ：b r i d g ec r a n e ；p a r a m e t r i cd e s i g n ；s o l i d w o r k s ；s e c o n d a r y d e v e l o p m e n t ，s c h e d u l ed r a w i n g l l i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生( 签名) ：垄逖日期：型： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印和其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并 向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：j 咝导师( 签名) ：纽日期：塑塑： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 我国加入w t o 以来，起重机械行业面临更加激烈的市场竞争，迫切要求 企业具备开发创新产品和快速响应市场的能力。桥式起重机由机构部分、金属 结构部分和电气部分组成，广泛地应用于室内外仓库、厂房、码头和露天贮料 场等处【1 1 。桥式起重机主要由主梁、副主梁、端梁、栏杆、走台、司机室和小车 等组成。结合目前企业现状与需求，对桥式起重机进行三维c a d 参数化设计， 可以避免大量重复设计，显著提高设计效率，降低设计成本，为企业的三维标 准化、系列化设计提供高效的计算机辅助设计工具。 1 1 课题研究的目的和意义 我国起重机行业c a d 技术经过多年的吸收消化和攻关推广，已经具有良好 的基础和规模，而从产品的开发需要和技术发展趋势来看，目前正从单一的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 dd e v e l o p m e n te n g i n e e r i n g ) 发展，开发的对象也从单一部件向产品整机为目标，全过程综合应用c a d 的方 向发展。因此，基于特征的参数化建模技术成为当前c a d 技术的研究热点【2 1 ， 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。同时，现代市场要求的产品设计和生产周期越来越短，加之三维机械c a d 技术在我国的快速发展，设计人员的设计方法将由二维设计逐渐向三维参数化 设计转型【3 1 。 结合通用桥式起重机设计过程建立一个专用的参数化设计系统，最终实现 通过输入桥式起重机的主要设计参数自动生成新的桥式起重机三维实体模型和 工程图的目的。在现在我国机械c a d 应用水平还不够深入的情况下具有以下重 要的意义： ( 1 ) 起重机设计的重复率相当高，虽然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，走参数化设计的道路，提高了机械 设计的效率，便于使产品系列化，为模块化设计提供了方便。 ( 2 ) 在计算机中建立相应的三维实体模型能够更直观、更全面地反映设 武汉理工大学硕士学位论文 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 需要由三维模型自动生成传统加工过程所用的工程图。 1 2 国内外研究现状 1 2 i 桥式起重机的发展现状 起重机作为物料搬运、装卸或用于安装的机械设备，可以减轻或代替人们 的体力劳动，提高劳动生产率，它被广泛应用于国民经济的各个领域之中。在 冶金行业、机械制造工业、电力工业、煤炭工业、交通运输业、建筑工业和建 材工业等国民经济支柱行业中，起重运输机械都扮演着重要的角色。随着时代 的发展，制造工厂和装卸作业场所开始转向室内，使桥式起重机占据了主导地 位。桥式起重机主要应用于大型加工企业，如钢铁、冶金和建材等行业，完成 生产过程中的起重和吊装等工作。其中用于生产车间的桥式起重机，是起重机 的一个主要类型，由于起重机行驶在高空，作业范围能扫过整个厂房的建筑面 积，具有非常重要的不可替代的作用，因而深受用户欢迎，得到了极大发展【厶5 】。 随着生产规模的日益发展，对起重机的工作性能提出了更新、更高的要求： 起重量增大、工作频繁、操作灵活可靠，自重减轻等。为了满足各种不同场合 的使用要求，人们已经开发出各种类型的桥式起重机。 根据桥架结构和起重小车形式的不同，桥式起重机分为：电动单梁桥式起 重机、电动双梁桥式起重机、单主梁桥式起重机、电动葫芦双梁桥式起重机等。 桥式起重机的类型很多，各有各的优缺点和不同的适用范围。但目前使用范围 最广、构造较为典型的是电动双梁桥式起重机【们。 电动双梁桥式起重机是桥式起重机的一种典型构造。它由起重小车、桥架 金属结构、桥架运行机构以及电气控制设备等四个部分组成。司机室的位置根 据使用环境，可以固定在桥架的两侧或中间，特殊情况下也可以随起重小车移 动。 吊钩式电动双梁桥式起重机称为通用电动双梁桥式起重机。为了适应搬运 多种物品的需要，可以配置各种不同的吊具。 通用电动双梁桥式起重机的起重量般在5 - 5 0 0 t 之间。我国目前生产的标 2 武汉理工大学硕士学位论文 准桥式起重机的起重范围为5 , - - 2 5 0 t ，它们分别属于两个系列产品，其规格如下【7 】： 5 t 、8 t 、1 2 5 3 t 、1 6 3 t 、2 5 5 t 、3 2 8 t 、5 0 1 2 5 t ( 属于中、小起重量系列) ； 8 0 2 0 t 、1 0 0 3 2 t 、1 2 5 3 2 t 、1 6 0 5 0 t 、2 0 0 5 0 t 、2 5 0 5 0t ( 属于大起重量系列) 。 其中1 0 t 以上的起重机均有主、副两套起升机构，副钩起重量一般取主钩 的2 0 左右，以便充分发挥起重机的经济效能。 标准的电动双梁桥式起重机的跨度为1 0 5 - - 3 1 5 m ，每隔3 m 一种规格。 1 2 2 起重机设计的研究现状 近年来，随着世界销售市场对起重机械需求量的不断增加，国外各种起重 机制造企业在生产中不断的采用优化设计、机械自动化和自动化设备以提高劳 动生产率。有关资料表明，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，做到了无图纸生产【8 】。 当前，国外桥式起重机发展有四大特征【9 一o l ： ( 1 ) 大型化和专用化 由于工业生产规模不断扩大，产品生产过程中物料装卸、搬运费用所占比 例逐渐增加，促使大型起重机的需求量不断增长同时起重量越来越大，工作 速度越来越高，对能耗和可靠性提出更高的要求。目前世界上最大的桥式起重 机起重量为1 2 0 0 t 。工业生产方式和用户需求的多样性，使专用起重机的市场不 断扩大，品种也不断更新，以特有的功能满足特殊的需要，发挥出最佳的效用。 德国德马格公司研制出一种飞机维修保养的专用起重机，在国际市场打开了销 路。 ( 2 ) 自动化和智能化 将机械技术和电子技术相结合，将先进的计算机、微电子、电力电子、模 糊控制等技术应用到机械的驱动和控制系统，实现起重机的自动化和智能化。 大型高效起重机新一代电气控制装置已发展为全电子数字化控制系统。例如德 国采用激光装置查找起吊物的重心位置，在取物装置上装有超声波传感器引导 取物装置自动抓取货物。此外，变频调速在国外起重机上应用，例如a b b 公司、 日本富士、奥地利伊林公司等【1 0 1 。该调速方案具有高调速比，甚至可达到无级 调速，并有节能等优点。 ( 3 ) 成套化和系统化 3 武汉理工大学硕士学位论文 为提高生产率，降低生产成本，国外一些大厂把起重运输机械有机的结合 在一起，构成先进的机械化运输系统。例如，生产工程机械的美国卡特皮勒公 司金属结构厂购置了一条以桥式起重机为主的物料自动搬运系统，比原先采用 单机操作的工作效率提高了6 5 ；日本东芝洪川崎工厂用全自动桥式起重机组 成的物料输送系统来搬运柔性加工线上的夹具和工件，为机床运送毛坯或将加 工好的零件送到下一工序或仓库，使车间得到充分利用。 ( 4 ) 模块化和组合化 将起重机中功能基本相同的零件、部件制成有多种用途，有相同联接要素 和可互换的标准模块，通过不同模块的相互组合，形成不同类型和规格的起重 机。设计新型起重机，只需选用不同模块重新组合，使单件小批量生产的起重 机改换成具有相当批量的模块生产，改善了整机性能，降低了制造成本，充分 满足用户需求。目前，德国、英国、法国、美国和日本的著名起重机公司都已 采用起重机模块化设计，并取得了显著的效益。德国德马格公司的标准起重机 系列改用模块化设计后，比单件设计的设计费用下降1 2 ，生产成本下降4 5 。 此外，德国德马格公司还开发了一种k b k 柔性组合式悬挂起重机，起重机的钢 结构由冷车l 型轨组合而成，起重机运行线路可沿生产工艺流程任意布置，可 有叉道、转弯、过跨、变轨距。所有部件都可实现大批量生产，再根据用户的 不同需求在短时间内将各种部件组合搭配即成。芬兰科尼起重机国际公司为客 户提供了桥式起重机定制设计方案，客户可以通过科尼网站进行定制化设计， 在网站界面上输入起重机运行方式，结构形式，起重量，跨度，厂房高度，起 升高度等参数，公司根据这些参数提供适合的起重机型号详细参数，客户同意 即可从网上下订单定购产品。 与国外相比，国内桥式起重机发展有四大特征【1 2 1 3 】： ( 1 ) 改进机械结构，减轻自重 国内桥式起重机多已经采用计算机优化设计，以此提高整机的技术性能和 减轻自重，并在此前提下尽量采用新结构。如5 - 5 0 t 通用桥式起重机中采用半 偏轨和全偏轨主梁结构，与正轨箱形相比，可减少或取消短加筋板，减少结构 重量，节省加工工时。 ( 2 ) 充分吸收利用国外先进技术 起重机大小车运行机构采用德国d e m a n g 公司的“三合一”驱动装置，吊挂于 端梁内侧，使其不受主梁下挠和振动的影响，提高了运行机构的性能和寿命， 4 武汉理工大学硕士学位论文 并使其结构紧凑，安装维修方便。同时，电气控制方面采用了新颖的节能调速 系统，微机控制也将在起重机上得到应用，如三峡工程6 0 0 t 坝顶门式起重机要 求采用变频调速系统。 ( 3 ) 向大型化发展 出于国家对能源工业的重视和资助，建造了许多大中型水电站，发电机组 越来越大。特别是长江三峡的建设对大型起重机的需求量迅速上升。三峡电厂 需要1 2 0 0 t 桥式起重机和2 0 0 0 t 大型塔式起重机【1 4 1 。 1 2 3 起重机c a d 系统设计国内外发展状况 从6 0 年代至今国夕f c a d 技术的发展先后经历了四次技术革命，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，法国达索 飞机制造公司的开发人员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 的出现标志着第一次c a d 技术革命一高 档次的自由曲面造型系统。 7 0 年代末到8 0 年代初，c a e 技术也开始有了较大进步，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、惯 性矩等，对c a e 发展十分不利。1 9 7 9 年，s d r c 公司发布了世界上第一个完全基 于实体造型技术的大型c a d c a e 软件i d e a s 。三维实体造型技术的普及应 用，标志着c a d 发展史上的第二次技术革命。 2 0 世纪8 0 年代中期，c v 公司提出了一种比无约束自由造型更新颖、更好的 算法参数化实体，该方法主要有以下特点：基于特征、全尺寸约束、全数 据相关、尺寸驱动设计修改。p t c 公司开始研f l i t j p r o e n g i n e e r 的参数化软件并获 得了巨大的成功。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。 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 1 9 9 3 年推出了全新体系结构的i d e a sm a s t e rs e r i e s 软件。无疑，变量化技术驱 动了c a d 发展的第四次技术革命【1 5 6 1 。 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 s 武汉理工大学硕士学位论文 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”期间国家 在c a d c a m 方面有较大的投资，我国工程设计开始引进整套的c a d c ：a m c a e 系统，首先在船舶、大型军工企业、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 i a ，c a d a m 软件，难 于在我国推广普及。在八十年代中后期，我国c a d c a m 技术有了较大的发展， c a d c a m 的优点被越来越多的人注意。我国又引进了大量的国外软件， i - i d e a s 、p r o e n g i n e r 、u g 、c a d d s s 等，硬件主要以工作站为主，成套的 价格相对于“七五”期间的大系统要低得多，且性能有了很大的提高。这一期间， 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方面的 研究已取得了较好的成果。例如在优化设计方面，华中理工大学的优化程序库 o p d 及机械零部件的优化设计程序在工矿企业中得到了推广：在二维交互绘图 方面，不少自主版权的软件，如清华大学和华中理工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 国内行业中推广应用。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、曲面造型、数控 加工和有限元分析的集成；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【1 7 嘲。 1 3 课题研究的主要内容 本课题基于s o l i d w o r k s 的参数化设计功能，进行二次开发研究，以某一型 号的通用桥式起重机作为样机，建立一套完整的零部件三维模型和与此相关联 的、全面的参数数据库系统和工程图，形成界面友好的桥式起重机参数化设计 系统。通过该系统实现由一个样机通过修改参数和尺寸生成一系列不同机型的 功能。 具体研究内容如下： 6 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 研究三维c a d 设计软件s o l i d w o r k s 及其二次开发技术、参数化设计 技术和模块化设计技术和a c c e s s 数据库技术。 ( 2 ) 建立基于s o l i d w o r k s 的通用桥式起重机参数化设计的零件模型库、 装配体模型库和基于a c e e s s 2 0 0 3 的通用桥式起重机的标准件、通用件以及主梁 结构等各个模块的数据库；研究符合用户要求的二维工程图模板的制作和工程 图调整技术。 ( 3 ) 分析通用桥式起重机的结构和划分桥式起重机功能模块，介绍通用 桥式起重机参数化设计系统的结构和系统工作流程。 ( 4 ) 以v i s u a lb a s i c 6 0 作为s o l i d w o r k s 的二次开发工具，以某系列桥式起 重机为对象，开发面向产品的桥式起重机参数化设计系统。 7 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章参数化设计关键技术 面向系列化通用桥式起重机参数化设计涉及到多方面的先进设计方法和技 术，本章将结合研究对象通用桥式起重机，逐一介绍基于s o l i d w o r k s 的参数化 建模技术、模块化设计技术、a c c e s s 数据库访问技术和基于a c t i v e x a u t o m a t i o n 的对s o l i d w o r k s 二次开发技术。 2 1 基于s o l i d w o r k s 的参数化建模技术 s o l i d w o r k s 是在w i n d o w s 环境下的第一个三维机械c a d 软件【1 9 】。采用 w i n d o w s 用户界面，拥有强大、动态激活的属性管理器，以灵活的草图绘制为 基础，辅助以特征建立能力以及装配控制功能，并提供了自由、开放、功能完 整的a p i 开发工具接口【2 0 】。这些功能使s o l i d w o r k s 实现了三维c a d 软件一贯 提倡的易用性、高效性和功能强大，完整地提供了产品设计的解决方案。目前， 使用s o l i d w o r k s 软件进行参数化建模的主要技术特点是：( 1 ) 基于特征。将某些 具有代表性的平面几何形状定义为特征，并将其所有尺寸存为可调参数，进而 形成实体，以此为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。( 2 ) 全尺寸约束。 将形状和尺寸联系起来考虑，通过尺寸约束来实现对几何形状的控制。( 3 ) 尺 寸驱动设计。通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变，尺寸参数的修改将导 致其他相关模块中的相关尺寸的全盘更新。采用这种技术的理由在于它能够彻 底地克服了自由建模的无约束状态，几何形状均以尺寸的形式而被牢牢地控制 住。 目前参数化建模技术大致可分为如下三种方法【2 l 】： 基于尺寸驱动的参数化建模； 基于约束驱动的参数化建模； 基于特征模型的参数化建模； 2 1 1 基于尺寸驱动的参数化建模 基于尺寸驱动的参数化建模通过对模型的几何尺寸进行修改实现对图形的 8 武汉理工大学硕士学位论文 修改【2 2 1 。它是应用最为广泛的建模方法，也是最基本的方法。事实上，无论其 余的方法利用什么来改变图形，根本上都是通过几何尺寸的改变来实现的。比 如，在s o l i d w o r k s 中建立一个实体，在实体上标明尺寸，尺寸线可以看成一个 有向线段，上面的尺寸数字就是参数名，其方向反映了几何数据实体和参数间 的关系，由用户输入的参数名找到对应的实体，进而根据参数值对实体进行编 辑修改【2 3 1 。 2 1 2 基于约束驱动的参数化建模 在维持几何约束关系不变的前提条件下，通过约束值的修改实现系统的变 化，几何约束驱动本质上是一个几何实体约束满足的过程，他通过一定的约束 规划和推理方法实现几何实体的空间定位【2 4 1 。基于几何约束的参数化建模用几 何约束来表达产品模型的形状特征，定义一组参数以控制设计结果，从而能够 通过调整参数来修改设计模型。产品模型的修改通过尺寸驱动实现，通过给定 的几组参数值，实现了系列零件或标准件的自动生成。约束的引入使对设计目 标依赖关系的描述成为可能。 2 1 3 基于特征的参数化建模 基于特征的参数化建模综合运用参数化特征造型的变量几何法和基于生成 历程法这两种造型方法实现特征的构造和编辑【2 5 1 。基于特征的参数化建模是新 兴的c a d 建模方法，是c a d c a p p c a m 的热点研究方向。 几种方法各有利弊，基于尺寸驱动的参数化建模没有明确模型的几何约束 关系，所以只能通过参数改变模型的大小，却不能改变零件之间的约束关系， 但建模方法简单，易于实现。而基于约束驱动的参数化建模需要将工程约束降 解为几何约束，无形中增加了建模的难度，但它彻底克服了自由建模的无约束 状态，几何形状均以尺寸约束和形位约束的形式而被牢牢地控制住。基于特征 的参数化建模一般应用于复杂产品，比如飞机涡轮发动机，它能够完整表达产 品的工程语义信息和形状信息，但复杂程度高也是它的巨大缺点【2 6 1 。 s o l i d w o r k s 本身具有基本的特征建模工具，对于形状简单的产品无需开发高 级曲线建模方法，所以本文不采用基于特征的参数化建模方法。而利用 s o l i d w o r k s 二次开发的参数化建模有两种方法，一种是利用宏录制整个建模过从 9 武汉理工大学硕士学位论文 无到有地生成模型，即自下而上地建立模型，另一种则是先建立拥有完整产品 信息的模型，再利用a p i 修改某些参数从而产生系列化产品，即自上而下地建 立模型。 本文根据通用桥式起重机的结构特点，在桥式起重机参数化建模中，利用 参数修改法建模和s o l i d w o r k s 本身的特征建模特征，对部分结构采用程序化建 模。对于结构形式比较固定的零部件采用参数修改法进行建模，如桥式起重机 的主梁、端梁、一些通用件和标准件等，利用程序操作s o l i d w o r k s 的a p i 函数 修改模型的几何约束以及尺寸参数，生成新的结构和零件，从而达到根据用户 提供的参数自动建模的目的；对于结构形式变化大的结构，如桥式起重机的主 梁和端梁内部的横隔板，随着主梁、端梁的长度变化而内部隔板数目有所变化， 则采用基于约束驱动的参数化建模，然后利用程序控制根据给出的主梁参数调 整隔板的数量和装配位置。 2 2 模块化设计技术 模块是模块化产品的基本元素，是一种实体的概念，如把模块定义为一组 同时具有相同功能和相同结合要素，具有不同性能或用途甚至不同结构特征， 但能互换的单元。模块化一般是指使用模块的概念对产品或系统进行规划设计 和生产组织【2 7 】。产品的模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不 同性能、不同规格的产品进行功能结构分析的基础上，划分并设计出一系列模 块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计 方法。模块化系统的分析、建立与实施需要一定的理论为指导。系统论理论、 相似性理论和重用性理论可归纳为实施模块化的基本支撑理论2 9 。 ( 1 ) 系统论 任何模块化的事或物都可看成是一个系统，开展模块化工作，只有善于运 用系统论的原理才能取得良好的系统效果。整体性是系统的最基本属性，把系 统作为有机整体看待，构成系统的各个要素虽然具有不同的性能，但他们都是 由逻辑统一性要求构成的整体。系统内各单元之间是互相联系、互相作用、有 机结合的，系统与环境、系统与系统之间也存在相互联系和相互作用。在模块 化系统中，这种相关性体现为系统中的链状的接口系统，如模块之间的机械接 口、电气接口、机电接口、各种物理量与电量的接口、信息接口等。只有充分 l o 武汉理工大学硕士学位论文 考虑各接口之间的协调与匹配性，才能保证系统整体良好质量及可靠性。运用 结构分析方法，对模块化系统内各单元之间既有的关系，空间排列顺序及组合 的具体型式以及结构与功能的关系、功能间的联系进行分析和考虑。另外，由 于模块化系统具有的结构层次特点，且模块化系统并非建立后一成不变，而会 随着技术和时间的发展而不断吸收新技术、新模块。因此，层次性原理与层次 分析法，动态性原理和动态思维法的合理运用也是开展模块化的重要分析原理 和手段。 ( 2 ) 相似性 分析和识别大量不同产品和过程中的相似性，挖掘存在于产品和过程中的 几何相似性、结构相似性、功能相似性和过程相似性，利用标准化、系列化方 法减少产品内部的多样化，提高零部件和生产过程的可重用性。产品和过程中 的相似性有各种不同的形式，例如零件之间的几何相似性，产品结构之间的结 构相似性，部件、产品之间的功能相似性等等，这些不同类型的相似性的归纳 将构成模块化系统的基础。 ( 3 ) 重用性、标准化 在模块化、定制化产品和服务中存在大量可重复使用和重新组合使用的单 元。通过采用标准化、系列化、通用化的方法，充分挖掘和利用这些单元，将 定制产品的生产问题通过产品重组和过程重组，全部或部分转化为批量生产的 问题，从而以较低的成本、较高的质量和较快的速度生产出个性化产品。标准 化是实施模块化的基础和目标之一。模块化也是标准化的一种新形式，它是标 准化原理中简化、统一化、系列化、通用化、组合化等理论的综合运用，是标 准化的高级形式。模块化侧重于部件级标准化，进而达到产品系统的多样化。 通过对某一类产品系统的分析研究，将其中含有相同或相似的功能单元分解出 来用标准化原理进行统一和归并、简化，以通用单元的形式独立存在，然后用 不同的模块组合来构成多种新产品。 根据模块化设计的理论，桥式起重机模块化设计很重要的一点就是模块划 分。 模块划分指是指把桥式起重机的功能分解，将具有相同或相似的零部件分 离，并用模块化原理对之进行统一、归并、简化，形成具有特定功能和接口结 构的通用独立模块单元。模块划分是模块化设计的基础，模块划分的合理性对 桥式起重机桥架的性能、模块的通用化程度有很大的影响。 武汉理工大学硕士学位论文 模块建立指的是将划分好的各模块进行设计并更新。这其中包含两个内容： 对模块进行参数设计、结构设计、接口设计。模块划分是模块化设计的基础。 将桥式起重机逐级分解成模块时，应考虑当模块组合成桥架时，组装和调试的 难易程度。模块数量与规模是相互矛盾的两个因素，进行模块划分时要综合考 虑，寻求最佳的状态。 在上述分析的基础上，通用桥式起重机模块划分要使模块具有一定的独立 性和完整性，要注意模块间的连接和装配，便于模块的组合和分开设计，同时 也要考虑模块的划分对桥式起重机整体性能带来的影响，应保证起重机各个功 能的完整性。总之，对通用桥式起重机模块的划分应该参考以下原则： ( 1 ) 保持各个模块的结构形式，按设计步骤以设计顺序确定各个部件模型 的结构尺寸： ( 2 ) 功能独立原则：划分方法注重桥架结构的完整性，进行独立的功能模 块划分，以适应参数化设计的要求； ( 3 ) 结构独立原则：在功能独立的前提下，结构尽可能的独立，以便于模 块的设计，和各个模块的最后的装配； ( 4 ) 通用桥式起重机零部件件模块化：以结构件作为模块是最常见的模块 类型； ( 5 ) 通用桥式起重机中的标准件和通用件这部分零部件都有标准化和系列 化的特点，在少数参数的驱动下即可完成不同规格模型的生成。 基于上述通用桥式起重机的模块划分原则，要划分合理的通用桥式起重机 模块，首先必须对桥式起重机的结构、性能等十分熟悉，然后进行桥式起重机 各部分的功能分析以及功能的细化分解，还有详细的了解通用桥式起重机的整 个设计过程，最后确定模块单元的划分。 2 3a c c e s s 数据库技术 m i c r o s o ro f f i c ea c c e s s ( 前名m i c r o s o ra c c e s s ) 是由微软发布的关联式数 据库管理系统。它结合了m i c r o s o rj e td a t a b a s ee n g i n e 和图形用户界面两项特 点。a c c e s s 是o f f i c e 系列应用软件之一。它提供了表、查询、窗体、报表、页、 宏、模块7 种用来建立数据库系统的对象；提供了多种向导、生成器、模板， 把数据存储、数据查询、界面设计、报表生成等操作规范化：为建立功能完善