基于SolidWorks的 鍋爐殼體產(chǎn)品族敏捷設(shè)計(jì)研究?

汪仁杰，仲梁維

（上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093）

0 引言

余熱鍋爐是指利用各種工業(yè)過程中的廢氣、廢料或廢液中的余熱及其可燃物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的熱量把水加熱到一定工質(zhì)的鍋爐。殼體是余熱鍋爐中的外保護(hù)設(shè)備，由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前企業(yè)大多采用單件詳細(xì)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效率低，當(dāng)需要設(shè)計(jì)新的結(jié)構(gòu)類型時(shí)，重復(fù)勞動(dòng)強(qiáng)度大。為了進(jìn)一步提高殼體的設(shè)計(jì)效率，本文以SolidWorks API函數(shù)［1－2］為研究對(duì)象，以 Visual Basic.NET為開發(fā)工具，以SQL Server 2008為數(shù)據(jù)支撐，詳細(xì)敘述面向殼體產(chǎn)品族的敏捷設(shè)計(jì)平臺(tái)的開發(fā)過程。

1 殼體產(chǎn)品族主模型的建立及模塊劃分

產(chǎn)品族是一系列具有相似名稱、結(jié)構(gòu)、幾何尺寸的產(chǎn)品的總稱。產(chǎn)品族主模型將同一產(chǎn)品族的所有結(jié)構(gòu)類型集成在一個(gè)主模型中統(tǒng)一表達(dá)，它是按照最大化設(shè)計(jì)思想建立的。首先確定所有相似產(chǎn)品共同具有的特征作為建模的基礎(chǔ)特征，然后將不同產(chǎn)品的個(gè)性化特征提取出來作為功能模塊集成在主模型中，當(dāng)需要變形出某一具體類型時(shí)，剔除多余的功能模塊，并插入需要的功能模塊，就能實(shí)現(xiàn)由主模型到產(chǎn)品實(shí)例的派生。

為了細(xì)化殼體產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)模型，按照模塊化設(shè)計(jì)思想，以盡量減少模塊的內(nèi)部多樣性、擴(kuò)大外部多樣性為原則，對(duì)殼體產(chǎn)品族進(jìn)行模塊劃分。如圖1所示，殼體可劃分為主梁模塊、吊梁和吊耳模塊、護(hù)板裝配模塊、吹灰器模塊4個(gè)一級(jí)模塊，主梁模塊又可繼續(xù)劃分為橫梁、側(cè)梁、立柱等模塊，護(hù)板裝配可劃分為短梁、小柱、加強(qiáng)扁鋼等模塊。模塊劃分是為了便于建立產(chǎn)品族變形設(shè)計(jì)的原始模型，減少零部件之間的約束，提高模塊的重用度［3］。

2 關(guān)鍵零部件的幾何模型方案

SolidWorks的配置功能提供了快捷的方法來開發(fā)與管理一組具有結(jié)構(gòu)相似、幾何尺寸相近的零部件［4－5］，可以在單一文件中對(duì)零件或裝配體生成多個(gè)設(shè)計(jì)變化，配置的簡單應(yīng)用就是系列零件設(shè)計(jì)表，系列零件設(shè)計(jì)表針對(duì)的是結(jié)構(gòu)完全相同而具有一系列標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的零部件設(shè)計(jì)。

圖1 殼體主模型

殼體的主梁是由槽鋼和封板構(gòu)成，按照國家標(biāo)準(zhǔn)，主梁有4種規(guī)格，不同規(guī)格對(duì)應(yīng)不同尺寸的槽鋼，因此要建立4種尺寸的槽鋼配置，如圖2所示。在參數(shù)化建模時(shí)，首先建立一種規(guī)格的槽鋼模型作為默認(rèn)配置，然后選擇工具菜單中的設(shè)計(jì)表，SolidWorks就會(huì)自動(dòng)調(diào)出一張Excell表格內(nèi)嵌在程序中，表格的列對(duì)象對(duì)應(yīng)零件的幾何尺寸，行對(duì)象對(duì)應(yīng)零件的配置實(shí)例。設(shè)計(jì)時(shí)錄入槽鋼的高度、寬度和厚度，就能生成對(duì)應(yīng)的槽鋼實(shí)例，如圖3所示。配置之間的切換是通過程序?qū)崿F(xiàn)的，其代碼如下：

首先定義變量peizhi＿caogang，并關(guān)聯(lián)到設(shè)計(jì)界面上的Combobox下拉框，Combobox具有4個(gè)不同值分別對(duì)應(yīng)槽鋼的4種配置，用戶在設(shè)計(jì)界面選擇某種型號(hào)槽鋼后，將Combobox中的值傳遞到變量peizhi＿caogang中，然后通過SelectByID2方法選擇需要切換配置的槽鋼，執(zhí)行CompConfigProperties4方法就能切換到目標(biāo)配置。

圖2 4種尺寸的槽鋼配置

圖3 槽鋼系列零件設(shè)計(jì)表

3 關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)與約束集的建立

在參數(shù)化建模時(shí)，建立尺寸間的約束集有多種方法，常用的有添加草圖幾何關(guān)系和建立尺寸方程式。在建立殼體的子部件護(hù)板裝配和主梁框架之間約束集時(shí)，主要用到的是SolidWorks的方程式功能，例如護(hù)板裝配中的底板長和寬分別要與主梁框架的側(cè)梁和立柱的有效長度相等，小柱的長度要與底板的寬度相等，護(hù)板裝配的小柱數(shù)量變多時(shí)，短梁的長度會(huì)依照計(jì)算公式減少等，零部件的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 零部件的關(guān)聯(lián)設(shè)計(jì)

4 殼體的參數(shù)化設(shè)計(jì)總流程

圖5為殼體總體設(shè)計(jì)過程。設(shè)計(jì)人員登錄系統(tǒng)，首先對(duì)殼體進(jìn)行選型，包括選擇主梁規(guī)格、吊耳類型以及是否存在吹灰器等，系統(tǒng)的類型匹配模塊會(huì)檢查數(shù)據(jù)庫中是否存在相似實(shí)例，若存在，就調(diào)出已有實(shí)例，修改局部參數(shù)；若不存在，就開始新設(shè)計(jì)，分別錄入殼體各模塊設(shè)計(jì)參數(shù)，包括主梁模塊、吊梁模塊、吊耳模塊、吹灰器模塊等各零部件的幾何尺寸，然后運(yùn)行程序，將界面上的參數(shù)傳遞到模型中實(shí)現(xiàn)三維模型結(jié)構(gòu)和尺寸的變形，分別生成殼體的二維工程圖以及設(shè)計(jì)參數(shù)總表，最后將產(chǎn)品實(shí)例和設(shè)計(jì)參數(shù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)。

5 SolidWorks工程圖調(diào)整與優(yōu)化［6］

參數(shù)傳遞到三維模型完成幾何變形后，相應(yīng)的SolidWorks工程圖也會(huì)隨著主模型同步更新，在更新的過程中，工程圖會(huì)發(fā)生不規(guī)則的視圖紊亂現(xiàn)象，例如視圖布局會(huì)發(fā)生改變，視圖的比例會(huì)偏大或者偏小，局部視圖或剖視圖的位置、尺寸標(biāo)注位置、零件序號(hào)等會(huì)飄移或偏移出圖框，材料明細(xì)表的排序會(huì)上下顛倒等，必須進(jìn)行工程圖修正，如果手動(dòng)修正，工作量太大。

利用SolidWorks提供的API函數(shù)能夠?qū)こ虉D進(jìn)行操作。例如，要調(diào)整工程圖中某個(gè)視圖的尺寸位置時(shí)，首先利用Iview對(duì)象的GetOutline方法獲取視圖圖框4條邊線的坐標(biāo)，然后利用Annotation對(duì)象的GetPosition方法獲取視圖尺寸的坐標(biāo)，最后通過建立數(shù)學(xué)關(guān)系式設(shè)定尺寸的方向和偏離圖框的距離。運(yùn)行程序時(shí)，通過循環(huán)語句遍歷所有尺寸賦值給建立好的關(guān)系式，就能實(shí)現(xiàn)視圖尺寸位置的調(diào)整。

圖5 殼體總體設(shè)計(jì)過程

6 殼體產(chǎn)品族的快速設(shè)計(jì)平臺(tái)

在分析了殼體多套CAD圖紙的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了面向殼體產(chǎn)品族的快速設(shè)計(jì)平臺(tái)，系統(tǒng)的參數(shù)錄入界面如圖6所示。用戶設(shè)定好殼體的類型和參數(shù)后，通過尺寸驅(qū)動(dòng)模型，就能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和尺寸的變形，如圖7所示。

圖6 殼體參數(shù)設(shè)計(jì)界面

圖7 殼體總裝變形前后對(duì)比圖

7 結(jié)語

開發(fā)出的殼體產(chǎn)品族快速設(shè)計(jì)平臺(tái)，經(jīng)某余熱鍋爐研究所試用后，極大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，對(duì)鍋爐其他產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)有著一定的參考價(jià)值。

［1］徐國權(quán)，黃志超.基于SolidWorks的參數(shù)化設(shè)計(jì)二次開發(fā)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2007，23（1）：68－70.

［2］歐長勁，蘇之曉，李燕.基于SolidWorks API的參數(shù)化設(shè)計(jì)及智能裝配研究［J］.輕工機(jī)械，2012，30（5）：69－72.

［3］岳高峰，陽緒英，刁飛.基于SolidWorks軟件的微耕機(jī)模塊化設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009，31（2）：80－82.

［4］張信群.基于SolidWorks配置功能建立沖模標(biāo)準(zhǔn)模架庫［J］.模具工業(yè)，2013，39（9）：19－22.

［5］魯華，莫建霖，曾伯勝.基于SolidWorks配置和設(shè)計(jì)表的零部件變型設(shè)計(jì)［J］.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2011（8）：54－57.

［6］黃啟良，王宗彥，吳淑芳，等.參數(shù)化變型設(shè)計(jì)中工程圖調(diào)整技術(shù)優(yōu)化研究［J］.工程圖學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32（1）：168－173.