基于設(shè)計(jì)模板的鍋筒參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

陳文松++仲梁維

摘要：對(duì)余熱鍋爐產(chǎn)品研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，以鍋筒系列產(chǎn)品為研究對(duì)象，結(jié)合設(shè)計(jì)模板方法、配置設(shè)計(jì)和變型設(shè)計(jì)，提出了基于設(shè)計(jì)模板的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。以Visual Basic.Net為編程語(yǔ)言，并結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)管理數(shù)據(jù)，在SolidWorks平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了基于設(shè)計(jì)模板的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。在改善系統(tǒng)設(shè)計(jì)柔性的同時(shí)，提高了系統(tǒng)的快速性、精確性、穩(wěn)定性等重要指標(biāo)，從而更好地適應(yīng)了市場(chǎng)多樣化、個(gè)性化需求。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)模板；二次開(kāi)發(fā)；SolidWorks

DOIDOI：10.11907/rjdk.161663

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）009008803

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：

作者簡(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：陳文松（1991-），男，陜西紫陽(yáng)人，上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；仲梁維（1962-），男，上海人，碩士，上海理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助智能設(shè)計(jì)制造。

0引言

余熱鍋爐是一種將工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的廢氣、廢料或廢液中的余熱和可燃物質(zhì)燃燒后產(chǎn)生的剩余熱量重復(fù)利用的能量轉(zhuǎn)換裝置。作為一種重要的節(jié)能設(shè)備，一直在保護(hù)環(huán)境、提高熱效率等方面發(fā)揮著重要作用[1]。隨著余熱鍋爐產(chǎn)品市場(chǎng)需求量的增加，鍋筒作為鍋爐系統(tǒng)中進(jìn)行汽水分離和蒸汽凈化的重要鍋爐裝置，其市場(chǎng)需求量也在不斷上升。然而，鍋爐生產(chǎn)企業(yè)面對(duì)急劇上漲的客戶訂單卻顯得力不從心，原因是客戶對(duì)余熱鍋爐鍋筒的個(gè)性化需求增長(zhǎng)，導(dǎo)致鍋筒品種越來(lái)越多，產(chǎn)品多樣化直接造成了設(shè)計(jì)難度增大[2]。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在以下問(wèn)題：①產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)工程師的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)依賴性大，設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)無(wú)法重復(fù)利用；②產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)能力欠缺，使得新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的修改難度增加；③設(shè)計(jì)方法落后。傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)以一件具體的產(chǎn)品為研究對(duì)象，從而降低了產(chǎn)品的研發(fā)和設(shè)計(jì)效率。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了基于設(shè)計(jì)模板的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，能根據(jù)客戶需求不同個(gè)性化定制，建立可變型產(chǎn)品模板來(lái)描述產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，只要改變產(chǎn)品基礎(chǔ)模板的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸就可快速派生出新的產(chǎn)品[3]，從而在很大程度上減輕了設(shè)計(jì)人員的重復(fù)勞動(dòng)量。

1設(shè)計(jì)模板基本理論及應(yīng)用

通過(guò)研究客戶需求及分析設(shè)計(jì)目標(biāo)，將客戶需求和產(chǎn)品族體系、產(chǎn)品變形等理論結(jié)合，將需求細(xì)化，從而得到較為完善的需求信息，為建立設(shè)計(jì)模板提供依據(jù)。在基于設(shè)計(jì)模板的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，要將所需設(shè)計(jì)知識(shí)歸納分類，包括構(gòu)成相關(guān)產(chǎn)品功能模塊的幾何模型、主文檔；零部件的工程設(shè)計(jì)規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)，功能模塊組合模板，以及材料、顏色、工藝、價(jià)格等相關(guān)的非幾何數(shù)據(jù)。表1為產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識(shí)分類。

設(shè)計(jì)模板的基本思想是：從一系列相似的產(chǎn)品中抽象出一種框架型模板，構(gòu)成一個(gè)可重用的、包含設(shè)計(jì)知識(shí)的、參數(shù)化的功能結(jié)構(gòu)單元。它是基于事物相似性的重用技術(shù)原理，作為產(chǎn)品信息、產(chǎn)品族知識(shí)的信息載體，描述了產(chǎn)品從起初的概念設(shè)計(jì)到最終設(shè)計(jì)完成階段的全部信息，具體包括產(chǎn)品基礎(chǔ)框架信息、產(chǎn)品幾何信息、零部件特征信息、關(guān)系式集信息、產(chǎn)品的性能、管理信息等[4]。本系統(tǒng)從模板的可重用性、柔性、可存儲(chǔ)性等特性來(lái)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程，減少設(shè)計(jì)人員的主觀性、隨意性和重復(fù)勞動(dòng)。

設(shè)計(jì)模板的含義較為廣泛，從功能、組織形式、實(shí)現(xiàn)手段以及客戶對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化定制需求角度，將設(shè)計(jì)模板細(xì)分為4類，分別為功能模板、物理模板、客戶需求模板和行為模板。其中物理模板在參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中最為重要，它集成了產(chǎn)品的行業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范和企業(yè)的內(nèi)部設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要表現(xiàn)為：產(chǎn)品的全信息三維主模板、與三維模型相互驅(qū)動(dòng)的二維工程圖模板、產(chǎn)品數(shù)據(jù)文檔模板等，圖1為產(chǎn)品物理模板。

2鍋筒參數(shù)化系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是目前快速設(shè)計(jì)技術(shù)重要的研究領(lǐng)域之一。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程分為兩個(gè)階段：產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段和參數(shù)化設(shè)計(jì)階段。作為準(zhǔn)備階段的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，通過(guò)調(diào)研分析余熱鍋爐鍋筒企業(yè)的客戶群需求，對(duì)需求進(jìn)行整合分析，在需求分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建產(chǎn)品族體系、產(chǎn)品設(shè)計(jì)模板。參數(shù)化設(shè)計(jì)階段是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)上，結(jié)合產(chǎn)品配置和模型變型設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)零部件和裝配體模型變型和拼裝組裝成產(chǎn)品模型，通過(guò)干涉檢查、結(jié)構(gòu)分析確定合理的鍋筒結(jié)構(gòu)[56]。本系統(tǒng)結(jié)合以往工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)庫(kù)，確定了鍋筒設(shè)計(jì)系統(tǒng)的目標(biāo)功能、系統(tǒng)組成、各模塊之間的關(guān)系和應(yīng)用環(huán)境等各項(xiàng)因素，確立了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2展示了鍋筒設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體框架和不同模塊間的相互關(guān)系與數(shù)據(jù)流向。在該系統(tǒng)中，系統(tǒng)交互界面主要集成了設(shè)計(jì)人員所見(jiàn)的交互環(huán)境，便于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行可視化數(shù)據(jù)輸入和使用系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)工具。功能模塊主要分為設(shè)計(jì)模塊和管理模塊，兩個(gè)模塊是在設(shè)計(jì)模板的基礎(chǔ)上完成參數(shù)配置、設(shè)計(jì)計(jì)算、三維模型驅(qū)動(dòng)、工程圖的優(yōu)化調(diào)整以及實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目管理、文檔數(shù)據(jù)管理功能[7]。知識(shí)庫(kù)既包含了組成各功能模塊的幾何模型，也包括產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)語(yǔ)義規(guī)則，還包括材料、顏色、工藝等非幾何數(shù)據(jù)。系統(tǒng)所涉及的工具有：三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks 、調(diào)試語(yǔ)言VB.net 、二維圖紙軟件AutoCAD，計(jì)算機(jī)硬件、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)工具也為系統(tǒng)提供支持。

3系統(tǒng)功能模塊及關(guān)鍵技術(shù)

3.1基于模板的零部件驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)裝配

模型驅(qū)動(dòng)模塊是在三維設(shè)計(jì)模板建立完成之后，結(jié)合模板零件尺寸驅(qū)動(dòng)原理和自動(dòng)裝配技術(shù)，在完成設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)配置之后提取設(shè)計(jì)界面上的參數(shù)，結(jié)合SQL Server中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)來(lái)驅(qū)動(dòng)模板零部件，實(shí)現(xiàn)模型特征尺寸的變化和不同裝配。

（1）零件模板驅(qū)動(dòng)。尺寸驅(qū)動(dòng)即是在保持零件基本外形不變的情況下，將零件的幾何尺寸視為變量，給予不同的尺寸值，獲得一系列結(jié)構(gòu)相同而尺寸不同的相似零件。在鍋筒設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，每個(gè)待驅(qū)動(dòng)的零部件都有相應(yīng)的模板，每個(gè)模板零部件內(nèi)部的尺寸間會(huì)添加定義，以保證驅(qū)動(dòng)前后零件的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變[8]。零件尺寸驅(qū)動(dòng)關(guān)系如表2所示。

（2）自動(dòng)裝配。自動(dòng)裝配技術(shù)就是利用SolidWorks的API接口驅(qū)動(dòng)配合件與基準(zhǔn)件自動(dòng)建立裝配關(guān)系的過(guò)程。在裝配環(huán)境中空間位置被完全約束的零部件稱為基準(zhǔn)件，在裝配環(huán)境之外待配合的零部件稱為配合件，配合件在被添加到裝配環(huán)境下時(shí)具有6個(gè)自由度[9]。SolidWorks的API函數(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)裝配的驅(qū)動(dòng)力。要在裝配環(huán)境下進(jìn)行操作，首先要獲取AssemblyDoc。AssemblyDoc作為裝配環(huán)境最頂層對(duì)象，對(duì)裝配體進(jìn)行操作，如替換零部件、插入新零件、添加刪除配合關(guān)系等，都是由其向下發(fā)出指令。AssemblyDoc類具有很多方法和成員，其中最常用的有AddComponent，負(fù)責(zé)向裝配體環(huán)境中插入對(duì)象；AddMate負(fù)責(zé)添加配合關(guān)系。

AddComponent的基本用法如下：

value=instance.AddComponent（CompName，ConfigOption，NewConfigName，ExistingConfigName，X，Y，Z）

CompName——裝配體環(huán)境中的零件存放位置路徑。ConfigOption——所選零件的配置管理器，用來(lái)選擇裝配時(shí)的零件配置，取值有0，1，2。

當(dāng)ConfigOption=0時(shí)，表示插入零件或者部件最近保存的配置。

當(dāng)ConfigOption=1時(shí)，表示插入部件，不包括壓縮掉的零部件。

當(dāng)ConfigOption=2時(shí)，表示插入部件所有的零件，包括壓縮掉的零部件。

NewConfigName——新裝配體的配置名稱，常取缺省值。ExistingConfigName——現(xiàn)有裝配體的配置名稱，常取缺省值。 X，Y，Z——添加到裝配環(huán)境中的零部件初始位置的三維坐標(biāo)。

AddMate的核心代碼：

instance.AddMate（MateType，Align，F(xiàn)lip，Dist，Angle）

鍋筒筒體本身的尺寸驅(qū)動(dòng)完成后，以筒體為基體，首先驅(qū)動(dòng)各個(gè)管口的尺寸來(lái)獲得各管口零件模型，然后驅(qū)動(dòng)管口在筒體上水平位置、旋轉(zhuǎn)角度以及與筒體的配合關(guān)系，最終獲得鍋筒整體的幾何模型。

3.2基于模板的工程圖優(yōu)化調(diào)整

在參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中獲得工程圖的方法有兩種：無(wú)模板出圖和基于模板的工程圖快速生成方法。無(wú)模板出圖，是完成三維幾何模型驅(qū)動(dòng)之后，通過(guò)系統(tǒng)自帶的工程圖模板生成標(biāo)準(zhǔn)三視圖的方法。無(wú)模板出圖僅適合生成單純的標(biāo)準(zhǔn)三視圖，無(wú)法滿足產(chǎn)品細(xì)節(jié)的完整表達(dá)。在余熱鍋爐鍋筒參數(shù)化設(shè)計(jì)中，采用的是基于工程圖設(shè)計(jì)模板的出圖方法。開(kāi)發(fā)人員會(huì)根據(jù)零部件的不同，事先建立一般視圖、剖視圖、局部視圖、剪裁視圖等，還有材料明細(xì)表、技術(shù)要求、零件序號(hào)等可以詳細(xì)描述幾何信息的工程圖模板[10]。

工程圖模板的優(yōu)化調(diào)整包括內(nèi)容很多，有尺寸的調(diào)整、視圖位置和比例的調(diào)整、注釋的調(diào)整等[11]。這些工程圖調(diào)整都是通過(guò)調(diào)用API 接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)計(jì)人員通過(guò)API訪問(wèn)不同對(duì)象并調(diào)用該對(duì)象下的屬性和方法，然后編寫程序?qū)崿F(xiàn)不同功能。利用API接口實(shí)現(xiàn)工程圖調(diào)整流程如圖3所示。

首先要激活工程圖模板中的工作對(duì)象，工作對(duì)象主要包括視圖對(duì)象、表格對(duì)象、細(xì)節(jié)項(xiàng)目對(duì)象與圖紙對(duì)象4類。尺寸標(biāo)準(zhǔn)、零件序號(hào)位于視圖內(nèi)，屬于視圖對(duì)象；圖紙大小和圖紙比例屬于圖紙對(duì)象，以此類推。定義相關(guān)變量，包括將API 函數(shù)類實(shí)例化為具體對(duì)象，以及定義參數(shù)變量等，為后續(xù)設(shè)置對(duì)象屬性與建立數(shù)學(xué)關(guān)系式作準(zhǔn)備。提取對(duì)象和建立約束，就是將工作對(duì)象中的各個(gè)參數(shù)值按照對(duì)應(yīng)的函數(shù)建立約束關(guān)系。返回對(duì)象值是指將經(jīng)過(guò)計(jì)算后的結(jié)果重新返回給API 對(duì)象，從而改變工程圖上的可視化對(duì)象位置或?qū)傩灾怠?/p>

4應(yīng)用實(shí)例

鍋筒參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)是中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司某研究所的企業(yè)委托開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，鍋筒參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)通過(guò)SolidWorks API函數(shù)，建立DLL 插件，生成與Solidworks工具平行的插件，使得操作更為直觀。用戶點(diǎn)擊位于Solidworks頂部菜單選項(xiàng)中的“鍋筒參數(shù)化設(shè)計(jì)”按鈕，進(jìn)入到用戶登錄界面。當(dāng)輸入正確的用戶名和密碼后，進(jìn)入到設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面。

在數(shù)據(jù)初始化欄里選擇相應(yīng)的合同類型，輸入合同號(hào)，完成筒體、封頭、備用口、安全閥口、加藥口等所有管口的數(shù)據(jù)配置之后，點(diǎn)擊驅(qū)動(dòng)模型，即可完成所有零部件的驅(qū)動(dòng)和裝配，最后生成鍋筒的總裝幾何模型，如圖4所示。然后進(jìn)行干涉檢查和總裝工程圖和零件工程圖生成。

5結(jié)語(yǔ)

基于設(shè)計(jì)模板，以SolidWorks為三維軟件平臺(tái)，以VB.NET為語(yǔ)言二次開(kāi)發(fā)參數(shù)設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)，采用了Microsoft SQL Server 2008 R2進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理。經(jīng)過(guò)多次對(duì)參數(shù)設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試，對(duì)生成的工程圖紙人工審核，證明引入的設(shè)計(jì)模板技術(shù)是可行的，提高了系統(tǒng)的快速設(shè)計(jì)性能。從三維建模到全自動(dòng)工程圖生成所耗時(shí)間縮短了30%，大大提高了系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)能力及效率。整個(gè)過(guò)程通過(guò)系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需人工干預(yù)，從根本上提高了企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]尤俊.工業(yè)鍋爐發(fā)展現(xiàn)狀及前景展望[J].機(jī)電技術(shù)，2006 （4）：78.

[2]朱大鋒，何雁飛.余熱鍋爐技術(shù)的發(fā)展[J].東方電氣評(píng)論，2011 （2）：6873.

[3]陸長(zhǎng)明，鄭姝，盛炎發(fā).利用設(shè)計(jì)模板提高客戶滿意度的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法[J].現(xiàn)代制造工程，2014 （4）：117120.

[4]陸長(zhǎng)明，張立彬，蔣建東，等.基于設(shè)計(jì)模板的產(chǎn)品快速配置設(shè)計(jì)方法研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2009，15（3）：425430.

[5]于紅英，唐德威，傘紅軍.汽輪機(jī)葉片參數(shù)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2006，12（10）：15371542.

[6]汪永輝.基于產(chǎn)品工作原理的變型設(shè)計(jì)技術(shù)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[7]LI XM，LU WH.A rapid design system for the transmission system of mounted worktable based on second development of solidworks[J].Advanced Materials Research，2013，605（1）：592595.

[8]鄒昌平，黃志真，孫翠微，等.基于 Visual C++的 SOLIDWORKS 三維標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)[J].現(xiàn)代制造工程，2002（10）：4143.

[9]董天陽(yáng).智能裝配規(guī)劃中的若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2005.

[10]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].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2011 （1）：168173.

[11]陸春月，王宗彥，郭星，等.三維環(huán)境下的工程圖自適應(yīng)優(yōu)化技術(shù)[J].圖學(xué)學(xué)報(bào)，2012，33（1）：1924.

責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：杜能鋼）