基于Solid Edge二次開發(fā)的粗氬塔快速形體重構(gòu)與智能出圖的研究與應(yīng)用

歐丹，孫磊磊，盧斌攀

(杭氧集團股份有限公司設(shè)計研究院，浙江 杭州 310000）

1 前言

空氣分離，簡稱空分，是指利用低溫冷凍原理從空氣中分離出其組分（氧、氮和氬、氦等稀有氣體）的過程?？辗志s塔是空分設(shè)備的核心組成部分，通常采用項目化管理組織設(shè)計，一直存在設(shè)計周期長、交付周期短的矛盾問題，并且這一矛盾隨著我國空分設(shè)備行業(yè)的高速發(fā)展日益凸顯。

國外統(tǒng)計資料顯示，構(gòu)成各種機械的零件中，標準件占20%，相似通用件占70%～75%，專用特殊件占5%～10%。事實證明，企業(yè)的機械產(chǎn)品在項目化定制時，具有高相似性的通用件以及設(shè)計變通復(fù)雜的專用特殊件是設(shè)計變量的主體。由此可見，合理采用變量設(shè)計是提高設(shè)計效率的有效途徑。通過引入變量化技術(shù)，對CAD/CAM軟件擴展形成更加專業(yè)或新的功能，以解決用戶特殊功能需求，是解決當(dāng)前設(shè)計周期長的有效手段。研究探索出一種專用產(chǎn)品智能快速設(shè)計系統(tǒng)不僅是傳統(tǒng)設(shè)計向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化設(shè)計的轉(zhuǎn)變與提升，更是實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新和快速輸出、設(shè)計資源有效整合與利用的重要途徑。

本文以精餾塔中常見的粗氬塔設(shè)計為例，基于變量化設(shè)計策略，開發(fā)了“總體系統(tǒng)設(shè)計-數(shù)據(jù)資源庫設(shè)計-模型資源庫設(shè)計-程序模塊設(shè)計”的全流程粗氬塔快速設(shè)計與出圖體系，建立了模型快速生成與自動出圖的粗氬塔智能快速設(shè)計與出圖系統(tǒng)，解決了Solid Edge關(guān)聯(lián)模型構(gòu)建、Solid Edge模塊變量與API（應(yīng)用程序接口）的數(shù)據(jù)互通、關(guān)聯(lián)模型驅(qū)動Solid Edge工程圖紙智能繪制的算法與輸出、致命性故障快速反應(yīng)等難點問題，實現(xiàn)了粗氬塔設(shè)計的快速形體重構(gòu)與自動出圖功能，可縮短粗氬塔設(shè)計周期90%，極大地提高了粗氬塔設(shè)計效率。

2 總體系統(tǒng)設(shè)計

粗氬塔智能快速設(shè)計系統(tǒng)的系統(tǒng)框架如圖1所示。該系統(tǒng)是通過建立Solid Edge設(shè)計資源庫協(xié)同共享平臺，并在其平臺上集成數(shù)據(jù)資源庫設(shè)計與程序模塊設(shè)計而形成的，是將特殊、小批量的設(shè)計任務(wù)轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄓ?、大批量的?shù)據(jù)工作，再根據(jù)特定設(shè)計條件，實現(xiàn)設(shè)計內(nèi)容快速輸出的可行性途徑。

圖1 粗氬塔智能快速設(shè)計系統(tǒng)系統(tǒng)框架

該系統(tǒng)的運行原理是對粗氬塔Excel設(shè)計數(shù)據(jù)資源庫進行結(jié)構(gòu)化開發(fā)，將參數(shù)設(shè)計、方案設(shè)計以及產(chǎn)品屬性進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與算法設(shè)計，依據(jù)數(shù)據(jù)分類、分級輸出設(shè)計結(jié)果，然后將輸出數(shù)據(jù)作為交互載體映射到Solid Edge ST8設(shè)計資源庫實現(xiàn)數(shù)據(jù)源重生成以驅(qū)動項目化設(shè)計工作，同時利用智能接口二次開發(fā)語言Visual Studio C#對Solid Edge ST8進行二次開發(fā)，依據(jù)接口管理、Bom輸出、模型操作以及圖紙輸出等模塊進行輸出數(shù)據(jù)的二次整合與處理，聯(lián)合后臺數(shù)據(jù)處理與傳遞，從而實現(xiàn)可視化三維模型的快速形體重構(gòu)與圖紙自動輸出；Solid Edge ST8三維圖形處理軟件特有的變量化控制技術(shù)還可作為并行設(shè)計入口，對粗氬塔模型文件進行非常規(guī)數(shù)據(jù)資源庫設(shè)計，以及新產(chǎn)品開發(fā)、老產(chǎn)品改形等創(chuàng)新式模型設(shè)計及圖紙輸出。

3 子系統(tǒng)設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)資源庫設(shè)計

在塔器的快速設(shè)計中，數(shù)據(jù)資源庫是設(shè)計相關(guān)數(shù)據(jù)的集合，應(yīng)具有對已有產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行提取、修改和存儲的功能，利用Excel實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫管理是快速有效的設(shè)計與開發(fā)途徑。在開發(fā)Excel設(shè)計數(shù)據(jù)資源庫前，先要建立塔器（粗氬塔）標準化、模塊化以及規(guī)范化的高效設(shè)計方法與流程應(yīng)用體系，依據(jù)粗氬塔設(shè)計主控參數(shù)創(chuàng)建關(guān)系數(shù)據(jù)庫，同時將關(guān)系模型分為零部件設(shè)計、選型設(shè)計、屬性設(shè)計以及貼板設(shè)計；然后，再根據(jù)各自的數(shù)據(jù)屬性分類為數(shù)值屬性、二元屬性、標稱屬性、離散與連續(xù)性屬性等。零部件設(shè)計主要包含數(shù)值屬性，選型設(shè)計主要包含數(shù)值屬性、二元屬性、標稱屬性以及離散與連續(xù)性屬性，屬性設(shè)計主要包含數(shù)值屬性、二元屬性和標稱屬性，貼板設(shè)計作為外部輸入條件獲取，可利用VB創(chuàng)建并調(diào)用Excel宏操作，通過條件編譯將逐條輸入歸總實現(xiàn)分類輸出的效果。數(shù)據(jù)資源庫設(shè)計關(guān)系流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)資源庫設(shè)計關(guān)系流程圖

為符合通用型設(shè)計需求，達到快速設(shè)計的效果，粗氬塔設(shè)計資源庫設(shè)計規(guī)則是：（1）依據(jù)粗氬塔裝配特點分為標準件、通用件以及專用特殊件，標準件作為檢索資源庫常量值引用，通用件作為公共變量參數(shù)引用，專用特殊件作為獨立變量單獨引用。（2）根據(jù)粗氬塔標準設(shè)計準則設(shè)計出全局變量與局部變量，變量數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)屬性分類、逐層分級至不同輸出層，以簡化Solid Edge應(yīng)用程序接口的數(shù)據(jù)處理流程。（3）可創(chuàng)建Excel二次開發(fā)環(huán)境，將大量獨立數(shù)據(jù)流按照制定規(guī)則排列組合，以簡化Solid Edge應(yīng)用程序接口的數(shù)據(jù)處理流程。

3.2 程序模塊設(shè)計

程序模塊設(shè)計是Excel數(shù)據(jù)資源庫與Solid Edge設(shè)計資源庫共享平臺數(shù)據(jù)聯(lián)系的橋梁。程序模塊設(shè)計即是對Excel、Solid Edge三維設(shè)計軟件的二次開發(fā)，通過軟件開發(fā)的方式將設(shè)計經(jīng)驗、設(shè)計流程和思路固化到軟件的操作過程中，從而得到一種適用于本企業(yè)或本行業(yè)的專用工業(yè)設(shè)計軟件。

程序設(shè)計中，建立系統(tǒng)結(jié)構(gòu)化設(shè)計方法的基本思想就是使系統(tǒng)模塊化，即把一個系統(tǒng)自上而下、逐步分解為獨立功能的模塊所組成的系統(tǒng)，以邏輯模型為基礎(chǔ)，按功能逐步由上向下、由抽象到具體，逐層將其分解為一個多層次的、具有相對獨立并借助一套標準設(shè)計準則和圖表等工具，逐層次地將系統(tǒng)分解成多個具有一定獨立性的模塊，把一個復(fù)雜的系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成易于實現(xiàn)、易于維護的模塊化結(jié)構(gòu)，從而達到設(shè)計目的。

利用Solid Edge ST8、Excel的系統(tǒng)軟件開發(fā)工具包（SDK）在Windows平臺下提供的應(yīng)用程序接口（API）可幫助目標系統(tǒng)開發(fā)者快速實現(xiàn)Excel數(shù)據(jù)源與Solid Edge三維模型、工程圖的數(shù)據(jù)聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)源的自動傳遞、處理與輸出。

（1）模型調(diào)用Excel數(shù)據(jù)源子模塊設(shè)計。要實現(xiàn)特定某項目的粗氬塔快速形體重構(gòu)，需要快速獲取項目數(shù)據(jù)源至系統(tǒng)模型中，然后根據(jù)獲取到分屬不同的數(shù)據(jù)源，按尺寸、選型以及屬性分別操作系統(tǒng)模型，并根據(jù)快速形體重構(gòu)后的模型讀取出產(chǎn)品BOM數(shù)據(jù)，輸出至BOM信息統(tǒng)計表中。因此，在面向模型系統(tǒng)分析和設(shè)計時，需將快速形體重構(gòu)和BOM輸出分別組成單元模塊進行封裝，通過模型對象對外提供的接口進行數(shù)據(jù)的訪問或修改，并將項目識別信息等用戶數(shù)據(jù)存儲在后臺，以方便其他子模塊過程調(diào)用。詳細流程如圖3所示。

圖3 模型調(diào)用Excel數(shù)據(jù)源子模塊流程圖

（2）工程圖紙快速生成模塊設(shè)計。圖紙，是工程技術(shù)人員傳遞技術(shù)信息、交流思想的中間媒介。二維平面圖紙均可認作是不同基本圖形元素的集合，設(shè)計人員在進行某一圖紙設(shè)計時，所有的設(shè)計思路與基本圖形元素表征就是該幅圖紙的“程序編譯過程”。雖然，Solid Edge三維鏈接模型與二維工程圖完全相關(guān)連，可實時對模型或圖紙進行關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)修改，但是，該鏈接模型在結(jié)構(gòu)設(shè)計或是圖紙內(nèi)容布局上均為瞬時定量狀態(tài)，無法滿足基于系統(tǒng)變量的快速工程圖輸出要求。

因此，只有利用Solid Edge創(chuàng)建鏈接模型的視圖功能快速獲取圖元信息，然后再設(shè)計出特定圖紙的邏輯功能模塊連接Solid Edge相關(guān)數(shù)據(jù)接口才可實現(xiàn)快速圖紙輸出功能；因全套設(shè)備圖紙是由多個零部件圖組成，各圖紙文件之間相對獨立，而部分圖紙之間又存有數(shù)據(jù)聯(lián)系，因此，還需在模塊設(shè)計里加入后臺管理模式才能保障各圖紙文件之間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)。詳細流程如圖4所示。

圖4 工程圖紙快速生成模塊流程圖

3.3 Solid Edge設(shè)計資源庫協(xié)同共享平臺

得益于變量控制技術(shù)在三維設(shè)計中的實現(xiàn)，Solid Edge在做模型設(shè)計時，提供了豐富的變量設(shè)計以供設(shè)計者二次開發(fā)使用。因此，首先，建立主參數(shù)模型，通過外部參數(shù)輸入，靈活利用鏈接數(shù)值來設(shè)計零件，可將現(xiàn)有設(shè)計原則快速融入到當(dāng)前模型中，使得當(dāng)前模型包含現(xiàn)有更明確的設(shè)計意圖，讓模型顯示動態(tài)化、半?yún)?shù)化；其次，依據(jù)零部件分類，將設(shè)計塔器涉及的標準件、通用件、特殊件等建立Solidedge設(shè)計資源庫，既能豐富對象系統(tǒng)的引用與聯(lián)調(diào)單元，又可有效提高項目設(shè)計的重復(fù)利用率；最后，在共享平臺設(shè)置設(shè)計資源庫訪問與修改權(quán)限，方便設(shè)計人員協(xié)同設(shè)計與管理主參數(shù)模型。

4 應(yīng)用實例與應(yīng)用效果

4.1 應(yīng)用實例

本節(jié)將描述本快速設(shè)計系統(tǒng)應(yīng)用于粗氬塔設(shè)計及出圖的一個應(yīng)用實例，以展示系統(tǒng)操作和重要模塊操作過程。

首先，在數(shù)據(jù)資源庫中設(shè)置設(shè)計主參數(shù)，主操作界面如圖5所示。界面分為項目信息區(qū)、主參數(shù)編輯區(qū)、管口列表3個部分。項目信息區(qū)設(shè)置當(dāng)前項目設(shè)計代號，主參數(shù)編輯區(qū)顯示主設(shè)計輸入?yún)?shù)，管口列表羅列塔器外部配管狀態(tài)的詳細信息，管口列表支持下拉列表選擇，提高編輯效率，方便數(shù)據(jù)載入。

圖5 主操作界面

然后，在程序模塊圖6所示中，先進行快速形體重構(gòu)操作，再進行圖紙快速輸出操作。同時載入Solidedge設(shè)計資源庫中參數(shù)模型地址和Excel數(shù)據(jù)資源庫地址，通過讀取模型文件與Excel文件匹配信息源，驅(qū)動模型操作，輸出目標模型與BOM表文件；圖紙生成區(qū)域內(nèi)含根據(jù)模板圖紙封裝為多個獨立的出圖模塊，打開Solidedge設(shè)計資源庫中對應(yīng)圖紙模板，驅(qū)動出圖模塊，系統(tǒng)會依據(jù)設(shè)計給定節(jié)點及界限值，在后臺按優(yōu)先級自動進行圖紙資源匹配與設(shè)計，一鍵快速生成目標圖紙。

圖6 快速形體重構(gòu)與工程圖紙快速輸出

4.2 應(yīng)用效果

為驗證本系統(tǒng)的可靠性和高效性，將本系統(tǒng)應(yīng)用于一個設(shè)計項目中，并與傳統(tǒng)項目化設(shè)計方法進行對比，本系統(tǒng)在設(shè)備結(jié)構(gòu)選型、管口方位布局、貼板設(shè)計、報表和工程圖出圖上實現(xiàn)了一鍵輸出，避免了項目化設(shè)計中的重復(fù)工作，減少了繪圖設(shè)計錯誤，塔器的系統(tǒng)設(shè)計由傳統(tǒng)設(shè)計15天左右縮短到0.5天內(nèi)，效率提升90%以上。

5 結(jié)語

本文通過引入變量思想、對粗氬塔進行參數(shù)化和模塊化集成整合與重組，配合Solid Edge ST8三維設(shè)計軟件以及Visual Studio C#二次開發(fā)，實現(xiàn)了粗氬塔的快速形體重構(gòu)與工程圖紙智能輸出。基于本文的系統(tǒng)設(shè)計方法可以推廣到同類型設(shè)備的設(shè)計中，極大地縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期。上述功能的實現(xiàn)是多方面因素共同作用的結(jié)果：（1）數(shù)據(jù)資源庫涉及粗氬塔所有可能的結(jié)構(gòu)與選型設(shè)計數(shù)據(jù)資源，增大了快速形體重構(gòu)的類型變量邊界；（2）數(shù)據(jù)資源庫在常規(guī)設(shè)計基礎(chǔ)上融合了結(jié)構(gòu)設(shè)計與屬性設(shè)計，依據(jù)數(shù)據(jù)源設(shè)計的各類接口應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)了快速形體重構(gòu)與工程圖紙智能輸出的可能；（3）Solid Edge設(shè)計資源庫提供了豐富的標準件庫與變量模型庫，擴大了快速形體重構(gòu)的模型適用范圍；（4）Solid Edge設(shè)計資源庫提供的目標圖紙和報表模板，簡化了重構(gòu)后的模型信息導(dǎo)入，提高了工程圖紙自動輸出的速度。