基于SolidWorks的 鍋爐殼體產品族敏捷設計研究?

汪仁杰，仲梁維

（上海理工大學 機械工程學院，上海 200093）

0 引言

余熱鍋爐是指利用各種工業過程中的廢氣、廢料或廢液中的余熱及其可燃物質燃燒后產生的熱量把水加熱到一定工質的鍋爐。殼體是余熱鍋爐中的外保護設備，由于其結構復雜，目前企業大多采用單件詳細設計，設計效率低，當需要設計新的結構類型時，重復勞動強度大。為了進一步提高殼體的設計效率，本文以SolidWorks API函數［1－2］為研究對象，以 Visual Basic.NET為開發工具，以SQL Server 2008為數據支撐，詳細敘述面向殼體產品族的敏捷設計平臺的開發過程。

1 殼體產品族主模型的建立及模塊劃分

產品族是一系列具有相似名稱、結構、幾何尺寸的產品的總稱。產品族主模型將同一產品族的所有結構類型集成在一個主模型中統一表達，它是按照最大化設計思想建立的。首先確定所有相似產品共同具有的特征作為建模的基礎特征，然后將不同產品的個性化特征提取出來作為功能模塊集成在主模型中，當需要變形出某一具體類型時，剔除多余的功能模塊，并插入需要的功能模塊，就能實現由主模型到產品實例的派生。

為了細化殼體產品族結構模型，按照模塊化設計思想，以盡量減少模塊的內部多樣性、擴大外部多樣性為原則，對殼體產品族進行模塊劃分。如圖1所示，殼體可劃分為主梁模塊、吊梁和吊耳模塊、護板裝配模塊、吹灰器模塊4個一級模塊，主梁模塊又可繼續劃分為橫梁、側梁、立柱等模塊，護板裝配可劃分為短梁、小柱、加強扁鋼等模塊。模塊劃分是為了便于建立產品族變形設計的原始模型，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與管理一組具有結構相似、幾何尺寸相近的零部件［4－5］，可以在單一文件中對零件或裝配體生成多個設計變化，配置的簡單應用就是系列零件設計表，系列零件設計表針對的是結構完全相同而具有一系列標準參數的零部件設計。

圖1 殼體主模型

殼體的主梁是由槽鋼和封板構成，按照國家標準，主梁有4種規格，不同規格對應不同尺寸的槽鋼，因此要建立4種尺寸的槽鋼配置，如圖2所示。在參數化建模時，首先建立一種規格的槽鋼模型作為默認配置，然后選擇工具菜單中的設計表，SolidWorks就會自動調出一張Excell表格內嵌在程序中，表格的列對象對應零件的幾何尺寸，行對象對應零件的配置實例。設計時錄入槽鋼的高度、寬度和厚度，就能生成對應的槽鋼實例，如圖3所示。配置之間的切換是通過程序實現的，其代碼如下：

首先定義變量peizhi＿caogang，并關聯到設計界面上的Combobox下拉框，Combobox具有4個不同值分別對應槽鋼的4種配置，用戶在設計界面選擇某種型號槽鋼后，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，執行CompConfigProperties4方法就能切換到目標配置。

圖2 4種尺寸的槽鋼配置

圖3 槽鋼系列零件設計表

3 關聯設計與約束集的建立

在參數化建模時，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系和建立尺寸方程式。在建立殼體的子部件護板裝配和主梁框架之間約束集時，主要用到的是SolidWorks的方程式功能，例如護板裝配中的底板長和寬分別要與主梁框架的側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，護板裝配的小柱數量變多時，短梁的長度會依照計算公式減少等，零部件的關聯設計如圖4所示。

圖4 零部件的關聯設計

4 殼體的參數化設計總流程

圖5為殼體總體設計過程。設計人員登錄系統，首先對殼體進行選型，包括選擇主梁規格、吊耳類型以及是否存在吹灰器等，系統的類型匹配模塊會檢查數據庫中是否存在相似實例，若存在，就調出已有實例，修改局部參數；若不存在，就開始新設計，分別錄入殼體各模塊設計參數，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，然后運行程序，將界面上的參數傳遞到模型中實現三維模型結構和尺寸的變形，分別生成殼體的二維工程圖以及設計參數總表，最后將產品實例和設計參數導入數據庫進行存儲。

5 SolidWorks工程圖調整與優化［6］

參數傳遞到三維模型完成幾何變形后，相應的SolidWorks工程圖也會隨著主模型同步更新，在更新的過程中，工程圖會發生不規則的視圖紊亂現象，例如視圖布局會發生改變，視圖的比例會偏大或者偏小，局部視圖或剖視圖的位置、尺寸標注位置、零件序號等會飄移或偏移出圖框，材料明細表的排序會上下顛倒等，必須進行工程圖修正，如果手動修正，工作量太大。

利用SolidWorks提供的API函數能夠對工程圖進行操作。例如，要調整工程圖中某個視圖的尺寸位置時，首先利用Iview對象的GetOutline方法獲取視圖圖框4條邊線的坐標，然后利用Annotation對象的GetPosition方法獲取視圖尺寸的坐標，最后通過建立數學關系式設定尺寸的方向和偏離圖框的距離。運行程序時，通過循環語句遍歷所有尺寸賦值給建立好的關系式，就能實現視圖尺寸位置的調整。

圖5 殼體總體設計過程

6 殼體產品族的快速設計平臺

在分析了殼體多套CAD圖紙的基礎上，開發出了面向殼體產品族的快速設計平臺，系統的參數錄入界面如圖6所示。用戶設定好殼體的類型和參數后，通過尺寸驅動模型，就能實現產品的結構和尺寸的變形，如圖7所示。

圖6 殼體參數設計界面

圖7 殼體總裝變形前后對比圖

7 結語

開發出的殼體產品族快速設計平臺，經某余熱鍋爐研究所試用后，極大提高了產品設計效率，對鍋爐其他產品的快速設計有著一定的參考價值。

［1］徐國權，黃志超.基于SolidWorks的參數化設計二次開發研究［J］.機械設計與研究，2007，23（1）：68－70.

［2］歐長勁，蘇之曉，李燕.基于SolidWorks API的參數化設計及智能裝配研究［J］.輕工機械，2012，30（5）：69－72.

［3］岳高峰，陽緒英，刁飛.基于SolidWorks軟件的微耕機模塊化設計［J］.農機化研究，2009，31（2）：80－82.

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

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

［6］黃啟良，王宗彥，吳淑芳，等.參數化變型設計中工程圖調整技術優化研究［J］.工程圖學學報，2011，32（1）：168－173.