空間曲面溜槽參數化設計的研究與應用

張 磊，邰 洋，趙書寧，韓正澤

(中煤邯鄲設計工程有限責任公司，河北 邯鄲 056031)

空間曲面溜槽是煤礦常用的用于降低塊煤破碎率的非標設備，對于不同直徑、不同落料點的煤倉與各種轉載點來說，空間曲面溜槽的設計不盡相同，因此無法實現系列化、標準化。溜槽常規設計方法是采用AutoCAD二維軟件設計，但空間曲面溜槽具有復雜的空間曲面特性，如采用二維軟件設計，不僅設計、計算工作量很大，且繪圖過程十分繁瑣，在設計、檢查與校核過程中會耗費大量的人力資源。三維軟件設計雖然可以節省一定的計算和繪圖時間，但需要將設計資料三維化后再設計，最后還需要將三維圖轉化為二維圖給工廠加工使用，因此相對于AutoCAD二維軟件設計，也沒能有效提高工作效率。

筆者通過總結多年空間曲面溜槽設計和制圖經驗，發現空間曲面溜槽總體結構只受幾個特定參數的約束，因此采用參數化設計方法，可有效解決常規設計方法工作繁瑣與效率低下等問題，不僅可實現與設計資料的無縫對接，檢查、校核方便，還可以直接生成工程所需的二維加工圖，既能節省設計、計算所需的大量人力，提高工作效率，又可避免中間環節可能產生的一些問題。

1 空間曲面溜槽的參數化設計

1.1 設計系統

參數化設計系統主要由AutoCAD軟件和Excel軟件兩部分組成。

AutoCAD軟件是一款非參數化環境的繪圖軟件，可通過編輯Lisp程序設置繪圖命令(例如線型、線寬、顏色等)，然后通過一個個交互式的繪圖命令來完成繪圖工作；Excel軟件是一款表格計算軟件，通過其強大的函數功能與VBA編程的綜合運用，實現輸入特定參數，即可準確計算出要繪制圖形的坐標數據組，最后將數據轉換為AutoCAD軟件所認知的繪圖命令，在AutoCAD軟件中批量展點，從而快速繪制出圖形[1-3]。

1.2 設計流程

(1)編制設計環境。設計環境包括建立繪圖樣板和編寫繪圖命令兩部分。首先建立繪圖樣板，為使所繪圖形更加方便查看，需要設置不同的圖層來區別不同的圖形特征(包括顏色、線型等)；然后通過AutoCAD軟件自帶的Lisp程序，設置相應的繪圖命令。例如圖層1設置成顏色為綠色的虛線層，對應的命令為 “xx1”。那么在命令行依次輸入：xx1→L→(X1，Y1)→(X2，Y2)，即可繪制一條從坐標(X1，Y1)到(X2，Y2)的綠色虛線[4]。

(2) 確定設計參數。設計一套空間曲面溜槽的圖紙需要很多尺寸數據，但是不可能把所有的數據都作為設計參數。這就需要對空間曲面溜槽設計制圖進行分析，采用既能體現不同空間曲面溜槽結構特征，又能推導出其他尺寸的基本數據作為繪圖參數。例如：螺旋段的外弧半徑R2、螺旋段底板寬度B、外螺旋角α2等都屬于需要輸入的基本數據，應作為繪圖參數，而內弧半徑R1、內螺旋角α1等可在基本數據的基礎上利用函數公式計算出來，因而不必重復輸入。雖然這些函數計算很復雜，但只要公式輸入正確，對于計算機來說瞬間即可完成。

(3) 設計交流界面。對于參數化設計程序來說，設計交流界面主要考慮繪圖參數的輸入和相關控件的布局，為了增加程序的可讀性，可以添加批注來顯示各繪圖參數的含義。本空間曲面溜槽參數化設計程序的設計交流界面如圖1所示[5]。

(4) 編寫設計程序。設計程序的核心就是依據設計參數計算出所需繪制圖形的各個點的坐標，然后通過AutoCAD軟件中Lisp程序預先設置好的繪圖命令，將計算出的坐標點用不同的線型連接起來。例如：在圖2中，已知螺旋段內外螺旋半徑R1、R2和內外螺旋角α1、α2，首先設內螺旋圓心A為坐標基準點(0，0)，外螺旋圓心B坐標(-X0，Y0)；然后計算出點1—4的坐標(X1，Y1)—(X4，Y4)；最后，依次用直線命令和弧線命令連接點1—4，即可繪制出此螺旋段的俯視圖[6-7]。按照以上思路，將所有需要繪制的圖形坐標點都計算出來，并結合AutoCAD軟件中Lisp程序預先設置好的繪圖命令，按照一定的次序排列。

圖1 參數化設計程序的設計交流界面

圖2 繪圖示例

(5)制圖。制圖程序編制的過程比較復雜，需要編寫上千個點坐標的函數公式，但最終應用時卻很方便，只需要輸入空間曲面溜槽的特定參數。如圖1所示，所有點坐標及繪圖命令自動計算生成，并按照一定的次序排列在表格中，只需選擇所需繪制圖形，點擊“繪圖”按鈕，即可復制所有命令，然后到AutoCAD軟件界面中調出之前建立的繪圖樣板，在命令行粘貼，即可生成所需繪制的所有圖形[8-10]。

1.3 設計優點

(1)工作效率大大提高。參數化設計程序是在已完成空間曲面溜槽設計圖紙的基礎上開發的，其繪圖習慣、圖形組成等都和原設計圖吻合，設計人員只需在程序繪圖的基礎上添加一些尺寸標注、剖視圖等，最后填寫明細表即可。如采用常規繪圖方法，設計一套倉內空間曲面溜槽的圖紙需要大概15～18個工作日，而采用參數化設計方法只需不到3個工作日即可完成，工作效率提高了5倍以上。

(2)檢查校核省時省力。由于空間曲面溜槽設計過程十分復雜，常規設計方法的檢查、校核也非常消耗時間及精力。通過參數化設計程序生成的圖紙，所有圖形點的坐標都是通過Excel計算得出的，這些計算結果只與輸入的原始參數有關，因此只需要檢查校核原始參數輸入是否正確，可以免除繁瑣的中間環節的檢查，使得原來需要一兩個工作日才能完成的檢查、校核工作縮短到了一兩個小時。

(3)此外，參數化設計程序只要輸入參數校核正確，生成的圖形可以達到零失誤，在提高工作效率的同時，也提高了圖紙質量，并有利于產品質量的提升。

2 應用實例

圖3所示為內蒙古伊泰煤炭股份有限公司宏景塔一礦塊煤倉內的螺旋溜槽，該螺旋溜槽是一種多用于煤倉內的典型空間曲面溜槽，是采用參數化設計方法完成的。該螺旋溜槽全部加工圖紙折A1圖共計16張，其中空間曲面段13張，其余為常規溜槽段和支撐段等，如果采用常規方法，設計人員一天(工作8 h)最多完成一張A1圖紙的設計，再加上設計過程中必不可少的復雜計算過程，全部圖紙至少需要16～18個工作日才能完成。采用參數化設計方法，從方案確定到所有圖紙設計完成，只用了3個工作日，設計周期大大縮短，比常規方法縮短了80%以上。

該螺旋溜槽于2016年8月安裝完成，運行至今，應用效果良好。

圖3 宏景塔一礦塊煤倉內螺旋溜槽結構總圖

3 結語

迄今為止，筆者采用參數化設計方法先后完成了200余套空間曲面溜槽的設計工作，現已全部安裝到位，并且在實際生產中使用效果良好。參數化設計使空間曲面溜槽設計周期縮短了80%以上，這意味著設計人工成本降低了80%以上，同時出圖的錯誤率也大幅降低，避免了加工過程中不必要的返工帶來的經濟損失。無論對于溜槽設計生產企業，還是現場溜槽用戶，更高的工作效率、更好的產品質量、更低的生產成本均有利于企業經濟效益的提高。

參考文獻：

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