基于Solid Edge二次開發的粗氬塔快速形體重構與智能出圖的研究與應用

歐丹，孫磊磊，盧斌攀

(杭氧集團股份有限公司設計研究院，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。空分精餾塔是空分設備的核心組成部分，通常采用項目化管理組織設計，一直存在設計周期長、交付周期短的矛盾問題，并且這一矛盾隨著我國空分設備行業的高速發展日益凸顯。

國外統計資料顯示，構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，企業的機械產品在項目化定制時，具有高相似性的通用件以及設計變通復雜的專用特殊件是設計變量的主體。由此可見，合理采用變量設計是提高設計效率的有效途徑。通過引入變量化技術，對CAD/CAM軟件擴展形成更加專業或新的功能，以解決用戶特殊功能需求，是解決當前設計周期長的有效手段。研究探索出一種專用產品智能快速設計系統不僅是傳統設計向數字化、網絡化和智能化設計的轉變與提升，更是實現產品創新和快速輸出、設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計為例，基于變量化設計策略，開發了“總體系統設計-數據資源庫設計-模型資源庫設計-程序模塊設計”的全流程粗氬塔快速設計與出圖體系，建立了模型快速生成與自動出圖的粗氬塔智能快速設計與出圖系統，解決了Solid Edge關聯模型構建、Solid Edge模塊變量與API（應用程序接口）的數據互通、關聯模型驅動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等難點問題，實現了粗氬塔設計的快速形體重構與自動出圖功能，可縮短粗氬塔設計周期90%，極大地提高了粗氬塔設計效率。

2 總體系統設計

粗氬塔智能快速設計系統的系統框架如圖1所示。該系統是通過建立Solid Edge設計資源庫協同共享平臺，并在其平臺上集成數據資源庫設計與程序模塊設計而形成的，是將特殊、小批量的設計任務轉變為通用、大批量的數據工作，再根據特定設計條件，實現設計內容快速輸出的可行性途徑。

圖1 粗氬塔智能快速設計系統系統框架

該系統的運行原理是對粗氬塔Excel設計數據資源庫進行結構化開發，將參數設計、方案設計以及產品屬性進行數據結構與算法設計，依據數據分類、分級輸出設計結果，然后將輸出數據作為交互載體映射到Solid Edge ST8設計資源庫實現數據源重生成以驅動項目化設計工作，同時利用智能接口二次開發語言Visual Studio C#對Solid Edge ST8進行二次開發，依據接口管理、Bom輸出、模型操作以及圖紙輸出等模塊進行輸出數據的二次整合與處理，聯合后臺數據處理與傳遞，從而實現可視化三維模型的快速形體重構與圖紙自動輸出；Solid Edge ST8三維圖形處理軟件特有的變量化控制技術還可作為并行設計入口，對粗氬塔模型文件進行非常規數據資源庫設計，以及新產品開發、老產品改形等創新式模型設計及圖紙輸出。

3 子系統設計

3.1 數據資源庫設計

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

圖2 數據資源庫設計關系流程圖

為符合通用型設計需求，達到快速設計的效果，粗氬塔設計資源庫設計規則是：（1）依據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引用，專用特殊件作為獨立變量單獨引用。（2）根據粗氬塔標準設計準則設計出全局變量與局部變量，變量數據根據數據屬性分類、逐層分級至不同輸出層，以簡化Solid Edge應用程序接口的數據處理流程。（3）可創建Excel二次開發環境，將大量獨立數據流按照制定規則排列組合，以簡化Solid Edge應用程序接口的數據處理流程。

3.2 程序模塊設計

程序模塊設計是Excel數據資源庫與Solid Edge設計資源庫共享平臺數據聯系的橋梁。程序模塊設計即是對Excel、Solid Edge三維設計軟件的二次開發，通過軟件開發的方式將設計經驗、設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或本行業的專用工業設計軟件。

程序設計中，建立系統結構化設計方法的基本思想就是使系統模塊化，即把一個系統自上而下、逐步分解為獨立功能的模塊所組成的系統，以邏輯模型為基礎，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計準則和圖表等工具，逐層次地將系統分解成多個具有一定獨立性的模塊，把一個復雜的系統轉換成易于實現、易于維護的模塊化結構，從而達到設計目的。

利用Solid Edge ST8、Excel的系統軟件開發工具包（SDK）在Windows平臺下提供的應用程序接口（API）可幫助目標系統開發者快速實現Excel數據源與Solid Edge三維模型、工程圖的數據聯系，實現數據源的自動傳遞、處理與輸出。

（1）模型調用Excel數據源子模塊設計。要實現特定某項目的粗氬塔快速形體重構，需要快速獲取項目數據源至系統模型中，然后根據獲取到分屬不同的數據源，按尺寸、選型以及屬性分別操作系統模型，并根據快速形體重構后的模型讀取出產品BOM數據，輸出至BOM信息統計表中。因此，在面向模型系統分析和設計時，需將快速形體重構和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據的訪問或修改，并將項目識別信息等用戶數據存儲在后臺，以方便其他子模塊過程調用。詳細流程如圖3所示。

圖3 模型調用Excel數據源子模塊流程圖

（2）工程圖紙快速生成模塊設計。圖紙，是工程技術人員傳遞技術信息、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，設計人員在進行某一圖紙設計時，所有的設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連，可實時對模型或圖紙進行關聯數據修改，但是，該鏈接模型在結構設計或是圖紙內容布局上均為瞬時定量狀態，無法滿足基于系統變量的快速工程圖輸出要求。

因此，只有利用Solid Edge創建鏈接模型的視圖功能快速獲取圖元信息，然后再設計出特定圖紙的邏輯功能模塊連接Solid Edge相關數據接口才可實現快速圖紙輸出功能；因全套設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據聯系，因此，還需在模塊設計里加入后臺管理模式才能保障各圖紙文件之間的數據流轉。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設計資源庫協同共享平臺

得益于變量控制技術在三維設計中的實現，Solid Edge在做模型設計時，提供了豐富的變量設計以供設計者二次開發使用。因此，首先，建立主參數模型，通過外部參數輸入，靈活利用鏈接數值來設計零件，可將現有設計原則快速融入到當前模型中，使得當前模型包含現有更明確的設計意圖，讓模型顯示動態化、半參數化；其次，依據零部件分類，將設計塔器涉及的標準件、通用件、特殊件等建立Solidedge設計資源庫，既能豐富對象系統的引用與聯調單元，又可有效提高項目設計的重復利用率；最后，在共享平臺設置設計資源庫訪問與修改權限，方便設計人員協同設計與管理主參數模型。

4 應用實例與應用效果

4.1 應用實例

本節將描述本快速設計系統應用于粗氬塔設計及出圖的一個應用實例，以展示系統操作和重要模塊操作過程。

首先，在數據資源庫中設置設計主參數，主操作界面如圖5所示。界面分為項目信息區、主參數編輯區、管口列表3個部分。項目信息區設置當前項目設計代號，主參數編輯區顯示主設計輸入參數，管口列表羅列塔器外部配管狀態的詳細信息，管口列表支持下拉列表選擇，提高編輯效率，方便數據載入。

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操作，再進行圖紙快速輸出操作。同時載入Solidedge設計資源庫中參數模型地址和Excel數據資源庫地址，通過讀取模型文件與Excel文件匹配信息源，驅動模型操作，輸出目標模型與BOM表文件；圖紙生成區域內含根據模板圖紙封裝為多個獨立的出圖模塊，打開Solidedge設計資源庫中對應圖紙模板，驅動出圖模塊，系統會依據設計給定節點及界限值，在后臺按優先級自動進行圖紙資源匹配與設計，一鍵快速生成目標圖紙。

圖6 快速形體重構與工程圖紙快速輸出

4.2 應用效果

為驗證本系統的可靠性和高效性，將本系統應用于一個設計項目中，并與傳統項目化設計方法進行對比，本系統在設備結構選型、管口方位布局、貼板設計、報表和工程圖出圖上實現了一鍵輸出，避免了項目化設計中的重復工作，減少了繪圖設計錯誤，塔器的系統設計由傳統設計15天左右縮短到0.5天內，效率提升90%以上。

5 結語

本文通過引入變量思想、對粗氬塔進行參數化和模塊化集成整合與重組，配合Solid Edge ST8三維設計軟件以及Visual Studio C#二次開發，實現了粗氬塔的快速形體重構與工程圖紙智能輸出。基于本文的系統設計方法可以推廣到同類型設備的設計中，極大地縮短產品的設計周期。上述功能的實現是多方面因素共同作用的結果：（1）數據資源庫涉及粗氬塔所有可能的結構與選型設計數據資源，增大了快速形體重構的類型變量邊界；（2）數據資源庫在常規設計基礎上融合了結構設計與屬性設計，依據數據源設計的各類接口應用程序實現了快速形體重構與工程圖紙智能輸出的可能；（3）Solid Edge設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的模型適用范圍；（4）Solid Edge設計資源庫提供的目標圖紙和報表模板，簡化了重構后的模型信息導入，提高了工程圖紙自動輸出的速度。