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标题 基于设计模板的锅筒参数化设计系统开发
范文 陈文松++仲梁维



摘要：对余热锅炉产品研发现状进行了分析，以锅筒系列产品为研究对象，结合设计模板方法、配置设计和变型设计，提出了基于设计模板的参数化设计方法。以Visual Basic.Net为编程语言，并结合SQL Server数据库存储管理数据，在SolidWorks平台上实现了基于设计模板的参数化设计系统。在改善系统设计柔性的同时，提高了系统的快速性、精确性、稳定性等重要指标，从而更好地适应了市场多样化、个性化需求。
关键词：参数化设计；设计模板；二次开发；SolidWorks
DOIDOI：10.11907/rjdk.161663
中图分类号：TP319
文献标识码：A文章编号文章编号：16727800（2016）009008803
基金项目基金项目：
作者简介作者简介：陈文松（1991-），男，陕西紫阳人，上海理工大学机械工程学院硕士研究生，研究方向为计算机辅助设计；仲梁维（1962-），男，上海人，硕士，上海理工大学机械工程学院教授、硕士生导师，研究方向为计算机辅助智能设计制造。
0引言
余热锅炉是一种将工业生产过程中产生的废气、废料或废液中的余热和可燃物质燃烧后产生的剩余热量重复利用的能量转换装置。作为一种重要的节能设备，一直在保护环境、提高热效率等方面发挥着重要作用[1]。随着余热锅炉产品市场需求量的增加，锅筒作为锅炉系统中进行汽水分离和蒸汽净化的重要锅炉装置，其市场需求量也在不断上升。然而，锅炉生产企业面对急剧上涨的客户订单却显得力不从心，原因是客户对余热锅炉锅筒的个性化需求增长，导致锅筒品种越来越多，产品多样化直接造成了设计难度增大[2]。传统的产品设计存在以下问题：①产品质量对工程师的知识和经验依赖性大，设计知识和经验无法重复利用；②产品的参数化设计能力欠缺，使得新产品开发和产品设计的修改难度增加；③设计方法落后。传统产品设计以一件具体的产品为研究对象，从而降低了产品的研发和设计效率。针对上述问题，本文提出了基于设计模板的参数化设计方法，能根据客户需求不同个性化定制，建立可变型产品模板来描述产品结构，只要改变产品基础模板的结构和几何尺寸就可快速派生出新的产品[3]，从而在很大程度上减轻了设计人员的重复劳动量。
1设计模板基本理论及应用
通过研究客户需求及分析设计目标，将客户需求和产品族体系、产品变形等理论结合，将需求细化，从而得到较为完善的需求信息，为建立设计模板提供依据。在基于设计模板的参数化设计过程中，要将所需设计知识归纳分类，包括构成相关产品功能模块的几何模型、主文档；零部件的工程设计规范和经验，功能模块组合模板，以及材料、颜色、工艺、价格等相关的非几何数据。表1为产品设计知识分类。
设计模板的基本思想是：从一系列相似的产品中抽象出一种框架型模板，构成一个可重用的、包含设计知识的、参数化的功能结构单元。它是基于事物相似性的重用技术原理，作为产品信息、产品族知识的信息载体，描述了产品从起初的概念设计到最终设计完成阶段的全部信息，具体包括产品基础框架信息、产品几何信息、零部件特征信息、关系式集信息、产品的性能、管理信息等[4]。本系统从模板的可重用性、柔性、可存储性等特性来简化设计过程，减少设计人员的主观性、随意性和重复劳动。
设计模板的含义较为广泛，从功能、组织形式、实现手段以及客户对产品的个性化定制需求角度，将设计模板细分为4类，分别为功能模板、物理模板、客户需求模板和行为模板。其中物理模板在参数化设计过程中最为重要，它集成了产品的行业设计规范和企业的内部设计标准，主要表现为：产品的全信息三维主模板、与三维模型相互驱动的二维工程图模板、产品数据文档模板等，图1为产品物理模板。
2锅筒参数化系统总体设计
参数化设计是目前快速设计技术重要的研究领域之一。本系统设计流程分为两个阶段：产品开发阶段和参数化设计阶段。作为准备阶段的产品开发，通过调研分析余热锅炉锅筒企业的客户群需求，对需求进行整合分析，在需求分析的基础上构建产品族体系、产品设计模板。参数化设计阶段是在产品开发的基础上，结合产品配置和模型变型设计，通过对零部件和装配体模型变型和拼装组装成产品模型，通过干涉检查、结构分析确定合理的锅筒结构[56]。本系统结合以往工程师的设计经验知识库，确定了锅筒设计系统的目标功能、系统组成、各模块之间的关系和应用环境等各项因素，确立了系统的总体结构，如图2所示。
图2展示了锅筒设计系统的总体框架和不同模块间的相互关系与数据流向。在该系统中，系统交互界面主要集成了设计人员所见的交互环境，便于设计人员进行可视化数据输入和使用系统中的设计工具。功能模块主要分为设计模块和管理模块，两个模块是在设计模板的基础上完成参数配置、设计计算、三维模型驱动、工程图的优化调整以及实现项目管理、文档数据管理功能[7]。知识库既包含了组成各功能模块的几何模型，也包括产品的工程设计规范、经验和相关语义规则，还包括材料、颜色、工艺等非几何数据。系统所涉及的工具有：三维设计软件SolidWorks 、调试语言VB.net 、二维图纸软件AutoCAD，计算机硬件、网络和数据库存储工具也为系统提供支持。
3系统功能模块及关键技术
3.1基于模板的零部件驱动和自动装配
模型驱动模块是在三维设计模板建立完成之后，结合模板零件尺寸驱动原理和自动装配技术，在完成设计数据配置之后提取设计界面上的参数，结合SQL Server中存储的数据来驱动模板零部件，实现模型特征尺寸的变化和不同装配。
（1）零件模板驱动。尺寸驱动即是在保持零件基本外形不变的情况下，将零件的几何尺寸视为变量，给予不同的尺寸值，获得一系列结构相同而尺寸不同的相似零件。在锅筒设计系统中，每个待驱动的零部件都有相应的模板，每个模板零部件内部的尺寸间会添加定义，以保证驱动前后零件的基本拓扑结构不变[8]。零件尺寸驱动关系如表2所示。
（2）自动装配。自动装配技术就是利用SolidWorks的API接口驱动配合件与基准件自动建立装配关系的过程。在装配环境中空间位置被完全约束的零部件称为基准件，在装配环境之外待配合的零部件称为配合件，配合件在被添加到装配环境下时具有6个自由度[9]。SolidWorks的API函数是实现自动装配的驱动力。要在装配环境下进行操作，首先要获取AssemblyDoc。AssemblyDoc作为装配环境最顶层对象，对装配体进行操作，如替换零部件、插入新零件、添加删除配合关系等，都是由其向下发出指令。AssemblyDoc类具有很多方法和成员，其中最常用的有AddComponent，负责向装配体环境中插入对象；AddMate负责添加配合关系。
AddComponent的基本用法如下：
value=instance.AddComponent（CompName，ConfigOption，NewConfigName，ExistingConfigName，X，Y，Z）
CompName——装配体环境中的零件存放位置路径。ConfigOption——所选零件的配置管理器，用来选择装配时的零件配置，取值有0，1，2。
当ConfigOption=0时，表示插入零件或者部件最近保存的配置。
当ConfigOption=1时，表示插入部件，不包括压缩掉的零部件。
当ConfigOption=2时，表示插入部件所有的零件，包括压缩掉的零部件。
NewConfigName——新装配体的配置名称，常取缺省值。ExistingConfigName——现有装配体的配置名称，常取缺省值。 X，Y，Z——添加到装配环境中的零部件初始位置的三维坐标。
AddMate的核心代码：
instance.AddMate（MateType，Align，Flip，Dist，Angle）
锅筒筒体本身的尺寸驱动完成后，以筒体为基体，首先驱动各个管口的尺寸来获得各管口零件模型，然后驱动管口在筒体上水平位置、旋转角度以及与筒体的配合关系，最终获得锅筒整体的几何模型。
3.2基于模板的工程图优化调整
在参数化设计过程中获得工程图的方法有两种：无模板出图和基于模板的工程图快速生成方法。无模板出图，是完成三维几何模型驱动之后，通过系统自带的工程图模板生成标准三视图的方法。无模板出图仅适合生成单纯的标准三视图，无法满足产品细节的完整表达。在余热锅炉锅筒参数化设计中，采用的是基于工程图设计模板的出图方法。开发人员会根据零部件的不同，事先建立一般视图、剖视图、局部视图、剪裁视图等，还有材料明细表、技术要求、零件序号等可以详细描述几何信息的工程图模板[10]。
工程图模板的优化调整包括内容很多，有尺寸的调整、视图位置和比例的调整、注释的调整等[11]。这些工程图调整都是通过调用API 接口函数实现的。设计人员通过API访问不同对象并调用该对象下的属性和方法，然后编写程序实现不同功能。利用API接口实现工程图调整流程如图3所示。
首先要激活工程图模板中的工作对象，工作对象主要包括视图对象、表格对象、细节项目对象与图纸对象4类。尺寸标准、零件序号位于视图内，属于视图对象；图纸大小和图纸比例属于图纸对象，以此类推。定义相关变量，包括将API 函数类实例化为具体对象，以及定义参数变量等，为后续设置对象属性与建立数学关系式作准备。提取对象和建立约束，就是将工作对象中的各个参数值按照对应的函数建立约束关系。返回对象值是指将经过计算后的结果重新返回给API 对象，从而改变工程图上的可视化对象位置或属性值。
4应用实例
锅筒参数化设计系统是中国船舶重工集团公司某研究所的企业委托开发项目，锅筒参数化设计系统通过SolidWorks API函数，建立DLL 插件，生成与Solidworks工具平行的插件，使得操作更为直观。用户点击位于Solidworks顶部菜单选项中的“锅筒参数化设计”按钮，进入到用户登录界面。当输入正确的用户名和密码后，进入到设计系统界面。
在数据初始化栏里选择相应的合同类型，输入合同号，完成筒体、封头、备用口、安全阀口、加药口等所有管口的数据配置之后，点击驱动模型，即可完成所有零部件的驱动和装配，最后生成锅筒的总装几何模型，如图4所示。然后进行干涉检查和总装工程图和零件工程图生成。
5结语
基于设计模板，以SolidWorks为三维软件平台，以VB.NET为语言二次开发参数设计了本系统，采用了Microsoft SQL Server 2008 R2进行产品设计数据存储管理。经过多次对参数设计系统测试，对生成的工程图纸人工审核，证明引入的设计模板技术是可行的，提高了系统的快速设计性能。从三维建模到全自动工程图生成所耗时间缩短了30%，大大提高了系统的参数化设计能力及效率。整个过程通过系统自动实现，无需人工干预，从根本上提高了企业产品研发设计效率。
参考文献：
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[3]陆长明，郑姝，盛炎发.利用设计模板提高客户满意度的产品设计方法[J].现代制造工程，2014 （4）：117120.
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[5]于红英，唐德威，伞红军.汽轮机叶片参数化设计关键技术研究[J].计算机集成制造系统，2006，12（10）：15371542.
[6]汪永辉.基于产品工作原理的变型设计技术研究[D].上海：上海交通大学，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]邹昌平，黄志真，孙翠微，等.基于 Visual C++的 SOLIDWORKS 三维标准件库[J].现代制造工程，2002（10）：4143.
[9]董天阳.智能装配规划中的若干关键技术研究[D].杭州：浙江大学，2005.
[10]黄启良，王宗彦，吴淑芳，等.参数化变型设计中工程图调整技术优化研究[J].图学学报，2011 （1）：168173.
[11]陆春月，王宗彦，郭星，等.三维环境下的工程图自适应优化技术[J].图学学报，2012，33（1）：1924.
责任编辑（责任编辑：杜能钢）
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更新时间：2024/12/23 1:22:04