内蒙古自治区特种设备检验院 呼和浩特 010000
摘要：在我国快速发展过程中，经济在快速发展，社会在不断进步，分析了三维设计及协同平台的优势，介绍了自顶向下的设计方法，探讨了邢件标准化、模块化和参数化的解决思路，并结合三维设计在其他行业的Ｚ１用情况以及起重机行业现状，提出了适用于起重机的三维设计方去。
关键词：起重机；三维；设计
引言
桥式起重机是一种结构形式相对稳定,系列件、通用件和相似件占相当比例的产品。选择一种结构较为通用的机型作为样机,建立一套完整的零部件三维模型和与此相关连的、全面的工程设计详图,采用三维设计软件完善的参数化设计功能,对系列件、通用件,完成其所有规格的系列设计;对相似件完成主要参数控制的相似设计,形成大量模块化的快速设计。如此,大部分零部件的模型和工程图就可由计算机自动完成,设计人员只需做组装、特殊零部件的设计和局部修改,即可完成产品设计。本文结合工程实例,以三维软件SolidWorks为平台,着重讨论三维参数化技术在桥式起重机产品中的开发和应用及应注意的问题。
1起重机分层装配的意义
由于起重机设备中涉及的零部件种类繁多,数量较大,因此起重机零部件的装配采用分层装配方式,即先由单个零件组装成为小型功能体(小部件),再由小部件组装成为较大的部件,最后将各个部件组装成为整体设备。究其原因,有以下几点:(1)起重机设备装配的需要起重机所涉及的零件数量十分庞大,若从基本零件开始整台设备的安装工作,不符合装配的设计要求和装配的实际情况。在实际安装施工中是以设备厂家所提供的零部件为基础开始装配工作的,而不是由设备生产厂家提供设备的单个零件,最后将零件逐个安装成为整台起重设备。(2)模拟装配的需要起重机中所包含的零件数量很大,装配到起重机装配体中的零件模型的数量也很多。而在三维设计平台上进行装配时,设计平台系统会将装配关系按照装配的先后次序添加到装配关系组中。在单个零件基础上进行整台起重机的装配时,会使起重机装配体中的装配组过大,不便于用户查看、编辑和修改装配关系等。设计平台系统在添加装配关系以及在对装配体进行更新操作时,系统会自动分析装配关系,一旦装配约束中出现无法确定的或是相互矛盾的约束关系,系统就会给出在配合组内含有错误的配合关系的提示,将系统无法确定的装配关系全部提示给用户,对其进行修改。这样,若将单个零件依次加入起重机小车中,那么整台起重机在装配完后所形成的装配关系就更多,此时若出现一个错误的装配关系,系统提出的相互矛盾的装配关系可能有好几百个,给判断装配失效错误的装配关系制造障碍,影响了处理工作,迫使装配重新开始。(3)提高设计通用性的需要在设计过程中,如果采用在起重机装配体中以零件为单位依次添加装配关系,那么换一个设计时所有的装配工作都得从头开始,此时,能够重复使用的是零件的模型,而装配体是无法重用的,极不利于设计的通用化和减少重复劳动的要求。综合上述原因,建议在起重机的装配过程中就采用分层装配的技术,提高部件装配体的通用性,降低装配工作的难度,便于装配体的编辑和修改。
2起重机三维设计探讨
2.1自顶向下的装配设计
一个起重机可以理解为，彼此间具有已知装配关系的许多零部件组成的装配体，高一级的装配体可拆分成下一层次的子装配体，如此拆分下去，装配体最终拆分成各种零件。如何表达装配关系是建立产品装配模型的要点，装配关系的表达有赖于装配特征的构建。装配关系可分为位置关系、连接关系、配合关系和运动关系。
采用自顶向下的装配设计，先从起重机的概念和需求开始，确定产品的初始功能。再根据基本功能用二维框架设计，创建装配骨架模型，考虑根据零部件的外形尺寸来预先确定边界范围。最后逐步向下至零件的结构映射，不断芫善零部件模型，直到完成各零部件的详细设计。这样，所有的装配关系都包含在建立的骨架模型中。使用三维软件及其自带的多功能模块作为设计的工具，采取自顶向下的设计方式进行起重机的设计，首先需要建立起重机的骨架模型。基于骨架模型，实现了起重机的整体框架、不同零部件的相对位置和连接装配等的表达。然后，项目组的设计人员只需在骨架模型上操作，细化相关模型，就可以把有限的精力集中在相应的零部件的结构设计。起重机设计的初始阶段，就将起重机的设计意图、主要功能、关键约兒、配合关系等軍要信＆确定下来。在讲行详细设计时重要信＆也一起分配到项目的各个设计成员手中。这样，各个成员在共同的骨架模型约束下．才能在各自的边界内顺利地芫成各子零部件的详细设计，以保证其形状和装配的精度，而不出现装配方面的冋题。也有利于实现各个项目成员进行协同设计，同时开展不同部件的设计。同传统的二维装配草图相比，三维装配骨架模型可以更直接、更精准地表达工作人员的设计Ｓ路，并在装配骨架模型设计阶段，进行初步模型的一些干涉和间隙检查，有效避免把冋题带入下一个设计阶段，保证了设计质量，提高了设计效率。针对整个设计过程中暴露出的冋题，设计人员能随即修改骨架模型。通过对装配骨架模型的调整，实现对起重机整机设计方案的修改。并且进行的修改会依据原始定义的相互之间的装配关系和约束，实现从上到下的传播，从而映射整机整体功能和结构的改变。此外，在详细设计的阶段，对各零件结构的局部进行深入设计后．也可以反向驱动修改整机的相关结构。并且零部件结构形状的修改，不会影响由装配骨架模型确定的起重机整体的装配．这为产品优化设计和不同型号同类产品的设计提供了很好的保障。
2.2装配关系的确定
在三维设计平台上,各零部件之间的装配关系通过装配约束来确定,装配约束确定了不同零部件之间点、线、面之间的相对位置关系,设计者则通过这些关系的组合来达到确定零部件之间位置关系的目的。但是,在添加装配约束时应当采用与实际装配相一致的装配关系,避免采用装配关系传递方式来确定零部件之间的位置。当模型上现有的点、线、面不足以或不便于确定零部件之间的相对位置关系时,可以考虑在零部件模型上创建辅助特征(如工作平面、工作轴线、工作点等)来确定零部件之间的装配关系。
2.3输入数据通过程序控制零部件初始设计
对大型部件的参数化设计,其主要参数的选择从十几个到几十个,且往往受到众多工程因素的制约,如钢板厚度、型钢尺寸等受供应商的限制。它们的选择往往需要通过以上种种约束的检验,这都不是三维设计软件力所能及的,必须使用像VB、VC这样的编程语言,做针对各种分析计算和表格的操作。另外,在二维设计的环境下,也开发了许多零部件的参数化设计,其中的基本数据生成模块不需做大的修改就可为三维设计直接使用。三维软件一般都提供了与编程相连的API接口,它几乎可以完成所有的三维设计命令,可以通过这一功能完成计算数据与三维模型的连接,完成参数驱动的初始设计。
结语
结合产品特点,发挥三维软件参数化设计的优势,形成大量的模块化通用零部件、相似结构件、机构件的系列设计或参数化设计,完成相似零部件乃至产品的快速设计,建立企业通用件库支持设计调用,进一步形成专业化、智能化的CAD系统,是提高设计效率和新产品开发能力的发展方向。
参考文献
[1]梁海奇.基于大装配的产品装配建模研究.制造业自动化,2000(6).
[2]张质文,虞和谦,王金诺,包起帆等.起重机设计手册.北京:中国铁道出版社,1998.