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基于CIPE的桥式起重机快速设计方法

摘要:介绍了计算机集成产品工程CIPE的基本原理及设计思想,提出了自顶向下的装配体建模技术,给出了桥式起重机设计的CIPE体系结构,开发了基于系列设计与典型变型零部件的自动化控制程序,实现对桥式起重机快速、高效的设计。

关键词:CIPE;桥式起重机;产品结构重组;变型设计

1. 引言

在对桥式起重机的开发生产过程中,产品设计周期占了整个周期的很大比重,而国内起重机设计长期面临着设计能力和创新能力不足等劣势,所以导致了设计效率较低,开发成本较高等问题。计算机集成产品工程CIPE(Computer Integrated Product Engineering)从业务过程重组、产品结构重组和信息技术重组出发,在先进信息技术的支持下,通过建立可变型的产品模型,满足新产品和变形产品设计的需要【1】。在CAD设计的基础上,结合桥式起重机的结构特点,运用CIPE设计思想,通过产品结构的模块化、零件的标准化、图档的规范化和设计的并行化来最大限度地提高产品开发设计的工作效率、提高产品质量,降低成本,提高企业的市场竞争力。

2. CIPE的基本原理及设计思想

2.1 CIPE基本原理

长期以来,制造企业产品开发设计过程中存在着许多问题,这些问题主要(1)企业通常只将CAD系统作为替代图版的绘图工具,而非设计工具;(2)不能充分利用和管理已有的零部件资源;(3)缺少可变型的产品模型。CIPE正是针对这些问题而提出的一种解决方案,CIPE将注意力集中在产品的开发设计阶段,进行设计过程重组,产品结构重组和技术信息重组,重点解决缩短产品的开发设计周期:提高产品开发设计质量问题。CIPE强调在产品开发设计过程重组的基础上,通过标准化和规范化尽可能减少零部件数量,建立集成的智能产品模型和跨功能的并行环境,以充分挖掘开发设计领域中极为客观的时间和费用的潜力【2】。CIPE的核心是尽量减少零部件种类,以实现下游各环节及各种技术文档的简化和合理化,通过对零部件几何特性及参数的分析来快速完成相似件的设计,这样标准化、模块化和参数化就成了CIPE思想的一个重要过程。

2.2设计思想

桥式起重机是一种结构形式相对稳定,系列件、通用件和相似件占一定比例的产品。基于CIPE的基本原理,规范桥式起重机产品定义的过程与内容,以有效地控制由于设计的随意性而造成产品构成的多样性。将桥式起重机进行多级模块的划分,例如:桥式起重机可以分为桥架、小车架、司机室等,桥架又可以分为主梁、端梁、副主梁以及附属钢结构等,利用模块化并行设计。分析桥式起重机所有零部件并将零部件进行重组分类,归为标准件与通用件,典型变型零部件,特殊零部件3类,并利用3种不同的设计方法来完成对这3类零部件的设计。(1)标准件与通用件可直接根据所需标准在先前建立好的标准件与通用件库中选型;(2)典型变型零部件是在原有典型零部件的基础上,通过某些参数和尺寸关系的改变,来完成变型的相似设计(即参数化设计);(3)特殊零部件的设计是先讨论其在各种条件下的变型可能,最后归结为在某种条件下的典型零部件变型设计【3】。

3 . 桥式起重机设计的CIPE体系结构

在CIPE环境下,综合分析桥式起重机模块化、系列化的结构特点,充分考虑桥式起重机设计开发的过程重组、结构重组、信息技术重组。如图1所示,在C1PE思想的指导下,继承并发展精益生产的 简化 、成组技术中的 相似 、并行工程中的 并行 、计算机集成制造的 集成 。从设计过程重组出发,分析桥式起重机设计过程中需要运用到的全新设计、系列设计和变型设计3种设计方法,通过对桥式起重机模块的划分,零部件的分类,标准化规范化的建模方法和参数化设计过程来实现产品结构的重组,利用关系型CAD系统和规范化图档管理来完成信息技术重组。将CAD系统与设计方法学有效地结合起来,利用程序语言控制CAD系统来完成整个桥式起重机的自动化设计,达到高效、有序的设计目的。

4. CIPE思想下的桥式起重机设计过程

桥式起重机主要由桥架、小车架、起升机构、电气部分等构成,桥架是桥式起重机结构件的主要部分,桥架又可以划分为由主梁、端梁、副主梁、附属钢结构(栏杆、梯子、走台等)等关键模块,以下的设计过程主要是针对桥架进行的,图2为桥式起重机桥架的一种典型结构形式。

4.1桥架零部件分析及参数分析

桥架产品也和其他产品一样是由标准件与通用件、典型变型零部件、特殊零部件组成,标准件与通用件设计十分方便,可以通过调用事先建立好的标准件库来完成设计,典型变型零部件也可以通过尺寸约束关系的参数化设计来完成。零部件分析的目的就是尽可能地让更多的零部件归入标准件与通用件,典型变型零部件。首先国标件(螺栓、螺母、垫圈、定位销等)可以直接归人标准件与通用件类,另外主梁上的门,走线孔镶圈、吊耳、槽钢、角钢这些零部件在长期的设计过程中,其形状特征都已经基本固定,并且都已经形成了自己的标准系列,所以,这些零部件也可以归入标准件与通用件类。在多次的设计经验中,发现主梁的头部形式也基本是有规律变化,主梁头部的形状尺寸是依车轮直径R和头部高度H有规律的变化,这样,整个主梁头部就可以做成一个系列,设一个系列对应着数据库中的一组数据,通过数据库管理实现主梁头部的变型设计。桥架上大部分的板件设计都是在一组典型模型的基础上,根据尺寸约束关系的变化来完成的,这类零部件都可以归入典型变型零部件,包括桥架上各梁的腹板、盖板、连接板等。还有一少部分零部件在设计过程中变化比较灵活,其基

本形状或位置都可能发生变化,分析零部件其中一个主要的任务就尽量减少甚至消除此类零部件,将其尽量地归人典型变型零部件,例如焊接坡口的零部件,其坡口开口形式根据板厚等因素的影响会产生K型、V型等不同坡口,形式不定,对这类零部件的设计需要对各种可能的情况进行判断分析,然后归入典型零部件进行参数化设计。

通过对桥架零部件的分析,发现典型零部件占了整个桥架零部件的80%以上,也就是说桥架大部分零部件的设计都是通过参数化设计来完成的,所以参数分析就至关重要了。零部件参数分析是为了减少零部件参数,从而达到简化设计过程甚至加工过程的目的。分析零部件主要依据以下原则:与多个零部件相关联的整体结构尺寸设为全局参数;决定单个部件结构尺寸的参数设为局部参数;独立不影响其他零部件的参数设为无关参数。这样逐步分析,避免多余参数和重复参数,提高设计效率。

4.2标准化规范化建模技术

通过设计过程的重组,最后选取系列设计,与变型设计(参数化设计)2种方法,由于全新设计无法继承以往的设计经验,且设计过程中没有规律性,影响设计效率,所以在前面零部件分析的时候,已经避开了这种设计方法。系列设计与变型设计都需要有自己的建模过程,所以,建模的标准化与规范化直接影响到设计过程。建模过程包括零部件建模与装配体建模。

(1)零部件建模利用标准模板来规范建模过程,统一各零部件的名称格式、技术信息、细节项目等。零部件标准化规范化建模不是简单的模型制作,建模过程中包含了设计过程重组与结构重组的所有技术信息,遵循如下原则:建模过程中反映特征参数,且能清晰而不重复地描述零部件的特性;着重突出变型设计所必须的可变参数特征;建模过程中体现几何体尺寸、精度及材料等信息;结合工艺方法进行分步特征建立,反映图档管理中基本信息。

(2)装配体建模装配采用自顶向下的建模方法。这种设计过程完全从概念设计开始,使零部件在设计过程中不断完善,同时可避免重复设计,能最大限度地发挥设计人员的设计潜力,提高设计效率。所有零件和子部件原则上采用3个基准面和结构控制草图中的草图线段进行定位,不用其他零件定位,以避免个别零件更换或丢失造成整个装配体的混乱,所以,在进行装配之前要全局地考虑整个装配过程,布局好装配草图。若是零部件的一些局部尺寸在装配图中难于表达,则可通过方程式或父子关系建立与装配图中变量的关联。

4.3自动化控制程序设计

系列设计与参数化设计最终都是通过程序控制实现的,利用可视化编程语言结合三维造型CAD的应用程序接口(API),设计人机交互界面,实现对零部件及整个产品的设计。本例中采用的Visual Basic编程软件和Solidworks三维建模软件。

(1)系列设计在设计过程中,标准件与通用件都可以形成自己的一个系列,这样就可以利用数据库技术,将每个标准系列建立一组与之相对应的数据存贮在数据库中,这些系列数据直接与模型库相链接。例如对8轮主梁头部标准的设计,采用Microsoft Access数据库。8轮主梁总共有6套标准,其梁高、头部高度等参数随着车轮直径的变化而变化,这样,就可以建立一个基于车轮直径的标准系列数据库。数据库中每一组系列数据都对应着一组完整Solidworks模型,利用VB程序很容易实现对数据库的存取与调用,从而快速地完成对标准件与通用件的设计。

(2)变型设计传统的变型设计都是通过一一地改变零部件的参数来完成设计,但是对于零部件很多的产品来说,这种设计方法并不能提高设计效率。桥式起重机零部件很多,可采用整体控制局部的参数化设计思想,利用关系草图控制零部件的装配关系以及尺寸关系,通过Solidworks的关系方程式将所有零部件的尺寸及相互关系都反映在装配草图内,然后利用程序控制关系草图,通过关系草图的变化来完成所有零部件的变型设计。这种方法的程序实现也比较容易,直接利用VB程序调用Solidworks API函数来完成对草图的控制,将Solidworks中的关系方程式转换为VB程序中的程序等式,实现对零部件的变型设计【4】。

系列设计与变形设计程序控制方法组合到一起形成一个完整的桥式起重机设计系统,将整个设计步骤和过程分解为VB程序中的一个个标准模块,然后调用这些标准模块中的函数和过程来完成整体设计。主要的VB程序模块包括:openclose.bas(遍历打开/关闭模型),series.bas(系列件数据库管理),parameter.bas(关系草图参数控制),relation.bas(设置零部件相互关系),report.bas(零件多特征分布),active.bas(激活配置),modname.bas(修改零件名和参考路径)。人机交互界面主要以典型桥式起重机产品模型的二维图来表示,指定用户输入主要设计参数,进行人机会话,完成自顶向下的设计。设计界面主要有正面和截面2种,截面程序设计可在计算机相应界面完成。

(3)工程图优化零部件设计完成后,虽然

Solidworks能自动完成对其对应工程图的更新,但对模型变化比较大的情况,Solidworks无法完成对图纸信息的调整与优化,所以,仍然需要利用程序来优化,优化内容包括视图位置、视图比例、尺寸位置、注解项目位置、明细表等。工程图优

过程都能通过Solidworks中的DrawingDoc API函数来实现。DrawingDoc对象的下一级对象中常用的就是Sheet和View对象,其中Sheet对象表述的是图纸,View对象表述的是视图,它是视图上所有对象的顶层对象,通过VB语言调用这些API函数即可实现工程图的优化【5】。

4.4图档管理技术

完备的图档是设计和制造的基础,所以,当产品设计完成以后应当进行图档管理,模型入库。采用成熟的关系型数据库管理系统,并将低端和高端方式相结合,满足图档管理查询性和安全性的要求。桥式起重机各零部件模型入库方法基本一样,首先输入类别、代号、名称等信息,再指定要入库管理的桥式起重机产品模型,在数据库中建立对应的表,添加索引记录,实现图档归档入库、查询、借阅、更改以及安全权限控制等。

5 . 结论

在CIPE环境下,分析重组桥式起重机产品的零部件,对零部件进行标准化和规范化,建立可变型的产品模型,从总体上规范设计过程,实现对企业中已有产品资源的充分利用。开发了基于系列设计与典型变型零部件设计的自动化控制程序,实现对桥式起重机快速、高效地设计。该设计方法已经在太原重型机械集团有限公司技术中心成功试用,大幅度地缩短产品开发周期,降低产品成本,提高开发设计质量,并体现了可操作性强、投资少、见效快等特点。

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