起重机参数化设计技术研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 4.95MB 107 页 15积分
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摘 要
CAD技术的出现对起重机产品的设计实现了一个质的飞跃。随着实践的进一
步加深，出现了参数化设计技术。参数化设计技术解决了起重机设计过程中的大
部分的重复设计。本文通过对起重机参数化技术进行研究，得到以下成果。
通过对基于约束的参数化设计研究。为了便于实施参数化设计，笔者首先提
出起重机的知识重用。为了更好地使知识进行重用，对起重机进行模块划分。模
块划分提高了知识的使用效率，使设计知识便于组织和管理。在计算机中，用数
据库技术对设计知识进行管理。利用CAD的二次开发实现设计知识在三维模型中
更替。三维模型是起重机设计结果的表现形式之一，三维模型中融合设计知识，
对零件进行参数分析，进而开展零部件的三维参数化。零件建模有三种方式：交
互式、程序建模、模板驱动建模。建模时，零部件中融入了设计知识。模块的参
数化建模后，把参数化的模块组合成一个具有设计知识的起重机模型，在装配体
中只需把新的设计知识替换原模型的设计知识，从而得到具有新设计知识的起重
机三维模型。该方法使用简单，而且出错率低。工程图纸是技术交流和加工零件
的重要文件，在参数化设计中，如何解决工程图的自动化输出也是至关重要的。
文中利用基于历史参照的方法实现起重机工程图自动化。该方法会出现一些问题，
如尺寸漂移、视图不整洁等，文中解决了这些问题。最后利用前面几章的研究成
果，文中对起重机起升机构进行参数化系统的设计开发。从机构的结构和工作原
理分析开始，到设计知识的提取及这个系统的实现进行分析。系统利用了实例推
导，先找到最相似的模型模板，然后进行模板的设计知识的修改，最后得到客户
满意的三维模型与工程图纸。该设计系统已经成功运用于某起重机厂，极大地提
高了工作效率，应用价值很高。本文研究的有效性和可行性得以验证。
关键词：CAD 参数化设计 二次开发 设计知识 三维模型 工程图
起升机构
ABSTRACT
The emergence of CAD technology makes a qualitative leap of the crane design.
With the further practice, there has been parameter design. Parametric design of crane
technology can solve a lot of redesign in the design process. Based on the research of
crane Parametric Technology, the following results were obtained.
Conduct an investigation into constraint-based parametric design. In order to
facilitate the implementation of parametric design, author first proposed a crane
knowledge reuse. In order to better enable knowledge reuse, the crane makes module
division. Module division to improve the utilization of knowledge, make easier to
organize and manage the design knowledge. In a computer, using database manage
design knowledge. CAD re-development completes the update of design knowledge in
three-dimensional model. Three-dimensional model is one result of the crane design and
the model of the crane has knowledge. Parametric three-dimensional model is the key.
To create parametric parts analyzes parameters of part. There are three ways of
Modeling, the interactive part modeling, program modeling, the template-driven
modeling. Modeling part integrated into the design knowledge. After parametric the
modeling of module, parametric modules combined into a knowledge of the crane
model. In order to get a new design knowledge three-dimensional model of crane, we
make new design knowledge simply replace the original model design knowledge. The
method is simple and less error. The drawing is a technology exchange and the
information of processing parts, how to solve the automation of the drawings in the
parametric design is essential. In this paper, the method used to achieve based on
historical reference to the parameters of the crane engineering drawings. This method
may arise some problems, such as the drifting dimension, the view is not alignment and
so on. The paper details how to solve these problems. Based on the above study, make
the parametric system of hoisting mechanism design and development. From the
structure and working principle of analysis, extract the design knowledge，realization
of this system are summarized. Because the parametric design using the examples, so
first find out the most similar model templates and then get satisfactory results by
changing hoisting mechanism of design knowledge in three-dimensional model. The
design system has been successfully used in a crane factory, greatly enhancing the
efficiency. Effectiveness and feasibility of this study is validated.
Key Words: CAD, Parametric Design, Re-develop ，Design
Knowledge,Three-Dimensional Model ，Drawing ，
Hoisting Mechanism
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 课题的来源 .......................................................................................................1
§1.2 研究的目的和意义 ...........................................................................................1
§1.3 起重机概述 ......................................................................................................2
§1.4 起重机设计的发展现状 ..................................................................................3
§1.4.1 国外起重机设计的发展现状 ................................................................3
§1.4.2 国内起重机设计的发展现状 ................................................................4
§1.4.3 参数化设计 ............................................................................................5
§1.5 课题研究的内容 ...............................................................................................7
§1.6 本章小结 ..........................................................................................................8
第二章 基于约束的参数化设计 .....................................................................................9
§2.1 约束的定义与分类 ...........................................................................................9
§2.2 几何约束表达 .................................................................................................10
§2.2.1 几何约束的无向图表示 ......................................................................11
§2.2.2 几何约束的有向图表示 ......................................................................12
§2.3 几何约束的求解 ............................................................................................13
§2.3.1 几何图元 .............................................................................................13
§2.3.2 几何约束 .............................................................................................13
§2.3.3 欠约束和过约束处理 .........................................................................15
§2.3.4 几何约束求解 .....................................................................................15
§2.4 本章小节 .........................................................................................................16
第三章 起重机参数化设计的关键 ...............................................................................17
§3.1 起重机设计知识重用 ....................................................................................17
§3.1.1 起重机设计知识的重用模型 ..............................................................18
§3.1.2 起重机设计知识 ..................................................................................19
§3.1.3 实例-减速器底座设计知识重用 ........................................................ 19
§3.2 起重机的模块化 ............................................................................................22
§3.2.1 模块化定义 ..........................................................................................22
§3.2.2 起重机的模块划分 ..............................................................................23
§3.3 参数化设计中数据库技术应用 .....................................................................26
§3.3.1 Access 数据库 ..................................................................................... 26
§3.3.2 ADO 数据库访问技术 ........................................................................27
§3.3.3 参数化设计中的数据访问和管理 ......................................................29
§3.4 CAD 的二次开发 ........................................................................................... 32
§3.4.1 二次开发的概述 ..................................................................................32
§3.4.2 CAD 软件二次开发模型 .................................................................... 33
§3.4.3 solidworks 软件的二次开发 ............................................................... 34
§3.5 本章小结 .........................................................................................................36
第四章 基于设计知识的起重机三维参数化 ...............................................................37
§4.1 基于知识的三维建模 .....................................................................................37
§4.2 起重机中零部件参数化 .................................................................................39
§4.2.1 起重机零部件模型的参数分析 ..........................................................39
§4.2.2 交互式驱动法 .....................................................................................43
§4.2.3 程序驱动法 .........................................................................................46
§4.2.4 模板驱动法 .........................................................................................49
§4.3 起重机中装配体参数化 ................................................................................50
§4.3.1 自下而上与自顶而下的设计方法 ......................................................50
§4.3.2 零部件之间的关系 .............................................................................51
§4.3.3 基于知识的起重机装配体参数化 .....................................................52
§4.4 本章小结 .........................................................................................................56
第五章 起重机工程图自动生成和优化 .......................................................................57
§5.1 工程图的自动生成 .........................................................................................58
§5.1.1 工程图模板的制作 ..............................................................................58
§5.1.2 工程图中视图优化前处理 .................................................................61
§5.1.3 起重机参数化工程图的生成步骤 .....................................................61
§5.2 工程图的优化 .................................................................................................62
§5.2.1 尺寸调整与零件序号调整 ..................................................................62
§5.2.2 明细栏自动生成与调整 ......................................................................64
§5.2.3 视图调整 ..............................................................................................65
§5.3 工程图输出 ....................................................................................................70
§5.3.1 视图比例问题 .....................................................................................70
§5.3.2 线形比例问题 .....................................................................................73
§5.3 本章小结 ........................................................................................................74
第六章 起升机构参数化设计系统开发 .......................................................................75
§6.1 起升机构的介绍 ............................................................................................75
§6.1.1 起升机构的组成 ..................................................................................75
§6.1.2 起升机构的工作原理 ..........................................................................76
§6.2 起升机构的基本设计知识 ............................................................................77
§6.3 实例推理思想以及在本系统中的运用 .........................................................82
§6.3 起升机构参数设计系统平台 .........................................................................86
§6.3.1 零件库 .................................................................................................87
§6.3.2 模板库 .................................................................................................89
§6.3.3 软件参数界面实现 ..............................................................................92
§6.4 本章小结 ........................................................................................................96
第七章 总结与展望 .......................................................................................................97
参考文献 .........................................................................................................................99
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...........................................102
致 谢 ...........................................................................................................................103
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1课题的来源
本课题来源于上海起重机有限公司的数字化参数化设计平台。该公司的起重
机产品在设计过程耗时长是影响产品按期交货的关键因素，而其中设计存在问题
有：①进行变型设计时，设计工作量大、重复率高。大大降低了技术人员的设计
效率，而且不利于新产品的设计和开发。②分类困难，标准化工作较差，设计绘
图的随意性较强，导致“新“的设计大量出现，使设计更加杂乱无章，无规律可
循，难以很好地实现设计图纸共享和知识的继承。在实践中通常对设计进行反复
修改，使零部件的尺寸和外形等综合优化，形成了起重机产品的系列化规格型号，
能够满足不同客户需求。原始的CAD系统设计出来的产品设计方案只是几何元素
的简单组合，不包含设计思想，对设计方案进行修改非常困难。起重机参数设计
技术的出现为解决这些问题找到了出路。
§1.2研究的目的和意义
起重机械在工业中的应用范围越来越广，作用越来越大，对起重机性能提出
了更高的要求。起重机在国民经济各部门、各行业正在发挥着愈来愈重要的作用。
同时，无论是技术性能、质量，还是交货时间，用户对起重机提出愈来愈高的要
求，而产品生产及质量保证的关键是设计。因此如何进行快速可靠的设计，成为
当前起重机制造业的核心问题。一直以来起重机械的设计中，主要的设计方法是
半理论、半经验的设计法同类比法、直觉法相结合的传统方法，存在着耗时长、
设计准确性低、设计反复性多等问题，标准性也很差，不同的人员设计出来的设
计方案差异很大。在实际的应用中，我们发现不但经常需要对同种类型的规格不
尽相同产品做相似性设计，而且相同规格的产品也存在大量的相似设计。例如在
起重机设计中有些设计只是某些具体的数值不同，但其机构计算的过程和方法的
流程基本相同，但是我们却要浪费很多时间做很多重复性的工作。起重机企业的
成败关键在于是否可以有效缩短研发周期并将产品快速投放市场。由于很多起重
机产品都是改进型设计，并且大约77%的旧产品设计知识在新产品中被重新利用，
参数化设计技术的应用程度就成为新产品设计研发时的重中之重。在起重机机械
设计中，通过对基本结构相似的零部件进行系列化的归纳和分类，设计人员只要
在计算机上输入设计参数，就可以自动进行设计装配，同时生成对应的零部件图
起重机参数化设计技术研究
2
纸。上海起重机厂为了解决设计周期长，缩短设计时间，进而开发出来针对起重
机的智能化参数化设计系统解决做方案图和施工图的时间不够的问题。传统的手
工设计需要几天的时间，而采用参数化技术后，只需要几分钟，大大提高工作效
率。而且计算机的出错率极低，设计的准确性得到了保证。广泛应用参数化设计
技术，取得了巨大的经济、社会效益。本课题研究基于约束的参数化设计技术，
提出了起重机参数设计的关键，并对三维参数化驱动技术与工程图自动生成进行
研究，由此开发出针对起重机起升机构参数化设计系统，采用参数化设计的思路
与方法进行设计，以解决快速多样的设计问题。通过参数化设计技术我们可以减
少很多这样的工作，让技术人员把更多的时间精力放在创新设计上。
§1.3 起重机概述
人类文明五千多年的发展历史中，搬运物料一直便是人类活动的重要组成部
分。起重机械是用来对物料进行起重、运输、装卸或安装等作业的设备。它在国
民经济各部门都被广泛的应用，起着减轻体力劳动、节省人力，提高劳动生产率
和促进生产过程机械化的作用。近年来，随着世界销售市场对起重机械需求量的
不断增加，为了提高生产设计效率国内外起重机制造企业在生产中不断采用优化
设计、机械自动化设计和自动化设备等。起重机的主要零部件包括：起升机构，
行走机构（大车和小车），主梁，电控和供电等。国内企业差距最大的应该是起
升机构（电动葫芦和卷扬机），在安全和保护方面，机构非常原始和可靠性不高。
这和中国起重机行业配套元器件供应企业的落后水平有关系。起重机械广泛应用
于工矿企业、港口、码头、车站仓库、建筑工地、海洋开发、宇宙航行等各个工
业部门，可以说陆地、海洋、空中、民用、军用各个方面都有起重机械在进行着
有效的工作。起重机械与运输机械发展到现在，已经成为合理组织成批大量生产
和机械化流水作业的基础，是现代化生产的重要标志之一。今后，起重机未来的
发展趋势为[1, 2]：
(1)自动、智能、集成和信息发展。
(2)向大型、高效、无保养和节能发展。
(3)向成套、系统、综合和规模发展。
(4)向模块、组合、系列和通用发展。
(5)采用新的理论、方法、技术提高起重机设计质量，计算机辅助设计和辅助
制造系统的集成，实现起重机设计与制造一体化。
(6)采用新材料和新工艺等提高起重机性能。
第一章 绪论
3
§1.4 起重机设计的发展现状
§1.4.1国外起重机设计的发展现状
在国外，起重机的设计已经从计算机辅助设计系统的应用发展到起重机设计
的参数化、模块化设计。利用新的设计手段，不同类型和不同规格的起重机产品
通过模块进行组合。由于在对起重机进行模块划分时，我们划分原则是功能基本
相同相似，而模块通过相同或相似的连接要素可进行互换，所以模块的组合非常
便捷，对起重机某个部件进行升级也更加容易。该设计方法使起重机行业的技术、
管理和生产的水平得到了提高，极大地加快了产品的更新换代。
目前全球对大型起重机械的市场需求量不断增加，为了占据更大的市场份额，
国外起重机制造企业在生产中地大量采用优化设计降低成本，采用机械自动化和
自动化设备去提高劳动生产率。近些年来，计算机辅助设计(CAD)已逐步深入到设
计生产每个细节中，调查资料表明[3, 4]日本、美国、德国等发达国家的CAD在起重
机行业被广泛应用，它们彻底淘汰了传统的手工绘图，把计算机辅助工艺规划
(CAPP)和计算机辅助制造(CAM)相集成，实现了无图纸生产起重机。
模块化和组合化时充分考虑整机、机构、零部件相互间的参数的合理性，能
够使起重机的性能分布达到最经济最合理的效果[5]。德国德马格公司(DEMAG)生
产的各种起重机正是采取这种方式。把起重量与起升速度相乘得到的一个常数，
该方法的目的在于使起升机构的零部件达到最大限度的通用，结合滑轮组倍率的
变化形成丰富的规格提供给客户。在5一120t桥式不同的工作级别起重机系列中只
需配备4种基型的小车。该公司的端梁与主梁之间采用摩擦环和高强度螺栓的连
接，提高了尺寸精度和替换性，接合面减少了加工量，快速有效与任何的主梁相
配合。
欧美一些发达国家都采用三维模块化、参数化设计手段来提高起重机的设计
效率，改进起重机机械设计手段。国外起重机厂商为了能迅速制造和装配出品种
多样化的起重机来，要求起重机零部件供应商等之间密切联系和协调，使起重机
走向专业化、标准化和系列化[6,7]。综合国外调查研究资料表明[8,9,10]，发达国家的
模块化、参数化设计技术已经很好地应用于起重机设计制造过程中，德马格起重
机公司就是起重机行业的一个典范，其技术已经位列世界起重机设计、制造技术
的顶端。
起重机参数化设计技术研究
4
§1.4.2国内起重机设计的发展现状
目前，国内起重机生产商有上海起重机有限责任公司、大连大起集团有限责
任公司、太原重型机械有限公司、三一重工、上海振华港机、卫华集团、广州起
重机械有限公司、山东起重机厂有限公司、宁夏银起集团有限责任公司等。随着
国内的起重机生产厂家设计和制造工艺水平不断的提高改进，市场份额提高，占
据了国内大部分和国外部分，特别是太原重型机械有限公司在大吨位起重机、上
海起重机有限责任公司在小吨位起重机生产方面处于国内的领先地位。
由于近些年来实行积极宽松的货币政策，促进对于起重机机械的需求不断的
提高。有1000万以上销售额的起重机生产企业大约为210家，销售收入约为28亿元
人民币。1000万以下的非国有起重机企业估计为一千多家，销售收入约为10亿元
人民币。进口起重机约为5亿元人民币。CAD技术与计算机辅助工艺规划和计算机
辅助制造在起重机设计制造领域的广泛应用，缩短了加工周期提高了设计效率，
减轻了工作人员的劳动强度。
对比发达国家起重机设计技术，我国的起重机设计面临巨大的挑战，有待进
一步提高与改进。据笔者从多方面的资料了解，国内很多高校都在联合起重机企
业进行起重机机械的参数化设计研究工作，目标在于提高起重机的设计水平，缩
短起重机设计周期，提高新起重机的研发能力。特别是上海理工大学、大连理工、
华中科技大学以及一些科研单位开展了起重机的模块化、标准化、参数化、智能
化设计研究，开发了一些基于CAD的起重机参数化设计系统。中北大学的王宗彦
[11,12,13]等起重机的三维参数化设计进行了研究，并在SolidWorks软件平台上开发了
起重机桥架、门式起重机门架的三维参数化设计系统，提高了起重机的设计效率。
太原重型机械(集团)有限公司对桥式起重机的三维参数化设计进行了研究，通过大
量的实践，提出大型部件实用建模方法和建库方式，解决零部件参数化建模效率
不高的问题。此外，武汉科技大学的乔慧丽等研究了基于参数化和模块化的门式
起重机设计。在研究门式起重机的参数化模块化设计过程的基础上，提出了实现
门式起重机设计模块化的整体方案、模块管理方法以及模块化产品的产品结构管
理系统。大连理工对起重机的模块化设计遇到的问题进行了研究，为了解决起重
机模块数量和模块大小之间存在的问题，在起重机的模块化划分上提出了新的划
分方法，同时也解决了起重机模块内部结合度不高，起重机模块间结合度强，起
重机模块间接口复杂等缺点。
综上所述可知[14~18]，国内对参数化设计技术进行了大量的研究，理论、方法
日渐成熟，利用CAD系统进行三参数化设计已经有一些成果，但是将CAD系统三
摘要：

摘要CAD技术的出现对起重机产品的设计实现了一个质的飞跃。随着实践的进一步加深，出现了参数化设计技术。参数化设计技术解决了起重机设计过程中的大部分的重复设计。本文通过对起重机参数化技术进行研究，得到以下成果。通过对基于约束的参数化设计研究。为了便于实施参数化设计，笔者首先提出起重机的知识重用。为了更好地使知识进行重用，对起重机进行模块划分。模块划分提高了知识的使用效率，使设计知识便于组织和管理。在计算机中，用数据库技术对设计知识进行管理。利用CAD的二次开发实现设计知识在三维模型中更替。三维模型是起重机设计结果的表现形式之一，三维模型中融合设计知识，对零件进行参数分析，进而开展零部件的三维参数...

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