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基于CIPE的橋式起重機快速設計方法

摘要:介紹了計算機集成產品工程CIPE的基本原理及設計思想,提出了自頂向下的裝配體建模技術,給出了橋式起重機設計的CIPE體系結構,開發了基于系列設計與典型變型零部件的自動化控制程序,實現對橋式起重機快速、高效的設計。

關鍵詞:CIPE;橋式起重機;產品結構重組;變型設計

1. 引言

在對橋式起重機的開發生產過程中,產品設計周期占了整個周期的很大比重,而國內起重機設計長期面臨著設計能力和創新能力不足等劣勢,所以導致了設計效率較低,開發成本較高等問題。計算機集成產品工程CIPE(Computer Integrated Product Engineering)從業務過程重組、產品結構重組和信息技術重組出發,在先進信息技術的支持下,通過建立可變型的產品模型,滿足新產品和變形產品設計的需要【1】。在CAD設計的基礎上,結合橋式起重機的結構特點,運用CIPE設計思想,通過產品結構的模塊化、零件的標準化、圖檔的規范化和設計的并行化來最大限度地提高產品開發設計的工作效率、提高產品質量,降低成本,提高企業的市場競爭力。

2. CIPE的基本原理及設計思想

2.1 CIPE基本原理

長期以來,制造企業產品開發設計過程中存在著許多問題,這些問題主要(1)企業通常只將CAD系統作為替代圖版的繪圖工具,而非設計工具;(2)不能充分利用和管理已有的零部件資源;(3)缺少可變型的產品模型。CIPE正是針對這些問題而提出的一種解決方案,CIPE將注意力集中在產品的開發設計階段,進行設計過程重組,產品結構重組和技術信息重組,重點解決縮短產品的開發設計周期:提高產品開發設計質量問題。CIPE強調在產品開發設計過程重組的基礎上,通過標準化和規范化盡可能減少零部件數量,建立集成的智能產品模型和跨功能的并行環境,以充分挖掘開發設計領域中極為客觀的時間和費用的潛力【2】。CIPE的核心是盡量減少零部件種類,以實現下游各環節及各種技術文檔的簡化和合理化,通過對零部件幾何特性及參數的分析來快速完成相似件的設計,這樣標準化、模塊化和參數化就成了CIPE思想的一個重要過程。

2.2設計思想

橋式起重機是一種結構形式相對穩定,系列件、通用件和相似件占一定比例的產品。基于CIPE的基本原理,規范橋式起重機產品定義的過程與內容,以有效地控制由于設計的隨意性而造成產品構成的多樣性。將橋式起重機進行多級模塊的劃分,例如:橋式起重機可以分為橋架、小車架、司機室等,橋架又可以分為主梁、端梁、副主梁以及附屬鋼結構等,利用模塊化并行設計。分析橋式起重機所有零部件并將零部件進行重組分類,歸為標準件與通用件,典型變型零部件,特殊零部件3類,并利用3種不同的設計方法來完成對這3類零部件的設計。(1)標準件與通用件可直接根據所需標準在先前建立好的標準件與通用件庫中選型;(2)典型變型零部件是在原有典型零部件的基礎上,通過某些參數和尺寸關系的改變,來完成變型的相似設計(即參數化設計);(3)特殊零部件的設計是先討論其在各種條件下的變型可能,最后歸結為在某種條件下的典型零部件變型設計【3】。

3 . 橋式起重機設計的CIPE體系結構

在CIPE環境下,綜合分析橋式起重機模塊化、系列化的結構特點,充分考慮橋式起重機設計開發的過程重組、結構重組、信息技術重組。如圖1所示,在C1PE思想的指導下,繼承并發展精益生產的 簡化 、成組技術中的 相似 、并行工程中的 并行 、計算機集成制造的 集成 。從設計過程重組出發,分析橋式起重機設計過程中需要運用到的全新設計、系列設計和變型設計3種設計方法,通過對橋式起重機模塊的劃分,零部件的分類,標準化規范化的建模方法和參數化設計過程來實現產品結構的重組,利用關系型CAD系統和規范化圖檔管理來完成信息技術重組。將CAD系統與設計方法學有效地結合起來,利用程序語言控制CAD系統來完成整個橋式起重機的自動化設計,達到高效、有序的設計目的。

4. CIPE思想下的橋式起重機設計過程

橋式起重機主要由橋架、小車架、起升機構、電氣部分等構成,橋架是橋式起重機結構件的主要部分,橋架又可以劃分為由主梁、端梁、副主梁、附屬鋼結構(欄桿、梯子、走臺等)等關鍵模塊,以下的設計過程主要是針對橋架進行的,圖2為橋式起重機橋架的一種典型結構形式。

4.1橋架零部件分析及參數分析

橋架產品也和其他產品一樣是由標準件與通用件、典型變型零部件、特殊零部件組成,標準件與通用件設計十分方便,可以通過調用事先建立好的標準件庫來完成設計,典型變型零部件也可以通過尺寸約束關系的參數化設計來完成。零部件分析的目的就是盡可能地讓更多的零部件歸入標準件與通用件,典型變型零部件。首先國標件(螺栓、螺母、墊圈、定位銷等)可以直接歸人標準件與通用件類,另外主梁上的門,走線孔鑲圈、吊耳、槽鋼、角鋼這些零部件在長期的設計過程中,其形狀特征都已經基本固定,并且都已經形成了自己的標準系列,所以,這些零部件也可以歸入標準件與通用件類。在多次的設計經驗中,發現主梁的頭部形式也基本是有規律變化,主梁頭部的形狀尺寸是依車輪直徑R和頭部高度H有規律的變化,這樣,整個主梁頭部就可以做成一個系列,設一個系列對應著數據庫中的一組數據,通過數據庫管理實現主梁頭部的變型設計。橋架上大部分的板件設計都是在一組典型模型的基礎上,根據尺寸約束關系的變化來完成的,這類零部件都可以歸入典型變型零部件,包括橋架上各梁的腹板、蓋板、連接板等。還有一少部分零部件在設計過程中變化比較靈活,其基

本形狀或位置都可能發生變化,分析零部件其中一個主要的任務就盡量減少甚至消除此類零部件,將其盡量地歸人典型變型零部件,例如焊接坡口的零部件,其坡口開口形式根據板厚等因素的影響會產生K型、V型等不同坡口,形式不定,對這類零部件的設計需要對各種可能的情況進行判斷分析,然后歸入典型零部件進行參數化設計。

通過對橋架零部件的分析,發現典型零部件占了整個橋架零部件的80%以上,也就是說橋架大部分零部件的設計都是通過參數化設計來完成的,所以參數分析就至關重要了。零部件參數分析是為了減少零部件參數,從而達到簡化設計過程甚至加工過程的目的。分析零部件主要依據以下原則:與多個零部件相關聯的整體結構尺寸設為全局參數;決定單個部件結構尺寸的參數設為局部參數;獨立不影響其他零部件的參數設為無關參數。這樣逐步分析,避免多余參數和重復參數,提高設計效率。

4.2標準化規范化建模技術

通過設計過程的重組,最后選取系列設計,與變型設計(參數化設計)2種方法,由于全新設計無法繼承以往的設計經驗,且設計過程中沒有規律性,影響設計效率,所以在前面零部件分析的時候,已經避開了這種設計方法。系列設計與變型設計都需要有自己的建模過程,所以,建模的標準化與規范化直接影響到設計過程。建模過程包括零部件建模與裝配體建模。

(1)零部件建模利用標準模板來規范建模過程,統一各零部件的名稱格式、技術信息、細節項目等。零部件標準化規范化建模不是簡單的模型制作,建模過程中包含了設計過程重組與結構重組的所有技術信息,遵循如下原則:建模過程中反映特征參數,且能清晰而不重復地描述零部件的特性;著重突出變型設計所必須的可變參數特征;建模過程中體現幾何體尺寸、精度及材料等信息;結合工藝方法進行分步特征建立,反映圖檔管理中基本信息。

(2)裝配體建模裝配采用自頂向下的建模方法。這種設計過程完全從概念設計開始,使零部件在設計過程中不斷完善,同時可避免重復設計,能最大限度地發揮設計人員的設計潛力,提高設計效率。所有零件和子部件原則上采用3個基準面和結構控制草圖中的草圖線段進行定位,不用其他零件定位,以避免個別零件更換或丟失造成整個裝配體的混亂,所以,在進行裝配之前要全局地考慮整個裝配過程,布局好裝配草圖。若是零部件的一些局部尺寸在裝配圖中難于表達,則可通過方程式或父子關系建立與裝配圖中變量的關聯。

4.3自動化控制程序設計

系列設計與參數化設計最終都是通過程序控制實現的,利用可視化編程語言結合三維造型CAD的應用程序接口(API),設計人機交互界面,實現對零部件及整個產品的設計。本例中采用的Visual Basic編程軟件和Solidworks三維建模軟件。

(1)系列設計在設計過程中,標準件與通用件都可以形成自己的一個系列,這樣就可以利用數據庫技術,將每個標準系列建立一組與之相對應的數據存貯在數據庫中,這些系列數據直接與模型庫相鏈接。例如對8輪主梁頭部標準的設計,采用Microsoft Access數據庫。8輪主梁總共有6套標準,其梁高、頭部高度等參數隨著車輪直徑的變化而變化,這樣,就可以建立一個基于車輪直徑的標準系列數據庫。數據庫中每一組系列數據都對應著一組完整Solidworks模型,利用VB程序很容易實現對數據庫的存取與調用,從而快速地完成對標準件與通用件的設計。

(2)變型設計傳統的變型設計都是通過一一地改變零部件的參數來完成設計,但是對于零部件很多的產品來說,這種設計方法并不能提高設計效率。橋式起重機零部件很多,可采用整體控制局部的參數化設計思想,利用關系草圖控制零部件的裝配關系以及尺寸關系,通過Solidworks的關系方程式將所有零部件的尺寸及相互關系都反映在裝配草圖內,然后利用程序控制關系草圖,通過關系草圖的變化來完成所有零部件的變型設計。這種方法的程序實現也比較容易,直接利用VB程序調用Solidworks API函數來完成對草圖的控制,將Solidworks中的關系方程式轉換為VB程序中的程序等式,實現對零部件的變型設計【4】。

系列設計與變形設計程序控制方法組合到一起形成一個完整的橋式起重機設計系統,將整個設計步驟和過程分解為VB程序中的一個個標準模塊,然后調用這些標準模塊中的函數和過程來完成整體設計。主要的VB程序模塊包括:openclose.bas(遍歷打開/關閉模型),series.bas(系列件數據庫管理),parameter.bas(關系草圖參數控制),relation.bas(設置零部件相互關系),report.bas(零件多特征分布),active.bas(激活配置),modname.bas(修改零件名和參考路徑)。人機交互界面主要以典型橋式起重機產品模型的二維圖來表示,指定用戶輸入主要設計參數,進行人機會話,完成自頂向下的設計。設計界面主要有正面和截面2種,截面程序設計可在計算機相應界面完成。

(3)工程圖優化零部件設計完成后,雖然

Solidworks能自動完成對其對應工程圖的更新,但對模型變化比較大的情況,Solidworks無法完成對圖紙信息的調整與優化,所以,仍然需要利用程序來優化,優化內容包括視圖位置、視圖比例、尺寸位置、注解項目位置、明細表等。工程圖優

過程都能通過Solidworks中的DrawingDoc API函數來實現。DrawingDoc對象的下一級對象中常用的就是Sheet和View對象,其中Sheet對象表述的是圖紙,View對象表述的是視圖,它是視圖上所有對象的頂層對象,通過VB語言調用這些API函數即可實現工程圖的優化【5】。

4.4圖檔管理技術

完備的圖檔是設計和制造的基礎,所以,當產品設計完成以后應當進行圖檔管理,模型入庫。采用成熟的關系型數據庫管理系統,并將低端和高端方式相結合,滿足圖檔管理查詢性和安全性的要求。橋式起重機各零部件模型入庫方法基本一樣,首先輸入類別、代號、名稱等信息,再指定要入庫管理的橋式起重機產品模型,在數據庫中建立對應的表,添加索引記錄,實現圖檔歸檔入庫、查詢、借閱、更改以及安全權限控制等。

5 . 結論

在CIPE環境下,分析重組橋式起重機產品的零部件,對零部件進行標準化和規范化,建立可變型的產品模型,從總體上規范設計過程,實現對企業中已有產品資源的充分利用。開發了基于系列設計與典型變型零部件設計的自動化控制程序,實現對橋式起重機快速、高效地設計。該設計方法已經在太原重型機械集團有限公司技術中心成功試用,大幅度地縮短產品開發周期,降低產品成本,提高開發設計質量,并體現了可操作性強、投資少、見效快等特點。

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