田仙云

(太原城市職業(yè)技術學院 機電工程系，太原 030027)

0 引言

開發(fā)具有行業(yè)特色的產(chǎn)品設計CAD系統(tǒng)，是國外產(chǎn)品自動化設計廣泛應用的一個概念。國內的機械行業(yè)在部分產(chǎn)品設計中已經(jīng)應用了此技術，但具體到起重機行業(yè)卻沒有專用的參數(shù)化快速設計系統(tǒng)。盡管國內許多高校與科研機構已對此立項研究，但由于方法的局限性，研究結果尚不盡如人意。鑒于此，本文采用現(xiàn)代優(yōu)化設計方法和參數(shù)化技術對傳統(tǒng)設計、計算模型及方法進行技術提升，用優(yōu)化程序代替設計，實現(xiàn)基于設計數(shù)據(jù)驅動的命令文件式參數(shù)化繪圖，形成具有橋式起重機（以下簡稱橋機）特色的專用CAD系統(tǒng)。本文所述橋機參數(shù)化設計軟件，能夠完成從設計、計算直到參數(shù)化繪圖的全部過程，使工程設計人員把設計重點放到結構的優(yōu)化和創(chuàng)新上。其基本理論和方法，對于各種機械產(chǎn)品CAD系統(tǒng)的開發(fā)都具有理論指導與工程應用價值。

1 開發(fā)工具

VC++6.0是由微軟公司推出的一款Windows環(huán)境下可視化的面向對象的軟件開發(fā)平臺。與Turbo C、Borland C++相比，VC++繼承了C語言結構化編程能力強、運行速度快的優(yōu)點，能夠在Windows 2000/NT上建立32位應用程序。VC++具有較好的可視化程度，嚴謹?shù)木幊田L格和完全的面向對象特性。隨著WINDOWS操作系統(tǒng)在微機上的普遍應用，軟件開發(fā)平臺也逐漸轉向WINDOWS平臺的面向對象和可視化編程[1]。由于VC++源于C又高于C，可以向Java、C#等網(wǎng)絡開發(fā)平臺過渡，因此是當前最佳的軟件開發(fā)平臺。以往開發(fā)人員雖然看好VC++，但因其較難掌握，故而避選該語言作為編譯環(huán)境。筆者認為VC++雖然略難掌握，但對于開發(fā)大型軟件系統(tǒng)是非常有益的。而且采用應用程序向導（AppWizard）工具和MFC（微軟基本類庫）后，VC++程序并不難編寫。因此，本文軟件全部選用VC++作為開發(fā)工具。

2 優(yōu)化技術

2.1 優(yōu)化目標的確定

箱形橋架作為橋機的主要承載構件，其自重占整機重量的60%左右[2]。但以往對橋機的優(yōu)化中，多數(shù)設計方法卻只單純對主梁進行優(yōu)化，這雖能降低計算成本，卻因考慮因素不全而降低了優(yōu)化效果和整機性能。因此，本文在確保整機性能的基礎上，將最大程度地減輕橋架重量作為優(yōu)化設計模塊的主要目標。

2.2 分析和選取優(yōu)化方法

起重機優(yōu)化中存在強度、剛度、穩(wěn)定性、幾何尺寸等大量約束，致使優(yōu)化變量的可行域非常復雜，而最優(yōu)點往往在可行域的邊界上，所以傳統(tǒng)的優(yōu)化方法存在著不容易找到全局最優(yōu)解的缺點。

針對目前研究較熱的全局優(yōu)化方法，依據(jù)“綜合就是創(chuàng)新”的思想，眾多學者相繼提出了將不同類算法相結合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，以構造新的混合型算法的思路。雖然已有許多成形的求解軟件，但幾乎都是針對特定問題求解的，有一定的專用性和局限性，尚不存在適合解決任何全局最優(yōu)解問題的通用算法與軟件。為此，本文在充分分析目前流行的全局和局部最優(yōu)化算法優(yōu)缺點的基礎上，重點研究了混合離散變量優(yōu)化（MDOD）方法和正交網(wǎng)格法，針對正交網(wǎng)格法雖能得到全局穩(wěn)定解但其效率低下，MDOD 方法雖然效率高，但受初始點影響解的穩(wěn)定性差，甚至找不到最優(yōu)解的特點，通過綜合策略設計出一種新的串行結構的混合全局優(yōu)化方法，即以MDOD和正交網(wǎng)格法為基本框架，盡可能利用MDOD方法優(yōu)化速度快的優(yōu)點提高算法的性能，同時利用正交網(wǎng)格法解決MDOD法中存在的不穩(wěn)定性協(xié)同尋優(yōu)。由于該算法具有“強優(yōu)弱劣”的綜合機制，因而可以獲得較好的尋優(yōu)效率和效果。

2.3 優(yōu)化算法

本文的優(yōu)化算法程序基于Windows操作系統(tǒng)，以VC++為開發(fā)平臺編制，數(shù)據(jù)庫開發(fā)采用Access實現(xiàn)。綜合策略是：首先利用正交表提供的信息在優(yōu)化變量上下限空間內的可行域中尋找一個局部最優(yōu)點，并以此最好水平點作為子空間輪變搜索的初始可行點；然后利用目標函數(shù)和約束條件的信息，加快搜索進程；最后通過“查點”策略以盡可能少的計算代價找到所有點中的最優(yōu)點。

3 參數(shù)化繪圖

3.1 參數(shù)化繪圖技術

參數(shù)化繪圖是在給定結構形式的條件下，依據(jù)參數(shù)自動生成圖紙的一種技術。由于能夠自動出圖，因而可極大地提高設計效率，是開發(fā)起重機等專業(yè)機械CAD系統(tǒng)的關鍵技術。

參數(shù)化繪圖系統(tǒng)開發(fā)采用面向對象的技術，在可視化VC++6.0開發(fā)環(huán)境下，采用命令文件方式對AutoCAD進行二次開發(fā)實現(xiàn)，即用支持AutoCAD的編程語言訪問AutoCAD對象模型，把AutoCAD功能集成到應用程序中，實現(xiàn)圖形的自動生成[3]。不同型號的同類產(chǎn)品只需通過參數(shù)的改變即可引起所有與它相關尺寸的自動改變，從而使圖形局部或整體發(fā)生聯(lián)動來更新原設計，避免了交互式繪圖繁瑣的重復勞動，使產(chǎn)品設計更加高效、快捷。

3.2 參數(shù)化繪圖的工作過程

1）參數(shù)確定。本軟件的參數(shù)來源主要有：結構計算結果的文本數(shù)據(jù)文件、數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)文件、優(yōu)化后的主要數(shù)據(jù)參數(shù)、經(jīng)過基本參數(shù)計算確定的參數(shù)[4]；

2）各類參數(shù)傳遞到繪圖模塊后，執(zhí)行VC++6.0編制的橋機繪圖命令程序，生成繪圖命令文件*.SCR；

3）啟動AutoCAD，執(zhí)行繪圖命令文件，在計算機屏幕上繪出所需要的圖形；

4）對圖形進行校核和修改，修改可以在程序中進行，重復以上步驟；

5）連接繪圖儀，繪出圖紙。

3.3 參數(shù)化繪圖的實現(xiàn)

3.3.1 參數(shù)化繪圖程序的編制步驟

本文的參數(shù)化繪圖以Windows操作系統(tǒng)作支撐系統(tǒng)，AutoCAD為圖形支撐軟件，命令文件作接口，以可視化程序設計語言VC++6.0為開發(fā)平臺實現(xiàn)。編寫生成參數(shù)化繪圖程序的步驟如圖1所示。

圖1 參數(shù)化繪圖程序的編制步驟

3.3.2 編制參數(shù)化繪圖程序的主要技術

1）專用函數(shù)編制

參數(shù)化繪圖程序的編制中，將多次用到的專業(yè)通用符號和特殊圖形定義成函數(shù)，可避免重復工作，增強代碼的可讀性和提高編程效率。由于命令文件的內容就是AutoCAD的命令及對其提示響應的數(shù)據(jù)集合，因此在編寫程序代碼前，應先在鍵盤上用交互式繪圖的方式將整個過程操作一遍，確定其輸入的格式、選項及參數(shù)后，把其中的數(shù)據(jù)作為函數(shù)的參數(shù)即可。判斷是否需要編制專用函數(shù)，采取“事不過三”的原則，只要程序中有調用三次以上的程序段，就將其編成函數(shù)，使程序代碼大大縮減，達到省時省力、節(jié)省存儲空間之目的。下面是繪制表面粗糙度符號的專用函數(shù)，其樣式如圖2所示。其他特征圖形、標準符號均可依此編制。

圖2 表面粗糙度符號

2）讀取數(shù)據(jù)文件

由于繪圖程序中的參數(shù)主要來源于各類數(shù)據(jù)文件，因此數(shù)據(jù)文件的正確讀取成為參數(shù)化繪圖執(zhí)行成敗的關鍵。其核心程序如下：

3）圖幅、比例的確定

各圖形繪制比例與圖幅大小密切相關，為使不同跨度、噸位的橋機，都能全面、合理地呈現(xiàn)在圖紙幅面上，程序應在確定圖幅大小后，自動判斷不同情況下圖中相應圖形的適用比例。現(xiàn)以實現(xiàn)橋架參數(shù)化繪圖程序中比例的確定為例予以說明[5]：

int a=0; /*a為幅面代號*/

double kd=841;bl=60;

/* kd為幅面寬度尺寸;bl為比例*/

if(H/50+B/50+480-kd〈0) bl=50;

/*H為主梁總高;B為端梁全長*/

if(H/40+B/40+480-kd〈0) bl=40;

if(H/30+B/30+480-kd〈0) bl=30;

4）坐標基點及繪圖坐標點的設置

計算坐標時，圖紙上的各個視圖均應選定一個坐標基點，并將同一視圖中所有的位置坐標值換算成基點坐標的函數(shù)，以便靈活地調整視圖，達到一張圖紙中所有視圖的位置合理分布。其中，繪圖坐標點的設置首先要便于繪圖，并達到預定的要求，其次是使程序占用的內存越少越好。由于屏幕中心位置始終是不變的，以往開發(fā)人員通常選擇屏幕中心位置或圖形對稱的起點作為坐標基點，但鑒于橋機的實際結構，本文繪圖模塊是以各視圖的結構起始點作為坐標基點，其余位置的坐標值計算則以有利于點的表達確定。

考慮到時間長了修改程序時，可能記不清坐標點的定義方法，所以可采用把詳細的坐標布點圖放在程序內部，或在程序中添加注釋語句等方法。本文采用后一種方法。因為注釋可增加程序的可讀性，不僅便于對程序的閱讀和調試，也便于對程序的維護、移植和擴充[6]。

5）循環(huán)、條件語句及夸大畫法的應用

參數(shù)化繪圖的特點是參數(shù)具有可變性，往往需要編制循環(huán)、條件語句。例如：為增加橋機結構穩(wěn)定性，常需設置隔板、加勁肋等，由于其數(shù)量取決于繪圖初始給定的結構參數(shù)，并非固定的數(shù)值，因此必須采用循環(huán)語句方能實現(xiàn)其圖形繪制及相應尺寸、件號、焊縫等標注。再如：橋機主梁因跨度變化幅度大，某些零件的視圖不是每次都能在圖紙上體現(xiàn)其形狀、尺寸，對此必須運用條件語句一一加以判斷選擇，以符合工程實際需要。

工程制圖中規(guī)定，繪制厚度小于1mm的薄片時，可將該部分不按原比例而采用夸大畫法。照此規(guī)定，編制參數(shù)化繪圖程序時，將橋機結構中的板厚采用夸大畫法。凡板厚≥8mm的認為是厚板，反之即認為是薄板。當厚板的實際繪制尺寸小于1 mm 時，程序將其夸大畫為1mm；薄板則夸大畫為0.8mm。

4 實例檢驗

表1 各種方法優(yōu)化結構對比

為了驗證文中所述理論及軟件效果，對起重量32t、跨度25.5m的橋機進行實例測試，結果表明：

1）混合算法采用了全離散變量，保留了MDOD方法尋找全局最優(yōu)值的能力和高效性，又集合了正交網(wǎng)格法的穩(wěn)定性，可減輕鋼結構重量16%，是一種多樣性和收斂性都較好的新算法。文中所述各種方法與起重機設計規(guī)范的優(yōu)化對比結果見表1。

2）參數(shù)化繪圖系統(tǒng)不僅操作簡便，而且繪圖結果更加準確、快捷，可大大降低設計人員的勞動強度，提高圖紙的標準化與規(guī)格化，切實提高CAD 技術的應用水平和檔次。

5 結論

通過命令文件實現(xiàn)參數(shù)化繪圖的方式，再配以優(yōu)化設計模塊是開發(fā)起重機CAD系統(tǒng)的較好方案。該研究不僅使工程技術人員可以方便、快捷地設計并出圖，而且設計出的產(chǎn)品更加經(jīng)濟實用，能以其鮮明的個性化設計快速反應企業(yè)投標的需求，以軟件系統(tǒng)載體為企業(yè)界提供現(xiàn)代化設計和繪圖手段。鑒于全局優(yōu)化的理論尚不很成熟，加上全局優(yōu)化問題屬于NP難題這一本質特征，因此，接下來還可以嘗試引入并行化方法或者其他方法，對該系統(tǒng)作進一步深入研究，以使所開發(fā)橋機的CAD系統(tǒng)能更好地推動企業(yè)的科技進步。

[1] 陶元芳,衛(wèi)良保.VC++命令文件式參數(shù)繪圖類庫[J].太原重型機械學院學報,2003,24(4):284-289.

[2] 陶書東.基于組合算法的機械結構優(yōu)化技術研究[D].太原:太原科技大學,2006.

[3] 鄭榮,龐茂,張亮有.模塊化設計與參數(shù)化繪圖[J].太原重型機械學院學報,2003,24(1):27-30.

[4] 劉永峰,秦建軍.雙梁門式起重機主梁結構計算機參數(shù)設計研究[J].機械設計與制造,2006(9):23-25.

[5] 田仙云.機械CAD軟件參數(shù)化繪圖程序編制的關鍵技術[J].機械工程與自動化,2009(3):172-173.

[6] 李學志.計算機輔助設計與繪圖[M].北京:清華大學出版社,2003.