劉 東，劉振海

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144)

基于CAD平臺的分水計量水閘系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計

劉 東，劉振海

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100144)

分水計量水閘系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于水利系統(tǒng)，水閘系統(tǒng)的特點為型號多，結(jié)構(gòu)相似度高，設(shè)計時重復(fù)工作量大。通過應(yīng)用CAD軟件二次開發(fā)技術(shù)，在通用CAD軟件平臺上基于水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本理論，采用現(xiàn)代化的參數(shù)化圖形處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、模塊化設(shè)計思想以及VBA編程技術(shù)，研發(fā)了一套集結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸計算、二維設(shè)計圖樣與三維模型自動繪制功能于一體的分水計量水閘系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計平臺。調(diào)試運行結(jié)果表明，該平臺能夠很好地實現(xiàn)分水計量水閘系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計功能。

水閘系統(tǒng)；參數(shù)化設(shè)計；二次開發(fā)；VBA

計算機(jī)輔助參數(shù)化設(shè)計可以有效提高圖形生成與修改的速度，在工程設(shè)計以及專用設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)等方面具有較高的應(yīng)用價值，是工業(yè)發(fā)達(dá)國家制造業(yè)保持競爭優(yōu)勢、開拓市場的重要手段。目前，國內(nèi)外科研人員對標(biāo)準(zhǔn)件、典型機(jī)械零件與專用機(jī)械設(shè)備等的參數(shù)化設(shè)計技術(shù)進(jìn)行了大量研究與應(yīng)用，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械、電子和建筑等眾多工程設(shè)計領(lǐng)域[1-2]。而相比于機(jī)械、電子等行業(yè)，水利水電行業(yè)在相關(guān)技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用方面成果甚微，國內(nèi)外尚無成熟的水工CAD系統(tǒng)，也沒有影響力廣泛的專業(yè)從事水工CAD技術(shù)研究與應(yīng)用的部門，現(xiàn)有水閘設(shè)計系統(tǒng)大多由設(shè)計單位根據(jù)需要而開發(fā)，其功能、形式較為單一，結(jié)構(gòu)設(shè)計與圖形繪制的集成度不高，且通用程度不高[3-4]，不能滿足分水計量水閘系統(tǒng)的設(shè)計需求。

分水計量水閘系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由動力傳動機(jī)構(gòu)、水閘本體結(jié)構(gòu)以及水封結(jié)構(gòu)組成，具有功率小、傳動比大和雙輪對稱驅(qū)動等特點，適用于渠灌區(qū)的多種水情。由于水閘系統(tǒng)型號多，結(jié)構(gòu)相似度高，設(shè)計計算及繪圖重復(fù)工作量大而繁復(fù)，設(shè)計人員沒有時間顧及設(shè)計選型以及多種方案的比較，可能直接制約相關(guān)子工程的設(shè)計進(jìn)度，影響整個工程的設(shè)計質(zhì)量以及設(shè)計周期。合理利用CAD參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，可以使設(shè)計人員擺脫繁復(fù)的機(jī)械勞動，從而更好地從事創(chuàng)造性、決策性的設(shè)計研發(fā)工作，提高工程設(shè)計的效率及質(zhì)量?；谕ㄓ肅AD軟件二次開發(fā)技術(shù)設(shè)計的分水計量水閘系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計平臺，具有結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸計算和關(guān)鍵零件結(jié)構(gòu)性能校核、自動繪圖和數(shù)據(jù)存儲等功能，為水閘系統(tǒng)的設(shè)計提供了高效合理的設(shè)計手段。

1 水閘系統(tǒng)設(shè)計平臺的原理

水閘系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計平臺采用了常用的程序參數(shù)化技術(shù)與模塊化設(shè)計思想，二維與三維參數(shù)化設(shè)計程序開發(fā)平臺分別選擇AutoCAD與SolidWorks軟件；數(shù)據(jù)庫以及數(shù)據(jù)報告文件存儲平臺分別選擇Access與Excel軟件；采用VBA編程技術(shù)以及事件驅(qū)動方式實現(xiàn)，面向?qū)ο笤O(shè)計編程，設(shè)計過程全部為人機(jī)交互方式，既能保持功能的獨立性，又能維持?jǐn)?shù)據(jù)的共享，形成一個高效的整體設(shè)計過程，輕松地實現(xiàn)設(shè)計工作的自動化。

1.1 參數(shù)化設(shè)計的基本原理

參數(shù)化設(shè)計以尺寸約束為驅(qū)動對象，尺寸驅(qū)動的目的是根據(jù)尺寸約束的變化對圖形進(jìn)行修改，并且保持圖形修改后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系不變[5-6]。由分水計量水閘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點可知，設(shè)計過程中零件的性能校核分析遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，結(jié)構(gòu)尺寸之間也具有一定的參數(shù)關(guān)系，初始數(shù)據(jù)與結(jié)果數(shù)據(jù)之間具有明確的函數(shù)關(guān)系，即水閘系統(tǒng)的設(shè)計過程具有明顯的參數(shù)化特點。

尺寸聯(lián)動是實現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計的關(guān)鍵，即提取關(guān)鍵零件的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行修改，即可實現(xiàn)相關(guān)零件結(jié)構(gòu)尺寸的聯(lián)動修改。零件是組成機(jī)械產(chǎn)品的基本單元，部件參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn)基于各組成零件的參數(shù)化設(shè)計。在完整的機(jī)械產(chǎn)品中，零部件之間一般通過層次關(guān)系、繼承關(guān)系以及裝配關(guān)系相互關(guān)聯(lián)，裝配關(guān)系是建立約束關(guān)系的基礎(chǔ)；根據(jù)裝配關(guān)系建立零部件參數(shù)之間的關(guān)系，是實現(xiàn)尺寸聯(lián)動的關(guān)鍵；最簡單的裝配模型是2個零件之間的裝配，2個零件間的數(shù)據(jù)傳遞與依賴關(guān)系如圖1所示，復(fù)雜裝配模型內(nèi)的關(guān)系可由此類推[7-8]。同理，設(shè)計圖樣圖幅與繪圖比例的確定亦可由此類推。

圖1 零件間數(shù)據(jù)傳遞與依賴關(guān)系

1.2 平臺的模塊化設(shè)計

水閘系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計平臺應(yīng)具備設(shè)計參數(shù)輸入、結(jié)構(gòu)尺寸與強(qiáng)度設(shè)計計算、二維設(shè)計圖樣繪制和三維模型繪制等功能，且設(shè)計流程應(yīng)當(dāng)與手工設(shè)計流程保持一致?；谒l系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計特點，平臺由3個主功能模塊構(gòu)成，各模塊又分別包含不同的子模塊，模塊的設(shè)計依據(jù)水閘系統(tǒng)設(shè)計過程展開，各模塊功能明確且具有一定的獨立性，在保證平臺運行穩(wěn)定性的同時降低了程序設(shè)計的復(fù)雜性。水閘系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計平臺的設(shè)計流程及模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 平臺設(shè)計流程與模塊結(jié)構(gòu)

1.2.1 參數(shù)模塊

參數(shù)模塊是設(shè)計平臺的基礎(chǔ)模塊，根據(jù)水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計理論以及工程設(shè)計習(xí)慣，確定了水閘系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)為設(shè)計水頭、水位超高、過水寬度和水閘行程。按照平臺操作界面提供的資料圖及系統(tǒng)提示準(zhǔn)確輸入合理的設(shè)計參數(shù)，即可進(jìn)行后續(xù)設(shè)計計算過程。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊是設(shè)計平臺的核心模塊，平臺可根據(jù)輸入?yún)?shù)初步設(shè)計計算各零件結(jié)構(gòu)尺寸，并完成動力傳動設(shè)備選型計算以及水閘門葉、驅(qū)動軸等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度與剛度校核計算，生成繪圖參數(shù)。平臺設(shè)計計算結(jié)果將自動保存于數(shù)據(jù)庫中，亦可通過“存儲數(shù)據(jù)”功能選項，將水閘關(guān)鍵結(jié)構(gòu)尺寸等相關(guān)數(shù)據(jù)資料存儲于數(shù)據(jù)文件，便于數(shù)據(jù)傳輸、調(diào)用以及設(shè)計人員對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行分析整理。

數(shù)據(jù)處理模塊運行于平臺內(nèi)部，一般不能通過界面設(shè)置對其計算過程進(jìn)行干涉。在水閘參數(shù)化設(shè)計過程中，針對非標(biāo)零件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過對相關(guān)參數(shù)對水閘系統(tǒng)重要結(jié)構(gòu)功能的影響程度等因素進(jìn)行綜合分析，采用2種途徑進(jìn)行設(shè)定：對于影響較小的一般結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用強(qiáng)制規(guī)定的方式進(jìn)行設(shè)置；對于重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)計人員可以通過平臺操作界面提供的“參數(shù)設(shè)置”功能選項對預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行修正。

1.2.3 繪圖模塊

繪圖模塊是設(shè)計平臺設(shè)計結(jié)果的呈現(xiàn)手段，繪圖模塊對數(shù)據(jù)處理模塊生成的繪圖參數(shù)進(jìn)行調(diào)用，通過VBA編程技術(shù)調(diào)用CAD軟件平臺提供的繪圖命令繪制零件圖形，確定設(shè)計圖樣的圖幅與繪圖比例，并標(biāo)注零件的基本尺寸。設(shè)計人員可以根據(jù)設(shè)計需要在零部件選項卡選取指定零件，通過“二維圖形”與“三維模型”功能選項，分別實現(xiàn)指定零件的二維設(shè)計圖樣與三維模型繪制。

2 水閘系統(tǒng)設(shè)計平臺的實現(xiàn)

2.1 參數(shù)化繪圖功能的實現(xiàn)

分水計量水閘系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計主要采用了程序參數(shù)化技術(shù)，采用尺寸變量驅(qū)動圖形的編程方式。程序參數(shù)化可以集中表現(xiàn)產(chǎn)品模型的定義、表達(dá)以及實現(xiàn)，這種方法普遍適用于標(biāo)準(zhǔn)件與定型件等結(jié)構(gòu)固定的典型零件的參數(shù)化設(shè)計[9-10]。

2.1.1 零件關(guān)鍵參數(shù)的確定

在零件參數(shù)化設(shè)計中，真正驅(qū)動設(shè)計的是關(guān)鍵參數(shù)，次要參數(shù)由關(guān)鍵參數(shù)決定，常量參數(shù)保持不變。零件參數(shù)的合理性將直接影響特征建模的正確性與復(fù)雜程度、程序編制的復(fù)雜程度以及圖形顯示。以水閘系統(tǒng)升降驅(qū)動機(jī)構(gòu)為例，其中部分零件結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖3所示，其機(jī)構(gòu)整體的設(shè)計由設(shè)計的基礎(chǔ)參數(shù)決定，而內(nèi)部各零件的關(guān)鍵參數(shù)則由約束關(guān)系及性能要求決定，如升降繩的關(guān)鍵參數(shù)有繩的直徑與長度，進(jìn)而可以確定升降驅(qū)動輪的關(guān)鍵參數(shù)為輪槽圈數(shù)與輪槽半徑。

2.1.2 圖形的繪制

水工結(jié)構(gòu)通常具有不定型性，其中的非標(biāo)零件難以通過程序參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行建模，在編制參數(shù)化設(shè)計程序時，可以采用專用程序設(shè)計的方法，對于多次調(diào)用的專業(yè)通用符號和圖元，可以將其定義成通用程序，以便于多次調(diào)用，從而提高繪圖效率和質(zhì)量；對于非標(biāo)結(jié)構(gòu)與參數(shù)則編制專用程序，并提供個性化修改的功能，這是水工CAD技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵與技術(shù)難點。

2.2 數(shù)據(jù)存儲功能的實現(xiàn)

平臺可通過ADO(ActiveX Data Objects)對Access數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)訪問和管理，水閘系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)與尺寸數(shù)據(jù)，包括基礎(chǔ)參數(shù)以及設(shè)計結(jié)果數(shù)據(jù)，將以規(guī)定的格式保存于數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的相應(yīng)記錄中。數(shù)據(jù)庫技術(shù)的使用有利于設(shè)計資料的傳輸與積累，使得平臺的設(shè)計模塊與繪圖模塊相對獨立，提高了平臺運行的穩(wěn)定性以及編程效率。另外，平臺可以將部分關(guān)鍵設(shè)計結(jié)果資料通過Excel軟件直接保存為數(shù)據(jù)報告文件。

2.3 平臺操作界面的實現(xiàn)

產(chǎn)品設(shè)計應(yīng)基于設(shè)計人員的工程實踐經(jīng)驗、實際工程中的具體情況與材料性能等因素[4]，為了體現(xiàn)工程設(shè)計人員的主導(dǎo)作用，并且適應(yīng)于傳統(tǒng)設(shè)計習(xí)慣需要，平臺構(gòu)建并融合了可視化、交互性的對話框操作界面。輸入、輸出數(shù)據(jù)設(shè)置與水閘結(jié)構(gòu)等相關(guān)資料相互對應(yīng)，各界面完成不同功能且相互聯(lián)系，重要設(shè)計過程的計算結(jié)果顯示于對話框中，由設(shè)計人員進(jìn)行判斷與選擇。程序可根據(jù)設(shè)計資料及理論自動進(jìn)行初始設(shè)計，設(shè)計結(jié)果與設(shè)計要求不一致時，可返回基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置界面或在相關(guān)界面對相關(guān)輸入?yún)?shù)進(jìn)行修正，輸出數(shù)據(jù)可根據(jù)輸入?yún)?shù)的變化實現(xiàn)動態(tài)更新。水閘設(shè)計結(jié)果主要以二維設(shè)計圖樣、三維模型與數(shù)據(jù)報告文件表示，可大大增強(qiáng)設(shè)計人員對設(shè)計結(jié)果的直觀掌握，提高設(shè)計效率與設(shè)計質(zhì)量。零部件選擇及圖形繪制操作界面如圖4所示。

圖4 零部件選擇及圖形繪制操作界面

2.4 工程設(shè)計實例

在AutoCAD環(huán)境下運行分水計量水閘系統(tǒng)設(shè)計平臺，按照平臺設(shè)計流程依此進(jìn)行參數(shù)輸入、設(shè)計校核和繪圖等操作，即可輕松而高效地獲取水閘零件的設(shè)計圖樣與三維模型，設(shè)計人員只需根據(jù)實際需求對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行完善，避免了大量的重復(fù)性工作。設(shè)計實例如圖5所示，是平臺根據(jù)設(shè)計參數(shù)自動繪制的升降驅(qū)動輪-1的二維設(shè)計圖樣與三維模型。

圖5 升降驅(qū)動輪-1設(shè)計實例

3 結(jié)語

本文利用CAD軟件二次開發(fā)技術(shù)，在通用CAD軟件平臺上基于水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本理論，采用現(xiàn)代化的參數(shù)化圖形處理技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、模塊化設(shè)計思想和VBA編程技術(shù)，研發(fā)了一套集結(jié)構(gòu)設(shè)計、尺寸計算和設(shè)計圖樣與模型自動繪制功能于一體的分水計量水閘系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計平臺。

該平臺主要完成了如下參數(shù)化設(shè)計功能：1)完成了水閘系統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計功能，簡化了設(shè)計流程，提高了設(shè)計效率，該設(shè)計平臺具有二維設(shè)計圖樣與三維模型自動繪制功能；2)設(shè)計平臺具有水閘關(guān)鍵零件的工作性能校核功能，能夠?qū)﹃P(guān)鍵零件自動進(jìn)行強(qiáng)度和剛度計算，且能夠校核零件工作的可靠性。

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責(zé)任編輯彭光宇

Water-meteringSluiceGateSystemParametricDesignbasedonCADPlatform

LIU Dong，LIU Zhenhai

(College of Electro-mechanical Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China)

Water-metering sluice gate system is widely used in water systems and characterized by varieties of models with highly similar structures. In order to effectively reduce the wasteful duplication of effort, a parametric design platform is developed based on the basic design theory and method of sluice gate structure and re-development technology of commonly using CAD platform. This platform is developed with modern parametric graphics processing technology, database, modular design concept and VBA programming technology, and provides the function of structure design, dimension calculation, automatic drawing and three-dimensional modeling. Program debugging operation shows that this platform is able to well realize parametric design of water-metering sluice gate system.

sluice gate system, parametric design, re-development, VBA

TP 391.72；TV 663

:B

劉東(1976-)，男，博士，副教授，主要從事先進(jìn)制造技術(shù)等方面的研究。

2015-02-09