张 辉，张晋强

（太原重工股份有限公司技术中心起重所，山西 太原 030024）

近年来，随着计算机技术的飞速发展，三维CAD开始走向堆垛机[1]、水轮机[2]等各个机械设计领域，形成了三维CAD与二维CAD并存的局面。在传统的二维CAD中，企业建立了参数化的标准件图库，开发了齿轮等通用件的参数化设计模块，极大地提高了产品的设计效率和设计质量。但是，三维CAD由于它快捷性、直观性的设计优势，且能同有限元分析和仿真软件相兼容，逐渐受到国内外各界学者的关注和研究。目前，针对不同领域的机械产品，业界已提出了参数化设计、变型设计等理论，并在三维软件的基础上开发出了产品的快速化设计系统。笔者根据桥式起重机的设计特点，结合多年来的经验总结，以三维软件solidworks为设计平台、变型设计为理论指导，着重阐述三维CAD技术在桥式起重机产品设计过程中的应用方法，为企业推动三维CAD技术的发展提供了参考依据。

1 桥式起重机的设计特点

桥式起重机属于单件、小批量订货的产品，每台起重机必须根据用户提供的参数，经过详细设计之后，才能组织生产，整个产品的设计时间大约占生产周期的1/6，设计工作量相对比较大。而目前，随着现代化工业的发展、生产规模的扩大以及自动化程度的提高，世界市场对起重机械的需求量不断增加，竞争越来越激烈。因此，如何缩短起重机的生产周期，提高设计效率和设计质量，已成为起重机制造厂商面临的新问题。从设计角度来讲，缩短设计时间、提高设计效率，对起重机制造厂商提高产品在市场中的竞争力具有重大意义。

桥式起重机是一种结构形式相对稳定，标准件、相似件占一定比例的产品。在传统的二维CAD中，通过对起重机零部件的标准化、系列化，不仅可以减少设计差错，还可以使产品规范化，提高设计效率和设计质量。但是，起重机零部件比较多，还有相当大一部分零部件需要重新绘制，从总图拆分出每一个零部件，还需要一个复杂的过程。

2 三维CAD技术的应用方法

2.1 参数化设计和变型设计理论

目前，在三维设计领域里提出了许多设计理论，其中包括参数化设计[3]和变型设计[4]。其理论是将规格化、系列化的产品，对其三维模型的尺寸和空间位置关系用一组参数约束，当赋予不同的参数序列时，就可以驱动典型的三维模型来生成满足设计要求的产品模型。变型设计还指出三维模型的变型设计不仅包括尺寸的参数化，而且还包括几何相似零件的局部结构变型。

2.2 桥式起重机的三维CAD设计

2.2.1 三维模型的建立

桥式起重机采用自顶向下的装配设计，用布局草图控制零部件之间的空间位置关系，通过方程式连接布局草图与零部件的尺寸关系，当布局草图被赋予不同的参数序列时，三维模型中的零部件也相应改变。布局草图应用简单明了的轮廓线条反映出零部件之间的位置关系（见图1）。草图中的参数L控制端梁的长度，L1、L2控制加筋板的位置，当修改参数L的数值后，其相应零件根据方程式的约束关系（如“D1@草图1@零件1.Part”=“L@草图1”），使零件上的某一尺寸与布局草图中的尺寸相等。方程式中不仅可以添加简单的加减乘除约束关系，而且还可以添加复杂的比较、判断等逻辑约束关系，如方程式：“D1@倒角2”=（IIf（“D1@拉伸1”>20，（int（（“D1@拉伸1”-2）/3+0.5）），0.001）），用来判断钢板的坡口类型和大小。

图1 端梁布局草图

2.2.2 相似件的多特征控制

在产品设计过程中，经常会遇到几何尺寸相近、局部特征不一样的零件，例如端梁中的隔板，根据设计需求，隔板中间可能开圆孔、椭圆孔或方孔。因此，在建立隔板的特征草图时（见图2），外轮廓采用实体线绘制，而隔板内部特征使用构造线绘制。利用三维软件solidworks生成模型特征时，只有草图的实体线才能生成模型特征的这一特点，改变隔板内部特征的线型，实现对隔板多特征的控制。采用此方式的优点是零件建模简单、修改方便且所占用计算机资源较少，有利于总装模型的运行。

2.2.3 系列件、标准件的配置表建模

对于起重机中的标准件和系列件，利用三维软件solidworks提供的系列零件设计表生成配置，根据设计需求调用相应的配置模型。如图3所示为槽钢的系列零件模型，建模过程分为三步：①建立实体模型，定义具有工程意义的尺寸变量名。②建立尺寸系列表。③槽钢的设计中还使用了方程式来约束尺寸数值关系，如“D5@草图1”=（“b@草图1”-“d@草图1”）/2。采用系列零件设计表是一种高效建立配置模型的方法，它能反映零件的尺寸规格和特征构成，且便于工程设计人员进行后续修改。

图2 隔板的多特征控制

2.3 桥式起重机的三维模板库

要提高起重机的设计效率，不仅需要三维模型的合理建模，更需要不同类型产品的三维模型的积累。按桥式起重机的结构类型、吨位和跨度进行划分，建立三维模板库，当接到设计任务后，选取相近的模板，对起重机进行变型设计，生成满足用户要求的产品模型，最后把该产品模型再存入起重机的模板库。随着时间的推移，起重机模板库逐渐壮大，对今后提高产品设计效率、设计质量、降低工程设计人员的劳动强度等都有非常重要的意义。

图3 槽钢的配置

3 三维CAD设计的优劣点

三维CAD技术的应用，对企业缩短设计周期，增强市场竞争力具有积极的意义，具体表现在以下几个方面：①三维设计的产品具有直观性，能使用户清晰地看到产品的内部结构和装配关系，而且三维软件中的爆炸图及运动仿真功能，对制造企业进行投标、报价具有重要的指导意义，同时对产品的安装和拆卸具有实际的工程意义。②与传统的二维CAD技术相比，三维CAD技术极大地提高了产品的设计效率和设计质量。如起重机中桥架采用二维CAD设计，大约需要5 d才能完成，而用三维CAD设计后，只需3 d即可完成；并且利用三维软件提供的干涉检查功能，可以在设计阶段及时发现产品的干涉问题。③产品的三维设计，有利于设计人员运用现代化的设计手段（如有限元分析软件和仿真软件），提高设计水平，为企业推动三维技术的发展奠定基础，同时还有利于实现CAD、CAE、CAPP、CAM和PDM软件的集成，积极推动企业的信息化建设。

虽然三维CAD技术的应用对企业具有积极的意义，但是受诸多因素的影响，三维CAD技术的推广也遇到了许多困难，主要包括：①桥式起重机零部件比较多，受到计算机硬件条件的限制，起重机整机三维模型的运行速度比较慢。为暂时避免这一问题，采用二维和三维相结合的方式，对起重机的一级部件进行三维设计，而总图采用二维设计。②起重机三维模板库的建立需要较长的时间（大约需要1~2年），且前期人力、物力投入比较多。只有随着模板库的健全，三维CAD的设计效率才能逐渐体现出来，才能被设计人员接受。

5 结束语

针对桥式起重机的设计特点，结合变型设计理论，详细阐述了三维CAD技术在起重机产品设计过程中的应用方法和应用中遇到的困难，为企业推动三维技术的发展、实现产品的优化和快速设计提供了参考。此外，三维CAD技术的应用，对企业快速响应个性化的市场需求、提高市场竞争力具有很强的现实意义，同时可积极推动企业自身的信息化建设。

[1]董良，陆连，王宗彦.堆垛机系列产品的参数化设计[J].数字化设计，2005（2）:15-17.

[3]侯志利，王宗彦，王建正，等.基于自顶向下的起重机主梁参数化设计[J].机电产品开发与创新，2005（1）：89-90，105.

[4]叶永伟，杨庆华.基于特征技术的变型设计与产品装配建模[J].计算机工程，2008（13）：192-194.