摘 要

门式起重机广泛应用在社会生产中的物料搬运工作，如集装箱码头、厂企货场等。为了满足实际工况的要求，起重机已经发展衍生出很多系列化产品，以满足作业现场环境的复杂多变。同时，随着CAD技术的发展，机械设计从二维阶段逐步转换为三维设计，三维建模以其直观性和高效性，被越来越多的设计人员接受并采用。所以，在三维建模软件的基础上，研究一套门式起重机参数化建模工艺成图系统，具有一定的现实意义。

本文以门式起重机为对象，在Visual Studio平台上，运用Visual Basic语言为编程工具，对SolidWorks软件二次开发。具体工作主要有：

1. 构建模型库。通过已有的图纸材料，运用Solidworks软件搭建门式起重机整机模型，并记录关键尺寸的变量名称，为参数化设计提供基础。
2. 搭建窗体应用。编程人机交互界面，让设计人员更简便地设计。
3. 进行简单的结构校核。通过有限元分析软件的辅助，对模型进行材料定义、添加约束、施加载荷等操作，对模型的整体结构强度有一定的了解。
4. 简化出图操作。创建工程图文件，调整好视图和注释，使设计人员能够通过更新工程图的方式快速出图。

关键词：门式起重机；Visual Basic；Solidworks二次开发；参数化建模

Abstract

Gantry cranes are widely used in material handling in social production, such as container terminals, factories, enterprises and freight yards, etc. In order to meet the requirements of actual working conditions, cranes have developed many series of products to meet the complex and changeable working environment. At the same time, with the development of CAD technology, mechanical design is gradually converted from two-dimensional to three-dimensional design. Three-dimensional modeling is accepted and adopted by more and more designers for its intuitive and efficient. Therefore, on the basis of three-dimensional modeling software, it is of practical significance to study a parametric modeling process mapping system for gantry cranes.

This paper takes gantry crane as an object and uses Visual Basic language as a programming tool to develop SolidWorks software on the Visual Studio platform. The specific work mainly includes:

(1)Building model base. Through the existing drawing materials, Solidworks software is used to build the gantry crane model, and the variable names of key dimensions are recorded, which provides the basis for parametric design.

(2)Building window applications. Programming human-computer interaction interface makes it easier for designers to design.

(3)Carry out simple structural check. With the aid of finite element analysis software, the material definition, constraint addition, load application and other operations of the model are carried out, and the overall structural strength of the model is known to a certain extent.

(4)Simplify drawing operation. Create a drawing file, adjust the views and comments, so that designers can quickly plot the drawing by updating the drawing.

Key words: gantry crane;Visual Basic；Solidworks secondary development; Parametric modeling

目 录

第一章 绪论 1

1. 1研究背景和国内外研究现状 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2国内外起重运输机械设计发展现状 1

1.1.3本课题研究意义 2

1.2研究内容、技术路线 2

第二章 参数化设计理论及实现手段 4

2.1参数化技术 4

2.2程序设计语言Visual Basic 6

2.3三维设计软件SolidWorks 8

2.4 SolidWorks二次开发关键技术 10

2.5 本章小结 15

第三章 门式起重机整体结构及有限元分析 16

3.1 门式起重机结构形式 16

3.2 门架结构的基本组成 17

3.3 本章小结 19

第四章 系统模型的建立和工程图的生成 20

4.1 门式起重机构建模型库 20

4.2 工程图的自动生成及调整 26

4.3本章小结 31

第五章 门式起重机参数化建模工艺成图系统 32

5.1 系统研究目标 32

5.2 系统开发的环境和工具 32

5.3 系统构架及系统工作流程 32

5.4 系统设计 33

5.5 系统特点 38

5.6 本章小结 38

第六章 经济性与可行性分析 39

6.1 经济性分析 39

6.2 可行性分析 39

第七章 结论与展望 40

7.1全文总结 40

7.2 结果展望 40

参考文献 41

附 录 45

致 谢 49

第一章 绪论

1研究背景和国内外研究现状

1.1.1研究背景

随着改革开放以来我国港口进行了大规模的开发扩展，港口起重机作为集装箱货物运输的主要设备，成为了国与国贸易中必不可少的机械设备，其重要性不可忽视。

由于实际生产环境的复杂多样，港口起重机并不能像人力劳工一样自带极强的自适应性，需要根据实际工况不断重复设计调整机构及其电气系统。在传统起重机械设计中，涉及到的零件众多，计算繁琐，并且制造之后还需要试车，很显然并不能满足新形势下起重机械设计应用的需要。

因此，随着三维CAD水平和快速设计技术发展日益成熟，能让设计人员摆脱了传统的手工作图，参数化设计技术也就应运而生。参数化设计正是将特定的机械设计过程编写为函数与程序，以便能通过修改初始条件并经计算机运算得到工程结果。这也就实现了实现快速建模、方便修改、简化设计的目的，满足了市场多样化的需求。

本文将以MG型门式起重机设计为内容，通过Solidworks为三维设计平台，以Visual Basic为平台开发语言，开发参数化建模工艺成图系统。

1.1.2国内外起重运输机械设计发展现状

1.1.2.1 国外起重运输机械的发展现状

现在，国外起重机发展具备了几个公认的趋势：

1. 大型化、专用化

随着生产规模的不断扩大，对物料搬运的效率提出更高的要求，如何在单位时间内提升港口起重机的搬运量，促使了起重机走向大型化发展。

1. 自动化、智能化

将新兴电子技术带入物料搬运领域中，出现了计算机控制的大型起重机。此外，变频调速在全球起重机领域也有应用，该调速方案具有高调速比，甚至可达到无级调速，并有节能等优点。

1. 人性化、安全性。

重视产品的质量和可靠性，在研发过程中考虑人机工程学，使得起重机工作人员在操作过程中更加舒适，也就间接提高生产效率，降低工作人员疲劳所带来的工作风险。

1. 模块化、组合化

对于日趋系列化、标准化的起重机，将其划分为不同模块，进行组合，用有限的零部件规格组合出个性化、符合用户需求的产品。

1.1.2.2 国内起重机发展现状

如今，起重机市场已从卖方市场转为买方市场，起重机制造企业根据客户个性化的需求，即包括起重机实际运行工况和运输要求等，在厂房建好前，和用户沟通具体机构设计参数，用户确认后，才开始设计生产，存在以下几点不足：

(l)设计方式较传统、工艺水平不高

尽管CAD技术越来越普及，但效果却参差不齐。例如对于起重机CAD的二次开发，还未完善。

(2)专业化协作水平较低

我国专业化协作大部分仍靠企业自行设计、制造。在众多起重机涉及的零部件中，很大一部分仍需厂家自行设计。这无疑大大增加了设计周期，拖延了起重机的生产进程，不能对市场变化做到快速响应。

(3)交货期长

由于设计时间长等原因，我们制作的非标起重机交货期半年上下，是外企的2倍时长。这就难以应对市场经济竞争的复杂多变，使企业利益受损。

1.1.3本课题研究意义

（1）起重机设计的重复性工作较多，而且容错率低，尽管不同型号起重机的结构不完全相同，但其外形尺寸和结构形式则基本一致。通过参数化技术，减少起重机设计的工作量，便于使产品系列化，为模块化设计提供了技术支持。

（2）三维实体模型直观全面，并且能进行三维模型的计算机辅助设计工作。建立三维模型以后，还可以根据加工需要，生成传统加工所需的工程图纸。

1.2研究内容、技术路线

1.2.1研究内容

本论文以门式起重机为原型，采用Solidworks软件，用VB设计语言编写交互式窗体，建立一套三维建模和工程图的工艺成图系统。具体的研究内容有：

（1）VB编程语言的应用；

（2）SolidWorks及其二次开发技术；

（3）Ansys APDL命令流；

（4）制作门式起重机工艺成图系统。

1.2.2技术路线

图1.1 技术路线图

第二章 参数化设计理论及实现手段

2.1参数化技术

2.1.1 参数化设计概述

参数化设计(Parametric Design)，是现代CAD技术的一个分支，是技术应用领域内不可忽视的重要方向。

参数化设计的优势在于应对实际设计过程中类型相同但规格不同的产品，其差异仅仅是若干关键技术的抉择，具有省略重复性工作量的能力。针对这种特点，我们通过建模软件的二次开发，让软件按照特殊的要求自动修改已经完成的产品，设计时只需调整相关参数，其它部分由软件在后台来完成。

研究门式起重机结构形式，将整机进行模块化、规范化、标准化的操作，并系统整理设计知识和经验，根据同一种类不同规格之间的差异，采用建模软件、和二次开发技术开发完善的工艺成图系统，就可成功设计产品。

参数化手段已在世界起重机设计应用中被投入使用并完善。参数化设计的应用可以改变那些结构差异不大的零部件设计的方式，只需修改尺寸或调整设计方案。

参数化设计的方法就是，首先定义好尺寸参数，然后提取几何约束关系并编写其方程，将输入对应参数到几何方程中来求解并建立模型。

起重机的结构形式繁多但是相对稳定，在传统设计过程中，设计人员根据经验会有不一样的设计方案，并且参数繁多，计算繁琐，导致设计人员设计时间长、出错率高、一些错误并及时直观地发现。而运用CAD技术即可以迅速可靠地得出设计结果，并且通过有限元分析高进行最优化分析。因此，开发研制新的专用型参数化设计系统以便捷的设计出安全、经济、合理的起重机的要求已迫在眉睫。

图2.1 参数化设计实现方法

2.1.2 参数化技术的基本方法

参数化技术大致方向有两个：编程参数化和人工交互参数化。

2.1.2.1 人工交互参数化

人机交互法是目前发展比较快的参数化实现方法，近年来有较多的应用。根据参数化设计实施机理，人机交互法有几种类型：

1. 采用几何约束的变量几何法。将几何模型用很多的特征点描述，将特征点作为非线性方程组的变量，通过对方程组的求解，确定解集。当约束条件变化时，结果也会发生改变。
2. 使用几何推理的人工智能法。这是通过约束描述模型的方法。这种方法可以表达复杂约束，这一点是其它方法所望其项背的。
3. 采用参数化履历机制。此方法采用履历机制，记录步骤，自动描述记录设计者的意图。
4. 基于辅助线的参数化方法。通过辅助线定位轮廓线，在设计过程中落实明确辅助线的求解条件。
5. 基于图形的参数化方法。通过数据库交换结构，描述约束。这种方法效率高，简单，可移植性强。

2.1.2.2 编程参数化

这种方法通过分析各尺寸参数之间的对应函数关系，通过已知参数求解出其它参数，并用编程在系统中完成建模。

2.1.3 参数化技术实现方法

目前，有四种方法用于图形参数法：

1. 尺寸驱动图形。通过修改尺寸数值，从而修改图形，这为草图设计提供了可能性。通过链接尺寸变量名，不论是改变属性，还是调整尺寸，都能引起联动反应。
2. 变量驱动图形。用具体数值或者表达式来约束和驱动图形。在这种方法中，可自由拟定个性化的变量名称来存储数据，建立起变量与设计模型之间的联系，通过改变“变量”的属性，从而相应调整设计。
3. 表格驱动图形。事先以表格的形式保存数据，链接表中数据与模型，进而通过数据库调整图形。
4. 用户元素驱动图形。将零件或部件设计成具有单一图素的特征，在需要时直接引入。根据实际情况对上诉元素进行组合，来生成模型。

2.1.4 参数化设计步骤

参数化设计的步骤为：

1）建立模型，提取几何约束

2）制作事物特性表

3）设计算法

4）编制程序

5）调试及运行程序。

通过以上流程，可以得出参数化技术和工艺成图系统的制作顺序，但是实际设计过程中，常常将编程和建模同步进行，提高设计速度。

2.2程序设计语言Visual Basic

2.2.1程序设计语言Visual Basic简介

"Visual" 是指开发图形用户界面 (GUI) 的方法， "Basic"指的是 BASIC (Beginners All-Purpose Symbolic Instruction Code) 语言，简便易学，适用于非计算机专业设计人员快速开发系统的编程语言。

2.2.2 Visual Basic语言的特色

Visual Basic作为目前学习门槛最低的程序开发语言，有以下几个主要特点：

1）可视化编程设计工具。在Visual Basic 编程语言中，是面向对象编程，设计人员不需要去定义对象及其属性，而是直接调用修改对象的属性，简化了设计程序的准备工作。

2）事件驱动的编程机制：将事件定义成一个个函数，直接调用函数来驱动事件。简化了程序代码量，降低了开发成本。

3）结构化的程序设计语言：Visual Basic编程语言以其创新性的编程特点，更容易用来表达编程者的意图。

4）面向对象的程序设计：把用编程初期进行定义的部分统统封装成对象。程序员只对对象进行操作，无需从底层开始层层推进。

2.2.3 Visual Studio 基本组成

本文尝试用这款软件编写基于Visual Basic编程语言的窗体应用。Visual Studio典型的操作界面如图2.2所示。

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