基于Solidworks的選煤廠工業(yè)場地三維輔助設(shè)計(jì)

吳翠平，丁清珍，路 陽，張俱嘉，郭永昌

（中國礦業(yè)大學(xué) (北京)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100083）

隨著設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和工程建設(shè)機(jī)械化程度與人力成本的提高，選煤廠工程建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)、技術(shù)改造等對選煤設(shè)計(jì)圖的完整性 (完備性)、可維護(hù)性等方面提出了更高要求。CAD平面設(shè)計(jì)已很難滿足選煤廠工程設(shè)計(jì)技術(shù)難度高、設(shè)計(jì)周期短的需求，需要一種更好的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)軟件來滿足客戶需求，三維設(shè)計(jì)能有效地解決這個(gè)問題，選煤工程設(shè)計(jì)即將迎來設(shè)計(jì)模式的變革。

目前三維繪圖軟件不斷開發(fā)和完善為煤炭工程設(shè)計(jì)提供了良好的軟件繪圖環(huán)境［1］。在國內(nèi)煤炭行業(yè)中，采礦工程設(shè)計(jì)較早地采用了三維繪圖技術(shù)［2－3］，目前部分選煤設(shè)計(jì)單位已采用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，如泰戈特公司采用三維技術(shù)進(jìn)行車間布置和管道設(shè)計(jì)［4－5］。設(shè)計(jì)圖是工程師的表達(dá)語言，三維設(shè)計(jì)能直接將設(shè)計(jì)者腦海中的模型形象、逼真地反映在計(jì)算機(jī)屏幕上，能有效解決選煤廠CAD二維設(shè)計(jì)過程中難以避免的碰撞干涉問題，提高設(shè)計(jì)效率，更能為選煤廠的施工建設(shè)和日后維護(hù)與改造提供便利［6］。

文章以選煤廠工業(yè)場地設(shè)計(jì)輔助繪圖為目的，針對三維繪圖軟件SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，以探索三維繪圖應(yīng)用于選煤廠輔助設(shè)計(jì)的可行性。

1 SolidWorks二次開發(fā)原理

SolidWorks具有非常開放的體系結(jié)構(gòu)，通過提供數(shù)百個(gè)應(yīng)用程序接口 (Application Program Interface，簡稱API)函數(shù)作為二次開發(fā)接口［7］，用戶借助高級編程語言作為開發(fā)平臺，在設(shè)計(jì)友好操作界面的同時(shí)，通過在程序中調(diào)用API函數(shù)來訪問和操作SolidWorks，從而實(shí)現(xiàn)三維模型的建立。

SolidWorks對象模型體系采用自上而下的多層次樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，根為Solidworks對象，Solidworks中的其他對象都是其子對象。為了得到一個(gè)特定的對象，必須先從根對象Solidworks起，沿樹狀結(jié)構(gòu)對其子對象進(jìn)行遍歷。

目前對SolidWorks軟件有兩種開發(fā)方式，一種是基于OLE(對象的鏈接與嵌入)自動(dòng)化技術(shù)，另一種是基于COM(組件對象模型)規(guī)范。OLE自動(dòng)化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)應(yīng)用程序內(nèi)部控制另一個(gè)應(yīng)用程序提供的對象，特別是能夠訪問這些對象的屬性和方法。COM規(guī)范是OLE技術(shù)更高層次的發(fā)展，提供了客戶和組件之間的二進(jìn)制通訊規(guī)范。通過COM規(guī)范，可以把應(yīng)用程序組件像搭積木一樣隨意“裝配”起來，從而構(gòu)建適合用戶的特定的應(yīng)用程序組件。面向?qū)ο蟮木幊陶Z言VB可支持OLE和COM技術(shù)，故采用VB作為SolidWorks的二次開發(fā)工具［8］。

2 二次開發(fā)技術(shù)途徑

通過編程調(diào)用API函數(shù)對SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)有兩種方式［9］:一是完全編程方式，即通過調(diào)用API函數(shù)在編程環(huán)境中實(shí)現(xiàn)SolidWorks建模操作。該方法能保證三維模型完全實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)，對復(fù)雜零件的建模精度較高，但編程工作量大，工作效率低，且對開發(fā)人員要求較高;二是設(shè)計(jì)變量與編程技術(shù)相結(jié)合方式，由SolidWorks中建立的模型確定設(shè)計(jì)變量，在程序中調(diào)用API函數(shù)修改模型的設(shè)計(jì)變量，通過重建得到最終模型。相對于完全編程方式，設(shè)計(jì)變量與編程技術(shù)相結(jié)合方式將初始建模中的大量編程工作轉(zhuǎn)移到SolidWorks內(nèi)進(jìn)行，大大減輕了工作量，提高了開發(fā)效率。

為此，二次開發(fā)采用設(shè)計(jì)變量與VB編程相結(jié)合的方式。首先，在SolidWorks環(huán)境中，按照正確的設(shè)計(jì)關(guān)系繪制某一尺寸的建/構(gòu)筑物模型，并將其保存;根據(jù)用戶需要分析并確定模型的設(shè)計(jì)變量，通過VB編程調(diào)用API對象，獲取并修改標(biāo)準(zhǔn)模型中相關(guān)約束變量的參數(shù)值［10］，使其幾何元素和特征的幾何或拓?fù)潢P(guān)系發(fā)生改變，并引起相關(guān)圖形元素和關(guān)系的聯(lián)動(dòng)，從而完成參數(shù)化的零件建模;最后將程序置于SolidWorks的菜單或工具條中。如果變量化參數(shù)數(shù)值范圍明確，則可以基于Access等建立變量參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并在Visual Basic中通過Data或Adodc數(shù)據(jù)控件實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的調(diào)用。

3 三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 開發(fā)思路

分析總結(jié)選煤廠工業(yè)場地建/構(gòu)筑物的類型和幾何特征，在Access下建立選煤工業(yè)場地建/構(gòu)筑物數(shù)據(jù)庫;以VB作為開發(fā)平臺設(shè)計(jì)用戶界面，在界面中設(shè)置數(shù)據(jù)控件，并與尺寸參數(shù)數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)數(shù)據(jù)建立連接。輔助繪圖程序運(yùn)行時(shí)，根據(jù)用戶選擇的標(biāo)準(zhǔn)件規(guī)格，自動(dòng)打開數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件尺寸參數(shù)表，并查詢其參數(shù)尺寸，再將所得數(shù)據(jù)返回給設(shè)計(jì)變量，然后根據(jù)變量值更改標(biāo)準(zhǔn)件模型庫中模板模型的相應(yīng)尺寸，進(jìn)而重新生成所需的建/構(gòu)筑物模型。三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

圖1 三維輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程Fig.1 Realization process of 3D aided design system

3.2 選煤廠工業(yè)場地建/構(gòu)筑物模型庫的構(gòu)建

根據(jù)選煤廠工業(yè)場地內(nèi)某一類建/構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)特征，建立三維實(shí)體模型。實(shí)際上是建立這一類建/構(gòu)筑物的參數(shù)化設(shè)計(jì)模板，將其放入標(biāo)準(zhǔn)件庫中，以便通過程序更改其尺寸參數(shù)，進(jìn)而生成新尺寸的目標(biāo)建/構(gòu)筑物模型。

在進(jìn)行三維實(shí)體建模前，首先要分析其結(jié)構(gòu)特征，以確定尺寸變量和它們之間的約束關(guān)系，再命名尺寸變量名稱，建立驅(qū)動(dòng)變量表、變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，以便賦予尺寸變量不同參數(shù)值來驅(qū)動(dòng)SolidWorks，進(jìn)而重新生成該標(biāo)準(zhǔn)件的三維實(shí)體模型，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件的尺寸更新。建模時(shí)要特別注意草圖的定位、幾何約束關(guān)系等，以避免在使用VB進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)出現(xiàn)問題 (如實(shí)體變形、草圖過定義等)，導(dǎo)致參數(shù)化設(shè)計(jì)失敗。

以主廠房為例，在SolidWorks中進(jìn)行建模，在前視基準(zhǔn)面上建立草圖，并確定其尺寸變量 (圖2)，標(biāo)注其長、寬尺寸，并確定為尺寸變量，通過“拉伸”、“拉伸切除”、“陣列”命令生成主廠房建筑模型 (圖3)。

圖2 主廠房俯視草圖Fig.2 The sketch of top view of the main plant

圖3 主廠房建筑模型Fig.3 Building model of the main plant

3.3 用戶界面設(shè)計(jì)與程序建模

用戶界面包括選擇菜單界面 (圖4)和窗體操作界面 (圖5)兩部分。用戶在SolidWorks菜單中單擊選擇所需類型的建/構(gòu)筑物模型，程序會自動(dòng)彈出該模型的操作界面。此時(shí)，用戶可在窗體操作界面的文本框中輸入主廠房的相應(yīng)數(shù)據(jù)，也可從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過編程與模型尺寸變量建立連接，點(diǎn)擊“繪制”按鈕即可實(shí)現(xiàn)按輸入數(shù)據(jù)重建模型。

圖4 選擇菜單界面Fig.4 Selection menu interface

圖5 窗體操作界面Fig.5 User operation interface

用戶界面設(shè)計(jì)部分代碼為:

要將上述界面中輸入的參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)镾olidWorks的實(shí)體尺寸，還需要調(diào)用SolidWorks的API函數(shù)。在VB中通過調(diào)用API函數(shù)對象來訪問SolidWorks環(huán)境中所建工業(yè)場地建/構(gòu)筑物模型的各種參數(shù)，包括各種尺寸、各實(shí)體表面、實(shí)體邊界、實(shí)體特征等，甚至可以創(chuàng)建、復(fù)制、修改模型的實(shí)體特征。在Solidworks環(huán)境中能夠執(zhí)行的操作，在二次開發(fā)中均可通過Solidworks提供的API函數(shù)功能來實(shí)現(xiàn)。

要通過參數(shù)驅(qū)動(dòng)修改模型尺寸變量，先要通過編程打開標(biāo)準(zhǔn)件庫中的模型文件，其實(shí)現(xiàn)代碼如下:

其中OpenDoc6函數(shù)用于打開模型文件，ActivateDoc2函數(shù)用于激活當(dāng)前實(shí)體模型。假設(shè)用戶界面中某個(gè)輸入框用一個(gè)變量名代替，例如a=combo1.Text，此時(shí)需要調(diào)用API函數(shù)來訪問模型中的尺寸變量，代碼如下:

其中SelectByID2函數(shù)用于選擇建/構(gòu)筑物模型實(shí)體，例如選擇面、邊、特征、草圖等，System-Value為賦值函數(shù)，再調(diào)用EditRebuild函數(shù)即可實(shí)現(xiàn)模型的重建。

4 選煤工業(yè)場地總平面工程圖的生成

選煤廠工業(yè)場地的總平面三維工程圖能直觀地展示場地整體布局，進(jìn)而提高施工建設(shè)效率。在SolidWorks中生成的工程圖與建/構(gòu)筑物模型存在關(guān)聯(lián)，設(shè)計(jì)人員只需對建/構(gòu)筑物模型進(jìn)行修改，工程圖就會自動(dòng)做出相應(yīng)改變，從而節(jié)省了大量設(shè)計(jì)時(shí)間。通過二次開發(fā)技術(shù)繪制的選煤廠工業(yè)場地總平面圖如圖6所示。

圖6 選煤廠工業(yè)場地總平面圖Fig.6 General layout of industry site of coal preparation plant

5 結(jié)語

利用面向?qū)ο蟮拈_發(fā)工具VB對SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，建立選煤廠工業(yè)場地建/構(gòu)筑物模型庫，即可通過可視化用戶界面直接訪問并操作SolidWorks，實(shí)現(xiàn)了選煤廠工業(yè)場地建/構(gòu)筑模型的變量化尺寸驅(qū)動(dòng)建模。

通過變量化尺寸驅(qū)動(dòng)建模，在設(shè)計(jì)選煤廠工業(yè)場地時(shí)可以根據(jù)需要直接調(diào)用并修改模型庫中的模型尺寸，實(shí)現(xiàn)以“搭積木”的方式完成選煤廠工業(yè)場地總平面三維布置，可免去了繁瑣的繪圖工作，從而有效提高設(shè)計(jì)效率。

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