空间曲面溜槽参数化设计的研究与应用

张 磊，邰 洋，赵书宁，韩正泽

(中煤邯郸设计工程有限责任公司，河北 邯郸 056031)

空间曲面溜槽是煤矿常用的用于降低块煤破碎率的非标设备，对于不同直径、不同落料点的煤仓与各种转载点来说，空间曲面溜槽的设计不尽相同，因此无法实现系列化、标准化。溜槽常规设计方法是采用AutoCAD二维软件设计，但空间曲面溜槽具有复杂的空间曲面特性，如采用二维软件设计，不仅设计、计算工作量很大，且绘图过程十分繁琐，在设计、检查与校核过程中会耗费大量的人力资源。三维软件设计虽然可以节省一定的计算和绘图时间，但需要将设计资料三维化后再设计，最后还需要将三维图转化为二维图给工厂加工使用，因此相对于AutoCAD二维软件设计，也没能有效提高工作效率。

笔者通过总结多年空间曲面溜槽设计和制图经验，发现空间曲面溜槽总体结构只受几个特定参数的约束，因此采用参数化设计方法，可有效解决常规设计方法工作繁琐与效率低下等问题，不仅可实现与设计资料的无缝对接，检查、校核方便，还可以直接生成工程所需的二维加工图，既能节省设计、计算所需的大量人力，提高工作效率，又可避免中间环节可能产生的一些问题。

1 空间曲面溜槽的参数化设计

1.1 设计系统

参数化设计系统主要由AutoCAD软件和Excel软件两部分组成。

AutoCAD软件是一款非参数化环境的绘图软件，可通过编辑Lisp程序设置绘图命令(例如线型、线宽、颜色等)，然后通过一个个交互式的绘图命令来完成绘图工作；Excel软件是一款表格计算软件，通过其强大的函数功能与VBA编程的综合运用，实现输入特定参数，即可准确计算出要绘制图形的坐标数据组，最后将数据转换为AutoCAD软件所认知的绘图命令，在AutoCAD软件中批量展点，从而快速绘制出图形[1-3]。

1.2 设计流程

(1)编制设计环境。设计环境包括建立绘图样板和编写绘图命令两部分。首先建立绘图样板，为使所绘图形更加方便查看，需要设置不同的图层来区别不同的图形特征(包括颜色、线型等)；然后通过AutoCAD软件自带的Lisp程序，设置相应的绘图命令。例如图层1设置成颜色为绿色的虚线层，对应的命令为 “xx1”。那么在命令行依次输入：xx1→L→(X1，Y1)→(X2，Y2)，即可绘制一条从坐标(X1，Y1)到(X2，Y2)的绿色虚线[4]。

(2) 确定设计参数。设计一套空间曲面溜槽的图纸需要很多尺寸数据，但是不可能把所有的数据都作为设计参数。这就需要对空间曲面溜槽设计制图进行分析，采用既能体现不同空间曲面溜槽结构特征，又能推导出其他尺寸的基本数据作为绘图参数。例如：螺旋段的外弧半径R2、螺旋段底板宽度B、外螺旋角α2等都属于需要输入的基本数据，应作为绘图参数，而内弧半径R1、内螺旋角α1等可在基本数据的基础上利用函数公式计算出来，因而不必重复输入。虽然这些函数计算很复杂，但只要公式输入正确，对于计算机来说瞬间即可完成。

(3) 设计交流界面。对于参数化设计程序来说，设计交流界面主要考虑绘图参数的输入和相关控件的布局，为了增加程序的可读性，可以添加批注来显示各绘图参数的含义。本空间曲面溜槽参数化设计程序的设计交流界面如图1所示[5]。

(4) 编写设计程序。设计程序的核心就是依据设计参数计算出所需绘制图形的各个点的坐标，然后通过AutoCAD软件中Lisp程序预先设置好的绘图命令，将计算出的坐标点用不同的线型连接起来。例如：在图2中，已知螺旋段内外螺旋半径R1、R2和内外螺旋角α1、α2，首先设内螺旋圆心A为坐标基准点(0，0)，外螺旋圆心B坐标(-X0，Y0)；然后计算出点1—4的坐标(X1，Y1)—(X4，Y4)；最后，依次用直线命令和弧线命令连接点1—4，即可绘制出此螺旋段的俯视图[6-7]。按照以上思路，将所有需要绘制的图形坐标点都计算出来，并结合AutoCAD软件中Lisp程序预先设置好的绘图命令，按照一定的次序排列。

图1 参数化设计程序的设计交流界面

图2 绘图示例

(5)制图。制图程序编制的过程比较复杂，需要编写上千个点坐标的函数公式，但最终应用时却很方便，只需要输入空间曲面溜槽的特定参数。如图1所示，所有点坐标及绘图命令自动计算生成，并按照一定的次序排列在表格中，只需选择所需绘制图形，点击“绘图”按钮，即可复制所有命令，然后到AutoCAD软件界面中调出之前建立的绘图样板，在命令行粘贴，即可生成所需绘制的所有图形[8-10]。

1.3 设计优点

(1)工作效率大大提高。参数化设计程序是在已完成空间曲面溜槽设计图纸的基础上开发的，其绘图习惯、图形组成等都和原设计图吻合，设计人员只需在程序绘图的基础上添加一些尺寸标注、剖视图等，最后填写明细表即可。如采用常规绘图方法，设计一套仓内空间曲面溜槽的图纸需要大概15～18个工作日，而采用参数化设计方法只需不到3个工作日即可完成，工作效率提高了5倍以上。

(2)检查校核省时省力。由于空间曲面溜槽设计过程十分复杂，常规设计方法的检查、校核也非常消耗时间及精力。通过参数化设计程序生成的图纸，所有图形点的坐标都是通过Excel计算得出的，这些计算结果只与输入的原始参数有关，因此只需要检查校核原始参数输入是否正确，可以免除繁琐的中间环节的检查，使得原来需要一两个工作日才能完成的检查、校核工作缩短到了一两个小时。

(3)此外，参数化设计程序只要输入参数校核正确，生成的图形可以达到零失误，在提高工作效率的同时，也提高了图纸质量，并有利于产品质量的提升。

2 应用实例

图3所示为内蒙古伊泰煤炭股份有限公司宏景塔一矿块煤仓内的螺旋溜槽，该螺旋溜槽是一种多用于煤仓内的典型空间曲面溜槽，是采用参数化设计方法完成的。该螺旋溜槽全部加工图纸折A1图共计16张，其中空间曲面段13张，其余为常规溜槽段和支撑段等，如果采用常规方法，设计人员一天(工作8 h)最多完成一张A1图纸的设计，再加上设计过程中必不可少的复杂计算过程，全部图纸至少需要16～18个工作日才能完成。采用参数化设计方法，从方案确定到所有图纸设计完成，只用了3个工作日，设计周期大大缩短，比常规方法缩短了80%以上。

该螺旋溜槽于2016年8月安装完成，运行至今，应用效果良好。

图3 宏景塔一矿块煤仓内螺旋溜槽结构总图

3 结语

迄今为止，笔者采用参数化设计方法先后完成了200余套空间曲面溜槽的设计工作，现已全部安装到位，并且在实际生产中使用效果良好。参数化设计使空间曲面溜槽设计周期缩短了80%以上，这意味着设计人工成本降低了80%以上，同时出图的错误率也大幅降低，避免了加工过程中不必要的返工带来的经济损失。无论对于溜槽设计生产企业，还是现场溜槽用户，更高的工作效率、更好的产品质量、更低的生产成本均有利于企业经济效益的提高。

参考文献：

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[3] 周陶勇，李 珊，王 磊，等. 基于Auto LISP的AutoCAD参数化设计[J].现代机械，2006(4)：69-70.

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[5] 梁 华.螺旋溜槽防破碎技术[D].焦作：河南理工大学，2006.

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[9] 孔德杰，祝学彬，张格强.防止块煤破碎方法的探讨[J].煤炭工程，2002(6)：39-40.

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