基于設(shè)計(jì)規(guī)范的產(chǎn)品三維建模方法研究*

姜兆亮 陳露露 范志君 尹 濤

(山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250061)

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的快速發(fā)展，產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法已經(jīng)從二維平面設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體造型，這使得產(chǎn)品模型更加直觀，便于理解與交流。但是，與傳統(tǒng)的二維模型相比，三維模型的造型過程具有明顯的痕跡性。即同一模型，不同的設(shè)計(jì)人員所采用的造型過程可能完全不同，這為后期的模型修改、維護(hù)與重用帶來了巨大的困難。例如，可以通過拉伸命令利用草圖中的圓創(chuàng)建圓柱體，也可以借助回轉(zhuǎn)命令利用草圖中的矩形創(chuàng)建圓柱體。當(dāng)對其進(jìn)行修改時，就要求必須徹底清楚設(shè)計(jì)師當(dāng)時的建模思路，才能完成正確的修改。稍有不慎，就容易引起不宜覺察的尺寸連帶驅(qū)動錯誤，為后期的制造帶來額外風(fēng)險(xiǎn)。

因此，針對該問題，本文依據(jù)相似原理，對常用零件與典型零件的建模過程進(jìn)行規(guī)范化設(shè)計(jì)，并通過CAD系統(tǒng)的二次開發(fā)對造型過程進(jìn)行固化。借助于該系統(tǒng)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員既可以直接創(chuàng)建新零件，也可以創(chuàng)建新零件的基體部分，然后在次基礎(chǔ)上按照設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)一步修改完成設(shè)計(jì)任務(wù)。建模過程的規(guī)范化將為后期的產(chǎn)品模型維護(hù)、修改及重用等提供便利。

1 問題分析

客戶對產(chǎn)品個性化需求的不斷增長，使得新產(chǎn)品種類不斷推陳出新，產(chǎn)品生命周期也明顯縮短。同時，激烈的市場競爭又要求產(chǎn)品必須以最優(yōu)的質(zhì)量、最低的成本快速上市。二者之間的矛盾，成為大規(guī)模定制模式下新產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的主要矛盾之一。據(jù)研究統(tǒng)計(jì)表明［1-2］，產(chǎn)品設(shè)計(jì)時，大約40% ～50%是重用已有的部件，約30% ～40%是修改已有的零部件，而只有約10%～20%才是全新設(shè)計(jì)。為了提高新產(chǎn)品開發(fā)效率，利用產(chǎn)品配置建模與求解技術(shù)［3］，可以快速獲得個性化產(chǎn)品。為了提高產(chǎn)品重用性，部分學(xué)者［4］利用參數(shù)化方法在現(xiàn)有CAD軟件平臺上，通過二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)零部件的重用性設(shè)計(jì)。但是，產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范化程度的高低，直接決定二次開發(fā)所形成的參數(shù)化軟件系統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。趙國志與劉曉冰［5］針對機(jī)車行業(yè)的特點(diǎn)，提出了建立基于TOP2DOWN設(shè)計(jì)方法學(xué)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范，明顯提高了機(jī)車的設(shè)計(jì)質(zhì)量。因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的規(guī)范化，對產(chǎn)品模型的維護(hù)、修改及其重用具有重要的理論意義與應(yīng)用價值。

2 基于設(shè)計(jì)規(guī)范的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，每個人都有自己的造型方法與建模習(xí)慣，不同的設(shè)計(jì)者之間很難保持一致。如果結(jié)合企業(yè)產(chǎn)品特點(diǎn)，對常用零件或典型零件的建模過程制定相應(yīng)的規(guī)范化設(shè)計(jì)，并開發(fā)一定的軟件系統(tǒng)，利用參數(shù)化控制方法協(xié)助產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員完成三維造型，可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率與質(zhì)量。將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的三維造型進(jìn)行規(guī)范化的步驟如圖1所示。

2.1 相似零件分類

將全部零件的集合定義為P，首先需要對集合內(nèi)的零件進(jìn)行分類管理。其中，分類原則包括零件結(jié)構(gòu)相似與建模步驟相似兩部分，以便于形成統(tǒng)一的產(chǎn)品模型參數(shù)化創(chuàng)建模板。然后，將集合P中的每個零件子類定義為Pi(1≤i≤n)，其中n表示分類總數(shù)，且：Pi∩Pj= φ(1≤i≤n，1≤j≤n，i≠j)，

2.2 設(shè)計(jì)規(guī)范的制定

針對每種零件分類，制定產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范。為了便于系統(tǒng)用戶了解和掌握設(shè)計(jì)規(guī)范，將設(shè)計(jì)規(guī)范的描述形式分為兩種：文檔化規(guī)范與規(guī)則化規(guī)范。其中文檔化規(guī)范用Office Word文件形式描述，便于用戶閱讀；規(guī)則化規(guī)范用邏輯規(guī)則描述，以支持軟件應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，形成用戶使用程序。

將文檔化規(guī)范組成的集合定義為規(guī)范文檔集，用D表示。對應(yīng)于每一零件分類Pj(1≤i≤n)，可以制定出相應(yīng)的文檔化規(guī)范Di(1≤i≤n)，其中n表示規(guī)范文檔總數(shù)，且：Di∩Dj= φ(1≤i≤n，1≤j≤n，i≠j)，

將規(guī)則化規(guī)范組成的集合定義為規(guī)范規(guī)則集，用R表示。其中，每個規(guī)范規(guī)則可表示為Rj(1≤j≤m)，m 表示規(guī)范規(guī)則總數(shù)，且：Rj∩Rk= φ(1≤j≤m，1≤k≤m，j≠k)，

其中，零件分類集與規(guī)范文檔集之間為一一映射，而零件分類集與規(guī)范規(guī)則集之間為多對多映射。它們之間的映射關(guān)系如圖2所示。

對于任意零件分類Pi(1≤i≤n)中的所有零件Pij(1≤i≤n，1≤j≤h)，其中 h 為零件分類 Pi包含的實(shí)例零件總數(shù)。對于給定的零件分類Pi，若設(shè)零件Pij(1≤j≤h)的建模步驟為Sij，則零件分類Pi對應(yīng)的建模步驟Si為

從零件分類Pi對應(yīng)的建模步驟集合Si中，抽取出需要動態(tài)變化的參數(shù)作為變量，形成參數(shù)化建模的變量驅(qū)動參數(shù)庫。按照制定的參數(shù)化建模步驟，利用程序控制形成的產(chǎn)品三維模型，具有良好的建模過程的痕跡一致性。

2.3 軟件框架的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)既可以采用流行的瀏覽器-服務(wù)器(Browse/Server，B/S)軟件構(gòu)架，也可以采用傳統(tǒng)的客戶端-服務(wù)器(Client/Server，C/S)軟件構(gòu)架。二者各有優(yōu)缺點(diǎn)，B/S結(jié)構(gòu)的軟件使用方便，不受地域限制，但是它的安全性與運(yùn)行速度遠(yuǎn)不及C/S結(jié)構(gòu)的軟件。因本系統(tǒng)的應(yīng)用企業(yè)不涉及遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)問題，所以選用C/S結(jié)構(gòu)作為系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的框架結(jié)構(gòu)。

本系統(tǒng)的功能模塊主要包括基礎(chǔ)信息管理、零件分類管理、規(guī)范文檔管理、參數(shù)化建模、權(quán)限管理、系統(tǒng)維護(hù)以及基本信息庫、規(guī)則庫與參數(shù)庫組成。具體見圖3所示。

3 應(yīng)用驗(yàn)證

山東新北洋信息技術(shù)股份有限公司(簡稱新北洋)主要從事專用打印機(jī)及相關(guān)技術(shù)集成產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)，自主開發(fā)的專用打印產(chǎn)品形成了“收據(jù)/日志打印機(jī)”、“條碼/標(biāo)簽打印機(jī)”、“嵌入式打印機(jī)”及相關(guān)技術(shù)集成產(chǎn)品(自助服務(wù)設(shè)備、掃描儀、身份證卡專用復(fù)印機(jī)等)四大產(chǎn)品系列、50余種機(jī)型。眾多的產(chǎn)品類型與多變的個性化產(chǎn)品需求，對設(shè)計(jì)的規(guī)范化要求提出了新的挑戰(zhàn)。

目前該企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件以Solide Edge V18為主，因此我們利用VB軟件對其進(jìn)行了二次開發(fā)，建立了基于設(shè)計(jì)規(guī)范的產(chǎn)品三維建模軟件系統(tǒng)。

3.1 開發(fā)接口

Solid Edge為用戶提供了采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows COM技術(shù)的應(yīng)用程序接口，能夠通過使用支持ActiveX Automation技術(shù)的開發(fā)工具，例如Visual Basic、Visual C++等，對Solid Edge進(jìn)行二次開發(fā)［6］。本項(xiàng)目利用Visual Basic 6.0(VB)軟件進(jìn)行開發(fā)。

Solid Edge的二次開發(fā)以對象為基礎(chǔ)，其對象層次結(jié)構(gòu)可以描述為自上而下的樹結(jié)構(gòu)，其根節(jié)點(diǎn)對象通常是一個應(yīng)用(Application)。Solid Edge擁有四種工作環(huán)境：零件(Part)、鈑金(Sheet Metal)、裝配(Assembly)和工程圖(Draft)。要訪問某一工作環(huán)境，首先要得到其文檔對象--Documen，然后采用GetObject與CreateObject函數(shù)來調(diào)用或創(chuàng)建Solid Edge對象的應(yīng)用實(shí)例。

3.2 實(shí)現(xiàn)界面

對于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但是結(jié)構(gòu)變化不大且控制變量較少的零件，可以事先建立類型間的模型，然后通過VB編程操縱Solid Edge變量表的方法實(shí)現(xiàn)；而對于結(jié)構(gòu)不太復(fù)雜，零件建模過程相對簡單的零件，尤其是該類零件之間具有微小結(jié)構(gòu)差別時，可采用VB編程控制Solid Edge的特征造型，利用參數(shù)化方法動態(tài)創(chuàng)建所需零件。程序界面如圖4所示。

通過在新北洋的應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠明顯提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量，改善三維模型的可讀性與可維護(hù)性，尤其是明顯提高了不同設(shè)計(jì)人員所設(shè)計(jì)零件的可重用性。

4 結(jié)語

本文針對三維建模的痕跡性問題，按照相似原理，對企業(yè)典型零件與常用零件進(jìn)行分類管理，建立了基于設(shè)計(jì)規(guī)范的產(chǎn)品建模模型，利用VB語言對Solide Edge進(jìn)行了二次開發(fā)，建立了基于規(guī)范的產(chǎn)品設(shè)計(jì)軟件，并在威海北洋集團(tuán)進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，在產(chǎn)品模型的可讀性、可維護(hù)性和可重用性等方面取得了良好的效果。

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