機(jī)械產(chǎn)品的協(xié)同仿真設(shè)計(jì)*

張開利 ，齊智敏 ，張安華

(1.遼東學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東118003；2.遼寧機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 設(shè)備處，遼寧 丹東118002)

現(xiàn)今機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)呈現(xiàn)多元化、實(shí)用化、信息化的特點(diǎn)，需要提供新的工作環(huán)境來滿足這種變化；傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)從設(shè)計(jì)到原型生產(chǎn)、測(cè)試需要花費(fèi)很多時(shí)間，開發(fā)周期長(zhǎng)，而且各個(gè)環(huán)節(jié)之間缺乏信息溝通，常導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員之間的合作不協(xié)調(diào)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品協(xié)同仿真設(shè)計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。協(xié)同仿真設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，適應(yīng)當(dāng)今紛繁多變的市場(chǎng)需求及團(tuán)隊(duì)合作研發(fā)[1-2]。

1 協(xié)同仿真設(shè)計(jì)

1.1 協(xié)同仿真設(shè)計(jì)的必然性

現(xiàn)今的機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)演變?yōu)橐粋€(gè)多學(xué)科、多技術(shù)的綜合研究領(lǐng)域，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的復(fù)雜度越來越高，設(shè)計(jì)活動(dòng)越來越強(qiáng)調(diào)基于知識(shí)資源的協(xié)同設(shè)計(jì)，從而克服時(shí)間、空間、計(jì)算機(jī)軟硬件等限制，形成一個(gè)便于群體相互交流和合作的“虛擬同地”的共同設(shè)計(jì)空間，由于協(xié)同設(shè)計(jì)人員分布于不同的單位及機(jī)構(gòu)，使研發(fā)資金分散開來，降低了各部門的研發(fā)開支。協(xié)同設(shè)計(jì)可以充分利用機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)中的不同知識(shí)資源，避免大量“知識(shí)孤島”的形成，提高知識(shí)共享和重用效率，加快創(chuàng)新速度。

另一方面，為了改變?cè)嫉墓と嗽蜕a(chǎn)弊端，在機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)階段可以采用仿真設(shè)計(jì)。仿真設(shè)計(jì)充分利用各種有效資源實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字模擬、性能仿真分析，方便、安全地找出產(chǎn)品的錯(cuò)誤設(shè)計(jì)，及時(shí)改正，保證產(chǎn)品的安全性；研發(fā)過程充分匯集了工程實(shí)用信息、產(chǎn)品最新理念信息及其他相關(guān)信息，確保產(chǎn)品的實(shí)用性和創(chuàng)新性。為了最大限度地提高產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程，將協(xié)同設(shè)計(jì)和仿真設(shè)計(jì)合二為一，協(xié)同仿真設(shè)計(jì)是目前制造業(yè)的重要應(yīng)用技術(shù)[3]。

1.2 協(xié)同仿真設(shè)計(jì)的工作原理

分布在不同地點(diǎn)的設(shè)計(jì)人員通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行產(chǎn)品協(xié)同仿真設(shè)計(jì)，生成產(chǎn)品數(shù)字原型，在虛擬環(huán)境中做相關(guān)實(shí)驗(yàn)、測(cè)試，確保生產(chǎn)進(jìn)度并保證產(chǎn)品質(zhì)量。協(xié)同工作模式在時(shí)間段上可以是同步或異步，在整個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)過程中，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況選擇使用。

例如，設(shè)計(jì)者A邀請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)者B對(duì)他的設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行操作時(shí)，二者可以共同設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)品，同時(shí)可以進(jìn)行信息交流，操作過程中需要滿足仿真數(shù)據(jù)與模型顯示同步，所以傳輸數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能少，這里利用VS C#中的ADO.NET和XML的緊密集成、顯示統(tǒng)一作為網(wǎng)絡(luò)編程接口的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真設(shè)計(jì)開發(fā)，如圖1所示。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的大量仿真數(shù)據(jù)，需要優(yōu)化管理，否則占用的存儲(chǔ)空間較大，通常在幾百兆至上千兆之間。協(xié)同仿真設(shè)計(jì)在數(shù)據(jù)管理方面可以采用自動(dòng)管理和人工管理兩種方式，前者獲取多人設(shè)計(jì)的最優(yōu)仿真數(shù)據(jù)替換原始數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)冗余；后者由多人設(shè)計(jì)組組長(zhǎng)來確定是替換原始數(shù)據(jù)還是產(chǎn)生新數(shù)據(jù)，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。通常情況下，可以采用前者，重要設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該指定組長(zhǎng)來主控。

2 機(jī)械產(chǎn)品的協(xié)同仿真設(shè)計(jì)

2.1 SolidWorks做二次開發(fā)的先決條件

SolidWorks是一種全新的三維機(jī)械仿真軟件，以PDM為平臺(tái)，集成CAD/CAE/CAPP/CAM等CAX軟件，提供全參數(shù)化三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)；并提供了幾百個(gè)API函數(shù)，為二次開發(fā)提供了充分空間?；赟olidWorks的二次開發(fā)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)支持的協(xié)同仿真設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以充分利用異地資源，大大提高設(shè)計(jì)效率，減少設(shè)計(jì)成本，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

SolidWorks二次開發(fā)可以采用OLE技術(shù)或COM技術(shù)。利用OLE技術(shù)可以開發(fā)獨(dú)立的可執(zhí)行程序(*.exe)，用戶可以使用來自兩個(gè)或多個(gè)Windows應(yīng)用程序的資源來解決復(fù)雜的應(yīng)用課題；基于COM的技術(shù)可以使用最多的SolidWorks API函數(shù)，生成 *.dll格式的文件，加載到主架構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)中，形成二次開發(fā)軟件系統(tǒng)的一個(gè)插件。一般情況下，在執(zhí)行SolidWorks中的大部分操作時(shí)，模塊內(nèi)的DLL比模塊外的EXE運(yùn)行速度快許多，因此采用COM技術(shù)開發(fā)方式比較多。

2.2 SolidWorks協(xié)同仿真組件的二次開發(fā)

SolidWorks同其他CAD軟件一樣，是針對(duì)整個(gè)制造業(yè)所設(shè)計(jì)的通用軟件，而非為某個(gè)具體行業(yè)和企業(yè)量身訂制，因此不能最大程度地滿足具體用戶的特殊要求，常常要對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)三維CAD系統(tǒng)的專業(yè)化和本土化。Microsoft推出的Visual C#是一個(gè)純面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言，其編譯系統(tǒng)提供了與其他軟件系統(tǒng)良好的接口，很適合對(duì)SolidWorks進(jìn)行二次仿真開發(fā)，這里采用COM技術(shù)對(duì)SolidWorks做二次開發(fā)。

2.2.1 仿真組件二次開發(fā)

首先，SolidWorks API需要導(dǎo)入Visual C#編譯系統(tǒng)，即執(zhí)行“選擇工具箱項(xiàng)”命令，切換到“COM組件”選項(xiàng)卡導(dǎo)入SLDWorks類庫；接著，在“解決方案資源管理器”中引入命名空間SldWorks，即實(shí)現(xiàn)SolidWorks API函數(shù)庫的導(dǎo)入；最后，利用導(dǎo)入的函數(shù)庫資源進(jìn)行程序編碼，代碼經(jīng)過編譯生成零件仿真組件PartsDLL.dll，將組件PartsDLL再嵌入仿真應(yīng)用系統(tǒng)，則此系統(tǒng)便可以在需要的地方創(chuàng)建PartsDLL中類的對(duì)象并進(jìn)行對(duì)象行為的執(zhí)行，由此完成SolidWorks仿真組件二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)Solid-Works的專業(yè)化、本土化。

2.2.2 基于仿真組件的協(xié)同設(shè)計(jì)開發(fā)

在專業(yè)化、本土化的SolidWorks仿真組件基礎(chǔ)上再做協(xié)同設(shè)計(jì)開發(fā)，這里協(xié)同模式包括自動(dòng)管理和人工管理兩種方式。協(xié)同設(shè)計(jì)過程中要求傳輸數(shù)據(jù)量應(yīng)盡可能少，這里提出XML增量數(shù)據(jù)傳輸。如設(shè)計(jì)者A在數(shù)據(jù)模型上做參數(shù)修改，建立與參數(shù)模型相對(duì)應(yīng)的中間變量。此中間變量中包括原標(biāo)識(shí)碼、新標(biāo)識(shí)碼及其他參數(shù)，并將此中間變量中機(jī)械產(chǎn)品的修改參數(shù)替換數(shù)據(jù)庫中對(duì)應(yīng)記錄的相應(yīng)參數(shù)。設(shè)計(jì)者B做協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí)，可以讀取設(shè)計(jì)者A的數(shù)據(jù)庫中記錄的變動(dòng)元素信息，轉(zhuǎn)換成XML增量文件做數(shù)據(jù)傳輸，接收到本機(jī)后從XML增量文件中抽取增量信息，利用原標(biāo)識(shí)碼在數(shù)據(jù)庫中檢索此記錄，若此次是自動(dòng)管理協(xié)同設(shè)計(jì)，則將抽取到的增量信息替換檢索記錄中的對(duì)應(yīng)字段；若此次協(xié)同設(shè)計(jì)很重要，采用人工管理方式，由組長(zhǎng)確定是替換原記錄還是產(chǎn)生新記錄[4-6]。然后調(diào)用DLL仿真組件來繪制出三維仿真數(shù)據(jù)模型，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型在設(shè)計(jì)者A與設(shè)計(jì)者B之間的同步顯示，完成協(xié)同設(shè)計(jì)的任務(wù)，具體實(shí)現(xiàn)如圖2所示。

將生成的多個(gè)DLL仿真組件及一個(gè)DLL協(xié)同設(shè)計(jì)組件嵌入到仿真應(yīng)用系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)協(xié)同仿真設(shè)計(jì)開發(fā)，如圖3所示。

2.3 齒輪的協(xié)同仿真設(shè)計(jì)

齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)參數(shù)不僅對(duì)齒輪的壽命和強(qiáng)度產(chǎn)生影響，而且對(duì)齒輪組在嚙合的傳動(dòng)性能也有很大的影響。例如齒輪模數(shù)大小的變化對(duì)齒輪傳動(dòng)中齒輪振動(dòng)、潤(rùn)滑間隙、齒輪嚙合穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生影響，從而影響齒輪的強(qiáng)度及壽命；齒輪螺旋角的大小對(duì)于齒輪傳動(dòng)的扭矩和齒輪的強(qiáng)度產(chǎn)生影響；變位齒的變位系數(shù)的變化直接產(chǎn)生齒輪根切，影響齒輪的傳動(dòng)。

這里設(shè)計(jì)者A和設(shè)計(jì)者B對(duì)齒輪模數(shù)做協(xié)同仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)者A先對(duì)產(chǎn)品做模數(shù)修改并將修改參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫，同時(shí)利用仿真組件生成三維仿真數(shù)據(jù)模型；設(shè)計(jì)者B實(shí)時(shí)從數(shù)據(jù)庫中提取設(shè)計(jì)者A修改過的參數(shù)，生成XML增量文件傳輸?shù)奖緳C(jī)，再利用本機(jī)仿真組件生成與設(shè)計(jì)者A相同的三維仿真數(shù)據(jù)模型，實(shí)現(xiàn)顯示同步，如圖4所示。

接著，對(duì)齒輪做兩方面的仿真分析：(1)靜態(tài)分析。通過調(diào)整齒輪的應(yīng)變、應(yīng)力、轉(zhuǎn)矩的參數(shù)，找出一組使齒輪具有更好的使用時(shí)間和效率的數(shù)據(jù)；(2)運(yùn)動(dòng)分析。施加不同的阻尼來模仿實(shí)際中的效果，找出最優(yōu)阻尼以利于更好地提高齒輪的使用效率。

通常情況下可以采用自動(dòng)管理方式，若此仿真設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)最優(yōu)則中間變量替換原始數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)最優(yōu)管理；若原數(shù)據(jù)是階段性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，則應(yīng)采用人工管理方式由設(shè)計(jì)組組長(zhǎng)做仿真分析，確定是替換原始數(shù)據(jù)還是產(chǎn)生新數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)管理。

協(xié)同仿真設(shè)計(jì)的引入使設(shè)計(jì)人員、供應(yīng)商、制造商和客戶保持緊密聯(lián)系，提高溝通效率，及時(shí)匯集多方面信息，快速開發(fā)新產(chǎn)品?？墒沁h(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)由于剛剛起步，像其他新興技術(shù)一樣還不夠完善，隨著CAD技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計(jì)的內(nèi)容必將越來越豐富，功能越來越強(qiáng)大，所提供的服務(wù)也將越來越完善。

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