電纜橋架自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用

吳占超，丁立家，馬 軍，羅國(guó)富

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

客戶對(duì)產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)多樣化、差異化、個(gè)性化，促使制造企業(yè)的設(shè)計(jì)制造模式逐漸由大批量生產(chǎn)（(Mass Production，MP）轉(zhuǎn)向大批量定制[1]（Mass Customization，MC ）。由于產(chǎn)品成本的60%是由設(shè)計(jì)決定的，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)方式無(wú)法向用戶快速提供符合其個(gè)性化需求的產(chǎn)品，而自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)方法，使新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的大部分零部件可重用以往產(chǎn)品的信息，而只需對(duì)其部分零部件進(jìn)行全新設(shè)計(jì)，這大大縮短設(shè)計(jì)生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性，很好的滿足客戶和企業(yè)要求。

電纜橋架作為承載各種電纜敷設(shè)的載體，是應(yīng)用在現(xiàn)代化智能建筑中信息監(jiān)控和通信設(shè)施等水平布線和垂直布線系統(tǒng)的安裝通道，廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程、消防工程、弱電系統(tǒng)工程和廣播電視等領(lǐng)域。即使目前橋架部分零部件已系列化，但由于現(xiàn)代化智能建筑形式多樣，企業(yè)仍難以快速滿足客戶個(gè)性化需求。PDMS[2](Plant Design Management System)能對(duì)橋架系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并模擬安裝布置，但需要先建立橋架元件庫(kù)、等級(jí)表、出圖定制模版及規(guī)則、數(shù)據(jù)管理發(fā)布體制和協(xié)同設(shè)計(jì)流程體系等，流程較為復(fù)雜。

本文根據(jù)橋架客戶需求多樣化、個(gè)性化等特點(diǎn)，提出了基于Pro/TOOLKIT二次開(kāi)發(fā)技術(shù)的產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)方法及其架構(gòu)，充分利用了原有設(shè)計(jì)資源，開(kāi)發(fā)出了電纜橋架自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了橋架零件及產(chǎn)品的快速化變型設(shè)計(jì)。

1 產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)方法及架構(gòu)

1.1 產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)方法

產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)方法，其基本原理是通過(guò)在已創(chuàng)建的三維實(shí)體特征模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步根據(jù)零部件或產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)要求，建立一組可以完全控制其三維模型形狀和大小的設(shè)計(jì)參數(shù)，然后修改產(chǎn)品關(guān)鍵參數(shù)尺寸值，其他相關(guān)參數(shù)尺寸能自適應(yīng)改變并通過(guò)設(shè)計(jì)程序自動(dòng)生成新的三維產(chǎn)品模型。

該方法是在三維實(shí)體模型基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)，其前提是在三維軟件平臺(tái)上已創(chuàng)建好零部件庫(kù)及其附件庫(kù)并通過(guò)參數(shù)選取、關(guān)系設(shè)置等建立了零部件參數(shù)化樣板庫(kù)，并通過(guò)自動(dòng)化裝配程序設(shè)計(jì)生成產(chǎn)品模型樣板庫(kù)，參數(shù)讀取、變更后，利用自適應(yīng)參數(shù)化程序設(shè)計(jì)自動(dòng)更新生成新的零件或者產(chǎn)品模型，如圖1所示。

自適應(yīng)變型主要通過(guò)零件特征模型內(nèi)部參數(shù)尺寸之間關(guān)聯(lián)關(guān)系和零件之間的參數(shù)尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系實(shí)現(xiàn)。設(shè)系統(tǒng)所建立的參數(shù)化特征模型（Parametric Feature Model）為：

PFM={FS，PS}

其中，三維實(shí)體模型由特征和參數(shù)共同組成。設(shè)組成特征模型的特征集合（Feature Set）形式化描述為：

FS={FS1，F(xiàn)S2，·· ，F(xiàn)Sm}

組成參數(shù)化特征模型的參數(shù)集合（Parameter Set）形式化描述為：

圖1 產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)方法

PS={PS1，PS2，·· ，PSn}

從參數(shù)集合PS中提取出具有幾何意義的參數(shù)Qi對(duì)參數(shù)集PS進(jìn)行控制，并建立參數(shù)集PS與Qi之間的映射關(guān)系F，這樣當(dāng)對(duì)某一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行修改時(shí)，零件模型將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變更；當(dāng)修改參數(shù)的零件跟其他零件尺寸相關(guān)聯(lián)的時(shí)候，相應(yīng)的零件也將隨之發(fā)生變化，進(jìn)而組件甚至整個(gè)產(chǎn)品都將自適應(yīng)變型。

1.2 產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)架構(gòu)

基于上述分析，產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)的邏輯架構(gòu)如圖2所示，包括模板的建立、C源程序開(kāi)發(fā)、資源文件（包括菜單資源文件、窗口信息資源文件、對(duì)話框資源文件）編寫、源程序的編譯和連接、注冊(cè)文件編寫以及程序的注冊(cè)和運(yùn)行等，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)架構(gòu)

2 基于裝配的產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 零件級(jí)自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)

基于零部件及附件庫(kù)，通過(guò)提取參數(shù)和建立參數(shù)尺寸關(guān)系式，建立零件及附件模型樣板庫(kù)，最后利用自適應(yīng)參數(shù)化設(shè)計(jì)程序進(jìn)行模板驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)零件模型更新變型。其主要步驟如下：

1）提取參數(shù)：所謂提取參數(shù)，就是從零件模型所有尺寸參數(shù)集合PS中，將其中需要變型的特征尺寸參數(shù)提取出來(lái)。另外，參數(shù)的提取并不僅限于此，還包括提取對(duì)模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何形狀等有直接影響的尺寸參數(shù)等。

2）建立參數(shù)尺寸關(guān)系表達(dá)式：根據(jù)1）提取出零件模型中CAD軟件自動(dòng)生成的尺寸參數(shù)代號(hào)，而參數(shù)化特征模型需要通過(guò)建立參數(shù)尺寸關(guān)系表達(dá)式來(lái)進(jìn)行參數(shù)傳遞。如在Pro/E中建立盲孔深度與壁厚的參數(shù)尺寸關(guān)系式H = T - Constant，(H為孔深，T為壁厚，Constant為常值)，其中參數(shù) T是驅(qū)動(dòng)參數(shù)尺寸， H 是被驅(qū)動(dòng)參數(shù)，該關(guān)系式可以控制盲孔的深度隨壁厚度的改變而改變。

3）模板驅(qū)動(dòng)：經(jīng)過(guò)1）和2）建立了全參數(shù)化約束的可重用零件模板，該模板在基本模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變情況下必須保證約束參數(shù)解存在并且唯一，因此在建立參數(shù)化零件模板時(shí)，須在驅(qū)動(dòng)參數(shù)與被驅(qū)動(dòng)參數(shù)一一對(duì)應(yīng)情況下建立了尺寸關(guān)系表達(dá)式，此時(shí)當(dāng)通過(guò)程序改變其中參數(shù)尺寸進(jìn)行模板驅(qū)動(dòng)時(shí)，整個(gè)零件相應(yīng)尺寸將會(huì)自適應(yīng)的發(fā)生改變而零件的基本幾何特征和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系將不會(huì)隨之變化，從而保證了零件自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)的有效性。

2.2 部件級(jí)自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)

產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)不僅要保證零件內(nèi)部特征的約束關(guān)系、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、幾何形狀等特性，還要保證零件之間的位置、尺寸關(guān)聯(lián)、依附等裝配關(guān)系，它是基于零部件及附件參數(shù)化樣板庫(kù)基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)化裝配建立產(chǎn)品模板，最后利用自適應(yīng)參數(shù)化設(shè)計(jì)程序?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品模型更新。其步驟和零件自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)大致相同，主要區(qū)別是產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)首先進(jìn)行自動(dòng)化裝配步驟，詳細(xì)介紹如下：

1）基于基準(zhǔn)約束[5]采用應(yīng)用程序驅(qū)動(dòng)元件方式實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)化裝配。用于零件間裝配的約束關(guān)系類型有對(duì)齊、插入、匹配、坐標(biāo)系、相切、缺省等裝配關(guān)系，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化裝配需要在裝入待裝配零件模型時(shí)就確定零件之間的約束關(guān)系，如選取孔、軸的配合面設(shè)置為對(duì)齊關(guān)系來(lái)表達(dá)軸與孔之間的配合關(guān)系，或者選取兩個(gè)元件的表面設(shè)置為匹配關(guān)系來(lái)表達(dá)零件表面之間的接觸關(guān)系，只有確定了零件間的約束關(guān)系才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品自動(dòng)化裝配。另外，元件在裝配體中實(shí)現(xiàn)完全約束需要定義1～3個(gè)裝配約束關(guān)系，其中采用基于坐標(biāo)系[6]自動(dòng)裝配只需要定義1個(gè)裝配約束，基于基準(zhǔn)面自動(dòng)裝配需要定義3個(gè)約束，用Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序驅(qū)動(dòng)使零件自動(dòng)化裝配過(guò)程如圖3所示。

2.3 基于產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)的自動(dòng)裝配

由零、附件元件模版到組件產(chǎn)品模版采用Pro/TOOLKIT程序設(shè)計(jì)進(jìn)行自動(dòng)化裝配。實(shí)現(xiàn)元件自動(dòng)裝配的關(guān)鍵技術(shù)主要是獲取元件路徑對(duì)象信息，目前Pro/TOOLKIT程序在進(jìn)行路徑獲取時(shí)采用的是多叉樹(shù)結(jié)構(gòu)，它包含了元件或組件在裝配體中的邏輯位置與裝配層次，如圖4所示，元件特征標(biāo)識(shí)ID表示元件在裝配體中的位置。在自動(dòng)化裝配過(guò)程中創(chuàng)建并設(shè)置元件約束里的初始化裝配件的約束條件路徑調(diào)用的是ProAsmcomppathInit（）函數(shù)，其定義[4]為：

ProError ProAsmcomppathInit (

ProSolid p_solid_hand，

ProIdTable memb_id_table，

int table_size，

ProAsmcomppath *p_handle)

其中“memb_id_table”是從裝配體組件根特征出發(fā)到當(dāng)前元件的路徑，即前零部件特征標(biāo)識(shí)ID組，是一個(gè)一維數(shù)組；“table_size”為特征標(biāo)識(shí)ID組的維數(shù)。要獲得G元件的路徑對(duì)象信息，需從G元件開(kāi)始向上遞歸直到頂層裝配件，并且記錄所途經(jīng)的每一個(gè)元件特征標(biāo)識(shí)ID。如圖4中G零件的ID表為：

table_size =3

memb_id_table [0]=9

memb_id_table [1]=13

memb_id_table [2]=18

圖3 自動(dòng)化裝配過(guò)程

圖4 多叉樹(shù)裝配結(jié)構(gòu)

程序通過(guò)ProSolidFeatVisit( )函數(shù)遍歷特征的形式獲取元件路徑對(duì)象，在執(zhí)行過(guò)程中，經(jīng)過(guò)濾函數(shù)設(shè)置遍歷條件及對(duì)子元件類型和名稱等判斷定義訪問(wèn)動(dòng)作函數(shù)，自動(dòng)循環(huán)直到找到其目標(biāo)元件，完成自動(dòng)化裝配。

3 電纜橋架變型系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

結(jié)合企業(yè)應(yīng)用案例，開(kāi)發(fā)了電纜橋架自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用在三維軟件Pro/E菜單欄中添加電纜橋架菜單條的方法。

當(dāng)軟件運(yùn)行時(shí)自動(dòng)加載注冊(cè)文件，同時(shí)進(jìn)行注冊(cè)文件的注冊(cè)，注冊(cè)后菜單條顯示如圖5所示。

圖5 電纜橋架菜單欄

在菜單欄里列出了電纜橋架零件庫(kù)及附件庫(kù)的主要零部件，可以直接點(diǎn)擊進(jìn)行零部件的自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)，如點(diǎn)擊“四通”、“水平四通”按鈕，打開(kāi)該零件模型同時(shí)彈出變型設(shè)計(jì)對(duì)話框如圖6所示，可以根據(jù)安裝要求、橋架容量等進(jìn)行參數(shù)變更，經(jīng)自適應(yīng)參數(shù)化程序生成滿足要求的新零件模型。

圖6 水平四通變型設(shè)計(jì)界面

圖7 橋架自動(dòng)化裝配后的空間布置示意圖

點(diǎn)擊“裝配體”，打開(kāi)自動(dòng)化裝配后的橋架空間布置示意圖如圖7所示，修改局部零件參數(shù)尺寸后，整個(gè)產(chǎn)品都自適應(yīng)地隨之變更，避免了再逐個(gè)修改其他零部件并重新裝配等繁瑣工作，大幅縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種采用二次開(kāi)發(fā)的方法及其構(gòu)架形式對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行自適應(yīng)變型設(shè)計(jì)，步驟中應(yīng)用了自動(dòng)化裝配技術(shù)，減少了變型設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率，從而提高企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。經(jīng)企業(yè)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了文中所提方法和技術(shù)的有效性，達(dá)到了理想的效果。

[1] 趙利平,王宗彥,秦慧斌,董良,面向大規(guī)模定制的堆垛機(jī)快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)研究[J],中國(guó)機(jī)械工程,2008,19(18):2161-2165.

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