基于AFV技術(shù)的變結(jié)構(gòu)體參數(shù)化設(shè)計(jì)方法研究

劉 廣，米彩盈

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 四川 成都 610031)

傳統(tǒng)CAD技術(shù)只是簡(jiǎn)單組合幾何元素以構(gòu)造產(chǎn)品，由于元素之間缺乏約束且不包含設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)者難以再次更改模型，無法滿足機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)中大量重復(fù)設(shè)計(jì)的需求，成為企業(yè)提高設(shè)計(jì)效率的瓶頸。參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)[1]利用約束構(gòu)造產(chǎn)品幾何輪廓，通過尺寸為變量驅(qū)動(dòng)完成設(shè)計(jì)，旨在重用已有設(shè)計(jì)信息快速重構(gòu)產(chǎn)品來提高設(shè)計(jì)效率，支持企業(yè)參數(shù)化庫的建立以方便當(dāng)前設(shè)計(jì)的后續(xù)利用。據(jù)參數(shù)化庫內(nèi)已有設(shè)計(jì)與當(dāng)前設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式異同，可將參數(shù)化設(shè)計(jì)分為定結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)(尺寸變異)及變結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)(拓?fù)渥儺?[2]。

參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)可較好地適應(yīng)尺寸變異，拓?fù)渥儺悇t一直是參數(shù)化設(shè)計(jì)中的難題。傳統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法有尺寸驅(qū)動(dòng)[3]、模塊化設(shè)計(jì)[4]和程序驅(qū)動(dòng)[5]，其中模塊化參數(shù)化設(shè)計(jì)方法在一定范圍內(nèi)滿足了變結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)的需求，但靈活度不足，難以支持新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。并且，CAD應(yīng)用平臺(tái)的多樣性也為參數(shù)化技術(shù)的應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。由此，本文提出基于AFV(Abstract-Fuse-Verification)技術(shù)的變結(jié)構(gòu)體參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，并利用AFV技術(shù)對(duì)UG進(jìn)行二次開發(fā)[6-7]以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。AFV技術(shù)能提高設(shè)計(jì)效率，適應(yīng)變結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)且支持平臺(tái)切換。

1 傳統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

傳統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法有尺寸驅(qū)動(dòng)、模塊化設(shè)計(jì)和程序驅(qū)動(dòng)。

尺寸驅(qū)動(dòng)是假設(shè)新舊設(shè)計(jì)之間的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本不變，變化的只是尺寸值，并將各個(gè)尺寸變量化，用戶只需賦予各個(gè)變量數(shù)值便可驅(qū)動(dòng)新的設(shè)計(jì)。尺寸驅(qū)動(dòng)完全依賴于手工建立的模板庫，只需輸入各尺寸變量值便可在現(xiàn)有模板基礎(chǔ)上快速更新尺寸驅(qū)動(dòng)生成系列產(chǎn)品，使得設(shè)計(jì)者無需進(jìn)行大量的重復(fù)設(shè)計(jì)。尺寸驅(qū)動(dòng)只考慮尺寸值的變化忽略了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，決定了此方法不能適應(yīng)在模板基礎(chǔ)上發(fā)生拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的設(shè)計(jì)，即無法完成變結(jié)構(gòu)體零件設(shè)計(jì)。尺寸驅(qū)動(dòng)只適用于模型標(biāo)準(zhǔn)化程度高或造型過程復(fù)雜、可變參量少的設(shè)計(jì)。

模塊化設(shè)計(jì)證實(shí)了新舊設(shè)計(jì)之間存在的結(jié)構(gòu)變化。將結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有變化的部位提取出來，作為一個(gè)公有的部位，放在主函數(shù)中；將結(jié)構(gòu)形式變化的部位分別提取出來，作為某一結(jié)構(gòu)類型的私有部位，放在不同的子函數(shù)中；然后通過選擇語句來調(diào)用各個(gè)子函數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同的組合[4]。較尺寸驅(qū)動(dòng)具有一定的靈活性，可以在“私有部位”實(shí)現(xiàn)變結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)。同時(shí)，模塊化庫的可拓展性不足，軟件用戶無法自行添加“私有部位”至模板庫，仍需軟件開發(fā)人員進(jìn)行后續(xù)維護(hù)以完成添加，增加了維護(hù)成本；模塊化分基于大量現(xiàn)有設(shè)計(jì)資源以提取公、私有部位定義，一旦新型設(shè)計(jì)不滿足此定義模塊化便不再適用，靈活性仍不足，難以滿足變結(jié)構(gòu)體零件設(shè)計(jì)。

程序驅(qū)動(dòng)法參數(shù)化，由程序?qū)崿F(xiàn)建模過程，不依賴于任何模板。程序驅(qū)動(dòng)法建模實(shí)質(zhì)為調(diào)用一系列CAD API函數(shù)的過程，API函數(shù)的實(shí)參為用戶指定值或程序計(jì)算值。程序驅(qū)動(dòng)法建模的靈活性強(qiáng)，理論上可以實(shí)現(xiàn)任何結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，支持變結(jié)構(gòu)體零件設(shè)計(jì)；無需模型庫的支持，便于程序的移植，但程序設(shè)計(jì)工作量大，設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)。

2 AFV技術(shù)介紹

2.1 AFV技術(shù)的提出

為改善傳統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)方法在變結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)中的不足，本文提出了兩種解決方案，一種是基于特征的組合；另一種是基于草圖的AFV技術(shù)。

基于特征的組合類似于裝配體的生成過程，由于特征包含了線、面和體的信息，幾何信息管理較為復(fù)雜。AFV技術(shù)只需管理線的信息，對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的零件設(shè)計(jì)，基于草圖的AFV技術(shù)可以滿足設(shè)計(jì)要求，且具有簡(jiǎn)單可靠的信息管理，可顯著減少編程工作量，降低設(shè)計(jì)成本。

AFV技術(shù)與模塊化設(shè)計(jì)較相似，但二者存在差異。模塊化設(shè)計(jì)將結(jié)構(gòu)形式無變化的部位提取出來，作為公有的部位，將結(jié)構(gòu)形式變化的部位分別提取出來，作為某一結(jié)構(gòu)類型的私有部位，然后通過選擇調(diào)用實(shí)現(xiàn)不同的組合[4]。在新設(shè)計(jì)中，公有部位可能會(huì)發(fā)生變化，這種主觀地劃分公有和私有部位有礙于新型零件的設(shè)計(jì)。AFV技術(shù)未區(qū)分公有和私有部位，將所有部位的設(shè)計(jì)都視為可變的，極大地提高了設(shè)計(jì)的靈活性。此外，傳統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)未能很好地支持私有部分?jǐn)?shù)據(jù)庫的拓展，即模塊化設(shè)計(jì)的結(jié)果只是在軟件設(shè)計(jì)之初已有設(shè)計(jì)庫中模板的組合；AFV技術(shù)Fuse(融合)過程的設(shè)計(jì)是抽象的，不依賴于任何現(xiàn)有模板，可識(shí)別用戶添加的任何新模板，模板庫有良好的可拓展性。

2.2 AFV技術(shù)的原理

AFV技術(shù)的工作過程主要分為3個(gè)步驟：Abstract(抽象)，F(xiàn)use(融合)，Verification (校核)，如圖1所示。

(1) Abstract：完成了零件基本結(jié)構(gòu)的提取，可按外形或功能抽象為不同的部位，再以草圖(或者Sketch Group)形式表達(dá)，最終形成模板庫。

對(duì)于同系列不同型號(hào)的零件，其結(jié)構(gòu)存在相似性。將只存在細(xì)微差異的零件保存為獨(dú)立模板，模板數(shù)據(jù)庫便會(huì)顯得過于龐大。但若按照功能和外形從零件提取出結(jié)構(gòu)模板，可減少模板數(shù)量，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)庫維護(hù)。

圖1 AFV技術(shù)原理

(2) Fuse：在Abstract建立的模板數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)之上，F(xiàn)use完成兩部分的工作：組合和修改。Fuse的工作過程如圖2。

組合完成了用戶意愿下零件抽象結(jié)構(gòu)的組合，可根據(jù)設(shè)計(jì)需求按任意方式組合抽象結(jié)構(gòu)；修改則使得軟件輔助設(shè)計(jì)過程變得更人性化，可以刪除已有結(jié)構(gòu)或者插入新結(jié)構(gòu)，還能以顏色區(qū)分不同結(jié)構(gòu)以方便用戶觀察。

圖2 Fuse的工作過程

對(duì)模板的組合和修改針對(duì)的是所有模板，不依賴于任何具體模板，可以適應(yīng)新模板的添加，滿足了對(duì)模板庫的實(shí)時(shí)擴(kuò)充需求。Fuse的關(guān)鍵代碼如下：

插入模板：

刪除模板：

(3) Verification：各行業(yè)對(duì)其零件提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范，Verification利用相關(guān)規(guī)范的準(zhǔn)則來判斷當(dāng)前設(shè)計(jì)是否合理。Verification建立了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)則庫。例如：在鐵道車輛車軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)文獻(xiàn)[8-9]要求，在軸箱軸承內(nèi)端面處對(duì)應(yīng)的軸頸處需設(shè)計(jì)一個(gè)非常平緩的應(yīng)力釋放槽(深度為0.1~0.2 mm)。Verification的過程：首先為抽象結(jié)構(gòu)指定功能(軸頸)，再從規(guī)則庫調(diào)用與軸頸相關(guān)函數(shù)判斷當(dāng)前尺寸設(shè)計(jì)是否合理。

另外，尺寸的大幅變化也可能導(dǎo)致拓?fù)渥儺惖漠a(chǎn)生，Verification從工程應(yīng)用的角度判別當(dāng)前設(shè)計(jì)的合法性。

AFV技術(shù)不僅可以充分利用已有設(shè)計(jì)資源，而且可以很好地適應(yīng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需求，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)的靈活度。

2.3 AFV技術(shù)的類設(shè)計(jì)

一個(gè)軟件項(xiàng)目在其生命周期之內(nèi)，其維護(hù)所消耗的費(fèi)用是原始開發(fā)的兩倍左右[10]。任何一個(gè)系統(tǒng)在開發(fā)完成之后都需要進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)，以修復(fù)原有設(shè)計(jì)漏洞及適應(yīng)新的需求。

可插入性有利于軟件維護(hù)，可插入性是指不同類擁有相同接口，從類之間的轉(zhuǎn)換不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障，提高系統(tǒng)的適應(yīng)性。

圖3 類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高鐵道車輛車軸插件的可維護(hù)性，應(yīng)在設(shè)計(jì)之初對(duì)系統(tǒng)的可變因素加以封裝。企業(yè)應(yīng)用的CAD平臺(tái)各不相同，插件需提供常用三維設(shè)計(jì)平臺(tái)下的功能拓展，如Pro/E，AutoCAD以及SolidWorks等。

圖3為插件的類結(jié)構(gòu)，抽象類CADCapsule是常見CAD平臺(tái)(UG，Pro/E及SolidWorks)的抽象接口，AxleDesign類對(duì)任何CAD API的調(diào)用都是通過抽象類CADCapsule完成的。類CADCapsule為其他類對(duì)象調(diào)用常見CAD平臺(tái)API提供了統(tǒng)一的接口，用戶可方便切換CAD平臺(tái)以及添加其他CAD平臺(tái)，從而滿足本系統(tǒng)可插入性的要求。

AxleDesign類對(duì)實(shí)現(xiàn)類(UGCapsule，ProECapsule和 SolidWorksCapsule)的調(diào)用是通過CADCapsule間接完成的，可去除AxleDesign類和實(shí)現(xiàn)類的直接聯(lián)系，降低了模塊之間的耦合，保證了本系統(tǒng)的靈活性。

3 車軸參數(shù)化設(shè)計(jì)

車軸作為鐵道車輛的關(guān)鍵承載部件之一，文獻(xiàn)[8-9]對(duì)其結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度提出了明確要求，在設(shè)計(jì)方案達(dá)標(biāo)之前存在著大量的重復(fù)設(shè)計(jì)。為提高設(shè)計(jì)效率，開發(fā)了鐵道車輛車軸設(shè)計(jì)插件。

車軸的種類繁多，若為各型號(hào)車軸提供設(shè)計(jì)界面及模板，加大了界面設(shè)計(jì)的工作量，且不能提高數(shù)據(jù)庫的利用率；其最大的缺陷為僅能尺寸驅(qū)動(dòng)生成現(xiàn)有結(jié)構(gòu)形式的車軸，且難以適應(yīng)新結(jié)構(gòu)的車軸設(shè)計(jì)。采用AFV技術(shù)，可以避免上述缺陷。

3.1 設(shè)計(jì)方法

本文車軸設(shè)計(jì)的基本思路是概念設(shè)計(jì)-細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)-尺寸校核。概念設(shè)計(jì)完成車軸功能性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)車軸結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系。細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)完成車軸上安裝零部件區(qū)域的局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用函數(shù)CADCapsule.UpdateSize()驅(qū)動(dòng)尺寸參數(shù)化模型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)尺寸驅(qū)動(dòng)概念設(shè)計(jì)模型。尺寸校核用以判斷當(dāng)前車軸是否滿足文獻(xiàn)[8-9]對(duì)非動(dòng)力車軸和動(dòng)力車軸的設(shè)計(jì)要求。

傳統(tǒng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)難以適應(yīng)新產(chǎn)品的更新設(shè)計(jì)，由AFV技術(shù)引入概念設(shè)計(jì)可改善參數(shù)化設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可變性，提高了插件的靈活性。

3.2 插件的工作流程

在UG平臺(tái)下，獲取用戶的設(shè)計(jì)要求，讀取模板庫模板并加以組合完成概念設(shè)計(jì)。在概念設(shè)計(jì)(拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)(尺寸驅(qū)動(dòng))的過程中，調(diào)用UG API接口函數(shù)完成UG交互界面下的相應(yīng)功能，如拉伸，旋轉(zhuǎn)等。在模型確定之前調(diào)用基于文獻(xiàn)[8-9]的尺寸校核函數(shù)判斷車軸各局部結(jié)構(gòu)是否合理。模型生成之后，用戶可以將當(dāng)前設(shè)計(jì)存入模板庫，以便后續(xù)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析使用。

3.3 設(shè)計(jì)過程

基于各類車軸結(jié)構(gòu)，用戶提取公共典型結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)于模板庫；如圖4界面，圖形列表控件讀取模板庫信息，以圖形方式方便用戶選擇并插入模板至當(dāng)前設(shè)計(jì)的車軸中，以充分應(yīng)用Abstract得到的模板庫，提高設(shè)計(jì)效率。

Fuse：如圖4界面，“插入模塊”可實(shí)現(xiàn)模板的從左至右堆疊，在如圖5界面，可以修改當(dāng)前零件中模板的組合方式，完成概念(結(jié)構(gòu))設(shè)計(jì)；如圖6界面，可修改各個(gè)模板的結(jié)構(gòu)尺寸以實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)(尺寸)設(shè)計(jì)。在Fuse過程中，程序以顏色區(qū)分不同模塊(如圖7)，可視化Fuse過程。

圖4 Concept Design

圖5 Modify Design

Verification：用戶在確認(rèn)如圖6界面尺寸數(shù)值后，程序?qū)⑿：烁鞒叽缰担袛嗍欠癞a(chǎn)生非法拓?fù)渥儺?，及是否滿足文獻(xiàn)要求，若滿足要求，則生成車軸實(shí)體模型，如圖8。

圖6 Detail Design

圖7 草圖融合結(jié)果

圖8 車軸實(shí)體

4 結(jié)論

綜合本文的分析，可以得出以下結(jié)論：

(1) AFV技術(shù)不僅克服了現(xiàn)有參數(shù)化設(shè)計(jì)方法在變結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的不足，且具有傳統(tǒng)技術(shù)高效的優(yōu)點(diǎn)。

(2) 抽象模板庫的建立使得AFV技術(shù)可以充分利用已有的設(shè)計(jì)資源，基于現(xiàn)有資源快速完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)；模板庫良好的可拓展性支持用戶自行添加新型模板且無需修改代碼，降低了維護(hù)成本，且為AFV技術(shù)的高效靈活應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

(3) AFV技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)中“公有部位”、“私有部位”的定義，將結(jié)構(gòu)的任何部位設(shè)計(jì)均視為可變，為用戶自定義模塊的劃分提供了基礎(chǔ)，提高了設(shè)計(jì)的靈活性，可較好地適應(yīng)變結(jié)構(gòu)體設(shè)計(jì)。

(4) 基于類的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)之初對(duì)系統(tǒng)的可變因素加以封裝，便于實(shí)現(xiàn)本插件在不同CAD平臺(tái)間切換。

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