汽車零件全三維模型快速建模設(shè)計(jì)

葛 亮，劉 明

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽 110159；2.山東科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程系，山東 濰坊 261053)

為加快新產(chǎn)品上市速度、提高產(chǎn)品質(zhì)量并降低生產(chǎn)成本，國(guó)內(nèi)的汽車制造企業(yè)正在借鑒國(guó)外同行先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造理念和技術(shù)手段，但仍存在較大差距。

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)上，大多數(shù)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)是在原有的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，會(huì)利用原來大部分設(shè)計(jì)信息。利用參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)可以充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，在繼承原產(chǎn)品設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出新的產(chǎn)品類型[1]。

當(dāng)前，汽車行業(yè)缺乏MBD(Model Based Definition)設(shè)計(jì)規(guī)范。尤其在前期設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)模型只考慮產(chǎn)品外形，整個(gè)設(shè)計(jì)周期采用二維加三維的模式，這樣不僅增加工作量，還難以保證數(shù)據(jù)的唯一性。在零部件構(gòu)型與設(shè)計(jì)中，三維環(huán)境下創(chuàng)新的集成設(shè)計(jì)工具仍應(yīng)用不足。本文以汽車零件快速建模設(shè)計(jì)為目標(biāo)，對(duì)參數(shù)化設(shè)計(jì)、MBD模板-模型庫(kù)、變型設(shè)計(jì)等技術(shù)進(jìn)行研究，通過應(yīng)用CAA(Component Application Architecture)二次開發(fā)，在CATIA(Computer AidedTri-Dimensional Interface Application)平臺(tái)下，構(gòu)建汽車零件全三維模型快速建模設(shè)計(jì)系統(tǒng)。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是三維軟件應(yīng)用技術(shù)中重要技術(shù)之一[2]，是三維模型建立的重要方法，在同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中得到廣泛應(yīng)用。其主要是通過約束來體現(xiàn)模型的形狀特征，用一組尺寸參數(shù)來控制設(shè)計(jì)結(jié)果，通過改變模型的設(shè)計(jì)參數(shù)來更改產(chǎn)品模型，最終生成新的模型[3]。產(chǎn)品模型的更新是在給定約束條件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的前提下，根據(jù)設(shè)計(jì)人員輸入的參數(shù)來完成。參數(shù)化設(shè)計(jì)不但能保存零件的幾何信息，還能處理幾何元素間的約束關(guān)系[4]。參數(shù)化設(shè)計(jì)建模能夠提高設(shè)計(jì)效率[5]，通過引入功能體素，對(duì)產(chǎn)品功能體素進(jìn)行設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)人員的思想融入到三維建模中，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、構(gòu)件要素間的關(guān)聯(lián)更加直觀。

參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)可分為三種方法，基于幾何關(guān)系的數(shù)學(xué)方法、基于特征的造型方法和基于幾何原理的人工智能方法[6]。汽車零件參數(shù)化設(shè)計(jì)建模采用預(yù)定義的方法建立圖形的幾何約束集，定義參數(shù)與幾何約束集通過創(chuàng)建公式建立關(guān)聯(lián)，自動(dòng)完成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。其實(shí)質(zhì)就是將模型的定量信息變量化[7]，提取產(chǎn)品模型的特征作為變量，通過一定的公式修改相關(guān)的尺寸。

基于CAA二次開發(fā)的參數(shù)化程序設(shè)計(jì)是編寫程序來控制三維模型的生成，根據(jù)零件的設(shè)計(jì)要求，建立控制模型尺寸的一組參數(shù)，通過對(duì)零件設(shè)計(jì)參數(shù)的修改來更改實(shí)體模型，達(dá)到參數(shù)化設(shè)計(jì)的目的。

2 MBD模板-模型庫(kù)

對(duì)汽車零件的特征進(jìn)行分類總結(jié)，并結(jié)合相關(guān)知識(shí)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)零件的存儲(chǔ)和管理，建立汽車零件知識(shí)特征模板庫(kù)。

2.1 零件知識(shí)獲取

知識(shí)的獲取是建立零件知識(shí)庫(kù)的重要部分，主要是從數(shù)量龐大的零件模型庫(kù)中查詢并快速找到所需的模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的重用，主要步驟如下。

(1)首先對(duì)零件模型進(jìn)行分析并收集已有知識(shí)，根據(jù)相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求，通過和專家進(jìn)行交流，對(duì)問題做出基本解釋并整理。

(2)在收集到一定信息后，對(duì)所有信息進(jìn)行識(shí)別、整理和處理，并將所獲取知識(shí)與設(shè)計(jì)要求信息進(jìn)行匹配，尋找最優(yōu)解決方法。

(3)處理完收集的知識(shí)后，設(shè)計(jì)人員將知識(shí)用計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的語言寫入知識(shí)庫(kù)，最終獲取零件的知識(shí)。

零件知識(shí)獲取的方法主要包括以下三種：通過學(xué)習(xí)或挖掘數(shù)據(jù)的方式獲得新知識(shí)；從產(chǎn)品技術(shù)說明中獲取知識(shí)，如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)規(guī)范、圖表數(shù)據(jù)等；通過與產(chǎn)品設(shè)計(jì)專家交流獲取知識(shí)[8]。

2.2 零件知識(shí)庫(kù)

零件知識(shí)庫(kù)的主要作用是通過創(chuàng)建全三維模型汽車零件知識(shí)庫(kù)系統(tǒng)來存儲(chǔ)模型信息。汽車零件知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)如圖1所示。汽車零件知識(shí)庫(kù)由零件模型庫(kù)、特征信息庫(kù)和設(shè)計(jì)規(guī)則庫(kù)組成，各部分之間通過知識(shí)獲取、知識(shí)表達(dá)和知識(shí)重用等方法建立相互間的聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)汽車零件模型知識(shí)信息的重用。

圖1 汽車零件知識(shí)庫(kù)結(jié)構(gòu)

零件模型庫(kù)作為零件知識(shí)庫(kù)的重要組成部分，可將零件模型的設(shè)計(jì)信息及規(guī)則等知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢及管理，并按照不同的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換，從而應(yīng)用于不同系統(tǒng)平臺(tái)上。

2.3 模板建立

零件特征模板的設(shè)計(jì)是在零件特征建模的過程中運(yùn)用參數(shù)化建模的思想。汽車零件特征模板的建立首先將預(yù)先定義的零件模型分解成特征模型；再把特征模型以特征模板的形式存儲(chǔ)到文件中，設(shè)計(jì)人員在建立相似零件模型時(shí)可利用參數(shù)驅(qū)動(dòng)特征模板進(jìn)行實(shí)例化，實(shí)現(xiàn)特征模板結(jié)構(gòu)的重用。

零件特征模板將零件幾何信息、結(jié)構(gòu)參數(shù)、非幾何信息集成在一起，其包含的結(jié)構(gòu)參數(shù)、關(guān)系與特征模型具有一定相關(guān)關(guān)系，用戶通過修改零件幾何參數(shù)的值可生成不同的零件特征。

3 變型設(shè)計(jì)

模板知識(shí)的重用主要有兩種判斷方法：一種是利用模板知識(shí)庫(kù)的知識(shí)及問題的初始數(shù)據(jù)；另一種是根據(jù)已知知識(shí)推斷新的知識(shí)。變型設(shè)計(jì)用第二種方法實(shí)現(xiàn)，根據(jù)零件幾何體原有的特征知識(shí)推斷出新的零件特征。變型設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)及功能進(jìn)行分析，將設(shè)計(jì)需求的新模型不斷向已有模型的基礎(chǔ)上靠攏，最終實(shí)現(xiàn)在已有模型知識(shí)進(jìn)行匹配的基礎(chǔ)上添加或減少新的零件特征或參數(shù)，完成新零件的生成。零件模型變型設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 零件模型變型設(shè)計(jì)流程圖

如果部分零件在結(jié)構(gòu)上具有一定的相似性，根據(jù)相似結(jié)構(gòu)特征，可以按照檢索匹配原則利用基于實(shí)例推理的方法，對(duì)模板模型庫(kù)中的零件實(shí)例進(jìn)行匹配，當(dāng)所需零件的設(shè)計(jì)要求和原有零件實(shí)例近似匹配時(shí)，直接調(diào)用該零件模型的相關(guān)知識(shí)，實(shí)現(xiàn)零件知識(shí)的重用[9]。在基于全三維模型的汽車零件參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)過程中，知識(shí)的推理是將零件的設(shè)計(jì)規(guī)則和專家經(jīng)驗(yàn)編寫成計(jì)算機(jī)可識(shí)別的語言，即利用CAA編寫程序。

4 汽車零件全三維模型快速建模設(shè)計(jì)系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)總體框架

汽車零件全三維模型快速建模設(shè)計(jì)系統(tǒng)是在CATIA V5R20中基于CAA-RADE環(huán)境搭建的平臺(tái)，將CATIA參數(shù)化設(shè)計(jì)與模板知識(shí)庫(kù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、規(guī)則等知識(shí)的重用。參數(shù)化建模模塊、模型庫(kù)模塊及變型設(shè)計(jì)模塊三者間相互聯(lián)系，通過知識(shí)的重用進(jìn)行集成，實(shí)現(xiàn)基于全三維模型的汽車零件參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這三個(gè)模塊與CATIA系統(tǒng)高度集成，并與Windows系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)的讀取和寫入。系統(tǒng)的總體框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)的整體框架

4.2 系統(tǒng)運(yùn)行流程

汽車零件全三維模型快速建模設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用程序驅(qū)動(dòng)生成汽車零件的參數(shù)化模型，將已創(chuàng)建的零件模型分類存儲(chǔ)到模板模型庫(kù)中，通過模型逐級(jí)匹配為主、模型預(yù)覽為輔的方法檢索和調(diào)用設(shè)計(jì)人員所需要的模型；對(duì)零件模型特征庫(kù)中的特征進(jìn)行布爾操作，通過參數(shù)的輸入或載入來驅(qū)動(dòng)模型實(shí)例化，完成模型庫(kù)的重用。汽車零件全三維模型快速建模設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行流程如圖4所示。

5 活塞快速建模設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

5.1 全三維模型的活塞參數(shù)化設(shè)計(jì)

活塞參數(shù)化建模需選擇建?；鶞?zhǔn)，建?；鶞?zhǔn)主要由基準(zhǔn)面和軸線組成。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析，決定活塞外形的結(jié)構(gòu)特征參數(shù)主要有：活塞直徑D；活塞高度H；壓縮高度H1；裙部高度H2；頂岸高度h1；

第一環(huán)岸高C1；第二環(huán)岸高C2和銷孔直徑d等。構(gòu)件要素如圖5所示。

以汽油機(jī)活塞為例，利用汽車零件全三維模型快速建模設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)活塞進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)建模。圖6為活塞參數(shù)化設(shè)計(jì)建模流程。

活塞參數(shù)化設(shè)計(jì)建模過程如下。

(1)根據(jù)汽油機(jī)活塞的設(shè)計(jì)方案，首先確定活塞建模的構(gòu)件要素(建模基準(zhǔn))，利用交互式開放方式操作，通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊拾取全部構(gòu)件要素；將活塞模型構(gòu)造程序載入到系統(tǒng)中，并將其轉(zhuǎn)化為指針的形式，CATIA系統(tǒng)將對(duì)其識(shí)別。

(2)創(chuàng)建活塞幾何圖形集，主要用來存放建模過程中所用到的參考點(diǎn)、線、面等幾何元素。

(3)分析汽油機(jī)活塞的建模步驟，建立活塞基體。

(4)當(dāng)活塞基體建立完成后，再次進(jìn)入草圖編輯模式，畫出活塞裙部凹槽及環(huán)槽的草圖，并對(duì)草圖進(jìn)行拉伸與旋轉(zhuǎn)，形成凹槽和環(huán)槽。圖7所示為最終建立的活塞模型。

圖7 活塞參數(shù)化建模實(shí)例

5.2 活塞全三維模板模型庫(kù)

汽車零件MBD模板的建立可以通過兩種方式來實(shí)現(xiàn)。一種是用戶特征，將零件三維模型中的幾何特征、參數(shù)關(guān)系及約束等信息集成，作為實(shí)例化對(duì)象，設(shè)計(jì)人員可根據(jù)設(shè)計(jì)需求進(jìn)行調(diào)用。

對(duì)活塞零件模型信息進(jìn)行歸納，包括模型分級(jí)信息、零件構(gòu)件要素、尺寸要素等。創(chuàng)建零件知識(shí)庫(kù)信息表格，將零件信息寫入Excel表格中，如表1所示。

表1 活塞模型信息歸類

根據(jù)活塞模型信息，建立活塞零件特征模板。零件特征模板是在零件特征建模的過程中運(yùn)用參數(shù)化建模的思想。實(shí)例化的活塞參數(shù)化模型可以保存在Execl表格中，方便管理和調(diào)用。表2所示為活塞零件模型參數(shù)信息。

表2 活塞模型參數(shù)信息 mm

MBD模板建立的第二種方法是用CATIA的超級(jí)副本來實(shí)現(xiàn)。分析已有零件模型，檢索原始模型的幾何信息，根據(jù)需要調(diào)用CAA接口、函數(shù)創(chuàng)建或替換構(gòu)件元素，完成新零件模板的創(chuàng)建。其設(shè)計(jì)流程如圖8所示。

圖8 活塞模板超級(jí)副本設(shè)計(jì)流程

5.3 活塞零件變型設(shè)計(jì)

零件變型設(shè)計(jì)是在已建立好的模型和零件模型庫(kù)的基礎(chǔ)上對(duì)模型的重用[10]。保持零件模型拓?fù)潢P(guān)系不變的前提下，用戶在零件模型中添加相應(yīng)的參數(shù)和關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件幾何參數(shù)的實(shí)時(shí)智能化查閱與修改。此外，用戶也可調(diào)用零件模型庫(kù)中的特征進(jìn)行布爾操作，通過超級(jí)拷貝方法進(jìn)行零件變型設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零件模型的重用?；钊慵冃驮O(shè)計(jì)界面如圖9所示。

圖9 活塞變型設(shè)計(jì)界面

6 結(jié)束語

研究了參數(shù)化、模板模型庫(kù)、變型設(shè)計(jì)等技術(shù)，基于CAA READ對(duì)CATIA進(jìn)行二次開發(fā)，建立了汽車零件全三維模型快速建模設(shè)計(jì)系統(tǒng)，并以活塞為對(duì)象進(jìn)行了實(shí)例應(yīng)用。該系統(tǒng)能夠支持汽車零件的快速建模設(shè)計(jì)，提高汽車零件的設(shè)計(jì)效率。