船載隨動平臺參數(shù)化設(shè)計(jì)

萬 健，周 洪，付彥琨，王 紅，吳恩啟

（1.上海理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，上海 200093；2.上海船舶設(shè)備研究所，上海 200079）

0 引言

航空、航海技術(shù)的發(fā)展體現(xiàn)了一個國家的綜合國力，是國家軍事實(shí)力、科技水平及經(jīng)濟(jì)實(shí)力的綜合展現(xiàn)。該領(lǐng)域的發(fā)展對國家安全、國民經(jīng)濟(jì)甚至人民生活質(zhì)量的提高都起到重要作用［1］。與陸地相比，航海受到海浪的影響，會產(chǎn)生復(fù)雜的多維搖蕩運(yùn)動，從而導(dǎo)致船上需要保持慣性空間方位不變的裝置無法正常且精準(zhǔn)的運(yùn)作。例如船載攝像機(jī)［2］、艦載激光武器［3］等設(shè)備在搖蕩的環(huán)境中，無法獲取清晰的視頻圖像，因而無法對目標(biāo)進(jìn)行精確損傷，這些都會造成不可預(yù)估的后果。因此，需要隨動平臺隔離載體產(chǎn)生的多維搖蕩運(yùn)動。

隨動平臺在民用、科考、救援和軍事等領(lǐng)域有著廣泛運(yùn)用，其在國防安全、人民生活和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但同時隨動平臺也面臨著動態(tài)性能差、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度低以及與環(huán)境產(chǎn)生共振等問題，這些都會影響設(shè)備的正常工作，甚至威脅工作人員的生命安全。因此，隨動平臺結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣將直接關(guān)系到設(shè)備工作的可靠性。在隨動平臺設(shè)計(jì)過程中，不可避免地要反復(fù)多次進(jìn)行修改，多次對模型零件進(jìn)行重建以及對裝配體重新進(jìn)行組裝，如果對每個零件都進(jìn)行個性化設(shè)計(jì)，會導(dǎo)致工作量大、開發(fā)周期長、效率低下等問題［4］。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日趨成熟與完善，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展方向。研究表明，采用參數(shù)化建模方法可顯著提高復(fù)雜零件三維建模時的自動化程度［5］。參數(shù)化設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)模型的系列化生成，提高設(shè)計(jì)效率［6-7］。陳雨等［8］基于C++對Pro/E 進(jìn)行二次開發(fā)，提高了變速箱設(shè)計(jì)效率；Fan［9］利用UG 建立液壓支架的三維模型；李振華等［10］基于VB 對SolidWorks 進(jìn)行二次開發(fā)，并對高速動車組彈簧進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)；Necdet 等［11］通過自頂向下的建模方法對球關(guān)節(jié)進(jìn)行參數(shù)化建模。

目前，隨動平臺的設(shè)計(jì)存在零件設(shè)計(jì)重復(fù)、圖紙修改任務(wù)量大等問題。為此，本文開發(fā)一種可自動生成零件并完成裝配的設(shè)計(jì)系統(tǒng)，通過調(diào)用Solid Works 內(nèi)置的API 函數(shù)對三維模型參數(shù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)。在輸入基本參數(shù)后，計(jì)算機(jī)自動進(jìn)行建模及裝配。該方法可有效提升設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。

1 隨動平臺結(jié)構(gòu)分析與工作原理

隨動平臺由基礎(chǔ)部件、橫搖機(jī)構(gòu)、縱搖機(jī)構(gòu)等組成，整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，基礎(chǔ)部件主要由底板、左右基架等組成，橫搖機(jī)構(gòu)由承重軸、立桿、擺盤、箱體、橫搖電機(jī)、減速器等組成，縱搖機(jī)構(gòu)由隨動底座、支架、拉桿、縱搖電機(jī)、減速器等組成。

縱搖機(jī)構(gòu)上的拉桿與基礎(chǔ)部件的左右基架相接，控制縱搖機(jī)構(gòu)的縱向擺動。橫搖機(jī)構(gòu)放置在縱搖機(jī)構(gòu)上與縱搖機(jī)構(gòu)串聯(lián)，通過橫搖電機(jī)獲取的姿態(tài)信息控制擺盤的橫向擺動。其中，箱體放置在擺盤上，箱體內(nèi)放置需要保持慣性空間穩(wěn)定的設(shè)備，箱體數(shù)量可根據(jù)需要增加或減少。

2 隨動平臺程序化建模系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用SolidWorks 進(jìn)行二次開發(fā)的原理分為兩種：一種是基于組件對象模型規(guī)范（Component Object Model，COM），另一種是基于對象鏈接與嵌入（Object Linking and Embedding，OLE）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)OLE 自動化［12］。SolidWorks 提供了二次開發(fā)應(yīng)用程序接口API 函數(shù)，能使用戶根據(jù)自己的需求進(jìn)行二次開發(fā)，完成模塊定制。用戶編寫的程序通過調(diào)用API 成員與SolidWorks 應(yīng)用程序的對象成員進(jìn)行交互，完成對SolidWorks 的訪問與操作，從而建立產(chǎn)品的三維模型。API 功能函數(shù)以COM 技術(shù)為基礎(chǔ)，COM 技術(shù)是對象模型的組建技術(shù)，通過其可實(shí)現(xiàn)對象組件化程序編程設(shè)計(jì)思想［13］。COM 技術(shù)也是一種面向?qū)ο蟮木幊棠Ｊ?，支持COM 技術(shù)的編程語言（VB、C#、C++）都可用來進(jìn)行Solid?Works 二次開發(fā)。C#是目前最流行的編程語言之一，因其簡單易用、功能強(qiáng)大，受到了廣大設(shè)計(jì)人員歡迎。本文研究的程序化建模系統(tǒng)提高了隨動平臺建模效率，縮短了隨動平臺設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量。

2.1 隨動平臺系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)在產(chǎn)品系統(tǒng)開發(fā)與使用的整個生命周期中都至關(guān)重要，系統(tǒng)各個功能模塊的實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)整體架構(gòu)的基礎(chǔ)，模塊之間的有機(jī)統(tǒng)一是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體性的有力保障［14］。隨動平臺參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于C#通過Visu?alStudio 建立人機(jī)交互界面，設(shè)計(jì)人員輸入指定參數(shù)，通過與三維建模軟件進(jìn)行銜接，一鍵生成三維模型。該系統(tǒng)總體由用戶層、開發(fā)層與數(shù)據(jù)層組成，用戶層是設(shè)計(jì)人員與系統(tǒng)交互的通道，將設(shè)計(jì)參數(shù)直接傳遞給開發(fā)層；開發(fā)層是構(gòu)建三維模型的通道，接收設(shè)計(jì)人員提供的設(shè)計(jì)參數(shù)信息，并進(jìn)行主動尺寸與關(guān)聯(lián)尺寸計(jì)算，完成程序化建模后再將信息傳遞給數(shù)據(jù)層；數(shù)據(jù)層為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，主要包括零部件庫、裝配體庫等。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖2所示。

Fig.2 System architecture圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)是影響人機(jī)交互的重要環(huán)節(jié)之一，也是用戶對軟件的第一印象，因此是軟件設(shè)計(jì)的重要組成部分［15］。通過人機(jī)交互方式，根據(jù)用戶需求快速獲得結(jié)構(gòu)參數(shù)，并生成對應(yīng)參數(shù)模型，可縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率與準(zhǔn)確性，從而降低了對設(shè)計(jì)人員專業(yè)素質(zhì)的要求［16］。依據(jù)本文的設(shè)計(jì)需求，設(shè)計(jì)員能夠通過隨動平臺參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的人機(jī)交互界面與三維建模軟件銜接，根據(jù)指定參數(shù)生成三維模型。程序化建模的主要步驟與手動建模步驟相同［17］，通過獲取箱體數(shù)量、質(zhì)心高度等參數(shù)，自動計(jì)算相應(yīng)零件尺寸，逐步建模生成立桿、支架、左右基架等零部件，并進(jìn)行模型裝配，完成程序化建模。人機(jī)交互界面如圖3 所示。

Fig.3 Human-machine interaction interface圖3 人機(jī)交互界面

通過人機(jī)交互界面，設(shè)計(jì)人員可輸入?yún)?shù)對模型進(jìn)行個性化設(shè)計(jì)。人機(jī)交互界面可實(shí)時顯示所搭建的支架和裝配體模型圖，以方便、直觀地展示給設(shè)計(jì)人員。同時為了保證建模的準(zhǔn)確性，人機(jī)交互界面可顯示各個參數(shù)取值范圍，并在參數(shù)超出該范圍時進(jìn)行警示。為便于后續(xù)分析，設(shè)有模態(tài)分析及動力仿真模塊，可提供部分模型的模態(tài)分析結(jié)果及動力性能相關(guān)參數(shù)作為參考。

2.3 程序化建模

參數(shù)化設(shè)計(jì)方法有兩種：模型驅(qū)動法和尺寸驅(qū)動法。模型驅(qū)動法是指完全調(diào)用API 函數(shù)構(gòu)建模型，是從無到有地生成模型。但該方法比較復(fù)雜、編程工作量大，且建模速度緩慢，對開發(fā)人員的專業(yè)性有著極高要求，針對形狀簡單且較為規(guī)則的零部件可采用該方法。尺寸驅(qū)動法是在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上設(shè)置主動參數(shù)變量，通過修改參數(shù)變量重新進(jìn)行建模。該方法編程工作量小，更易于開發(fā)，相較于模型驅(qū)動法，其在生成一些造型相似且需要系列化的零件時可節(jié)約大量計(jì)算資源，減少設(shè)計(jì)人員工作量［18］。本文將尺寸驅(qū)動法與模型驅(qū)動法相結(jié)合進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2.3.1 零件模塊設(shè)計(jì)

零件模塊中包含兩類零部件：一類是固定參數(shù)零部件，是指不經(jīng)過任何更改，直接調(diào)用裝配的零件；另一類是關(guān)鍵零部件，是指需要經(jīng)過尺寸參數(shù)的更改變化，重新建模的零件［19］。通過對主動參數(shù)的賦值生成自定義參數(shù)零部件，將主動參數(shù)對應(yīng)的零部件與被動參數(shù)對應(yīng)的零部件建立關(guān)聯(lián)，將參數(shù)變化逐級傳遞至整體模型。為保證程序化建模質(zhì)量，參數(shù)分析是其中的關(guān)鍵。參數(shù)包括主動尺寸參數(shù)、被動尺寸參數(shù)和不變尺寸參數(shù)。在零部件建模過程中，主動參數(shù)包括箱體數(shù)量、支架下底邊長度、支架上邊線長度、初始橫搖角度、初始縱搖角度、左右基架高度、基架橫梁高度等。被動參數(shù)包括立桿高度、支架高度、拉桿長度等?？刂茀?shù)如表1 所示。

Table 1 Control parameters表1 控制參數(shù)

設(shè)計(jì)人員輸入主動參數(shù)后，根據(jù)箱體數(shù)量自動改變立桿高度、支架高度及拉桿高度等被動參數(shù)，并進(jìn)行命名與保存。零件模塊化設(shè)計(jì)典型指令代碼如下：

2.3.2 裝配體模塊設(shè)計(jì)

以往的裝配都是由CAD 完成的，通過配合關(guān)系手動完成每個部件的裝配，耗時耗力。通過智能裝配可節(jié)省大量時間成本，且易于操作［20］。模型裝配分為自頂向下和自底向上兩種方式，由于該系統(tǒng)已通過參數(shù)化獲得了零件模型，因此這里選擇自底向上的裝配方式［21］。在完成零部件程序化建模后，通過自底而上的建模方法進(jìn)行模型裝配，按照零部件之間的結(jié)構(gòu)及位置關(guān)系添加約束類型。在自動裝配過程中，大多數(shù)裝配都可利用基準(zhǔn)面或基準(zhǔn)軸進(jìn)行配合，但在選擇零件的點(diǎn)、線、面進(jìn)行裝配時，則需要采用遍歷技術(shù)。通過對零件待裝配面進(jìn)行自定義命名，裝配時計(jì)算機(jī)選定零部件后，對零件所有面都遍歷一遍，直到遍歷至命名面后，利用Select4 選定面后再進(jìn)行裝配。為保證模型中各個機(jī)構(gòu)能夠按照要求運(yùn)動，需選擇合適的元素進(jìn)行裝配才能保證模型的自由度。裝配示意圖如圖4 所示。

裝配系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）打開裝配體及插入零件。首先通過編寫的代碼打開裝配體環(huán)境，然后利用AddComponent 函數(shù)向裝配體中插入立桿和支架。插入零件后，利用CloseDoc 函數(shù)關(guān)閉零件以釋放零件所占內(nèi)存。主要代碼如下：

Fig.4 Assembly diagram圖4 裝配示意圖

（2）添加配合關(guān)系。在裝配過程中，需要選擇點(diǎn)、線、面等元素進(jìn)行裝配。配合關(guān)系主要包括重合、距離配合、同軸心、平行等。大多數(shù)裝配都可利用基準(zhǔn)面或基準(zhǔn)軸進(jìn)行配合，但當(dāng)需要選擇零件的點(diǎn)、線、面進(jìn)行裝配時便需要采用遍歷技術(shù)。對零件的面命名后，再編制程序遍歷零件所有的面。當(dāng)遍歷到命名的面之后，利用Select4 選定面。當(dāng)選定所需裝配的元素后，利用Addmate5 函數(shù)添加配合關(guān)系完成裝配。

同軸心配合的部分代碼如下：

（3）模型重建及保存。在裝配完成后，利用ForceRe?build2 函數(shù)對模型進(jìn)行重建，防止出現(xiàn)添加配合關(guān)系不成功的現(xiàn)象，之后再利用SaveAs3 對模型進(jìn)行保存。主要代碼如下：

通過API 函數(shù)的調(diào)用完成程序化建模，具體裝配參數(shù)如表2 所示。

Table 2 Assembly parameters表2 裝配參數(shù)

3 結(jié)語

以工程思想為指導(dǎo)，將參數(shù)化設(shè)計(jì)及自動裝配技術(shù)應(yīng)用于隨動平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，以C#為開發(fā)語言，通過調(diào)用API 函數(shù)對SolidWorks 進(jìn)行二次開發(fā)，應(yīng)用面遍歷技術(shù)實(shí)現(xiàn)對面的精準(zhǔn)選擇及裝配。通過對自動裝配的研究，對模型參數(shù)化方法有了更深入的了解。該系統(tǒng)提高了設(shè)計(jì)效率，降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了設(shè)計(jì)周期，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。后續(xù)還需要進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，并改善人機(jī)交互界面。