摘 要:針對現(xiàn)有整機(jī)參數(shù)化建模技術(shù)的不足,提出了一種通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控方法:核心思想是將產(chǎn)品建模規(guī)則與程序框架相分離,核心技術(shù)是建模規(guī)則的語義描述及其解析。實(shí)例分析表明通過應(yīng)用創(chuàng)新的通用性整機(jī)參數(shù)化技術(shù),可以極大地提高整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控能力??梢詫⒄麢C(jī)參數(shù)化技術(shù)的適用性從只適用于某類特定產(chǎn)品,擴(kuò)展為適用于所有的機(jī)械產(chǎn)品。與傳統(tǒng)CAD軟件的建模方式相比,系列產(chǎn)品的產(chǎn)品建模效率提高50%以上;可以適用于常見機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)模型的快速建模。
關(guān)鍵詞:通用性;整機(jī)參數(shù)化;建模系統(tǒng);自適應(yīng);調(diào)控方法
中圖分類號:TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-8122(2014)12-0163-03
參數(shù)化建模技術(shù)作為最有效的快速建模手段,長期以來一直是國內(nèi)外計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。PTC公司在20世紀(jì)90年代將零部件級的通用參數(shù)化技術(shù)應(yīng)用在其Pro/E軟件中,使得三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)建模效率大大提高[1]。在此基礎(chǔ)上,很多學(xué)者開展了產(chǎn)品整機(jī)的參數(shù)化建模技術(shù)研究,也出現(xiàn)了一些相關(guān)產(chǎn)品。目前國內(nèi)外進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究有很多。這些參數(shù)化設(shè)計(jì)研究已經(jīng)突破了傳統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)參數(shù)定義自下而上的設(shè)計(jì)理念,提出了自上而下的總體參數(shù)控制方法,并提出了提取設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思路,固化設(shè)計(jì)規(guī)則,從而實(shí)現(xiàn)自動化的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。但是這種參數(shù)化設(shè)計(jì)方法還有很大的局限性,其總體參數(shù)控制受預(yù)定的參數(shù)結(jié)構(gòu)約束,無法進(jìn)行實(shí)時(shí)地改變;而固化的設(shè)計(jì)規(guī)則限制系統(tǒng)只能適用于某特定類型的產(chǎn)品,不具有通用性和可拓展性。
本研究提出了一種通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控方法。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行層次劃分,并建立設(shè)計(jì)參數(shù)之間的聯(lián)動關(guān)系;通過主參數(shù)控制整個(gè)產(chǎn)品模型的建立和修改,系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則完成主參數(shù)與其它設(shè)計(jì)參數(shù)的轉(zhuǎn)換,生成產(chǎn)品裝配約束模型,并自動更新產(chǎn)品的數(shù)字模型:系統(tǒng)將設(shè)計(jì)規(guī)則與系統(tǒng)框架相分離,設(shè)計(jì)規(guī)則可以通過簡單的語法用腳本文件描述,可以方便地添加和修改。與之前的研究相比,設(shè)計(jì)規(guī)則不再固化,系統(tǒng)根據(jù)需要可進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控,使系統(tǒng)的通用性大大增加,不再局限于某特定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
一、技術(shù)原理
所謂“整機(jī)參數(shù)化”,是指在零件參數(shù)化技術(shù)的基礎(chǔ)上,針對某類產(chǎn)品整機(jī)建模的特點(diǎn),總結(jié)其建模規(guī)律,并依據(jù)規(guī)則由程序自動完成產(chǎn)品整機(jī)建模的一系列操作,從而大大降低設(shè)計(jì)者勞動強(qiáng)度,提高建模效率的一種快速建模技術(shù)[2]。
參數(shù)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)快速建模的主要手段之一。傳統(tǒng)的參數(shù)化技術(shù)只能處理零件級的幾何模型,不能滿足產(chǎn)品整機(jī)模型的快速建模需求。應(yīng)用傳統(tǒng)的參數(shù)化建模技術(shù),設(shè)計(jì)者需完成一系列復(fù)雜而又煩瑣的工作,并且很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤?,F(xiàn)有整機(jī)參數(shù)化技術(shù)的主要問題是自適應(yīng)性差:建模規(guī)則往往被固化在程序中。工程中影響產(chǎn)品幾何形狀的因素非常多,建模規(guī)則是瑣碎而又多變的。而固化在程序中的規(guī)則往往只能滿足一種情況的需要,花費(fèi)了大量時(shí)間和精力開發(fā)的整機(jī)參數(shù)化系統(tǒng)只能滿足特定產(chǎn)品的快速建模需求,難以推廣應(yīng)用到其它類似的設(shè)計(jì)中。
實(shí)際上,對于某類產(chǎn)品而言,建模規(guī)則總是有一定規(guī)律可循的。如果將建模規(guī)則引入到程序中,由程序代替人工完成以上工作,就可以大大減少設(shè)計(jì)者的勞動強(qiáng)度,提高建模效率。本研究提出的通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控方法:將建模規(guī)則與系統(tǒng)框架相分離,建模規(guī)則可由最終用戶通過簡單的語法用腳本文件描述,可以方便地添加和修改。從而極大地提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)性。通過定制零部件庫及其建模規(guī)則,可以快速生成滿足不同產(chǎn)品建模需求的整機(jī)參數(shù)化程序。
二、自適應(yīng)調(diào)控結(jié)構(gòu)
通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控結(jié)構(gòu)如圖1所示:整個(gè)系統(tǒng)由“建模規(guī)則維護(hù)”、“框架模型庫維護(hù)”、“基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化建模”和“CAD模型生成引擎”四個(gè)部分組成。其中:“建模規(guī)則維護(hù)”模塊主要用于向產(chǎn)品框架模型添加建模規(guī)則;“框架模型庫維護(hù)”模塊主要用于對常見產(chǎn)品、零部件及特征的框架模型進(jìn)行分類存儲;“基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化建?!蹦K則負(fù)責(zé)讀取并解析產(chǎn)品的框架模型和建模規(guī)則,生成用于選取零部件實(shí)例、特征實(shí)例和輸入主控參數(shù)的用戶界面,并根據(jù)輸入的主參數(shù)、零部件類型和特征類型,確定整個(gè)產(chǎn)品的零部件及特征的數(shù)量、類型和參數(shù),并將其輸出到CAD系統(tǒng)下,自動建立產(chǎn)品零部件及其裝配模型,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整機(jī)的參數(shù)化建模;“CAD模型生成引擎”用于向常見的CAD軟件(例如PRO/E和UG)輸出整機(jī)參數(shù)化系統(tǒng)生成產(chǎn)品三維模型。
圖1 通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控框圖
由圖1可以看出,系統(tǒng)的基本工作流程如下:a.由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員建立常見產(chǎn)品、零部件和特征的“框架模型”;b.由負(fù)責(zé)系統(tǒng)維護(hù)的管理員按照建模規(guī)則的腳本語義,應(yīng)用“建模規(guī)則維護(hù)”模塊,在框架模型上添加建模規(guī)則,并通過“框架模型庫維護(hù)”按照一定層次結(jié)構(gòu)分類存儲;c.用戶則調(diào)用模塊“基于規(guī)則的快速建模”,生成產(chǎn)品模型實(shí)例。
與一般的整機(jī)參數(shù)化系統(tǒng)相比,圖1所示的方案的主要特點(diǎn)是將具體的建模規(guī)則與整機(jī)參數(shù)化系統(tǒng)相分離。最終用戶可以通過“建模規(guī)則維護(hù)”界面對產(chǎn)品的建模規(guī)則進(jìn)行擴(kuò)充和修改,從而使得“整機(jī)參數(shù)化建?!毕到y(tǒng)具有良好的可調(diào)控性,可以適應(yīng)不同產(chǎn)品快速建模的需求。理論上講,整機(jī)參數(shù)化技術(shù)建模系統(tǒng)可以適應(yīng)所有產(chǎn)品的快速建模需求。
“基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化建?!必?fù)責(zé)對“框架模型”進(jìn)行參數(shù)化,其主要功能包括:a.解析指定的“框架模型”的規(guī)則語義,將其用直觀的產(chǎn)品樹的形式顯示;b.接受用戶的“虛零部件”實(shí)例選擇、“虛特征”實(shí)例選擇、參數(shù)輸入等信息;c.根據(jù)用戶輸入的信息和建模規(guī)則,對框架模型進(jìn)行實(shí)例化,生成模型生成腳本,進(jìn)而得到模型。
三、實(shí)例分析
(一)框架模型庫維護(hù)
所謂框架模型,是指在對某一類相似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品模型進(jìn)行抽象、歸納的基礎(chǔ)上,利用“虛零件”和“虛特征”的概念,建立的簡要結(jié)構(gòu)模型,其本質(zhì)是一種可視化的整機(jī)參數(shù)化框架表達(dá)??蚣苣P头譃椤把b配框架”和“零件框架”兩種。其中“裝配框架”是一種加入了“虛組件”的裝配模型,“零件框架”是一種加入了“虛特征”的組件模型。“虛組件”是一種只定義裝配位置(用一個(gè)局部坐標(biāo)系完成)和基本尺寸,沒有具體結(jié)構(gòu)的組件模型。用戶在設(shè)計(jì)過程中選擇具體的組件實(shí)例,賦予其具體參數(shù)后,系統(tǒng)自動用組件實(shí)例替換“虛組件”形成實(shí)際的裝配;“虛特征”是一種只定義位置和方位(用一個(gè)局部坐標(biāo)系完成),沒有具體結(jié)構(gòu)的特征表示。用戶在設(shè)計(jì)過程中選擇具體的特征實(shí)例,賦予具體參數(shù)后,系統(tǒng)自動用特征實(shí)例替代虛特征形成實(shí)際的組件。
框架模型庫用于存儲產(chǎn)品、零部件和特征的框架模型??蚣苣P蛶炀S護(hù)模塊的主要作用是對各種框架模型進(jìn)行分類管理,包括:模型分類、模型對應(yīng)的CAD文件和建模規(guī)則等信息的存儲??蚣苣P蛶炀S護(hù)的界面(如圖2所示)。
圖2 框架模型庫維護(hù)主界面
(二)建模規(guī)則及其維護(hù)
通過對大量產(chǎn)品整機(jī)參數(shù)化規(guī)律的總結(jié)和提煉,建立了一種能夠滿足絕大部分產(chǎn)品建模需求的建模規(guī)則描述語義。建模規(guī)則從形式上看是一套具有一定格式的腳本語言,其基本語義包括對產(chǎn)品的零部件裝配關(guān)系、主參數(shù)定義、參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系、特征定義、特征關(guān)聯(lián)、零部件約束、系列特征等信息的描述[3]。通過這套語言,可以方便地對整機(jī)參數(shù)化的建模規(guī)則進(jìn)行定義。建模規(guī)則的可視化定義方法,用戶可以在CAD軟件下,面向產(chǎn)品及其零部件的實(shí)體模型,通過專用工具,對建模規(guī)則進(jìn)行維護(hù),如圖3所示。
圖3 建模規(guī)則維護(hù)窗口
(三)基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化
這部分是本文的核心研究內(nèi)容,其工作流程如圖4所示。從工作流程可以看出,該部分的主要工作包括:
圖4 基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化工作流程
1.裝載產(chǎn)品框架模型庫結(jié)構(gòu)
讀取存儲產(chǎn)品框架模型庫的數(shù)據(jù)庫表,以樹形結(jié)構(gòu)顯示產(chǎn)品、零部件和特征的分類層次關(guān)系,如圖5所示。
圖5 基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化主界面—框架模型樹
2.產(chǎn)品框架模型的裝載和交互
讀取產(chǎn)品及零部件的框架模型,對其建模規(guī)則進(jìn)行解析,將產(chǎn)品零部件處理成樹形結(jié)構(gòu)(產(chǎn)品裝配樹)。同時(shí),建立零部件、特征、參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系,以直觀的方式進(jìn)行顯示(如圖6所示)。接受用戶的參數(shù)輸入、零部件類型選擇和特征選擇,期間對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹及零部件/特征和參數(shù)關(guān)系進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。
圖6 基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化主界面—產(chǎn)品裝配樹
3.CAD模型生成
首先,遍歷產(chǎn)品裝配樹,根據(jù)整機(jī)參數(shù)化算法,生成創(chuàng)建當(dāng)前產(chǎn)品的三維模型的過程語句,包括:零部件及其特征實(shí)例的創(chuàng)建、零部件及其特征參數(shù)更新、零部件裝配約束添加等[4]。
然后,啟動CAD模型生成引擎,依次執(zhí)行模型生成描述語句,生成當(dāng)前產(chǎn)品的三維幾何模型。
(四)CAD模型生成引擎
建立常見CAD軟件(PRO/E和UG)與整機(jī)參數(shù)化系統(tǒng)的接口程序。該程序讀取整機(jī)參數(shù)化模塊輸出的產(chǎn)品模型描述語句,對其進(jìn)行解析并最終實(shí)現(xiàn)三維模型的生成。
四、結(jié) 語
傳統(tǒng)的整機(jī)參數(shù)化建模技術(shù)存在的主要問題是適用面窄,自適應(yīng)性差。傳統(tǒng)整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu):軟件設(shè)計(jì)者首先對需要建模的產(chǎn)品對象進(jìn)行需求分析,總結(jié)其建模的基本規(guī)律,包括產(chǎn)品的零部件組成、主要零部件的特征結(jié)構(gòu)、主要的控制參數(shù)(主參數(shù))、主參數(shù)與其它細(xì)節(jié)參數(shù)之間的約束關(guān)系、零部件的裝配關(guān)系等等;然后程序員編寫整機(jī)參數(shù)化人機(jī)界面,界面的主要功能是接受用戶的主參數(shù)輸入;再以主參數(shù)作為程序入口,將之前總結(jié)的建模規(guī)律編寫成程序代碼;最后調(diào)用商品化CAD軟件的相關(guān)接口函數(shù),建立零部件實(shí)例,對其進(jìn)行尺寸驅(qū)動,并進(jìn)行零部件的裝配約束,完成整機(jī)模型。上述整機(jī)參數(shù)化建模技術(shù)的最大問題,在于建模規(guī)則的不可調(diào)控性。建模規(guī)則以程序代碼(條件、公式、循環(huán)等語句)的形式被固化在軟件程序代碼中,一旦投入使用,最終用戶就無法修改建模規(guī)則。而實(shí)際工程中,盡管統(tǒng)一企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品之間存在很多相似之處,但是不同型號產(chǎn)品的建模規(guī)則仍然存在很多不同之處。完全“剛性”的整機(jī)參數(shù)化軟件很難適應(yīng)工程的實(shí)際需求,這是目前整機(jī)參數(shù)化技術(shù)無法普及的主要原因。
通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控方法的理論創(chuàng)新之處在于:整機(jī)產(chǎn)品的建模規(guī)則與整機(jī)參數(shù)化程序相分離。也就是說,一般的整機(jī)參數(shù)化系統(tǒng),建模規(guī)則是以程序代碼方式存儲的;而在本文中,建模規(guī)則以腳本的方式存儲在數(shù)據(jù)庫中。這樣存儲的建模規(guī)則是可以調(diào)控的,用戶可以根據(jù)其產(chǎn)品特點(diǎn),通過建模管理模塊對建模規(guī)則進(jìn)行擴(kuò)充和修改,從而極大的提高了整機(jī)參數(shù)化軟件的自適應(yīng)性。自適應(yīng)調(diào)控的基本結(jié)構(gòu)是用戶指定需要?jiǎng)?chuàng)建的產(chǎn)品類型,整機(jī)參數(shù)化程序通過對該產(chǎn)品框架模型和建模規(guī)則的解析,動態(tài)建立該產(chǎn)品的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹,并創(chuàng)建主參數(shù)的輸入界面,包括零件類型的選取、特征類型的選取、主參數(shù)的數(shù)值確定等;用戶輸入?yún)?shù)后,系統(tǒng)自動完成產(chǎn)品建模的一系列工作。通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控方法的技術(shù)創(chuàng)新之處在于:建模規(guī)則的語義描述及其解析。通過對大量產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分析和研究,提出并建立了一套由框架模型和腳本語言構(gòu)成的建模規(guī)則描述與解析技術(shù)。
總之,通過應(yīng)用創(chuàng)新的通用性整機(jī)參數(shù)化技術(shù),可以極大地提高整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控能力。可以將整機(jī)參數(shù)化技術(shù)的適用性從只適用于某類特定產(chǎn)品,擴(kuò)展為適用于所有的相關(guān)產(chǎn)品。
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