杜 江，曹 巖，杜來紅

（1．西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安710021；2．西安財(cái)經(jīng)學(xué)院 管理學(xué)院，西安710010）

圓柱螺旋彈簧作為一類典型零件在機(jī)電產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，對(duì)其的設(shè)計(jì)建?；顒?dòng)在實(shí)際中被設(shè)計(jì)人員反復(fù)開展．針對(duì)此情況，在基于三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Deisgn，CAD）系統(tǒng)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)靜態(tài)記錄管理圓柱螺旋彈簧二維尺寸、三維模型等數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，如果能基于所記錄的圓柱螺旋彈簧零件數(shù)據(jù)進(jìn)一步探討封裝圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)流程的方法，則可以有效輔助設(shè)計(jì)人員通過對(duì)已有圓柱螺旋彈簧相關(guān)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)及知識(shí)的重用而按當(dāng)前設(shè)計(jì)使用要求實(shí)現(xiàn)圓柱螺旋彈簧的自動(dòng)化設(shè)計(jì)建模［1-6］．功能驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧三維（Three Dimensional，3D）零件庫的概念就是基于這一認(rèn)識(shí)而提出的．文中在利用三維CAD技術(shù)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫技術(shù)依職能歸類記錄彈簧零件數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從三維CAD系統(tǒng)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)功能集成的角度探討建立可輔助設(shè)計(jì)人員依設(shè)計(jì)使用要求通過對(duì)已有彈簧設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和知識(shí)的高效重用而實(shí)現(xiàn)圓柱螺旋彈簧自動(dòng)化設(shè)計(jì)建模的3D零件庫系統(tǒng)．以期有效解決圓柱螺旋彈簧的重復(fù)設(shè)計(jì)問題，從設(shè)計(jì)知識(shí)得以準(zhǔn)確有效重用的方式和方法角度，為機(jī)電領(lǐng)域產(chǎn)品中針對(duì)典型通用零件的自動(dòng)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)和零件庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研發(fā)提供有益的參考．

1 功能驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧3D零件庫的內(nèi)涵、體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵問題

目前，基于二維、三維CAD系統(tǒng)開發(fā)的二維Two Dimensional，2D）、3D 零件庫系統(tǒng)已在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果．但針對(duì)以圓柱螺旋彈簧為代表的系列典型通用零件，若僅針對(duì)其系列化、標(biāo)準(zhǔn)化的特點(diǎn)開發(fā)以管理尺寸數(shù)據(jù)為主的3D零件庫顯然不能很好解決其重復(fù)設(shè)計(jì)效率低下的問題．其原因就在于圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)尺寸在實(shí)際中是依據(jù)其承載等設(shè)計(jì)使用需求依國(guó)標(biāo)所規(guī)定的尺寸動(dòng)態(tài)計(jì)算查定的．與之對(duì)應(yīng)，為了能夠基于CAD技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)有效解決圓柱螺旋彈簧的重復(fù)設(shè)計(jì)問題，對(duì)于圓柱螺旋彈簧3D零件庫的開發(fā)顯然應(yīng)在依據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定分別運(yùn)用三維CAD系統(tǒng)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)歸類記錄管理圓柱螺旋彈簧的二維尺寸和三維模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步解決如何按圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)使用要求完成其結(jié)構(gòu)尺寸的自動(dòng)計(jì)算和檢索以及對(duì)應(yīng)彈簧零件的自動(dòng)建模問題．這就是“功能驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧3D零件庫”的內(nèi)涵所在．其本質(zhì)就是在基于傳統(tǒng)方法建庫歸類靜態(tài)記錄管理圓柱螺旋彈簧二維、三維零件數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步依據(jù)圓柱螺旋彈簧的“載荷、變形量”等設(shè)計(jì)使用要求而實(shí)現(xiàn)對(duì)其的自動(dòng)化設(shè)計(jì)建模［1-2］．基于上述分析，功能驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧3D零件庫的基本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示．

圖1 功能驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧3D零件庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig．1 Function driven 3Dpart library structure of cylindrical helical spring

從圖1可見，功能驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧3D零件庫系統(tǒng)具有三層次的體系結(jié)構(gòu)，底層是基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和三維CAD系統(tǒng)所建立和管理的圓柱螺旋彈簧的2D、3D零件數(shù)據(jù)，基于它們可為圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)選型、檢索、計(jì)算和自動(dòng)化建模形成可重用的數(shù)據(jù)平臺(tái)．中間層是針對(duì)底層彈簧零件數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)“讀取訪問、記錄、存儲(chǔ)和維護(hù)管理”職能的三維CAD系統(tǒng)、關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)．最上層則是封裝了彈簧設(shè)計(jì)流程可輔助設(shè)計(jì)人員按當(dāng)前設(shè)計(jì)目標(biāo)和使用要求完成對(duì)應(yīng)圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)建模的自動(dòng)化設(shè)計(jì)建模程序．基于它可通過中間層的關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和三維CAD系統(tǒng)按當(dāng)前的設(shè)計(jì)目標(biāo)和使用要求通過對(duì)底層彈簧零件數(shù)據(jù)的有效檢索和重用而動(dòng)態(tài)完成所需圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算和自動(dòng)化建模．依圖1所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開發(fā)建立功能驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧3D零件庫的所需解決的關(guān)鍵問題［3-4］主要有三個(gè)問題：① 圓柱螺旋彈簧二維、三維零件數(shù)據(jù)依職能的歸類記錄存儲(chǔ)和一致關(guān)聯(lián)描述；② 依設(shè)計(jì)使用要求的圓柱螺旋彈簧功能參數(shù)的定義及基于功能參數(shù)的彈簧設(shè)計(jì)流程和方法；③ 功能參數(shù)驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)及自動(dòng)建模程序．

針對(duì)上述功能驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧3D零件庫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，通過問題①的求解，可使不同類型彈簧數(shù)據(jù)彼此之間在彈簧設(shè)計(jì)過程中的檢索調(diào)用次序和關(guān)系得到穩(wěn)定和明確．從而可為通過對(duì)它們的重用來實(shí)現(xiàn)彈簧設(shè)計(jì)建模過程的自動(dòng)化提供數(shù)據(jù)層面的保證．通過問題②的求解，可實(shí)現(xiàn)彈簧設(shè)計(jì)目標(biāo)的明確化和參量化，從而可使圓柱螺旋彈簧在不同設(shè)計(jì)和使用需求下的設(shè)計(jì)步驟和計(jì)算方法也得到明確．通過對(duì)問題③的求解，可以開發(fā)程序封裝圓柱螺旋彈簧在不同設(shè)計(jì)目標(biāo)下的設(shè)計(jì)流程和計(jì)算方法，通過對(duì)已有圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和知識(shí)的重用，實(shí)現(xiàn)圓柱螺旋彈簧的自動(dòng)化設(shè)計(jì)和建模［5］．

2 功能驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧3D零件庫系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2．1 圓柱螺旋彈簧功能參數(shù)的定義及功能驅(qū)動(dòng)的彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算流程

依《圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算》（GB 23935-2009）所規(guī)定的設(shè)計(jì)方法，圓柱螺旋彈簧在實(shí)際中的設(shè)計(jì)目標(biāo)和使用要求主要體現(xiàn)“載荷、變形量”等層面．與之對(duì)應(yīng)可將圓柱螺旋彈簧的功能參數(shù)可定義為：最大工作載荷Fmax、工作載荷F和變形量f．上述三個(gè)功能參數(shù)與圓柱螺旋彈簧其他結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1．

表1 圓柱螺旋彈簧的功能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab．1 Function and structure parameters of cylindrical helical spring

圓柱螺旋彈簧功能參數(shù)與其他結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的計(jì)算關(guān)系為

式中：［τ］為材料許用剪切應(yīng)力；［σ］為材料許用彎曲應(yīng)力；G為材料剪切模量；E為材料彈性模量．

針對(duì)表1所示圓柱螺旋彈簧功能、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及之間的關(guān)系，對(duì)于拉伸和壓縮彈簧，可按如下4個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)功能參數(shù)驅(qū)動(dòng)的彈簧零件設(shè)計(jì)建模，功能參數(shù)驅(qū)動(dòng)的扭轉(zhuǎn)彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算流程與之類似，具體為

1）依使用要求選定彈簧結(jié)構(gòu)類型，并按其工作空間查取可行的中徑D取值．

2）依查定的中經(jīng)D，基于功能參數(shù)Fmax按式（1）計(jì)算并依據(jù)彈簧材料數(shù)據(jù)表查定符合要求的簧絲直徑d以及剪切模量G、彈性模量E數(shù)據(jù)．

3）基于設(shè)計(jì)確定的D、d、G、E數(shù)據(jù)，依工作載荷F按式（2）計(jì)算確定彈簧圈數(shù)n并基于設(shè)計(jì)計(jì)算所得n值進(jìn)一步計(jì)算確定圓柱螺旋彈簧的螺距t等其他結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)按設(shè)計(jì)目標(biāo)和使用要求完成對(duì)圓柱螺旋彈簧全部結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)和計(jì)算．

4）基于設(shè)計(jì)計(jì)算所得結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)調(diào)用更新對(duì)應(yīng)的彈簧零件3D模型完成彈簧零件的自動(dòng)化建模．

2．2 功能驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)流程下彈簧設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)依職能的歸類記錄存儲(chǔ)和一致關(guān)聯(lián)描述

根據(jù)上面分析的功能驅(qū)動(dòng)的彈簧設(shè)計(jì)流程，如何基于CAD系統(tǒng)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)依職能實(shí)現(xiàn)對(duì)圓柱螺旋彈簧二維、三維零件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的歸類記錄和存儲(chǔ)是按上述流程開發(fā)建立功能驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧3D零件庫所必須考慮解決的問題．這也是通過對(duì)彈簧零件數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效設(shè)計(jì)重用而實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)自動(dòng)化的保證．雖然實(shí)際中圓柱螺旋彈簧按其結(jié)構(gòu)和制造工藝的不同在國(guó)標(biāo)中規(guī)定了多種不同類型，但各種結(jié)構(gòu)類型圓柱螺旋彈簧的設(shè)計(jì)和使用都是穩(wěn)定的，因此，依據(jù)上述功能驅(qū)動(dòng)的彈簧設(shè)計(jì)流程中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之間的調(diào)用步驟和關(guān)系，可按表2所示內(nèi)容對(duì)彈簧零件數(shù)據(jù)依其職能而實(shí)現(xiàn)歸類，進(jìn)而可依據(jù)所歸類彈簧零件數(shù)據(jù)的特點(diǎn)及彼此間的關(guān)系，運(yùn)用CAD系統(tǒng)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)其的歸類記錄和管理．

針對(duì)功能驅(qū)動(dòng)的彈簧設(shè)計(jì)流程，表2方法為基于程序而實(shí)現(xiàn)功能驅(qū)動(dòng)的彈簧設(shè)計(jì)流程奠定了基礎(chǔ)，由表2可知?dú)w類后的彈簧零件的“標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)、零件2D結(jié)構(gòu)圖以及3D模型”這三類數(shù)據(jù)之間基于所描述的彈簧零件存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系．因此，圓柱螺旋彈簧的2D結(jié)構(gòu)圖和3D模型數(shù)據(jù)可以采用可擴(kuò)展標(biāo)記語言（Extenside Markup Language，XML）文件實(shí)現(xiàn)對(duì)它們的一致性關(guān)聯(lián)描述，為通過程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)它們的自動(dòng)化檢索和調(diào)用提供支持．

表2 圓柱螺旋彈簧零件數(shù)據(jù)依職能的數(shù)據(jù)歸類Tab．2 Data sorting by function of cylindrical helical spring

相對(duì)于圓柱螺旋彈簧的2D結(jié)構(gòu)圖和3D模型數(shù)據(jù)，其中徑尺寸和簧絲材料數(shù)據(jù)在彈簧設(shè)計(jì)流程中具有通用性，因此可基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)采用如表3所示方式加以記錄管理，不必考慮其一致性維護(hù)問題．

表3 彈簧材料表Tab．3 Cylindrical helical spring material table

在依上述方法對(duì)圓柱螺旋彈簧零件數(shù)據(jù)依職能歸類記錄存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上，顯然可依據(jù)上述功能驅(qū)動(dòng)的彈簧設(shè)計(jì)流程開發(fā)對(duì)應(yīng)程序?qū)崿F(xiàn)圓柱彈簧依功能要求的自動(dòng)化設(shè)計(jì)和建模．

2．3 功能參數(shù)驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧自動(dòng)化設(shè)計(jì)建模程序的設(shè)計(jì)開發(fā)

功能驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧3D零件庫系統(tǒng)的功能需通過圖1體系結(jié)構(gòu)中最上層的圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)及自動(dòng)建模程序加以實(shí)現(xiàn)．基于所記錄彈簧零件數(shù)據(jù)，此程序可通過與設(shè)計(jì)人員的交互動(dòng)態(tài)獲取對(duì)應(yīng)的彈簧設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求數(shù)據(jù)并按功能驅(qū)動(dòng)的彈簧設(shè)計(jì)流程完成對(duì)應(yīng)彈簧零件的自動(dòng)化設(shè)計(jì)和建模［6-8］．該程序針對(duì)各類彈簧零件數(shù)據(jù)進(jìn)行的操作和數(shù)據(jù)調(diào)用流程作如圖2所示．

根據(jù)前文所分析的功能驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧3D零件庫的體系結(jié)構(gòu)，圖2所給出的有關(guān)彈簧中徑等尺寸數(shù)據(jù)和三維模型數(shù)據(jù)的操作和調(diào)用流程顯然需要通過對(duì)關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)以及CAD系統(tǒng)的二次開發(fā)加以實(shí)現(xiàn)．與之對(duì)應(yīng)，在以Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和ProE CAD系統(tǒng)為平臺(tái)記錄管理歸類彈簧二維尺寸和三維模型數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以采用表4所示類對(duì)象或Protookit函數(shù)編程實(shí)現(xiàn)圖2中的數(shù)據(jù)操作和調(diào)用流程，達(dá)到通過對(duì)所歸類記錄的彈簧零件數(shù)據(jù)重用而按設(shè)計(jì)目標(biāo)和使用要求完成圓柱螺旋彈簧自動(dòng)設(shè)計(jì)建模的目標(biāo)．

基于上面所分析的方法，本文以ProE CAD為平臺(tái)在VC編程環(huán)境下基于Protookit通過對(duì)ProE系統(tǒng)和Access系統(tǒng)的二次開發(fā)所開發(fā)建立的功能參數(shù)驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧自動(dòng)化設(shè)計(jì)建模程序的運(yùn)行界面如圖3所示．

圖3中程序界面左側(cè)為基于Cpersistent-TreeCtrl、CbitmapContrl、MSXML2 等幾個(gè)類對(duì)象建立的可交互顯示彈簧類型的樹視圖窗口．

圖2 功能參數(shù)驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧自動(dòng)化設(shè)計(jì)建模程序的數(shù)據(jù)操作和調(diào)用流程Fig．2 Data operation and process of cylindrical helical spring automation design model driven by function

圖3 功能參數(shù)驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧自動(dòng)化設(shè)計(jì)建模程序運(yùn)行界面Fig．3 Automation design model procedure running interface of cylindrical helical spring automation design model driven by function

基于圖3可實(shí)現(xiàn)對(duì)彈簧類型的瀏覽和選?。缑嬷虚g為基于CbitmapContrl類編程建立的可依所選彈簧類型動(dòng)態(tài)顯示對(duì)應(yīng)彈簧2D結(jié)構(gòu)圖的位圖控件窗口，右側(cè)上面為基于CEdit類所編制建立的功能參數(shù)輸入?yún)^(qū)域，下面為基于CDatabase、Crecordset、CListCtrl類編程建立的彈簧中徑D和簧絲直徑d的檢索、選擇窗口區(qū)域．界面下端則是基于CEdit類建立的圓柱螺旋彈簧螺距t、圈數(shù)n等結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)結(jié)果顯示窗口．該程序通過與設(shè)計(jì)人員的交互可以按以上所分析的設(shè)計(jì)流程依所獲取的功能參數(shù)完成對(duì)圓柱螺旋彈簧各結(jié)構(gòu)尺寸的自動(dòng)計(jì)算并顯示給設(shè)計(jì)人員．當(dāng)設(shè)計(jì)人員點(diǎn)擊確定按鈕后，程序可以基于ProMdlRetrieve和ProMdlDisplay兩個(gè)函數(shù)動(dòng)態(tài)打開所選類型彈簧零件的三維模型，并基于當(dāng)前計(jì)算所得結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)通過ProParameterValueSet函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)模型結(jié)構(gòu)尺寸數(shù)據(jù)的更新，通過ProSolidRegenerate函數(shù)實(shí)現(xiàn)模型按計(jì)算所得尺寸的再生，完成所需螺旋彈簧零件3D模型的自動(dòng)化設(shè)計(jì)建模．

3 結(jié) 論

針對(duì)典型通用零件在實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)過程中所普遍存在重復(fù)設(shè)計(jì)問題，本文以圓柱螺旋彈簧為對(duì)象從按設(shè)計(jì)使用需求實(shí)現(xiàn)零件自動(dòng)化設(shè)計(jì)建模角度提出了功能驅(qū)動(dòng)的3D零件庫的概念，并結(jié)合主流三維CAD系統(tǒng)ProE和關(guān)系數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)Access研究了其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)和方法，開發(fā)建立了功能驅(qū)動(dòng)的圓柱螺旋彈簧3D零件庫系統(tǒng)．文中所提出的方法不僅可以有效解決圓柱螺旋彈簧的重復(fù)設(shè)計(jì)問題，而且也是從設(shè)計(jì)知識(shí)和過程重用角度，探索通過對(duì)三維CAD系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的功能集成而實(shí)現(xiàn)機(jī)電領(lǐng)域工程應(yīng)用型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)的一次有益嘗試．

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