趙 靜

(西京學院機械工程學院，陜西 西安 710123)

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面向產品造型的人機交互系統(tǒng)開發(fā)

趙 靜

(西京學院機械工程學院，陜西 西安 710123)

考慮到用戶的設計體驗和定制化需求，將人機交互技術應用于工業(yè)產品設計與系統(tǒng)開發(fā)。以漸開線直齒圓柱齒輪為研究實例，利用CREO工具的特征建模、參數(shù)化功能及二次開發(fā)技術，在Visual Studio編譯環(huán)境下開發(fā)了齒輪產品的參數(shù)化交互設計界面，不僅方便、快捷地實現(xiàn)了齒輪幾何模型的編輯、修改與重建，而且有效改進了齒輪產品的設計效率及可塑性。通過探索齒輪產品人機交互運行模式的實現(xiàn)流程，驗證了基于CREO平臺的二次開發(fā)關鍵技術，為工業(yè)產品交互設計提供了重要的技術參考與支持。

交互界面；產品設計；編譯；二次開發(fā)；關鍵技術；造型

在工業(yè)產品設計過程中，良好的人機交互系統(tǒng)會大大提高用戶的滿意度和舒適度。界面友好、實用性強的交互設計系統(tǒng)對于提高產品的設計效率和質量至關重要[1]，通過人機交互技術，用戶可以方便、快捷地實現(xiàn)自己的設計或使用意圖，從而有效提升用戶體驗、增強產品設計的可塑性。

齒輪是食品機械中最常見的運動和動力傳動件，大多數(shù)食品制造機械和輸送裝置都涉及到齒輪傳動，如錐形攪拌器、食品加工自動化流水線等[2-3]。齒輪產品種類和型號多樣，除了標準齒輪外，在很多食品機械裝備中往往還需要一些非標齒輪傳動，這對齒輪產品的設計可塑性與定制化生產提出了更高要求。本研究擬以三維CAD設計工具CREO為平臺，通過參數(shù)化設計與二次開發(fā)技術，開發(fā)以結構功能為主的齒輪產品交互設計系統(tǒng)，旨在為食品機械裝備中的齒輪選型和定制化設計，以及一般工業(yè)產品的人機交互設計提供借鑒和技術支持。

1 基本思路

1.1 開發(fā)平臺

隨著現(xiàn)代CAD技術的快速發(fā)展，以用戶需求為導向的產品可視化開發(fā)和交互設計技術已經(jīng)日益成熟[4]。當前，市場上有多款享譽業(yè)界的主流三維CAD設計工具，如CREO、SolidWorks、CATIA及UG等，其中，CREO是美國PTC公司最新推出的新型CAD設計軟件包，不同于其他CAD解決方案，CREO旨在解決目前CAD系統(tǒng)難用及數(shù)據(jù)共享等重大問題[4]，如基本的易用性、互操作性及裝配管理等。

CREO不僅具有強大的產品設計與系統(tǒng)開發(fā)功能，同時還具有多種二次開發(fā)技術，如Program、UDF、VB API、ProToolkit及J-Link等，其中ProToolkit 是 CREO系統(tǒng)基于C語言的二次開發(fā)工具，它提供了大量的C語言庫函數(shù)和可集成的外部應用程序，利用 ProToolkit 進行二次開發(fā)的過程最為復雜，但也是實現(xiàn)功能最多的一種開發(fā)技術。

1.2 實現(xiàn)流程

相對于以往的設計理念與技術手段，交互設計能夠更好地表現(xiàn)設計人員和用戶的意愿?；贑AD平臺的產品交互設計系統(tǒng)開發(fā)流程見圖1。首先需要確定工業(yè)產品概念造型，然后通過三維實體軟件(如CREO、SOLIDWORKS、UG等)設計其CAD幾何模型，在此基礎上實現(xiàn)產品結構的參數(shù)化設計，最后綜合利用二次開發(fā)技術和第三方編程語言進行程序編譯(如VC++、JAVA、.NET等)，開發(fā)出用戶所需的人機交互設計系統(tǒng)界面。

圖1 產品交互設計系統(tǒng)開發(fā)流程

2 產品設計實例

2.1 三維CAD模型

在Creo/Parametric環(huán)境下設計直齒圓柱齒輪的三維幾何模型見圖2。首先在草繪模式下創(chuàng)建一個工字型封閉截面，然后利用旋轉特征命令使其繞齒輪中心軸線轉動360o形成基體圓柱，在此基礎上設計齒輪輪廓形狀，并通過圓周陣列使齒廓在圓柱體表面均勻分布。

圖2 齒輪CAD幾何建模

2.2 漸開線設計

直齒圓柱齒輪多采用漸開線齒廓，在Creo/Parametric環(huán)境下定義漸開線齒廓方程(見圖3)，漸開線方程采用笛卡爾直角坐標系[5]，其中y向坐標設置為0，故系統(tǒng)在xoz平面內生成一條漸開線，并通過鏡像命令創(chuàng)建另一側的對稱齒廓。兩條相交的漸開線由齒頂圓截去一部分，剩下的便為漸開線齒廓廓線，最后通過陣列特征創(chuàng)建直齒圓柱齒輪的其余表面齒廓(見圖4)。

3 參數(shù)化設計

實際當中，齒輪的型式、規(guī)格及參數(shù)多樣，不利于用戶方便、快捷地設計和選用齒輪。相對于以往不可逆的齒輪結構設計模式，現(xiàn)代CAD參數(shù)化建模技術在很大程度上提高了齒輪設計的效率及質量，對于實現(xiàn)齒輪產品的標準化、系列化及互換性具有重要意義[6]。Creo具有強大的參數(shù)化設計功能，它提供了以單一數(shù)據(jù)庫為支撐的數(shù)據(jù)傳遞平臺，使參數(shù)化設計技術的實現(xiàn)更為方便和快捷，大大提高了產品的設計效率及質量。

圖3 定義漸開線方程

圖4 創(chuàng)建漸開線齒廓

以直齒圓柱齒輪結構參數(shù)為設計變量，在“參數(shù)”對話框中設置各參數(shù)的初始值(見圖5)，然后根據(jù)機械原理相關知識，通過“關系”選項定義齒輪結構各參數(shù)之間的關系式(見圖6)。實現(xiàn)齒輪結構的參數(shù)化設計，不僅有利于齒輪產品的市場轉型和系列化設計，而且為其用戶化定制設計及二次開發(fā)提供了重要的基礎平臺。

4 二次開發(fā)實現(xiàn)

4.1 Visual Studio編譯平臺

Visual Studio(簡稱VS)是美國微軟公司推出的開發(fā)工具包系列產品，也是目前最流行的Windows平臺應用程序集成開發(fā)環(huán)境[7]。VS包括了整個軟件生命周期中所需的大部分開發(fā)工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開發(fā)環(huán)境(IDE)等。Visual Studio系統(tǒng)初始化界面如圖7所示，在VS平臺上編譯的目標代碼適用于微軟支持的所有平臺，并且可以開發(fā)多種基于Windows的軟件項目，包括Windows應用程序與服務、Web服務、動態(tài)鏈接庫(DLL)、網(wǎng)頁開發(fā)、Office集成開發(fā)、數(shù)據(jù)庫項目開發(fā)等。

圖5 定義設計參數(shù)

圖6 定義約束關系

圖7 Visual Studio初始界面

4.2 關鍵技術

4.2.1 設置開發(fā)環(huán)境 以Visual Studio 2010為編譯環(huán)境，通過動態(tài)鏈接模式對漸開線直齒齒輪進行交互設計系統(tǒng)開發(fā)，其中很關鍵的一個環(huán)節(jié)是設置Creo/Parametric平臺的開發(fā)環(huán)境[8]。首先新建一個DLL項目類型，并通過共享MFC DLL模板指定DLL規(guī)則，然后在“工具”菜單的“選項”中配置VC++目錄，并添加二次開發(fā)所需的頭文件。

另外，還需要設置項目屬性和設置庫文件(見圖8)，通過Pro/Toolkit屬性頁對話框中的“鏈接器”節(jié)點輸入“附加依賴項”，即二次開發(fā)環(huán)境所需的一系列庫文件，如netapi32.lib、wsock32.lib、mpr.lib、psapi.lib及protk_dllmd.lib等。

4.2.2 定義關鍵函數(shù) 為了實現(xiàn)CREO的應用程序開發(fā)和菜單管理，Pro/TOOLKIT提供了一系列菜單操作函數(shù)。user_initialize()是Pro/TOOLKIT應用程序二次開發(fā)過程中的初始化函數(shù)，主要用來對同步模式下的函數(shù)進行初始化，CREO系統(tǒng)中加載的任何同步模式下的應用程序都必須包含該函數(shù)[8]，其定義格式為：

extern "C" int user initialize ()

{

ProError status;

//用戶添加的接口程序部分

……

return status;

}

為了終止同步模式下的Pro/TOOLKIT應用程序， CREO系統(tǒng)在二次開發(fā)過程中還需調用結束函數(shù)user_terminate()，該函數(shù)由用戶根據(jù)具體情況進行定義，其格式為：

extern "C" void user_terminate ()

{

//用戶添加的終止代碼

}

圖8 設置項目屬性與庫文件

4.2.3 菜單欄開發(fā) 通過菜單欄開發(fā)可以將齒輪產品的交互設計功能集成至CREO/Parametric系統(tǒng)，見圖9。齒輪設計系統(tǒng)的菜單按鈕及其調用由Pro/TOOLKIT函數(shù)和相應的消息文件(Message File)共同完成，其中，消息文件主要是用來定義菜單項和相關提示等信息。

圖9 菜單欄開發(fā)

不同于以往功能獨立的產品交互設計系統(tǒng)，利用操作菜單能夠在CREO環(huán)境下方便、快捷地對齒輪結構進行編輯與修改，實現(xiàn)了齒輪CAD模型數(shù)據(jù)的無縫集成與傳遞，同時有效提高了齒輪產品交互設計系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，這也是本系統(tǒng)的創(chuàng)新及優(yōu)勢所在。

5 交互系統(tǒng)界面

采用同步鏈接模式開發(fā)齒輪的交互設計系統(tǒng)界面。將齒輪結構參數(shù)以控件形式添加到對話框界面上，如圖像控件、靜態(tài)文本控件、編輯控件及人機交互所需的相關命令按鈕等，如圖10所示的齒輪模數(shù)m的控件設置，首先定義m的變量類型(int)和取值范圍(1～10 mm)，由于m為標準值，故還需要在數(shù)據(jù)屬性欄中添加齒輪模數(shù)的國標值，以方便用戶選定所需參數(shù)來創(chuàng)建標準齒輪。

圖10 設置控件屬性

依次定義和設計齒輪其它變量參數(shù)的控件，如齒數(shù)、壓力角等，并通過編譯和數(shù)據(jù)鏈接使這些控件與齒輪參數(shù)化CAD模型相關聯(lián)，這樣就可借助控件來實現(xiàn)齒輪結構參數(shù)的調用、輸入與編輯，如圖11所示的齒輪產品人機交互設計系統(tǒng)界面。通過人機交互設計系統(tǒng)，用戶可根據(jù)實際需求對齒輪結構進行快速修改和編輯，用戶設計齒輪時只要輸入想要的變量參數(shù)(如齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等)，系統(tǒng)就會自動對齒輪參數(shù)化模型進行重建與更新，直至生成新的齒輪三維CAD模型。實踐運行表明，這種基于CREO后臺的人機交互系統(tǒng)，不僅使齒輪產品的設計更為靈活，而且運行過程穩(wěn)定、響應速度快，有效增強了用戶的設計體驗和定制化需求。

圖11 齒輪產品交互設計系統(tǒng)界面

6 結語

利用人機交互設計系統(tǒng)，用戶可方便、快捷地實現(xiàn)產品CAD模型的修改與重建。通過CAD環(huán)境下的人機交互設計系統(tǒng)開發(fā)，驗證了齒輪產品交互設計系統(tǒng)開發(fā)的技術流程和可行性，有利于提高食品機械用齒輪的設計效率和可塑性，為實現(xiàn)食品機械裝備中的齒輪產品系列化、互換性及定制化設計提供了重要技術支持與參考。

[1] 劉亞明. 關于人機交互設計界面問題探究[J]. 電子制作, 2015(2): 66.

[2] 張力, 劉玉德, 王輝. 食品機械用新型復合材料齒輪的研究[J]. 食品科技, 2009, 34(1): 108-110.

[3] 王娟, 李同杰, 姚智華. 行星齒輪減速器均載性能動態(tài)的優(yōu)化設計[J]. 食品與機械, 2016, 32(2): 71-74.

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[5] 張培彥, 張凱. 基于Creo2.0的余弦齒輪參數(shù)化建模研究[J]. CAD/CAM與制造業(yè)信息化, 2013(10): 52-54.

[6] 王哲, 王紅. Creo二次開發(fā)參數(shù)化設計技術的應用研究[J]. 制造業(yè)信息化, 2014, 27(5): 183-186.

[7] 袁萬選, 陳玲, 羅新華. CAD/CAM中的Creo軟件快速用戶化定制[J]. 機電工程技術, 2014, 43(7): 85-88.

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Development of man-machine interaction system for product modeling

ZHAO Jing

(College of Mechanical Engineering, XIJING University, Xi’an, Shannxi 710123, China)

In view of designing experience and customization demand for the consumer, the man-machine interaction technology is applied in industrial product design and system development. With involute spur gears as a research example, parametric interaction design interface of gear product is developed which utilizing feature modeling, parametric function and secondary development technique of CREO tool. In the Visual Studio compile environment, can not only realized the editing, modification and reconstruction of the gear’s geometry model conveniently and quickly, but also improve the design efficiency and plasticity of the gear product. Through implement process exploring of the gear product’s operational mode of man-machine interaction, the key technology of secondary development on CREO platform is proved, thus then some important reference and support are provided for interaction design of industrial product.

interaction interface; product design; compile; secondary development; key technology; modeling

趙靜(1979-)，女，西京學院講師，碩士。

E-mail:79814832@qq.com

2016—03—01