張文彬， 沈精虎， 姜兆康

(青島大學(xué)，機(jī)電工程學(xué)院，青島 266071)

0 引言

Creo是目前最流行的三維CAD軟件，它具有互操作性、開(kāi)放、易用三大特點(diǎn)[1]。該版本軟件整合了PTC公司三大軟件的優(yōu)勢(shì)，包括Pro/Engineer的參數(shù)化技術(shù)、CoCreate的直接建模技術(shù)和ProductView的三維可視化技術(shù)，為用戶(hù)設(shè)計(jì)出理想的三維產(chǎn)品提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持[2]；另外軟件集成了多個(gè)可互操作的應(yīng)用程序，能夠輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，極大提高了用戶(hù)的工作效率。面對(duì)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的多樣化需求，更好的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的系列化，利用Creo/TOOLKIT二次開(kāi)發(fā)工具對(duì)Creo進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)變得非常必要。研究表明，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中大約有70%屬于變型設(shè)計(jì)，特別是對(duì)大批量定制的產(chǎn)品，變型設(shè)計(jì)變得更為重要[3]。

目前，越來(lái)越多的產(chǎn)品加工設(shè)計(jì)企業(yè)都對(duì)三維設(shè)計(jì)軟件提出了二次開(kāi)發(fā)的需求，特別是基于CAD系統(tǒng)進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)更是在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的研究。例如北京重型電機(jī)廠(chǎng)聯(lián)合北京航空航天大學(xué)，以歐洲Cimatron系統(tǒng)為平臺(tái)，二次開(kāi)發(fā)出汽輪機(jī)葉片設(shè)計(jì)系統(tǒng)；澳大利亞大學(xué)先進(jìn)制造技術(shù)中心設(shè)計(jì)的COCADCAM系統(tǒng),是基于現(xiàn)有CAD/CAM的技術(shù)特點(diǎn)，二次開(kāi)發(fā)的一種網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)等等[4-5]。

1 參數(shù)化變型設(shè)計(jì)

1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)概述

參數(shù)化模型集幾何約束與工程約束于一身，要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化變型設(shè)計(jì)，關(guān)鍵就在于建立好參數(shù)化的產(chǎn)品模型[6]。根據(jù)產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)，初始產(chǎn)品的尺寸和形狀都是不確定的，這就要求初始的產(chǎn)品模型具有隨時(shí)變更的特性，參數(shù)化設(shè)計(jì)就是將產(chǎn)品中的一些關(guān)鍵尺寸參數(shù)化，使這些關(guān)鍵尺寸能隨參數(shù)值的改變而改變，從而得到滿(mǎn)足客戶(hù)需要的形狀大小不同的零件產(chǎn)品[7]。與傳統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)方法相比，參數(shù)化設(shè)計(jì)有效的避免了設(shè)計(jì)者的重復(fù)勞動(dòng)，大大提高了零件產(chǎn)品的修改和生成速度。Creo三維軟件自身帶有強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)工具Creo/TOOLKIT,通過(guò)Creo/TOOLKIT程序編寫(xiě)，能夠?qū)δＰ椭械膮?shù)進(jìn)行提取與修改，模型根據(jù)參數(shù)數(shù)值的改變而改變。

1.2 基于Creo三維模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)原理

創(chuàng)建三維模型零件有三種方法[8]：(1)利用三維設(shè)計(jì)軟件本身的交互功能設(shè)計(jì)完成。(2)根據(jù)特征元素樹(shù)用編程的方式完成模型的創(chuàng)建。(3)利用設(shè)計(jì)參數(shù)來(lái)控制三維模型。第一種方法建模速度快，但在一些二次開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中存在重復(fù)操作，后期的修改變型功能欠缺。第二種方法雖然自動(dòng)化程度高，但編程工作量大且對(duì)復(fù)雜的特征生成非常困難。因此選用第三種方法，這種方法融合了前兩種方法的優(yōu)勢(shì)，基本做法是先用交互的方式完成三維模型的創(chuàng)建，然后利用Creo的參數(shù)、關(guān)系式功能建立尺寸和工程約束，最后由Creo/TOOLKIT應(yīng)用程序檢索出設(shè)計(jì)參數(shù)和關(guān)系式，并且提供參數(shù)和關(guān)系式的修改功能以及相關(guān)參數(shù)修改后模型的自動(dòng)更新功能?；贑reo二次開(kāi)發(fā)環(huán)境下參數(shù)化設(shè)計(jì)基本原理，如圖1所示。

2 二次開(kāi)發(fā)及輔助設(shè)計(jì)工具

二次開(kāi)發(fā)就是在原有軟件功能基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出自己想要的功能，是對(duì)原軟件功能的拓展。Creo/TOOLKIT是Creo軟件自帶的二次開(kāi)發(fā)工具，可以直接針對(duì)Creo軟件的最底層數(shù)據(jù)庫(kù)資源進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，這是進(jìn)行Creo二次開(kāi)發(fā)最根本有效的方法。根據(jù)工程化原則，進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)時(shí)一般要經(jīng)歷系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)程序編寫(xiě)和系統(tǒng)測(cè)試四個(gè)階段[9-10]，具體開(kāi)發(fā)流程，如圖2所示。

圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)基本原理

圖2 二次開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程

系統(tǒng)選用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)是Creo，除了選用Creo/TOOLKIT為開(kāi)發(fā)工具，同時(shí)配以Visual Studio 2010集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。Visual Studio 2010是一款基于C、C++語(yǔ)言的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，并且完善了以前版本對(duì)C++標(biāo)準(zhǔn)支持不佳的缺陷，其中MFC的應(yīng)用更是大大降低了開(kāi)發(fā)難度和開(kāi)發(fā)工作量[11-12]。

3 零件參數(shù)化變型設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

3.1 Creo/TOOLKIT開(kāi)發(fā)模式和開(kāi)發(fā)過(guò)程

Creo/TOOLKIT應(yīng)用程序有同步模式和異步模式兩種工作模式[13]。同步模式顧名思義就是與Creo系統(tǒng)同步運(yùn)行，異步模型的特點(diǎn)就是能夠和Creo獨(dú)立分開(kāi)運(yùn)行，但異步模式的程序運(yùn)行速度比同步模式慢，因此本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)采用同步模式。同步模式又分為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)和多進(jìn)程兩種方式，區(qū)別在于前者生成dll文件，后者生成exe文件。而本系統(tǒng)是對(duì)Creo軟件進(jìn)行的功能拓展，因此選用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，直接連接到Creo軟件調(diào)用即可。

使用Creo/TOOLKIT開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序時(shí)包含三個(gè)基本步驟[14-15]：(1)編寫(xiě)源文件(包括資源文件和程序的源文件)；(2)生成可執(zhí)行文件(dll文件)；(3)可執(zhí)行文件在Creo中注冊(cè)并運(yùn)行。本系統(tǒng)的注冊(cè)文件名為ParaVarDeSystem,注冊(cè)運(yùn)行如圖3所示。

圖3 注冊(cè)運(yùn)行可執(zhí)行文件

3.2 參數(shù)化變型設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)

3.2.1 對(duì)零件參數(shù)的提取與設(shè)置

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)前提就是能夠?qū)δＰ椭械膮?shù)進(jìn)行檢索、提取和修改。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：(1)調(diào)用ProParameterVisit( )函數(shù)對(duì)模型中的所有參數(shù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，然后將符合過(guò)濾條件的參數(shù)對(duì)象指針存放到數(shù)組ProParameter中。(2)調(diào)用ProParameterValueGet( )函數(shù)獲取參數(shù)對(duì)象的值對(duì)象，然后根據(jù)獲得的值對(duì)象的類(lèi)型獲得相應(yīng)的具體值。(3)通過(guò)控件變量和參數(shù)變量之間的信息交流實(shí)現(xiàn)所有符合條件的模型參數(shù)的顯示。(4)調(diào)用ProParameterValueSet( )函數(shù)對(duì)參數(shù)對(duì)象的進(jìn)行設(shè)置。(5)調(diào)用ProSolidRegenerate( )函數(shù)完成模型的更新。

3.2.2 對(duì)零件關(guān)系式的提取與設(shè)置

關(guān)系式用于確定模型尺寸和參數(shù)之間的關(guān)系，參數(shù)可以理解為主驅(qū)動(dòng)尺寸，關(guān)系式理解為被驅(qū)動(dòng)尺寸。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：(1)調(diào)用ProSolidRelsetVisit( )函數(shù)訪(fǎng)問(wèn)模型關(guān)系式集。(2)調(diào)用ProRelsetToModelitem( )函數(shù)和ProRelsetRelationsGet( )函數(shù)獲取關(guān)系式集對(duì)象的模型項(xiàng)和具體的關(guān)系式集。(3)通過(guò)控件變量和關(guān)系式變量之間的信息交流實(shí)現(xiàn)模型所有關(guān)系式的顯示。(4)調(diào)用ProRelsetRelationsSet( )函數(shù)對(duì)模型關(guān)系式進(jìn)行設(shè)置。

4 工程應(yīng)用實(shí)例

要實(shí)現(xiàn)零件的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)和系列化，首先要對(duì)該零件進(jìn)行尺寸分析，確定不變尺寸、可變尺寸和工程約束尺寸；其次將可變尺寸設(shè)置為可變參數(shù)，將工程約束尺寸設(shè)置為導(dǎo)出參數(shù)?？勺儏?shù)和導(dǎo)出參數(shù)可由軟件本身自帶的參數(shù)和關(guān)系式工具進(jìn)行添加，也可通過(guò)本文開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互界面進(jìn)行添加。這里以階梯軸的部分參數(shù)為例，通過(guò)對(duì)階梯軸的尺寸分析，確定了階梯軸的軸長(zhǎng)和直徑的尺寸為可變尺寸，階梯軸的槽位置為工程約束尺寸，階梯軸的長(zhǎng)度用參數(shù)“DL1”、“DL2”、…，軸的直徑用“DW1”、“DW2”、…，表示。槽位置是由關(guān)系式確定的。階梯軸軸長(zhǎng)和直徑參數(shù)分析示意圖，如圖4所示。

圖4 階梯軸的參數(shù)分析

利用本文開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互界面，能夠?qū)δＰ蛥?shù)和關(guān)系式進(jìn)行自動(dòng)檢索和提取，對(duì)階梯軸參數(shù)和關(guān)系式進(jìn)行提取的結(jié)果，如圖5所示。

圖5 對(duì)階梯軸參數(shù)和關(guān)系式的提取顯示

本文開(kāi)發(fā)的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)應(yīng)用程序，是由參數(shù)操作對(duì)話(huà)框和關(guān)系式操作對(duì)話(huà)框組成，參數(shù)操作對(duì)話(huà)框能夠?qū)哪Ｐ椭刑崛〉膮?shù)進(jìn)行修改，也可以通過(guò)“添加”與“刪除”按鈕完成新參數(shù)的添加與已有參數(shù)的刪除，設(shè)置完成后，按“修改”按鈕完成數(shù)據(jù)的修改，最后通過(guò)“再生”按鈕完成模型的更新。階梯軸長(zhǎng)度修改前后對(duì)比，如圖6所示。

同理，關(guān)系式對(duì)話(huà)框能夠從模型中提取所有定義的關(guān)系式并對(duì)關(guān)系式進(jìn)行重新編輯，單擊“選擇尺寸”按鈕，模型所有尺寸會(huì)加亮顯示，選擇自己需要定義的尺寸，然后編輯關(guān)系式，編輯完成后，單擊“添加”按鈕即可完成新關(guān)系式的添加。其余按鈕的功能和參數(shù)操作模塊相同，不再展示。

總之，通過(guò)本應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，能夠快速對(duì)模型零件進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系列化。和軟件本身自帶的功能相比更加直觀快速，為設(shè)計(jì)人員避免了重復(fù)勞動(dòng)，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間。

(b)軸長(zhǎng)修改后

5 總結(jié)

本文研究了參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本原理，并對(duì)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后對(duì)開(kāi)發(fā)的應(yīng)用程序進(jìn)行了功能展示，以階梯軸為例驗(yàn)證了新方法在參數(shù)化變型設(shè)計(jì)中的可行性。此外，本程序具有很好的通用性，適用于所有零件類(lèi)的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)，拓展了Creo軟件的功能，大大提高了零件產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)效率。

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