楊凱鏡，韓志偉，劉志剛

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031)

隨著信息化技術(shù)高速發(fā)展和近年來我國軌道交通建設(shè)的快速推進(jìn)，鐵路工程領(lǐng)域面臨著新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)[1-2]。BIM技術(shù)[3]以其可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性、可出圖性等優(yōu)勢獲得了廣泛關(guān)注[4-6]。接觸網(wǎng)作為電氣化鐵路的核心組成，其設(shè)計具有項(xiàng)目繁多、設(shè)計工作量大等特點(diǎn)，接觸網(wǎng)設(shè)計引入BIM技術(shù)將引起從設(shè)計、施工到運(yùn)維全生命周期的重大轉(zhuǎn)變[7-12]。接觸網(wǎng)設(shè)計需針對不同線路狀況進(jìn)行大量參數(shù)修正，手工模型參數(shù)修改已難以滿足設(shè)計要求。因此，利用參數(shù)化技術(shù)[13]，根據(jù)接觸網(wǎng)專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)建立屬于接觸網(wǎng)專業(yè)的參數(shù)驅(qū)動型設(shè)計庫，是接觸網(wǎng)BIM設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)，成為接觸網(wǎng)設(shè)計行業(yè)亟需解決的問題。參數(shù)化設(shè)計使設(shè)計人員能夠把精力集中在接觸網(wǎng)自身設(shè)計上，節(jié)省寶貴的設(shè)計時間，提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，是接觸網(wǎng)三維BIM設(shè)計的重要研究內(nèi)容。

1 參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計是指零件或部件形狀比較定型，可用一組參數(shù)約束該幾何圖形的一組結(jié)構(gòu)尺寸序列，參數(shù)與設(shè)計對象的控制尺寸顯示對應(yīng)，當(dāng)賦予不同參數(shù)序列值時，可自動驅(qū)動原幾何圖形更新為目標(biāo)幾何圖形，其設(shè)計結(jié)果是包含設(shè)計信息的模型[14]。

參數(shù)化設(shè)計將接觸網(wǎng)零部件設(shè)計轉(zhuǎn)變?yōu)榱悴考?shù)化制定，通過重載已有標(biāo)準(zhǔn)零部件的幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，使接觸網(wǎng)設(shè)計人員能專注于接觸網(wǎng)零部件基本參數(shù)和設(shè)計參數(shù)的設(shè)計。參數(shù)化設(shè)計的優(yōu)勢在于易修改性，按照設(shè)計意圖進(jìn)行靈活修改對接觸網(wǎng)設(shè)計人員是至關(guān)重要的。參數(shù)化設(shè)計能最大程度上滿足接觸網(wǎng)設(shè)計需求，零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化和系統(tǒng)化設(shè)計能有效地提高設(shè)計質(zhì)量，縮短設(shè)計周期。

參數(shù)化設(shè)計需具備特征造型的CAD系統(tǒng)支持[15]。Inventor是美國Autodesk公司推出的一款基于特征的可視化三維參數(shù)化實(shí)體造型軟件，是集參數(shù)實(shí)體造型、曲面造型、裝配造型于一體的設(shè)計系統(tǒng)，它融合了二維和三維設(shè)計并帶有裝配功能，整個設(shè)計可以在裝配中、或者基于裝配關(guān)系進(jìn)行[16-17]。在Inventor基礎(chǔ)上借助于二次開發(fā)技術(shù)，對零部件進(jìn)行特征提取，用特征參數(shù)表示和存儲結(jié)構(gòu)類似的零部件，通過特征參數(shù)驅(qū)動零部件模板模型，生成滿足需求的新零部件[18]。

2 基于參數(shù)化的接觸網(wǎng)族庫系統(tǒng)架構(gòu)

為便于接觸網(wǎng)快速設(shè)計，必須構(gòu)建接觸網(wǎng)零部件族庫系統(tǒng)。建立接觸網(wǎng)族庫系統(tǒng)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高效的接觸網(wǎng)設(shè)計所需零部件資源管理，實(shí)現(xiàn)模型系統(tǒng)高度可重用和自動化。

接觸網(wǎng)設(shè)計不僅涉及眾多零件，也包含眾多預(yù)裝配體，如腕臂裝配、吊弦裝配等，單純的零件庫已不能滿足日益廣泛的三維設(shè)計需求。部件是零件的載體，建立包含零件庫和部件庫的三維接觸網(wǎng)參數(shù)化族庫系統(tǒng)是亟待解決的問題。

接觸網(wǎng)族庫系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 接觸網(wǎng)族庫系統(tǒng)架構(gòu)

族庫系統(tǒng)主要由兩部分組成：接觸網(wǎng)零件庫和接觸網(wǎng)部件庫，主要完成對接觸網(wǎng)基本零件和部件以及零件參數(shù)、裝配關(guān)系和部件參數(shù)的管理。

接觸網(wǎng)族庫系統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計主要包括：

(1)接觸網(wǎng)三維零件模型參數(shù)化設(shè)計，定義零件參數(shù)表，建立零件模型參數(shù)化描述，自動化零件參數(shù)修改后的模型更新，實(shí)現(xiàn)零件參數(shù)化建庫；

(2)接觸網(wǎng)三維部件裝配參數(shù)化設(shè)計，定義部件參數(shù)表，考慮組成各零件和各子部件之間的裝配關(guān)系，建立部件裝配參數(shù)化關(guān)聯(lián)，自動化部件參數(shù)修改后的部件更新，實(shí)現(xiàn)部件參數(shù)化建庫。

3 接觸網(wǎng)零件參數(shù)化系統(tǒng)

零件參數(shù)化是接觸網(wǎng)參數(shù)化建模的基礎(chǔ)，零件參數(shù)化關(guān)鍵在于如何創(chuàng)建滿足設(shè)計要求的參數(shù)化模型。零件參數(shù)化系統(tǒng)是對眾多接觸網(wǎng)零件有效的管理手段。

3.1 基于參數(shù)驅(qū)動的接觸網(wǎng)零件建模

參數(shù)化接觸網(wǎng)零件建模主要利用草圖驅(qū)動進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，草圖參數(shù)和特征參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，通過草圖尺寸進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動，草圖對象通過約束值和約束關(guān)系得以確定，修改兩者任一都可改變草圖對象，驅(qū)動特征變化，生成新實(shí)體模型。

參數(shù)驅(qū)動零件建模由兩部分組成：草圖設(shè)計和特征設(shè)計。草圖是創(chuàng)建零件的基礎(chǔ)，繪制零件實(shí)體截面輪廓線并定義草圖對象約束。特征是基于草圖參數(shù)通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等驅(qū)動生成的三維實(shí)體模型。

以“棒式絕緣子”為例，定義棒式絕緣子驅(qū)動關(guān)鍵參數(shù)，如表1所示，對草圖線實(shí)體對象添加值約束和關(guān)系約束，通過旋轉(zhuǎn)得到實(shí)體特征，從而驅(qū)動生成三維棒式絕緣子模型，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)零件參數(shù)化建模。

表1 棒式絕緣子關(guān)鍵參數(shù) mm

棒式絕緣子參數(shù)驅(qū)動草圖和模型如圖2所示。

圖2 棒式絕緣子驅(qū)動草圖及三維模型

零件三維模型創(chuàng)建的合理與否直接影響后續(xù)設(shè)計與實(shí)際應(yīng)用，因此，接觸網(wǎng)常用零件參數(shù)驅(qū)動建模應(yīng)注意：

(1)零件建模繪制草圖時，保證草圖全約束(具有完整的尺寸參考，形狀約束和位置約束)；

(2)實(shí)體特征創(chuàng)建順序應(yīng)盡量符合接觸網(wǎng)零件加工工藝順序；

(3)應(yīng)為后續(xù)裝配設(shè)計提供參考基準(zhǔn)。

3.2 基于iPart技術(shù)的零件參數(shù)化

參數(shù)化接觸網(wǎng)零件建模主要利用草圖驅(qū)動進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，草圖參數(shù)和特征參數(shù)相互關(guān)聯(lián)，通過草圖尺寸進(jìn)行參數(shù)化驅(qū)動，草圖對象通過約束值和約束關(guān)系得以確定，修改兩者任一都可改變草圖對象，驅(qū)動特征變化，生成新實(shí)體模型。為滿足接觸網(wǎng)設(shè)計行業(yè)需求，自定義零件參數(shù)化建庫成為必然的用戶化、專業(yè)化方法，能夠讓接觸網(wǎng)設(shè)計人員直接調(diào)用而不用重新去創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件模型。Inventor的iPart技術(shù)通過特征參數(shù)表(在Inventor中用“fx”來表示)實(shí)現(xiàn)了零件參數(shù)化。iPart用于對零件進(jìn)行特征化，可以快速地將接觸網(wǎng)常用零件進(jìn)行參數(shù)化建模建庫。

iPart機(jī)制定義零件模型專業(yè)性且符合設(shè)計習(xí)慣的參數(shù)表，重命名參數(shù)表有利于設(shè)計人員進(jìn)行參數(shù)管理。模型參數(shù)關(guān)聯(lián)促使模型特征隨關(guān)聯(lián)尺寸的變化而變化，驅(qū)動生成新模型，達(dá)到零件參數(shù)化。

以“B型垂直懸吊安裝底座”為例，以可變參數(shù)“安裝板高度H”作為關(guān)鍵驅(qū)動參數(shù)，創(chuàng)建模型驅(qū)動族，如表2所示。選取不同驅(qū)動單例時，數(shù)據(jù)驅(qū)動模型特征參數(shù)生成相應(yīng)模型，實(shí)現(xiàn)零件參數(shù)化。

表2 不同尺寸的模型驅(qū)動族

不同模型單例驅(qū)動時的模型如圖3所示。

圖3 不同模型單例驅(qū)動時的模型

零件iPart化可使接觸網(wǎng)設(shè)計人員根據(jù)不同設(shè)計意圖選取對應(yīng)規(guī)格的參數(shù)驅(qū)動模型。基于iPart技術(shù)驅(qū)動構(gòu)建接觸網(wǎng)參數(shù)化零件庫，極大地滿足了接觸網(wǎng)設(shè)計需求，更好地減少了重復(fù)性工作，縮短了設(shè)計周期。接觸網(wǎng)參數(shù)驅(qū)動零件庫如圖4所示。

圖4 接觸網(wǎng)參數(shù)驅(qū)動零件庫

接觸網(wǎng)參數(shù)驅(qū)動零件庫能夠最大程度上實(shí)現(xiàn)對接觸網(wǎng)眾多零件的有效管理。零件庫的基本功能包括直接生成零件的三維模型并包含基本信息，以及對零件庫的添加、修改和刪除等管理操作。

4 接觸網(wǎng)部件參數(shù)化系統(tǒng)

4.1 部件裝配參數(shù)化設(shè)計

能否快速、準(zhǔn)確地完成接觸網(wǎng)部件預(yù)裝配將直接影響接觸網(wǎng)設(shè)計效率，因此，接觸網(wǎng)部件裝配通過關(guān)鍵裝配參數(shù)調(diào)整適應(yīng)性調(diào)節(jié)其他參數(shù)，實(shí)現(xiàn)部件裝配參數(shù)化設(shè)計。

4.1.1 部件裝配參數(shù)計算

接觸網(wǎng)預(yù)裝配部件眾多，支持裝置是重中之重，對接觸線和承力索起到了支撐和定位作用。支持裝置主要由腕臂、棒式絕緣子、套管雙耳等組成。

以正定位腕臂預(yù)裝配為例，結(jié)構(gòu)安裝如圖5所示。

圖5 正定位腕臂安裝示意

平腕臂裝配時要求其呈水平狀，允許有較小偏差，特殊位置(如轉(zhuǎn)換柱)滿足一定的設(shè)計夾角。考慮正定位腕臂裝配的結(jié)構(gòu)關(guān)系，參考設(shè)計規(guī)范要求，根據(jù)各零件模型尺寸及位置關(guān)系，構(gòu)造直角三角形模型，采用勾股定理，計算正定位腕臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

(1)平腕臂的長度及其與水平面的夾角為

Lp=L1+Lcd-Lb

(1)

α≈0

(2)

式中，L1為平腕臂棒式絕緣子安裝底座耳孔至套管雙耳的水平距離；Lcd為承力索底座至平腕臂端部的距離；Lb為棒式絕緣子有效長度。

L1=Cx-Ls-a+e

(3)

式中，Cx為側(cè)面限界；Ls為上腕臂底座寬度；a為拉出值；e為受電弓中心和線路中心的偏斜值。

e=h1·H/D

(4)

式中，h1為曲線外軌超高；H為導(dǎo)高；D為軌距。

(2)斜腕臂的長度及其與水平面的夾角為

(6)

式中，L2為斜腕臂棒式絕緣子安裝底座耳孔至套管雙耳的水平距離；h為上下腕臂底座之間的高度；ht為套管雙耳高度；Ld下腕臂底座寬度。

L2=Cx-Ld-Ltc-a+e

(7)

式中，Ltc為平腕臂套管雙耳至承力索底座的距離。

(3)平腕臂和腕臂支撐的夾角為

(8)

式中，L3上斜腕臂支撐和平腕臂上兩套管雙耳的水平距離；Lw為腕臂支撐長度。

L3=L1-Lb-Ltb-Ltc

(9)

式中，Ltb為腕臂支撐套管雙耳至棒式絕緣子的距離。

(4)根據(jù)設(shè)計規(guī)范，定位器動態(tài)抬升量 和安裝坡度 應(yīng)滿足在一定的合理范圍內(nèi)，由此，定位管與水平面的夾角為

γ=ε?arcsin[Δh/Ldwq-sin(θ±ε)]

(10)

式中，ε為外軌超高引起的傾角；Ldwq定位器長度。

ε=arctan(h1/D)

(11)

4.1.2 部件裝配參數(shù)化調(diào)整

接觸網(wǎng)預(yù)裝配部件眾多，支持裝置是重中之重，對接觸線和承力索起到了支撐和定位作用。支持裝置主要由腕臂、棒式絕緣子、套管雙耳等組成。腕臂裝配時必須滿足接觸網(wǎng)的設(shè)計導(dǎo)高、拉出值、結(jié)構(gòu)高度、側(cè)面限界和定位器坡度等要求，滿足接觸線高度應(yīng)處于受電弓最佳工作高度范圍之內(nèi)，因此，腕臂支持裝置應(yīng)提供兩個方向的調(diào)整。

(1)接觸線高度調(diào)整(垂直方向)

垂直于軌面方向，可上下調(diào)節(jié)。在保證結(jié)構(gòu)高度一定的情況下，調(diào)整上下腕臂底座的安裝位置，從而調(diào)整接觸線高度，滿足受電弓正常受流。

(2)拉出值調(diào)整(水平方向)

為保證受電弓在接觸線上移動時磨耗均勻，接觸線按線路方向呈之字形布置，則定位器應(yīng)在平行于鋼軌平面且垂直于線路中心線方向，可左右調(diào)節(jié)。拉出值調(diào)整通過調(diào)整定位器安裝坡度或定位器底座安裝位置實(shí)現(xiàn)。

腕臂裝配參數(shù)化調(diào)整主要涉及零件固定參數(shù)、設(shè)計參數(shù)和計算參數(shù)三種參數(shù)的適應(yīng)性調(diào)節(jié)，如表3所示。

表3 腕臂裝配參數(shù)化調(diào)整

腕臂裝配時，根據(jù)設(shè)計規(guī)范，零件固定參數(shù)一定，設(shè)計參數(shù)應(yīng)滿足氣象、線路等設(shè)計條件，由此確定計算參數(shù)，使定位器安裝坡度和動態(tài)抬升量滿足一定的設(shè)計范圍，使受電弓具有良好的受流狀態(tài)。當(dāng)零件固定參數(shù)和設(shè)計參數(shù)發(fā)生變化時，腕臂各零件之間的安裝位置角度關(guān)系隨之改變，驅(qū)動腕臂裝配結(jié)構(gòu)變化，生成新部件，使之滿足安裝要求和設(shè)計要求，實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)部件裝配參數(shù)化調(diào)整，使接觸網(wǎng)設(shè)計人員專注于關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計。

4.2 部件裝配關(guān)聯(lián)設(shè)計

部件裝配關(guān)聯(lián)設(shè)計是利用零件之間的幾何關(guān)系和參數(shù)生成部件的參數(shù)化設(shè)計技術(shù)，利用設(shè)計特征和設(shè)計參數(shù)，通過零部件模型中前后關(guān)聯(lián)的特征之間的相互關(guān)系來實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)性設(shè)計。設(shè)計參數(shù)的變化，驅(qū)動特征發(fā)生設(shè)計變更，從而影響與之關(guān)聯(lián)特征的更新。

接觸網(wǎng)部件裝配利用零件草圖攜帶參數(shù)的方法實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)設(shè)計。零件草圖作為參考，定義控制裝配關(guān)系的部件參數(shù)表fx，各零件之間的裝配關(guān)系通過零件草圖對象實(shí)體和fx來描述。數(shù)據(jù)傳遞的過程是：自定義參數(shù)→草圖→零件→裝配→裝配參數(shù)。

以“接觸網(wǎng)正定位支柱”裝配為例，根據(jù)腕臂安裝圖，以零件草圖控制裝配關(guān)系，定義各零件之間和零件與零件草圖實(shí)體對象的約束關(guān)系，裝配完成后的部件及裝配關(guān)系如圖6所示。對零件草圖參數(shù)的修改驅(qū)動裝配關(guān)系發(fā)生改變，更新相應(yīng)零件的位置角度關(guān)系，生成新部件，實(shí)現(xiàn)部件裝配參數(shù)化關(guān)聯(lián)設(shè)計。

圖6 裝配完成后的部件及裝配關(guān)系

接觸網(wǎng)部件庫是在零件庫基礎(chǔ)上，調(diào)用零件庫中零件，通過約束的裝配關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)計構(gòu)建的。本地部件庫包含接觸網(wǎng)設(shè)計所需的全部預(yù)裝配子部件。設(shè)計者可通過部件中的裝配關(guān)系和參數(shù)表驅(qū)動生成所需部件，完成部件的自適應(yīng)性重構(gòu)。

5 基于二次開發(fā)的零部件參數(shù)修改

充分的二次開發(fā)接口和方法可使用戶對Inventor進(jìn)行滿足專業(yè)特定需求的開發(fā)。Inventor API是一種面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序編程接口，以COM組件形式提供，滿足任何支持COM的語言進(jìn)行二次開發(fā)[19-20]。利用Visual Studio集成開發(fā)環(huán)境，采用C#語言以Add-In插件形式對Inventor軟件進(jìn)行二次改造，拓展平臺功能。借助嵌入平臺的功能模塊，能夠快速地完成接觸網(wǎng)相關(guān)的設(shè)計任務(wù)。

圖7 基于二次開發(fā)的零部件參數(shù)修改流程圖

基于二次開發(fā)使接觸網(wǎng)設(shè)計人員能夠按照設(shè)計意圖對接觸網(wǎng)零部件進(jìn)行參數(shù)修改，其流程如圖7所示。裝配關(guān)系的描述集中在控制裝配零件草圖中，可通過Inventor API獲取。根據(jù)已知幾何參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)驅(qū)動，使部件隨零件參數(shù)或部件參數(shù)變化而變化，實(shí)現(xiàn)部件的參數(shù)化自適應(yīng)重構(gòu)。通過Inventor API獲取對應(yīng)的零件參數(shù)表和部件參數(shù)表，驅(qū)動裝配控制零件草圖，從而驅(qū)動整個裝配體的重構(gòu)及裝配關(guān)系變化，實(shí)現(xiàn)零部件參數(shù)修改。

基于二次開發(fā)修改“接觸網(wǎng)正定位支柱”裝配的拉出值。利用Inventor API獲取裝配控制零件草圖用戶參數(shù)集中的“拉出值a”參數(shù)，如圖8所示。改變“拉出值a”參數(shù)驅(qū)動裝配控制零件草圖，改變部件裝配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)零部件自適應(yīng)參數(shù)修改。默認(rèn)拉出值為0，圖8左，修改后為200，圖8右，修改前后定位器在定位管上的位置不同。

接觸網(wǎng)部件裝配依賴于零件參數(shù)表和部件參數(shù)表。通過零件參數(shù)和部件參數(shù)驅(qū)動部件的自適應(yīng)重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)模型部件高度可重用和自動化。

基于二次開發(fā)的零部件參數(shù)修改是通過API獲取修改參數(shù)對象，在母版部件的基礎(chǔ)上后臺修改其參數(shù)進(jìn)行模型重構(gòu)；基于BIM模型的零部件參數(shù)修改是在模型生成后，在三維場景中手動修改其相應(yīng)的參數(shù)。假設(shè)三維場景中有100根正反定位柱子，要修改其拉出值。對于二次開發(fā)的方法修改，是在模型生成之前，調(diào)用模板文件，匹配相應(yīng)的拉出值，直接在場景中完成修改；而對于手動修改的方法必須要找到每根柱子的拉出值參數(shù)，逐一完成修改。

圖8 拉出值修改前后的接觸網(wǎng)正定位裝配體

相比而言，基于二次開發(fā)的零部件參數(shù)修改在效率上要極大的優(yōu)于基于BIM模型的方法，準(zhǔn)確且快速，極大地省去了設(shè)計人員對模型參數(shù)大量的手動修改，提高了設(shè)計效率。

6 結(jié)論

(1)結(jié)合BIM和參數(shù)化設(shè)計理論，研究了基于Inventor平臺的接觸網(wǎng)參數(shù)化零部件族庫系統(tǒng)的方法及相關(guān)的二次開發(fā)。構(gòu)建了接觸網(wǎng)參數(shù)化族庫系統(tǒng)架構(gòu)；研究了接觸網(wǎng)參數(shù)化零件建模，提出并構(gòu)建了基于Inventor的接觸網(wǎng)參數(shù)化零件庫；研究了基于Inventor的接觸網(wǎng)部件裝配參數(shù)化和關(guān)聯(lián)設(shè)計，并基于二次開發(fā)對接觸網(wǎng)零部件進(jìn)行參數(shù)修改。

(2)接觸網(wǎng)零部件參數(shù)化設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)眾多模型的高度可重用和自動化，不僅提高了設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量，也大大縮短了接觸網(wǎng)零部件設(shè)計和改造的周期。

(3)接觸網(wǎng)參數(shù)化族庫系統(tǒng)的構(gòu)建，能夠?qū)崿F(xiàn)接觸網(wǎng)設(shè)計人員對接觸網(wǎng)零部件最大限度的有效管理，便于接觸網(wǎng)快速設(shè)計，為開發(fā)面向于接觸網(wǎng)專業(yè)的BIM系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。