黃勇 魏坤坤 潘江如 王玲 陳濤

摘要：基于數(shù)字模型參數(shù)化建模方法及虛擬裝配技術(shù)開發(fā)了DTⅡ型帶式輸送機數(shù)字樣機系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠根據(jù)總體設(shè)計要求及參數(shù)選型方式快速建立各類DTⅡ型帶式輸送機數(shù)字模型。系統(tǒng)工作原理是根據(jù)輸送機的結(jié)構(gòu)特征及功能，將輸送機分為頭架、尾架、中間架、托輥以及輔助設(shè)備等幾部分。每部分的典型零件通過電子表格的數(shù)據(jù)進行參數(shù)化尺寸驅(qū)動，實現(xiàn)零件的實例化。最后調(diào)用裝配指令將所有實例零部件總體裝配起來，完成數(shù)字樣機的建模工作。這種建模方法便于編輯和修改模型，節(jié)約時間和成本，大大提高效率?？梢杂糜谠O(shè)計驗證、分析、論證。為產(chǎn)品設(shè)計打下牢固基礎(chǔ)。

Abstract： Based on the parametric modeling method of digital model and virtual assembly technology， the digital prototype system of DTⅡ belt conveyor was developed. The system can quickly establish digital models of various DTⅡ belt conveyors according to the overall design requirements and parameter selection methods. The working principle of the system is to divide the conveyor into headstock， tailstock， middle frame， idler rollers and auxiliary equipment according to its structural features and functions. The typical parts of each part are parametrically driven by the data of the spreadsheet to realize the instantiation of the parts. Finally， the assembly instructions are called to assemble all the instance parts as a whole to complete the modeling work of the digital prototype. This modeling method is easy to edit and modify the model， save time and cost， and greatly improve efficiency. It can be used for design verification， analysis and demonstration. Lay a solid foundation for product design.

關(guān)鍵詞：數(shù)字模型參數(shù)化;虛擬裝配;數(shù)字樣機系統(tǒng);數(shù)字樣機

Key words： digital model parameterization;virtual assembly;digital prototype system;digital mockup

中圖分類號：TH222? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0197-05

1? 帶式輸送機數(shù)字模型系統(tǒng)設(shè)計總體思路

制造業(yè)智能化是現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的趨勢。數(shù)字孿生技術(shù)是智能制造的重要特征，也是實現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)途徑之一。數(shù)字孿生技術(shù)的實現(xiàn)首先需要在信息層建立數(shù)字模型[1]。

數(shù)字模型可以用于產(chǎn)品的快速驗證、分析和論證，也可以用于與客戶之間的泛在設(shè)計[2]。目前常見的數(shù)字模型建立方式有兩種：其一是按照零件、部件、整機的順序從底層至頂層依次建模;其二是將整機進行拆分分析，利用成組思想進行歸類劃分，再利用參數(shù)化設(shè)計進行建模。建模過程中反復(fù)校驗成組思路是否最優(yōu)，對參數(shù)化模型進行迭代優(yōu)化[3]。對比兩種方法，第一種方法建模比較精確耗時較長，適合單件產(chǎn)品的設(shè)計。第二種適合快速批量數(shù)字模型的建立。DTⅡ型帶式輸送機是典型的標準化、系列化產(chǎn)品。本系統(tǒng)的目標是建立設(shè)計標準中所有類型的DTⅡ型帶式輸送機數(shù)字模型[4]。所以本系統(tǒng)適合第二種方法進行快速數(shù)字模型的建立。通過對DTⅡ型輸送機的各部件分析發(fā)現(xiàn)，DTⅡ型輸送機各關(guān)鍵零部件結(jié)構(gòu)都相同或相似，只有尺寸不同。為了能夠高效快速的建模，節(jié)省開發(fā)時間。最終決定采用參數(shù)化建模并利用外部表格對模型尺寸進行驅(qū)動的方式。

DTⅡ型帶式輸送機是典型的標準化、系列化產(chǎn)品[5]。通過對DTⅡ型輸送機的圖紙進行分析，整機的零部件組成較多。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的精細化管理，將輸送機進行拆分并歸類[6]。按照輸送機的結(jié)構(gòu)特征及各部件的功能，可以將輸送機分為頭架、尾架、中間架、托輥以及輔助設(shè)備等幾部分。在進行拆分之后可以更加直觀的描述各部件的功能，也方便對各個部件進行調(diào)試、修改。拆分之后對各個部分進行參數(shù)化建模。在數(shù)字樣機裝配環(huán)節(jié)利用建模軟件的二次開發(fā)功能，開發(fā)出專門的交互界面實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)的傳遞和加載[7]。并調(diào)用裝配指令最終將所有參數(shù)化的零部件總體裝配起來，完成數(shù)字樣機的建模工作。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

整個系統(tǒng)的開發(fā)過程主要分為四個部分：零件設(shè)計的參數(shù)表征;參數(shù)化建模;轉(zhuǎn)配程序;UI界面開發(fā)。從零件的設(shè)計到裝配圖更新直至最后保存，其過程如圖2所示。

2? 帶式輸送機參數(shù)化設(shè)計方法

參數(shù)化設(shè)計是建立裝備數(shù)字化模型的一種方法。傳統(tǒng)的制圖方式主要僅限于二維制圖，主要包括點、線、面，只能夠反應(yīng)產(chǎn)品的外部結(jié)構(gòu)，而不包括產(chǎn)品的設(shè)計思路。所以產(chǎn)品的尺寸變化時，不能快速修改模型尺寸[8]。參數(shù)化建模是通過定義尺寸參數(shù)來得到一個類型的模型。再通過實例化模型數(shù)據(jù)值來確定具體數(shù)字樣機。利用人機交互功能，數(shù)字樣機可以根據(jù)實際的需求進行參數(shù)值修改，從而快速得到各種尺寸的樣機。這種建模方法便于編輯和修改模型，節(jié)約時間和成本，大大提高效率。還可以用于設(shè)計驗證、分析、論證，為產(chǎn)品設(shè)計打下牢固基礎(chǔ)。

2.1 參數(shù)化建模方法

參數(shù)化建模的步驟大致分為以下幾點：

①提取參數(shù);

②對零部件進行參數(shù)化建模并且對重要的參數(shù)進行提取;

③對建模過程進行驗證并對其中的問題進行解決和優(yōu)化。

參數(shù)化建模方式分為三種：

①特征建模。在這種的建模方法中可以直接使用長方體、球、圓柱（錐）等模塊并且在對話框中直接輸入想要模型的參數(shù)以及坐標原點就可以生成預(yù)期的模型，還可以將這些簡單的模型進行求和得到相對復(fù)雜的模型，但曲面不能過于復(fù)雜，所以這種方法只能針對一些簡單的模型進行建模，相對于復(fù)雜的模型在建模的過程中較為困難。

②草圖設(shè)計。它可以進行相對復(fù)雜的建模，比如可以通過草圖的繪制，然后通過一些其他的命令，例如：拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃略等命令生成模型，可以生成一些相對復(fù)雜一點的模型。但有些部分零件較多，草圖設(shè)計就顯得略微不足，可以通過裝配解決問題。

③克隆裝配?？寺⊙b配是把裝配的關(guān)系引入，用于解決一些復(fù)雜的模型或者某一個部分沒有辦法準確定位的問題。因此可以對部件、整體的設(shè)計同時進行。相對于上述兩種方法（特征建模、草圖設(shè)計）的優(yōu)點在于可以對很多零部件的模型進行設(shè)計。裝配的參數(shù)化設(shè)計是通過總裝配的數(shù)據(jù)被零部件使用，即零部件引用裝配圖的參數(shù)，通過改變裝配圖的參數(shù)驅(qū)動零部件參數(shù)來達到裝配圖與零部件之間的參數(shù)協(xié)調(diào)變化。這種參數(shù)化建模的方法現(xiàn)在使用的最為廣泛，相信也是今后參數(shù)化發(fā)展的趨勢。

下面以關(guān)鍵組件托輥為例分析參數(shù)化建模方式：

輥體的零部件有軸承、軸承座、軸、筒皮。本系統(tǒng)中軸承座零件由筒皮和軸對其進行尺寸關(guān)聯(lián)。軸和筒皮直接進行參數(shù)化建模。

通過對軸承座圖的分析，用特征建模時無法保證軸承座的傾斜度以及各部位的厚度，因此采用草圖設(shè)計方法，首先做出零件的二維形狀草圖再經(jīng)由約束對草圖形狀的束縛，以保證在參數(shù)改變時形狀不改變;再設(shè)置已經(jīng)做好的二維圖的尺寸約束，并輸入表達式數(shù)據(jù)，如圖3所示，在表達式中還可以將數(shù)據(jù)引用軸和筒皮的參數(shù)，當筒皮和軸的參數(shù)改變時軸承座的尺寸也會隨之改變，旋轉(zhuǎn)生成模型。

軸的建模采用草圖設(shè)計建模的方法，把軸截面圓心固定在坐標系的原點。并用對稱拉伸的方法創(chuàng)建軸的模型。在表達式中需輸入的具體參數(shù)為：軸長L、各段軸徑D，其中軸頸是重要的尺寸由軸承內(nèi)徑?jīng)Q定，具體的參數(shù)表達式設(shè)置如圖4所示。

筒皮的建模也采用草圖設(shè)計方法并拉伸創(chuàng)建模型，筒皮的參數(shù)主要為筒皮厚度、筒皮直徑、長度，具體的參數(shù)表達式設(shè)置如圖5所示。

將建模完成的筒皮、軸承座、軸按照順序依次裝配在一起裝配效果如圖6所示，建立表達式并讓裝配的零件引用表達式，輥體的參數(shù)變化時，零件的參數(shù)也會隨之變化。

中支柱、邊支柱均為有一定復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，因此采用草圖設(shè)計并拉伸來創(chuàng)建草圖，在后期的驅(qū)動過程中為了保證參數(shù)化驅(qū)動的效果，對中支柱、邊支柱采取部分建模如圖7所示，在最后將所有零部件裝配在一起時鏈接角鋼的面并采用拉伸至角鋼平面即可。

最后將所有的參數(shù)化的模型根據(jù)實際要求通過裝配約束全部裝配在一起，裝配圖如圖8所示，在總裝配建立表達式并讓各個裝配零部件模型的表達式引用。

2.2 基于電子表格的尺寸驅(qū)動方法

參數(shù)化模型建立后，為了參數(shù)模型能快速實例化，采用外部的電子表格驅(qū)動圖形尺寸。這有利于把標準表中的參數(shù)更加直觀表示出來同時也有利于模型一次性刷新，避免了某一參數(shù)沒有改變導(dǎo)致模型的更新失敗。

這里利用了Microsoft office 2007和UG軟件進行開發(fā)。外部電子表格的建立必須使用Microsoft office 2007及以上的Excel的表格，版本過低或其他電子表格UG無法讀取。具體的過程為如圖9所示。

①首先建立一個EXCEL表格，表格中有標準的尺寸參數(shù);

②再在UG建立的表達式中用函數(shù)去讀取電子表格中的數(shù)值;

③最后每改變一次讀取表格中的數(shù)據(jù)時，都需要保存電子表格，并在表達式中刷新來自外部的數(shù)據(jù)。

3? 建模軟件的二次開發(fā)

3.1 系統(tǒng)軟件的界面開發(fā)

由于數(shù)字樣機系統(tǒng)是基于UG軟件，所以建立人機交互界面需要利用NX軟件的二次開發(fā)功能。UG/Open主要是為了讓不同的應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)柔性集成的一個開發(fā)工具的開放性構(gòu)架。該構(gòu)架包括UG/Open Menu Script、UG/Open UI Style、UG/Open API、UG/Open GRI四個模塊。

Open Menu Script工具可以在菜單欄進行添加、重組和裁剪，也可以集中使用;在UG的安裝目錄下新建一個二次開發(fā)的文件夾用來存放二次開發(fā)的內(nèi)容，本例新建的文件夾是CTTOOLS，在新建的CTTOOLS文件夾中需重新建Startup、Application、及Prt文件夾用于存放文件。在Startup的文件中重新建立一個空的文本文檔，軟件在啟動時候需要加載本文檔，并將本文檔的后綴名刪除并改為men，在本文檔中編寫開發(fā)菜單的腳本語言。要完成指定菜單的動作需要ACTIONS來完成。菜單腳本文件被命名為xx.men。編寫完成腳本文件之后保存并重啟UG，在UG的菜單欄上會掛出剛制定的新創(chuàng)建菜單。

新建的菜單是一個空菜單，當點擊菜單時是不會執(zhí)行任何操作，此時需要在菜單下寫進去程序。首先打開UG，在啟動下拉菜單中找到所應(yīng)用模塊下的塊UI樣式編輯器，根據(jù)開發(fā)者的需求新建UI，編輯完成UI后在對話框中選擇生成語言為C++，為構(gòu)件開發(fā)平臺做準備。生成的三個文件后綴名分別為cpp、dlx、hpp。

DTⅡ型皮帶輸送機帶寬是一個重要參數(shù)，因此在設(shè)計UI的時候把帶寬作為一個重要的參數(shù)來控制其他的參數(shù)，即通過不同的帶寬參數(shù)來控制帶寬下所有的參數(shù)。然后在系統(tǒng)新菜單創(chuàng)建一個組;分別命名為group、group1、group11、group12、group13、group2、group3，其中在group組下創(chuàng)建一個枚舉類型命名為帶寬，用于選型的初選，這一個非常重要的參數(shù)，當切換到不同的參數(shù)帶寬時就可以調(diào)出對應(yīng)的參數(shù)而其他的參數(shù)就放在group1、group11、group12、group13中。group1、group11、group12、group13是對應(yīng)不同帶寬下的各個組件的參數(shù)即頭架、托輥、支腿、尾架的參數(shù)，它們不同的參數(shù)通過程序控制不同的prt文件，group1至group13的顯示要與帶寬的參數(shù)來對應(yīng)這就要通過程序來控制;group2中的參數(shù)是控制整個裝配的長度及每一個托輥之間的距離;group3是一個參考圖片，選擇C++的生成語言并另存為zpt文件，在生成的文件中把后綴名為zpt.dlx的文件粘貼復(fù)制到Application中，此時UI的制作基本完成。

3.2 裝配驅(qū)動原理

UG/OPEN API是開發(fā)環(huán)境與UG的交流方式。通過API可以對UG的圖形終端進行操作。本系統(tǒng)利用VS 2012編譯完成的程序驅(qū)動UG去執(zhí)行。新建NX OPEN C++項目，配置屬性，會自動生成一個源文件，里面有UG自帶的模板C++語言，用戶可以在模板的基礎(chǔ)上經(jīng)行程序編寫。系統(tǒng)會將UG自己配屬的源文件移除，重新配屬在UI設(shè)計中生成的另外兩個文件分別是zpt.cpp、zpt.hpp。為了將參數(shù)化零件組裝到一起，此時需要用到裝配函數(shù)，在此次的二次開發(fā)中需要用到的裝配函數(shù)是UF_ASSEM_add_part_to_assembly。函數(shù)參數(shù)中tag_t parent_par是需要裝配的部件的目標，是想要把部件裝配到哪里去;const char * part 是部件來自于哪里，為需要添加的部件的位置、路徑（路徑為全路徑）以及部件名稱;double origin[3]表示的是組件裝配的位置原點。

4? 結(jié)論

通過對系統(tǒng)的測試分析（圖10），該系統(tǒng)能夠快速生成各標準類型DTⅡ型輸送機。尺寸匹配和裝配關(guān)系準確。修改尺寸參數(shù)快速高效。可以用于產(chǎn)品的快速驗證、分析和論證，也可以用于與客戶之間的泛在設(shè)計。也為搭建數(shù)字孿生平臺建立了良好的基礎(chǔ)。

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