萬 健，周 洪，付彥琨，王 紅，吳恩啟

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海船舶設備研究所，上海 200079）

0 引言

航空、航海技術的發(fā)展體現(xiàn)了一個國家的綜合國力，是國家軍事實力、科技水平及經(jīng)濟實力的綜合展現(xiàn)。該領域的發(fā)展對國家安全、國民經(jīng)濟甚至人民生活質(zhì)量的提高都起到重要作用［1］。與陸地相比，航海受到海浪的影響，會產(chǎn)生復雜的多維搖蕩運動，從而導致船上需要保持慣性空間方位不變的裝置無法正常且精準的運作。例如船載攝像機［2］、艦載激光武器［3］等設備在搖蕩的環(huán)境中，無法獲取清晰的視頻圖像，因而無法對目標進行精確損傷，這些都會造成不可預估的后果。因此，需要隨動平臺隔離載體產(chǎn)生的多維搖蕩運動。

隨動平臺在民用、科考、救援和軍事等領域有著廣泛運用，其在國防安全、人民生活和經(jīng)濟建設中都發(fā)揮著至關重要的作用。但同時隨動平臺也面臨著動態(tài)性能差、結構強度低以及與環(huán)境產(chǎn)生共振等問題，這些都會影響設備的正常工作，甚至威脅工作人員的生命安全。因此，隨動平臺結構的優(yōu)劣將直接關系到設備工作的可靠性。在隨動平臺設計過程中，不可避免地要反復多次進行修改，多次對模型零件進行重建以及對裝配體重新進行組裝，如果對每個零件都進行個性化設計，會導致工作量大、開發(fā)周期長、效率低下等問題［4］。

隨著計算機網(wǎng)絡技術日趨成熟與完善，計算機輔助設計已成為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展方向。研究表明，采用參數(shù)化建模方法可顯著提高復雜零件三維建模時的自動化程度［5］。參數(shù)化設計可實現(xiàn)模型的系列化生成，提高設計效率［6-7］。陳雨等［8］基于C++對Pro/E 進行二次開發(fā)，提高了變速箱設計效率；Fan［9］利用UG 建立液壓支架的三維模型；李振華等［10］基于VB 對SolidWorks 進行二次開發(fā)，并對高速動車組彈簧進行參數(shù)化設計；Necdet 等［11］通過自頂向下的建模方法對球關節(jié)進行參數(shù)化建模。

目前，隨動平臺的設計存在零件設計重復、圖紙修改任務量大等問題。為此，本文開發(fā)一種可自動生成零件并完成裝配的設計系統(tǒng)，通過調(diào)用Solid Works 內(nèi)置的API 函數(shù)對三維模型參數(shù)進行修改，實現(xiàn)參數(shù)化設計。在輸入基本參數(shù)后，計算機自動進行建模及裝配。該方法可有效提升設計質(zhì)量與效率。

1 隨動平臺結構分析與工作原理

隨動平臺由基礎部件、橫搖機構、縱搖機構等組成，整體結構如圖1 所示。其中，基礎部件主要由底板、左右基架等組成，橫搖機構由承重軸、立桿、擺盤、箱體、橫搖電機、減速器等組成，縱搖機構由隨動底座、支架、拉桿、縱搖電機、減速器等組成。

縱搖機構上的拉桿與基礎部件的左右基架相接，控制縱搖機構的縱向擺動。橫搖機構放置在縱搖機構上與縱搖機構串聯(lián)，通過橫搖電機獲取的姿態(tài)信息控制擺盤的橫向擺動。其中，箱體放置在擺盤上，箱體內(nèi)放置需要保持慣性空間穩(wěn)定的設備，箱體數(shù)量可根據(jù)需要增加或減少。

2 隨動平臺程序化建模系統(tǒng)設計

利用SolidWorks 進行二次開發(fā)的原理分為兩種：一種是基于組件對象模型規(guī)范（Component Object Model，COM），另一種是基于對象鏈接與嵌入（Object Linking and Embedding，OLE）技術，實現(xiàn)OLE 自動化［12］。SolidWorks 提供了二次開發(fā)應用程序接口API 函數(shù)，能使用戶根據(jù)自己的需求進行二次開發(fā)，完成模塊定制。用戶編寫的程序通過調(diào)用API 成員與SolidWorks 應用程序的對象成員進行交互，完成對SolidWorks 的訪問與操作，從而建立產(chǎn)品的三維模型。API 功能函數(shù)以COM 技術為基礎，COM 技術是對象模型的組建技術，通過其可實現(xiàn)對象組件化程序編程設計思想［13］。COM 技術也是一種面向?qū)ο蟮木幊棠Ｊ?，支持COM 技術的編程語言（VB、C#、C++）都可用來進行Solid?Works 二次開發(fā)。C#是目前最流行的編程語言之一，因其簡單易用、功能強大，受到了廣大設計人員歡迎。本文研究的程序化建模系統(tǒng)提高了隨動平臺建模效率，縮短了隨動平臺設計周期，提高了設計質(zhì)量。

2.1 隨動平臺系統(tǒng)總體架構

系統(tǒng)總體架構設計在產(chǎn)品系統(tǒng)開發(fā)與使用的整個生命周期中都至關重要，系統(tǒng)各個功能模塊的實現(xiàn)是系統(tǒng)整體架構的基礎，模塊之間的有機統(tǒng)一是實現(xiàn)系統(tǒng)整體性的有力保障［14］。隨動平臺參數(shù)化設計系統(tǒng)基于C#通過Visu?alStudio 建立人機交互界面，設計人員輸入指定參數(shù)，通過與三維建模軟件進行銜接，一鍵生成三維模型。該系統(tǒng)總體由用戶層、開發(fā)層與數(shù)據(jù)層組成，用戶層是設計人員與系統(tǒng)交互的通道，將設計參數(shù)直接傳遞給開發(fā)層；開發(fā)層是構建三維模型的通道，接收設計人員提供的設計參數(shù)信息，并進行主動尺寸與關聯(lián)尺寸計算，完成程序化建模后再將信息傳遞給數(shù)據(jù)層；數(shù)據(jù)層為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐，主要包括零部件庫、裝配體庫等。系統(tǒng)總體架構如圖2所示。

Fig.2 System architecture圖2 系統(tǒng)總體架構

2.2 人機交互界面設計

系統(tǒng)界面設計是影響人機交互的重要環(huán)節(jié)之一，也是用戶對軟件的第一印象，因此是軟件設計的重要組成部分［15］。通過人機交互方式，根據(jù)用戶需求快速獲得結構參數(shù)，并生成對應參數(shù)模型，可縮短設計周期，提高設計效率與準確性，從而降低了對設計人員專業(yè)素質(zhì)的要求［16］。依據(jù)本文的設計需求，設計員能夠通過隨動平臺參數(shù)化設計系統(tǒng)的人機交互界面與三維建模軟件銜接，根據(jù)指定參數(shù)生成三維模型。程序化建模的主要步驟與手動建模步驟相同［17］，通過獲取箱體數(shù)量、質(zhì)心高度等參數(shù)，自動計算相應零件尺寸，逐步建模生成立桿、支架、左右基架等零部件，并進行模型裝配，完成程序化建模。人機交互界面如圖3 所示。

Fig.3 Human-machine interaction interface圖3 人機交互界面

通過人機交互界面，設計人員可輸入?yún)?shù)對模型進行個性化設計。人機交互界面可實時顯示所搭建的支架和裝配體模型圖，以方便、直觀地展示給設計人員。同時為了保證建模的準確性，人機交互界面可顯示各個參數(shù)取值范圍，并在參數(shù)超出該范圍時進行警示。為便于后續(xù)分析，設有模態(tài)分析及動力仿真模塊，可提供部分模型的模態(tài)分析結果及動力性能相關參數(shù)作為參考。

2.3 程序化建模

參數(shù)化設計方法有兩種：模型驅(qū)動法和尺寸驅(qū)動法。模型驅(qū)動法是指完全調(diào)用API 函數(shù)構建模型，是從無到有地生成模型。但該方法比較復雜、編程工作量大，且建模速度緩慢，對開發(fā)人員的專業(yè)性有著極高要求，針對形狀簡單且較為規(guī)則的零部件可采用該方法。尺寸驅(qū)動法是在現(xiàn)有模型基礎上設置主動參數(shù)變量，通過修改參數(shù)變量重新進行建模。該方法編程工作量小，更易于開發(fā)，相較于模型驅(qū)動法，其在生成一些造型相似且需要系列化的零件時可節(jié)約大量計算資源，減少設計人員工作量［18］。本文將尺寸驅(qū)動法與模型驅(qū)動法相結合進行參數(shù)化設計。

2.3.1 零件模塊設計

零件模塊中包含兩類零部件：一類是固定參數(shù)零部件，是指不經(jīng)過任何更改，直接調(diào)用裝配的零件；另一類是關鍵零部件，是指需要經(jīng)過尺寸參數(shù)的更改變化，重新建模的零件［19］。通過對主動參數(shù)的賦值生成自定義參數(shù)零部件，將主動參數(shù)對應的零部件與被動參數(shù)對應的零部件建立關聯(lián)，將參數(shù)變化逐級傳遞至整體模型。為保證程序化建模質(zhì)量，參數(shù)分析是其中的關鍵。參數(shù)包括主動尺寸參數(shù)、被動尺寸參數(shù)和不變尺寸參數(shù)。在零部件建模過程中，主動參數(shù)包括箱體數(shù)量、支架下底邊長度、支架上邊線長度、初始橫搖角度、初始縱搖角度、左右基架高度、基架橫梁高度等。被動參數(shù)包括立桿高度、支架高度、拉桿長度等。控制參數(shù)如表1 所示。

Table 1 Control parameters表1 控制參數(shù)

設計人員輸入主動參數(shù)后，根據(jù)箱體數(shù)量自動改變立桿高度、支架高度及拉桿高度等被動參數(shù)，并進行命名與保存。零件模塊化設計典型指令代碼如下：

2.3.2 裝配體模塊設計

以往的裝配都是由CAD 完成的，通過配合關系手動完成每個部件的裝配，耗時耗力。通過智能裝配可節(jié)省大量時間成本，且易于操作［20］。模型裝配分為自頂向下和自底向上兩種方式，由于該系統(tǒng)已通過參數(shù)化獲得了零件模型，因此這里選擇自底向上的裝配方式［21］。在完成零部件程序化建模后，通過自底而上的建模方法進行模型裝配，按照零部件之間的結構及位置關系添加約束類型。在自動裝配過程中，大多數(shù)裝配都可利用基準面或基準軸進行配合，但在選擇零件的點、線、面進行裝配時，則需要采用遍歷技術。通過對零件待裝配面進行自定義命名，裝配時計算機選定零部件后，對零件所有面都遍歷一遍，直到遍歷至命名面后，利用Select4 選定面后再進行裝配。為保證模型中各個機構能夠按照要求運動，需選擇合適的元素進行裝配才能保證模型的自由度。裝配示意圖如圖4 所示。

裝配系統(tǒng)實現(xiàn)步驟如下：

（1）打開裝配體及插入零件。首先通過編寫的代碼打開裝配體環(huán)境，然后利用AddComponent 函數(shù)向裝配體中插入立桿和支架。插入零件后，利用CloseDoc 函數(shù)關閉零件以釋放零件所占內(nèi)存。主要代碼如下：

Fig.4 Assembly diagram圖4 裝配示意圖

（2）添加配合關系。在裝配過程中，需要選擇點、線、面等元素進行裝配。配合關系主要包括重合、距離配合、同軸心、平行等。大多數(shù)裝配都可利用基準面或基準軸進行配合，但當需要選擇零件的點、線、面進行裝配時便需要采用遍歷技術。對零件的面命名后，再編制程序遍歷零件所有的面。當遍歷到命名的面之后，利用Select4 選定面。當選定所需裝配的元素后，利用Addmate5 函數(shù)添加配合關系完成裝配。

同軸心配合的部分代碼如下：

（3）模型重建及保存。在裝配完成后，利用ForceRe?build2 函數(shù)對模型進行重建，防止出現(xiàn)添加配合關系不成功的現(xiàn)象，之后再利用SaveAs3 對模型進行保存。主要代碼如下：

通過API 函數(shù)的調(diào)用完成程序化建模，具體裝配參數(shù)如表2 所示。

Table 2 Assembly parameters表2 裝配參數(shù)

3 結語

以工程思想為指導，將參數(shù)化設計及自動裝配技術應用于隨動平臺結構設計系統(tǒng)中，以C#為開發(fā)語言，通過調(diào)用API 函數(shù)對SolidWorks 進行二次開發(fā)，應用面遍歷技術實現(xiàn)對面的精準選擇及裝配。通過對自動裝配的研究，對模型參數(shù)化方法有了更深入的了解。該系統(tǒng)提高了設計效率，降低了設計成本，縮短了設計周期，具有一定的現(xiàn)實意義。后續(xù)還需要進一步提高系統(tǒng)運行效率，并改善人機交互界面。