基于設計規范的產品三維建模方法研究*

姜兆亮 陳露露 范志君 尹 濤

(山東大學機械工程學院，山東濟南 250061)

隨著計算機輔助設計技術的快速發展，產品設計方法已經從二維平面設計轉變為三維立體造型，這使得產品模型更加直觀，便于理解與交流。但是，與傳統的二維模型相比，三維模型的造型過程具有明顯的痕跡性。即同一模型，不同的設計人員所采用的造型過程可能完全不同，這為后期的模型修改、維護與重用帶來了巨大的困難。例如，可以通過拉伸命令利用草圖中的圓創建圓柱體，也可以借助回轉命令利用草圖中的矩形創建圓柱體。當對其進行修改時，就要求必須徹底清楚設計師當時的建模思路，才能完成正確的修改。稍有不慎，就容易引起不宜覺察的尺寸連帶驅動錯誤，為后期的制造帶來額外風險。

因此，針對該問題，本文依據相似原理，對常用零件與典型零件的建模過程進行規范化設計，并通過CAD系統的二次開發對造型過程進行固化。借助于該系統，產品設計人員既可以直接創建新零件，也可以創建新零件的基體部分，然后在次基礎上按照設計規范進一步修改完成設計任務。建模過程的規范化將為后期的產品模型維護、修改及重用等提供便利。

1 問題分析

客戶對產品個性化需求的不斷增長，使得新產品種類不斷推陳出新，產品生命周期也明顯縮短。同時，激烈的市場競爭又要求產品必須以最優的質量、最低的成本快速上市。二者之間的矛盾，成為大規模定制模式下新產品設計制造的主要矛盾之一。據研究統計表明［1-2］，產品設計時，大約40% ～50%是重用已有的部件，約30% ～40%是修改已有的零部件，而只有約10%～20%才是全新設計。為了提高新產品開發效率，利用產品配置建模與求解技術［3］，可以快速獲得個性化產品。為了提高產品重用性，部分學者［4］利用參數化方法在現有CAD軟件平臺上，通過二次開發實現零部件的重用性設計。但是，產品設計規范化程度的高低，直接決定二次開發所形成的參數化軟件系統的產品設計質量。趙國志與劉曉冰［5］針對機車行業的特點，提出了建立基于TOP2DOWN設計方法學的產品設計規范，明顯提高了機車的設計質量。因此，產品設計過程的規范化，對產品模型的維護、修改及其重用具有重要的理論意義與應用價值。

2 基于設計規范的產品設計方法

產品設計過程中，每個人都有自己的造型方法與建模習慣，不同的設計者之間很難保持一致。如果結合企業產品特點，對常用零件或典型零件的建模過程制定相應的規范化設計，并開發一定的軟件系統，利用參數化控制方法協助產品設計人員完成三維造型，可以提高產品設計的效率與質量。將產品設計的三維造型進行規范化的步驟如圖1所示。

2.1 相似零件分類

將全部零件的集合定義為P，首先需要對集合內的零件進行分類管理。其中，分類原則包括零件結構相似與建模步驟相似兩部分，以便于形成統一的產品模型參數化創建模板。然后，將集合P中的每個零件子類定義為Pi(1≤i≤n)，其中n表示分類總數，且：Pi∩Pj= φ(1≤i≤n，1≤j≤n，i≠j)，

2.2 設計規范的制定

針對每種零件分類，制定產品設計規范。為了便于系統用戶了解和掌握設計規范，將設計規范的描述形式分為兩種：文檔化規范與規則化規范。其中文檔化規范用Office Word文件形式描述，便于用戶閱讀；規則化規范用邏輯規則描述，以支持軟件應用系統的開發，形成用戶使用程序。

將文檔化規范組成的集合定義為規范文檔集，用D表示。對應于每一零件分類Pj(1≤i≤n)，可以制定出相應的文檔化規范Di(1≤i≤n)，其中n表示規范文檔總數，且：Di∩Dj= φ(1≤i≤n，1≤j≤n，i≠j)，

將規則化規范組成的集合定義為規范規則集，用R表示。其中，每個規范規則可表示為Rj(1≤j≤m)，m 表示規范規則總數，且：Rj∩Rk= φ(1≤j≤m，1≤k≤m，j≠k)，

其中，零件分類集與規范文檔集之間為一一映射，而零件分類集與規范規則集之間為多對多映射。它們之間的映射關系如圖2所示。

對于任意零件分類Pi(1≤i≤n)中的所有零件Pij(1≤i≤n，1≤j≤h)，其中 h 為零件分類 Pi包含的實例零件總數。對于給定的零件分類Pi，若設零件Pij(1≤j≤h)的建模步驟為Sij，則零件分類Pi對應的建模步驟Si為

從零件分類Pi對應的建模步驟集合Si中，抽取出需要動態變化的參數作為變量，形成參數化建模的變量驅動參數庫。按照制定的參數化建模步驟，利用程序控制形成的產品三維模型，具有良好的建模過程的痕跡一致性。

2.3 軟件框架的設計

本系統的實現既可以采用流行的瀏覽器-服務器(Browse/Server，B/S)軟件構架，也可以采用傳統的客戶端-服務器(Client/Server，C/S)軟件構架。二者各有優缺點，B/S結構的軟件使用方便，不受地域限制，但是它的安全性與運行速度遠不及C/S結構的軟件。因本系統的應用企業不涉及遠程設計問題，所以選用C/S結構作為系統實現的框架結構。

本系統的功能模塊主要包括基礎信息管理、零件分類管理、規范文檔管理、參數化建模、權限管理、系統維護以及基本信息庫、規則庫與參數庫組成。具體見圖3所示。

3 應用驗證

山東新北洋信息技術股份有限公司(簡稱新北洋)主要從事專用打印機及相關技術集成產品的研發、生產、銷售和服務，自主開發的專用打印產品形成了“收據/日志打印機”、“條碼/標簽打印機”、“嵌入式打印機”及相關技術集成產品(自助服務設備、掃描儀、身份證卡專用復印機等)四大產品系列、50余種機型。眾多的產品類型與多變的個性化產品需求，對設計的規范化要求提出了新的挑戰。

目前該企業的產品設計軟件以Solide Edge V18為主，因此我們利用VB軟件對其進行了二次開發，建立了基于設計規范的產品三維建模軟件系統。

3.1 開發接口

Solid Edge為用戶提供了采用標準的Windows COM技術的應用程序接口，能夠通過使用支持ActiveX Automation技術的開發工具，例如Visual Basic、Visual C++等，對Solid Edge進行二次開發［6］。本項目利用Visual Basic 6.0(VB)軟件進行開發。

Solid Edge的二次開發以對象為基礎，其對象層次結構可以描述為自上而下的樹結構，其根節點對象通常是一個應用(Application)。Solid Edge擁有四種工作環境：零件(Part)、鈑金(Sheet Metal)、裝配(Assembly)和工程圖(Draft)。要訪問某一工作環境，首先要得到其文檔對象--Documen，然后采用GetObject與CreateObject函數來調用或創建Solid Edge對象的應用實例。

3.2 實現界面

對于結構相對復雜，但是結構變化不大且控制變量較少的零件，可以事先建立類型間的模型，然后通過VB編程操縱Solid Edge變量表的方法實現；而對于結構不太復雜，零件建模過程相對簡單的零件，尤其是該類零件之間具有微小結構差別時，可采用VB編程控制Solid Edge的特征造型，利用參數化方法動態創建所需零件。程序界面如圖4所示。

通過在新北洋的應用結果表明，該系統能夠明顯提高產品設計效率與設計質量，改善三維模型的可讀性與可維護性，尤其是明顯提高了不同設計人員所設計零件的可重用性。

4 結語

本文針對三維建模的痕跡性問題，按照相似原理，對企業典型零件與常用零件進行分類管理，建立了基于設計規范的產品建模模型，利用VB語言對Solide Edge進行了二次開發，建立了基于規范的產品設計軟件，并在威海北洋集團進行了應用驗證，在產品模型的可讀性、可維護性和可重用性等方面取得了良好的效果。

［1］Rocchio J J.Relevance Feedback in Information Retrieval［M］.Salton G.The SMART Retrieval System：Experiments in Automatic Document Processing.Prentice-Hall，1971.

［2］沈斌，宮大.產品設計知識重用研究［J］.計算機工程，2006，32(18)：186.

［3］軒轅思思，姜兆亮，李巖，等.基于實例重用和NSGA-II的產品雙層配置算法研究［J］.計算機集成制造系統 -CIMS，2009，15(5)：893.

［4］杜淑幸，賈建援，劉小院，等.基于Pro/E的產品模型管理及重用性設計［J］.計算機工程，2009，35(17)：244.

［5］趙國志，劉曉冰.基于TOP 2 DOWN設計方法學的機車三維產品設計規范的研究［J］.內燃機車，2007(12)：28.

［6］奚建勝，王高潮.用Visual Basic對Solid Edge二次開發的探索.國外金屬加工，2005，26(2)：61.