面向機械設計手冊的基于Pro/TOOLKIT的三維標準件庫開發(fā)

曹 巖 楊艷麗 白 瑀 杜 江 范春霞

(①西安工業(yè)大學先進制造工程研究所，陜西西安710032;②深圳大學信息工程學院計算機系，廣東深圳518060)

在查閱有關機械企業(yè)的所有零件調查統(tǒng)計報告后，統(tǒng)計數(shù)據顯示標準件的使用約占零部件總數(shù)的50%，典型的變型零件占40%。生產實踐證明標準件具有優(yōu)良的性能，采用這些標準件能夠保證產品的質量且可降低企業(yè)生產成本［1-2］。標準件庫的建立可以有效地積累設計成果，實現(xiàn)在設計過程中對已有設計資源及成果最大限度地重用，避免重復，提高設計質量與效率。因此，建立適應實際需求的三維標準件庫是必需的。提供標準件庫或提供開發(fā)標準件的工具是CAD系統(tǒng)的一個重要組成部分，是評價CAD系統(tǒng)的一個指標。

1 研究目的

在機械設計中，有許多繪圖工作量是涉及標準件，如鉚釘、鉚螺母、螺栓、螺母等。由于這些零部件的數(shù)量大，結構形式多，不僅繪圖非常繁瑣，而且還要反復查閱手冊，尋找數(shù)據。因而，很需要一種直觀方便、快捷準確地繪制標準件的方法，使用戶能靈活地調用標準件，生成所需的模型。為此應該建立一個標準件庫，這是為了充分發(fā)揮CAD軟件的作用而進行的一項重要的二次開發(fā)工作。

標準件庫是將各種標準件或零件的信息存放在一起，并配有管理系統(tǒng)和相應CAD標準接口的軟件系統(tǒng)。用戶可以對標準件庫進行查詢、檢索、訪問、提取所需的零件信息，供設計、制造等工序使用。

在Pro/ENGINEER環(huán)境下建立鉚連接三維標準件庫，利用VC++6.0的MFC類庫和動態(tài)鏈接庫(DLL)方式建立方便快捷的人機對話界面。一方面可以避免設計者繁瑣的標準件繪圖工作，提高設計效率;另一方面也可以提高設計的標準化程度，減少錯誤發(fā)生率［3-4］。在Pro/ENGINEER環(huán)境下建立鉚連接三維標準件庫的要求如下:

(1)具有各類型的鉚連接標準件;以最新版《機械設計手冊》為依據，針對鉚連接件結構參數(shù)的不同將其詳細分類，分析其結構特征。

(2)具有擴展鉚連接標準件庫的能力。

(3)采用的技術便于實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的集成。

(4)具有良好的人機交互界面，易學易用。實現(xiàn)對標準件的查詢、檢索、調用及對標準件庫的擴充。

(5)基于最新版的《機械設計手冊》來進行三維標準件庫的開發(fā)。

(6)建立的Pro/ENGINEER標準件庫中對應鉚連接標準件模型的調用，自動生成用戶所需的標準件三維模型，供用戶進行裝配等操作。

2 標準件庫系統(tǒng)結構

我國機械制造企業(yè)廣泛采用標準鉚連接結構，其結構規(guī)范，大多可以套用鉚連接的國家標準或與國標相似的行業(yè)或企業(yè)標準。Pro/ENGINEER環(huán)境下標準件庫的系統(tǒng)結構如圖1所示。其中有用戶管理界面、Pro/TOOLKIT接口程序、標準件模型庫、標準件關系數(shù)據庫4個部分。其核心部分為標準件模型庫和標準件關系數(shù)據庫2部分。

三維標準件庫是利用特征造型技術建立的，因此在該庫中存儲的并非是帶有具體幾何數(shù)據的實體模型，而是各類由尺寸驅動的參數(shù)模型。標準件的特征參數(shù)庫主要存儲標準件的各種參數(shù)。由于零件的參數(shù)個數(shù)、參數(shù)數(shù)值類型都因零件的不同而不同，因此每個數(shù)據表保存一個標準件的數(shù)據。本文選擇Microsoft Access數(shù)據庫建立鉚連接標準件的關系數(shù)據庫。

系統(tǒng)的用戶管理界面是由若干菜單和窗體組合而成。它是連結標準件模型庫和參數(shù)庫的橋梁。當系統(tǒng)接到要求進行構型任務后，用戶界面將提示用戶進行標準件關鍵參數(shù)的選擇，系統(tǒng)根據所選的關鍵參數(shù)檢索關系數(shù)據庫，確定其他參數(shù)后，并將處理后的這些參數(shù)賦予對應的設計變量，形成與標準件模型相聯(lián)系的外部參數(shù)文件。然后調出參數(shù)化標準件模型庫中事先定義好的標準件模型，并根據參數(shù)文件中的參數(shù)值對其進行尺寸約束驅動，生成所需規(guī)格的標準件。本文采用VC++6.0來開發(fā)用戶選擇及管理界面。

2.1 標準件檢索程序模塊

針對鉚連接標準件，該程序模塊可實現(xiàn)與用戶的實時交互，引導用戶選擇鉚連接標準件的具體結構類型。然后，該程序模塊可針對用戶選擇的鉚連接標準件類型，通過交互方式獲得所選標準件的結構參數(shù)和性能參數(shù)。進而可基于所獲取的參數(shù)實現(xiàn)對鉚連接標準件關系數(shù)據庫的檢索。該程序模塊基于VC++6.0和Pro/TOOLKIT開發(fā)，并作為一個動態(tài)鏈接庫，通過菜單掛接在Pro/E環(huán)境中運行。

2.2 標準件自動造型模塊

該程序模塊動態(tài)獲取標準件檢索程序模塊檢索結果，進而依據獲取的檢索結果實現(xiàn)對鉚連接標準件庫中與檢索結果相對應的鉚連接標準件模型的調用，自動生成對應的鉚連接標準件三維實體模型。

標準件庫檢索程序模塊和標準件自動造型模塊(如圖2)。

3 系統(tǒng)開發(fā)關鍵技術

3．1 Pro/TOOLKIT

Pro/ENGINEER常用的二次開發(fā)工具有:族表(Family Table)、用戶定義特征(UDF)、Pro/Program、J-link、Pro/TOOLKIT等。本文Pro/TOOLKIT應用程序流程如圖3。

Pro/TOOLKIT支持用戶或第三方在Windows 2000NT/XP操作系統(tǒng)中使用C和C++語言設計程序，采用Microsoft Visual C++6.0的集成環(huán)境下完成程序的設計、調試和編譯，開發(fā)基于Pro/ENGINEER系統(tǒng)的應用程序模塊，擴充Pro/ENGINEER系統(tǒng)功能，從而滿足用戶的特殊要求。還可利用Pro/TOOLKIT提供的UI對話框、菜單以及VC++可視化界面技術，設計出方便實用的人機交互界面，從而大大提高系統(tǒng)的使用效率。

Pro/TOOLKIT提供了大量針對Pro/ENGINEER底層資源調用的庫函數(shù)和頭文件，幾乎覆蓋了Pro/ENGINEER中的所有操作，使用戶或第三方編寫的應用程序能夠以一種可控制的、安全的方式訪問Pro/ENGINEER的數(shù)據庫，并可以實現(xiàn)應用程序模塊與Pro/ENGINEER系統(tǒng)的無縫集成。

3．2 族表(Family Table)

Pro/ENGINEER的族表是零件的集合，這些零件的特征基本是相似的。用族表方式創(chuàng)建標準件庫通常適用于那些系列化的、工作中固定不變的標準件。使用族表可縮短產品設計的周期，改善設計質量，提高設計自動化程度，實現(xiàn)標準件庫系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)(Pro/Intralink)的集成，以滿足零件數(shù)據管理需要。

族表是Pro/ENGINEER中的一個利用表格來驅動模型的工具。用戶可以將事先定義好模型(在表格中稱之為GENERIC)零件的可供驅動的尺寸參數(shù)、特征、模型等放入表格中。用戶在表格中輸入的參數(shù)值就可以創(chuàng)建一個新的零件(在表格中稱為INSTANCE零件)。通過族表可以方便管理具有相同或相近結構的零件，特別適用于標準零件的管理。族表通過建立通用零件為父零件，然后在其基礎上對各參數(shù)加以控制生成派生零件。整個族表通過電子表格來管理，所以又被稱為表格驅動。

可利用族表建立標準件庫，對于重復性高、相似性大的零件或標準件，不需要每個規(guī)格都建立一個零件，使用一個原始樣本零件(Generic Part)及一個族表，即可自動生成按族表所示尺寸比例的實例零件。

運用零件族表進行建立標準件庫時，具體方法有兩種:①利用Pro/Engineer本身提供的零件族表功能手工完成。該方法用戶無須編程，即可控制組合零件模型的形狀和尺寸;②采用CAD接口組件開發(fā)方法實現(xiàn)。本文中采用手工方法建立鉚連接標準件的族表。

3.3 基于特征建模和族表的鉚連接標準件庫的建立

利用Pro/ENGINEER強大的特征建模和族表功能，可以很好地解決在基本模型建立以后的多個參數(shù)的驅動問題，從而實現(xiàn)了Pro/ENGINEER三維參數(shù)化功能的擴展。

在建立鉚連接標準件模型庫之前，首先根據其結構對其進行分類。根據所劃分的鉚連接標準件類型和標準件的相似性原理，確定能夠完整表示該系列標準件所有零件特征的復合零件，分析其特征及特征的創(chuàng)建順序。根據該復合零件可以派生出此系列標準件中的任一零件。在Pro/ENGINEER環(huán)境下創(chuàng)建其三維零件模型，即三維零件樣板，并實現(xiàn)模型的參數(shù)化驅動。在三維零件樣板的基礎上確定一組設計參數(shù)來控制零件的形狀和拓撲關系，并建立零件族表設計參數(shù)的系列尺寸;通過添加不同的系列尺寸來自動生成零件的三維模型，從而實現(xiàn)常用標準件庫的創(chuàng)建。創(chuàng)建步驟如圖4。

(1)為了確保參數(shù)驅動時不會發(fā)生特征再生失敗，建立標準件庫之前，應進行深入的分析，充分考慮特征的“父子”關系，遵循一定的順序建模，一般情況下是將固定不變的形狀特征放在前面，變化可能性最大的特征放在后面。避免特征再生時沖突，這樣做便于參數(shù)化驅動得到所需要的零件。

(2)在Pro/ENGINEER中完成零件樣板三維模型的創(chuàng)建。創(chuàng)建一個作為原型零件的模型，并在該模型上定義參數(shù)之間的關系等。

(3)利用Pro/ENGINEER系統(tǒng)中的Family Table，創(chuàng)建形狀結構相似而尺寸略有不同的標準件庫。使用特征收集器的功能加入特征、尺寸、參數(shù)等內容供子零件產生變化。

(4)驗證族表的正確性，使每個子零件均可以順利產生。驗證結果依照原型零件的名稱記錄，其文件格式為:*.tst，該文件記錄子零件的名稱和再生結果。

通過創(chuàng)建關系式，使得零件族表中的設計參數(shù)與系統(tǒng)默認的約束參數(shù)符號建立關聯(lián)，當選擇某個實例進行參數(shù)化重構時，實際是普通模型為樣板模型，族表中該實例的設計參數(shù)的值，通過參數(shù)約束方程傳遞給使Pro/ENGINEER系統(tǒng)自動創(chuàng)建的約束參數(shù)名，然后進行模型重構，最后通過布爾運算即可得到所需的衍生件。基于族表技術的Pro/ENGINEER系統(tǒng)零件生成流程如圖5。

3．4 利用MFC開發(fā)Pro/TOOLKIT應用程序

目前，利用Microsoft Visual C++MFC(Microsoft Foundation Class)開發(fā)人機交互界面是常用的方法，能向用戶提供圖形與文字共存的可視化環(huán)境，使操作更為自然、簡便和快速，技術也比較成熟。因此，本文采用VC++6.0開發(fā)人機交互界面。

Pro/TOOLKIT并不提供對MFC的支持，因此不能直接應用MFC對話框，想利用MFC強大功能實現(xiàn)對話框的開發(fā)，必須以通信方式實現(xiàn)在Pro/TOOLKIT中調用MFC，本文在Pro/TOOLKIT與MFC之間采用動態(tài)鏈接庫(DLL)方式通信，在Pro/ENGINEER與Pro/TOOLKIT接口技術之間也采用同步模式中的動態(tài)連接模式(DLL)方式通信。

創(chuàng)建Pro/TOOLKIT應用程序有兩種方法:一種方法是選用Make文件創(chuàng)建Pro/TOOLKIT應用程序;另一種方法是利用VC++向導創(chuàng)建Pro/TOOLKIT應用程序。本文中采用VC++向導創(chuàng)建Pro/TOOLKIT應用程序。

利用VC++的應用程序設計向導可以方便快速地創(chuàng)建Pro/TOOLKIT應用程序的基本框架。標準件庫的界面采用下拉菜單和對話框相結合的方式。從下拉菜單中選擇所需要的鉚連接標準件的種類，如圓頭鉚釘、平頭鉚釘、空心鉚釘?shù)龋⒇撠煈贸绦虻难b載、執(zhí)行;對話框包括鉚連接標準件中鉚釘和鉚螺母的用戶選擇界面。

菜單是Pro/ENGINEER的主要用戶界面。菜單的實現(xiàn)包含了兩部分內容，即添加菜單標簽供用戶選擇和實現(xiàn)相應的菜單功能。菜單的實現(xiàn)方法如下:

(1)建立共享MFC的常規(guī)DLL工程，命名為Fan-ProLib.dll;

(2)編寫接口頭文件;

(3)編寫FanProLib.cpp文件;

(4)添加主菜單項，利用ProMenubarMenuAdd()函數(shù)實現(xiàn);

(5)添加主菜單項下的功能菜單項(下拉菜單)。

在Pro/ENGINEER中運行Pro/TOOLKIT應用程序，必須先進行注冊。注冊文件(Registry File)的作用是向Pro/ENGINEER系統(tǒng)傳遞有關Pro/TOOLKIT應用程序的信息。Pro/ENGINEER可通過此文件來定位Pro/TOOLKIT應用的資源文件。Pro/TOOLKIT應用程序的注冊有兩種方法，一種是自動注冊和運行，另一種是手動注冊和運行。

3.5 數(shù)據庫接口技術

在零件的設計過程中，經常需要考慮零件的機械性能及幾何參數(shù)，通常的方法是查閱《機械設計手冊》，因此浪費了大量的時間。在標準件庫系統(tǒng)中利用數(shù)據庫技術，將該零件機械性能參數(shù)保存在數(shù)據庫，在需要時查閱，可以大大方便零件的設計。依據《機械設計手冊》，選取Microsoft Access 2003數(shù)據庫來建立鉚連接標準件關系數(shù)據庫及其檢索和查詢功能。

通過VC++可以實現(xiàn)Access與Pro/ENGINEER軟件的對接，在Pro/ENGINEER中就可以調用Access數(shù)據庫資源，如圖6。

對于鉚連接標準件庫，在Access中用表格的形式對每種標準件的型號進行存儲，用VC++開發(fā)對話框界面，實現(xiàn)人機交互。利用VC++中的MFC ODBC編程實現(xiàn)對用Access建立的鉚連接標準件庫相關數(shù)據的檢索和查詢功能。

因鉚連接標準件庫的數(shù)據是通過使用Access等軟件利用表格預先存儲的，便于對現(xiàn)有庫進行修改、部分內存資料刪除和增加，可以實現(xiàn)數(shù)據共享，大大減少了數(shù)據的冗余。為確保準確性，每一個參數(shù)表中的數(shù)據都來源于《機械設計手冊》，因此標準件參數(shù)庫也可以作為一個標準件簡明手冊。

4 系統(tǒng)應用

啟動Pro/ENGINEER軟件，進入系統(tǒng)初始界面，如圖7所示。以半圓頭鉚釘為例，說明鉚連接標準件庫系統(tǒng)的使用過程。

在菜單中選擇“標準件庫”→“鉚連接”→“鉚釘”，進入鉚釘選擇界面，如圖8所示。然后，在鉚釘分類框中選擇所需類型并選擇數(shù)據庫中參數(shù)，單擊“確定”按鈕，就可調出半圓頭鉚釘?shù)呐缮慵鐖D9。

5 結語

CAD發(fā)展的方向是開放性、集成化、智能化、網絡化和標準化。基于Pro/ENGINEER平臺進行符合我國標準的標準件庫的二次開發(fā)。在系統(tǒng)設計中，主要從符合工程技術人員的習慣、提高標準件設計的效率和質量、標準件庫使用方便的角度出發(fā)，開發(fā)了常用鉚連接標準件庫和方便實用的人機界面，實現(xiàn)了其與Pro/ENGINEER的集成，從而可以更方便調用鉚連接標準件進行產品設計，減少了重復性勞動，提高了標準化程度。

系統(tǒng)中模型數(shù)據都來自于最新版的《機械設計手冊》，模型數(shù)據可靠，因此該標準件庫系統(tǒng)可以看作是一個機械標準件電子手冊，顯示直觀、逼真，用戶界面友好、美觀大方，可視化程度高。具有Windows操作經驗的用戶即可方便地使用該系統(tǒng)。

所采用的建庫方法具有推廣性，專門應用領域的用戶可用來擴充所需的標準件庫和通用件庫，提高開發(fā)效率和質量。在標準件庫的擴充和標準件的裝配設計上，尚需做進一步的深入工作。

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