電纜橋架自適應(yīng)變型設(shè)計研究及應(yīng)用

吳占超，丁立家，馬 軍，羅國富

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機電工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

客戶對產(chǎn)品的需求呈現(xiàn)多樣化、差異化、個性化，促使制造企業(yè)的設(shè)計制造模式逐漸由大批量生產(chǎn)（(Mass Production，MP）轉(zhuǎn)向大批量定制[1]（Mass Customization，MC ）。由于產(chǎn)品成本的60%是由設(shè)計決定的，傳統(tǒng)的設(shè)計生產(chǎn)方式無法向用戶快速提供符合其個性化需求的產(chǎn)品，而自適應(yīng)變型設(shè)計方法，使新產(chǎn)品開發(fā)中的大部分零部件可重用以往產(chǎn)品的信息，而只需對其部分零部件進行全新設(shè)計，這大大縮短設(shè)計生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性，很好的滿足客戶和企業(yè)要求。

電纜橋架作為承載各種電纜敷設(shè)的載體，是應(yīng)用在現(xiàn)代化智能建筑中信息監(jiān)控和通信設(shè)施等水平布線和垂直布線系統(tǒng)的安裝通道，廣泛應(yīng)用于計算機網(wǎng)絡(luò)工程、消防工程、弱電系統(tǒng)工程和廣播電視等領(lǐng)域。即使目前橋架部分零部件已系列化，但由于現(xiàn)代化智能建筑形式多樣，企業(yè)仍難以快速滿足客戶個性化需求。PDMS[2](Plant Design Management System)能對橋架系統(tǒng)進行設(shè)計并模擬安裝布置，但需要先建立橋架元件庫、等級表、出圖定制模版及規(guī)則、數(shù)據(jù)管理發(fā)布體制和協(xié)同設(shè)計流程體系等，流程較為復(fù)雜。

本文根據(jù)橋架客戶需求多樣化、個性化等特點，提出了基于Pro/TOOLKIT二次開發(fā)技術(shù)的產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計方法及其架構(gòu)，充分利用了原有設(shè)計資源，開發(fā)出了電纜橋架自適應(yīng)變型設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)了橋架零件及產(chǎn)品的快速化變型設(shè)計。

1 產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計方法及架構(gòu)

1.1 產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計方法

產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計方法，其基本原理是通過在已創(chuàng)建的三維實體特征模型基礎(chǔ)上，進一步根據(jù)零部件或產(chǎn)品的變型設(shè)計要求，建立一組可以完全控制其三維模型形狀和大小的設(shè)計參數(shù)，然后修改產(chǎn)品關(guān)鍵參數(shù)尺寸值，其他相關(guān)參數(shù)尺寸能自適應(yīng)改變并通過設(shè)計程序自動生成新的三維產(chǎn)品模型。

該方法是在三維實體模型基礎(chǔ)上實現(xiàn)，其前提是在三維軟件平臺上已創(chuàng)建好零部件庫及其附件庫并通過參數(shù)選取、關(guān)系設(shè)置等建立了零部件參數(shù)化樣板庫，并通過自動化裝配程序設(shè)計生成產(chǎn)品模型樣板庫，參數(shù)讀取、變更后，利用自適應(yīng)參數(shù)化程序設(shè)計自動更新生成新的零件或者產(chǎn)品模型，如圖1所示。

自適應(yīng)變型主要通過零件特征模型內(nèi)部參數(shù)尺寸之間關(guān)聯(lián)關(guān)系和零件之間的參數(shù)尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系實現(xiàn)。設(shè)系統(tǒng)所建立的參數(shù)化特征模型（Parametric Feature Model）為：

PFM={FS，PS}

其中，三維實體模型由特征和參數(shù)共同組成。設(shè)組成特征模型的特征集合（Feature Set）形式化描述為：

FS={FS1，F(xiàn)S2，·· ，F(xiàn)Sm}

組成參數(shù)化特征模型的參數(shù)集合（Parameter Set）形式化描述為：

圖1 產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計方法

PS={PS1，PS2，·· ，PSn}

從參數(shù)集合PS中提取出具有幾何意義的參數(shù)Qi對參數(shù)集PS進行控制，并建立參數(shù)集PS與Qi之間的映射關(guān)系F，這樣當(dāng)對某一個或幾個參數(shù)進行修改時，零件模型將會發(fā)生相應(yīng)的變更；當(dāng)修改參數(shù)的零件跟其他零件尺寸相關(guān)聯(lián)的時候，相應(yīng)的零件也將隨之發(fā)生變化，進而組件甚至整個產(chǎn)品都將自適應(yīng)變型。

1.2 產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計架構(gòu)

基于上述分析，產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計的邏輯架構(gòu)如圖2所示，包括模板的建立、C源程序開發(fā)、資源文件（包括菜單資源文件、窗口信息資源文件、對話框資源文件）編寫、源程序的編譯和連接、注冊文件編寫以及程序的注冊和運行等，如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計架構(gòu)

2 基于裝配的產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計實現(xiàn)

2.1 零件級自適應(yīng)變型設(shè)計

基于零部件及附件庫，通過提取參數(shù)和建立參數(shù)尺寸關(guān)系式，建立零件及附件模型樣板庫，最后利用自適應(yīng)參數(shù)化設(shè)計程序進行模板驅(qū)動實現(xiàn)零件模型更新變型。其主要步驟如下：

1）提取參數(shù)：所謂提取參數(shù)，就是從零件模型所有尺寸參數(shù)集合PS中，將其中需要變型的特征尺寸參數(shù)提取出來。另外，參數(shù)的提取并不僅限于此，還包括提取對模型的拓撲結(jié)構(gòu)、幾何形狀等有直接影響的尺寸參數(shù)等。

2）建立參數(shù)尺寸關(guān)系表達式：根據(jù)1）提取出零件模型中CAD軟件自動生成的尺寸參數(shù)代號，而參數(shù)化特征模型需要通過建立參數(shù)尺寸關(guān)系表達式來進行參數(shù)傳遞。如在Pro/E中建立盲孔深度與壁厚的參數(shù)尺寸關(guān)系式H = T - Constant，(H為孔深，T為壁厚，Constant為常值)，其中參數(shù) T是驅(qū)動參數(shù)尺寸， H 是被驅(qū)動參數(shù)，該關(guān)系式可以控制盲孔的深度隨壁厚度的改變而改變。

3）模板驅(qū)動：經(jīng)過1）和2）建立了全參數(shù)化約束的可重用零件模板，該模板在基本模型拓撲結(jié)構(gòu)不變情況下必須保證約束參數(shù)解存在并且唯一，因此在建立參數(shù)化零件模板時，須在驅(qū)動參數(shù)與被驅(qū)動參數(shù)一一對應(yīng)情況下建立了尺寸關(guān)系表達式，此時當(dāng)通過程序改變其中參數(shù)尺寸進行模板驅(qū)動時，整個零件相應(yīng)尺寸將會自適應(yīng)的發(fā)生改變而零件的基本幾何特征和拓撲結(jié)構(gòu)關(guān)系將不會隨之變化，從而保證了零件自適應(yīng)變型設(shè)計的有效性。

2.2 部件級自適應(yīng)變型設(shè)計

產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計不僅要保證零件內(nèi)部特征的約束關(guān)系、拓撲結(jié)構(gòu)、幾何形狀等特性，還要保證零件之間的位置、尺寸關(guān)聯(lián)、依附等裝配關(guān)系，它是基于零部件及附件參數(shù)化樣板庫基礎(chǔ)上進行自動化裝配建立產(chǎn)品模板，最后利用自適應(yīng)參數(shù)化設(shè)計程序?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品模型更新。其步驟和零件自適應(yīng)變型設(shè)計大致相同，主要區(qū)別是產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計首先進行自動化裝配步驟，詳細介紹如下：

1）基于基準約束[5]采用應(yīng)用程序驅(qū)動元件方式實現(xiàn)產(chǎn)品自動化裝配。用于零件間裝配的約束關(guān)系類型有對齊、插入、匹配、坐標系、相切、缺省等裝配關(guān)系，要實現(xiàn)自動化裝配需要在裝入待裝配零件模型時就確定零件之間的約束關(guān)系，如選取孔、軸的配合面設(shè)置為對齊關(guān)系來表達軸與孔之間的配合關(guān)系，或者選取兩個元件的表面設(shè)置為匹配關(guān)系來表達零件表面之間的接觸關(guān)系，只有確定了零件間的約束關(guān)系才能實現(xiàn)產(chǎn)品自動化裝配。另外，元件在裝配體中實現(xiàn)完全約束需要定義1～3個裝配約束關(guān)系，其中采用基于坐標系[6]自動裝配只需要定義1個裝配約束，基于基準面自動裝配需要定義3個約束，用Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序驅(qū)動使零件自動化裝配過程如圖3所示。

2.3 基于產(chǎn)品自適應(yīng)變型設(shè)計的自動裝配

由零、附件元件模版到組件產(chǎn)品模版采用Pro/TOOLKIT程序設(shè)計進行自動化裝配。實現(xiàn)元件自動裝配的關(guān)鍵技術(shù)主要是獲取元件路徑對象信息，目前Pro/TOOLKIT程序在進行路徑獲取時采用的是多叉樹結(jié)構(gòu)，它包含了元件或組件在裝配體中的邏輯位置與裝配層次，如圖4所示，元件特征標識ID表示元件在裝配體中的位置。在自動化裝配過程中創(chuàng)建并設(shè)置元件約束里的初始化裝配件的約束條件路徑調(diào)用的是ProAsmcomppathInit（）函數(shù)，其定義[4]為：

ProError ProAsmcomppathInit (

ProSolid p_solid_hand，

ProIdTable memb_id_table，

int table_size，

ProAsmcomppath *p_handle)

其中“memb_id_table”是從裝配體組件根特征出發(fā)到當(dāng)前元件的路徑，即前零部件特征標識ID組，是一個一維數(shù)組；“table_size”為特征標識ID組的維數(shù)。要獲得G元件的路徑對象信息，需從G元件開始向上遞歸直到頂層裝配件，并且記錄所途經(jīng)的每一個元件特征標識ID。如圖4中G零件的ID表為：

table_size =3

memb_id_table [0]=9

memb_id_table [1]=13

memb_id_table [2]=18

圖3 自動化裝配過程

圖4 多叉樹裝配結(jié)構(gòu)

程序通過ProSolidFeatVisit( )函數(shù)遍歷特征的形式獲取元件路徑對象，在執(zhí)行過程中，經(jīng)過濾函數(shù)設(shè)置遍歷條件及對子元件類型和名稱等判斷定義訪問動作函數(shù)，自動循環(huán)直到找到其目標元件，完成自動化裝配。

3 電纜橋架變型系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

結(jié)合企業(yè)應(yīng)用案例，開發(fā)了電纜橋架自適應(yīng)變型設(shè)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用在三維軟件Pro/E菜單欄中添加電纜橋架菜單條的方法。

當(dāng)軟件運行時自動加載注冊文件，同時進行注冊文件的注冊，注冊后菜單條顯示如圖5所示。

圖5 電纜橋架菜單欄

在菜單欄里列出了電纜橋架零件庫及附件庫的主要零部件，可以直接點擊進行零部件的自適應(yīng)變型設(shè)計，如點擊“四通”、“水平四通”按鈕，打開該零件模型同時彈出變型設(shè)計對話框如圖6所示，可以根據(jù)安裝要求、橋架容量等進行參數(shù)變更，經(jīng)自適應(yīng)參數(shù)化程序生成滿足要求的新零件模型。

圖6 水平四通變型設(shè)計界面

圖7 橋架自動化裝配后的空間布置示意圖

點擊“裝配體”，打開自動化裝配后的橋架空間布置示意圖如圖7所示，修改局部零件參數(shù)尺寸后，整個產(chǎn)品都自適應(yīng)地隨之變更，避免了再逐個修改其他零部件并重新裝配等繁瑣工作，大幅縮短了設(shè)計周期，提高了效率。

4 結(jié)束語

本文提出一種采用二次開發(fā)的方法及其構(gòu)架形式對產(chǎn)品進行自適應(yīng)變型設(shè)計，步驟中應(yīng)用了自動化裝配技術(shù)，減少了變型設(shè)計時間，提高了設(shè)計效率，從而提高企業(yè)市場競爭力。經(jīng)企業(yè)實際應(yīng)用驗證了文中所提方法和技術(shù)的有效性，達到了理想的效果。

[1] 趙利平,王宗彥,秦慧斌,董良,面向大規(guī)模定制的堆垛機快速設(shè)計系統(tǒng)研究[J],中國機械工程,2008,19(18):2161-2165.

[2] 舒立,陳靜平.三維軟件在電纜橋架設(shè)計中的應(yīng)用[J]. 湖南電力,2010,30(6):34-36.

[3] 王曉林,唐良寶.基于三維模型的參數(shù)化設(shè)計方法研究與應(yīng)用[J]. 機械設(shè)計與制造,2007,8:73-75.

[4] Parametric Technology Corporation. Pro/TOOLKIT User’s Guide[M]. USA：PTC，2007.

[5] 顧翠,張利強,項欽之. 基于Pro/E二次開發(fā)的衛(wèi)星裝配設(shè)計研究[J] 計算機工程與設(shè)計 2011,32(4):1169-1172.

[6] 平雪良,陶宇,葉晶,董寧.基于坐標系的自動裝配方法的研究與實現(xiàn)[J].機械設(shè)計,2011,28(11):11-14.