通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控方法

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有整機(jī)參數(shù)化建模技術(shù)的不足，提出了一種通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控方法：核心思想是將產(chǎn)品建模規(guī)則與程序框架相分離，核心技術(shù)是建模規(guī)則的語義描述及其解析。實(shí)例分析表明通過應(yīng)用創(chuàng)新的通用性整機(jī)參數(shù)化技術(shù)，可以極大地提高整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控能力。可以將整機(jī)參數(shù)化技術(shù)的適用性從只適用于某類特定產(chǎn)品，擴(kuò)展為適用于所有的機(jī)械產(chǎn)品。與傳統(tǒng)CAD軟件的建模方式相比，系列產(chǎn)品的產(chǎn)品建模效率提高50%以上；可以適用于常見機(jī)械產(chǎn)品整機(jī)模型的快速建模。

關(guān)鍵詞：通用性；整機(jī)參數(shù)化；建模系統(tǒng)；自適應(yīng)；調(diào)控方法

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-8122（2014）12-0163-03

參數(shù)化建模技術(shù)作為最有效的快速建模手段，長(zhǎng)期以來一直是國內(nèi)外計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。PTC公司在20世紀(jì)90年代將零部件級(jí)的通用參數(shù)化技術(shù)應(yīng)用在其Pro/E軟件中，使得三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)建模效率大大提高[1]。在此基礎(chǔ)上，很多學(xué)者開展了產(chǎn)品整機(jī)的參數(shù)化建模技術(shù)研究，也出現(xiàn)了一些相關(guān)產(chǎn)品。目前國內(nèi)外進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究有很多。這些參數(shù)化設(shè)計(jì)研究已經(jīng)突破了傳統(tǒng)參數(shù)化設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)參數(shù)定義自下而上的設(shè)計(jì)理念，提出了自上而下的總體參數(shù)控制方法，并提出了提取設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思路，固化設(shè)計(jì)規(guī)則，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的參數(shù)設(shè)計(jì)方法。但是這種參數(shù)化設(shè)計(jì)方法還有很大的局限性，其總體參數(shù)控制受預(yù)定的參數(shù)結(jié)構(gòu)約束，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)地改變；而固化的設(shè)計(jì)規(guī)則限制系統(tǒng)只能適用于某特定類型的產(chǎn)品，不具有通用性和可拓展性。

本研究提出了一種通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控方法。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中對(duì)其設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行層次劃分，并建立設(shè)計(jì)參數(shù)之間的聯(lián)動(dòng)關(guān)系；通過主參數(shù)控制整個(gè)產(chǎn)品模型的建立和修改，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)則完成主參數(shù)與其它設(shè)計(jì)參數(shù)的轉(zhuǎn)換，生成產(chǎn)品裝配約束模型，并自動(dòng)更新產(chǎn)品的數(shù)字模型：系統(tǒng)將設(shè)計(jì)規(guī)則與系統(tǒng)框架相分離，設(shè)計(jì)規(guī)則可以通過簡(jiǎn)單的語法用腳本文件描述，可以方便地添加和修改。與之前的研究相比，設(shè)計(jì)規(guī)則不再固化，系統(tǒng)根據(jù)需要可進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)控，使系統(tǒng)的通用性大大增加，不再局限于某特定的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

一、技術(shù)原理

所謂“整機(jī)參數(shù)化”，是指在零件參數(shù)化技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)某類產(chǎn)品整機(jī)建模的特點(diǎn)，總結(jié)其建模規(guī)律，并依據(jù)規(guī)則由程序自動(dòng)完成產(chǎn)品整機(jī)建模的一系列操作，從而大大降低設(shè)計(jì)者勞動(dòng)強(qiáng)度，提高建模效率的一種快速建模技術(shù)[2]。

參數(shù)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)快速建模的主要手段之一。傳統(tǒng)的參數(shù)化技術(shù)只能處理零件級(jí)的幾何模型，不能滿足產(chǎn)品整機(jī)模型的快速建模需求。應(yīng)用傳統(tǒng)的參數(shù)化建模技術(shù)，設(shè)計(jì)者需完成一系列復(fù)雜而又煩瑣的工作，并且很容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。現(xiàn)有整機(jī)參數(shù)化技術(shù)的主要問題是自適應(yīng)性差：建模規(guī)則往往被固化在程序中。工程中影響產(chǎn)品幾何形狀的因素非常多，建模規(guī)則是瑣碎而又多變的。而固化在程序中的規(guī)則往往只能滿足一種情況的需要，花費(fèi)了大量時(shí)間和精力開發(fā)的整機(jī)參數(shù)化系統(tǒng)只能滿足特定產(chǎn)品的快速建模需求，難以推廣應(yīng)用到其它類似的設(shè)計(jì)中。

實(shí)際上，對(duì)于某類產(chǎn)品而言，建模規(guī)則總是有一定規(guī)律可循的。如果將建模規(guī)則引入到程序中，由程序代替人工完成以上工作，就可以大大減少設(shè)計(jì)者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高建模效率。本研究提出的通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控方法：將建模規(guī)則與系統(tǒng)框架相分離，建模規(guī)則可由最終用戶通過簡(jiǎn)單的語法用腳本文件描述，可以方便地添加和修改。從而極大地提高了系統(tǒng)的自適應(yīng)性。通過定制零部件庫及其建模規(guī)則，可以快速生成滿足不同產(chǎn)品建模需求的整機(jī)參數(shù)化程序。

二、自適應(yīng)調(diào)控結(jié)構(gòu)

通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控結(jié)構(gòu)如圖1所示：整個(gè)系統(tǒng)由“建模規(guī)則維護(hù)”、“框架模型庫維護(hù)”、“基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化建模”和“CAD模型生成引擎”四個(gè)部分組成。其中：“建模規(guī)則維護(hù)”模塊主要用于向產(chǎn)品框架模型添加建模規(guī)則；“框架模型庫維護(hù)”模塊主要用于對(duì)常見產(chǎn)品、零部件及特征的框架模型進(jìn)行分類存儲(chǔ)；“基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化建模”模塊則負(fù)責(zé)讀取并解析產(chǎn)品的框架模型和建模規(guī)則，生成用于選取零部件實(shí)例、特征實(shí)例和輸入主控參數(shù)的用戶界面，并根據(jù)輸入的主參數(shù)、零部件類型和特征類型，確定整個(gè)產(chǎn)品的零部件及特征的數(shù)量、類型和參數(shù)，并將其輸出到CAD系統(tǒng)下，自動(dòng)建立產(chǎn)品零部件及其裝配模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整機(jī)的參數(shù)化建模；“CAD模型生成引擎”用于向常見的CAD軟件（例如PRO/E和UG）輸出整機(jī)參數(shù)化系統(tǒng)生成產(chǎn)品三維模型。

圖1 通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控框圖

由圖1可以看出，系統(tǒng)的基本工作流程如下：a.由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員建立常見產(chǎn)品、零部件和特征的“框架模型”；b.由負(fù)責(zé)系統(tǒng)維護(hù)的管理員按照建模規(guī)則的腳本語義，應(yīng)用“建模規(guī)則維護(hù)”模塊，在框架模型上添加建模規(guī)則，并通過“框架模型庫維護(hù)”按照一定層次結(jié)構(gòu)分類存儲(chǔ)；c.用戶則調(diào)用模塊“基于規(guī)則的快速建模”，生成產(chǎn)品模型實(shí)例。

與一般的整機(jī)參數(shù)化系統(tǒng)相比，圖1所示的方案的主要特點(diǎn)是將具體的建模規(guī)則與整機(jī)參數(shù)化系統(tǒng)相分離。最終用戶可以通過“建模規(guī)則維護(hù)”界面對(duì)產(chǎn)品的建模規(guī)則進(jìn)行擴(kuò)充和修改，從而使得“整機(jī)參數(shù)化建模”系統(tǒng)具有良好的可調(diào)控性，可以適應(yīng)不同產(chǎn)品快速建模的需求。理論上講，整機(jī)參數(shù)化技術(shù)建模系統(tǒng)可以適應(yīng)所有產(chǎn)品的快速建模需求。

“基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化建模”負(fù)責(zé)對(duì)“框架模型”進(jìn)行參數(shù)化，其主要功能包括：a.解析指定的“框架模型”的規(guī)則語義，將其用直觀的產(chǎn)品樹的形式顯示；b.接受用戶的“虛零部件”實(shí)例選擇、“虛特征”實(shí)例選擇、參數(shù)輸入等信息；c.根據(jù)用戶輸入的信息和建模規(guī)則，對(duì)框架模型進(jìn)行實(shí)例化，生成模型生成腳本，進(jìn)而得到模型。

三、實(shí)例分析

（一）框架模型庫維護(hù)

所謂框架模型，是指在對(duì)某一類相似結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品模型進(jìn)行抽象、歸納的基礎(chǔ)上，利用“虛零件”和“虛特征”的概念，建立的簡(jiǎn)要結(jié)構(gòu)模型，其本質(zhì)是一種可視化的整機(jī)參數(shù)化框架表達(dá)。框架模型分為“裝配框架”和“零件框架”兩種。其中“裝配框架”是一種加入了“虛組件”的裝配模型，“零件框架”是一種加入了“虛特征”的組件模型。“虛組件”是一種只定義裝配位置（用一個(gè)局部坐標(biāo)系完成）和基本尺寸，沒有具體結(jié)構(gòu)的組件模型。用戶在設(shè)計(jì)過程中選擇具體的組件實(shí)例，賦予其具體參數(shù)后，系統(tǒng)自動(dòng)用組件實(shí)例替換“虛組件”形成實(shí)際的裝配；“虛特征”是一種只定義位置和方位（用一個(gè)局部坐標(biāo)系完成），沒有具體結(jié)構(gòu)的特征表示。用戶在設(shè)計(jì)過程中選擇具體的特征實(shí)例，賦予具體參數(shù)后，系統(tǒng)自動(dòng)用特征實(shí)例替代虛特征形成實(shí)際的組件。

框架模型庫用于存儲(chǔ)產(chǎn)品、零部件和特征的框架模型。框架模型庫維護(hù)模塊的主要作用是對(duì)各種框架模型進(jìn)行分類管理，包括：模型分類、模型對(duì)應(yīng)的CAD文件和建模規(guī)則等信息的存儲(chǔ)。框架模型庫維護(hù)的界面（如圖2所示）。

圖2 框架模型庫維護(hù)主界面

（二）建模規(guī)則及其維護(hù)

通過對(duì)大量產(chǎn)品整機(jī)參數(shù)化規(guī)律的總結(jié)和提煉，建立了一種能夠滿足絕大部分產(chǎn)品建模需求的建模規(guī)則描述語義。建模規(guī)則從形式上看是一套具有一定格式的腳本語言，其基本語義包括對(duì)產(chǎn)品的零部件裝配關(guān)系、主參數(shù)定義、參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系、特征定義、特征關(guān)聯(lián)、零部件約束、系列特征等信息的描述[3]。通過這套語言，可以方便地對(duì)整機(jī)參數(shù)化的建模規(guī)則進(jìn)行定義。建模規(guī)則的可視化定義方法，用戶可以在CAD軟件下，面向產(chǎn)品及其零部件的實(shí)體模型，通過專用工具，對(duì)建模規(guī)則進(jìn)行維護(hù)，如圖3所示。

圖3 建模規(guī)則維護(hù)窗口

（三）基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化

這部分是本文的核心研究?jī)?nèi)容，其工作流程如圖4所示。從工作流程可以看出，該部分的主要工作包括：

圖4 基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化工作流程

1.裝載產(chǎn)品框架模型庫結(jié)構(gòu)

讀取存儲(chǔ)產(chǎn)品框架模型庫的數(shù)據(jù)庫表，以樹形結(jié)構(gòu)顯示產(chǎn)品、零部件和特征的分類層次關(guān)系，如圖5所示。

圖5 基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化主界面—框架模型樹

2.產(chǎn)品框架模型的裝載和交互

讀取產(chǎn)品及零部件的框架模型，對(duì)其建模規(guī)則進(jìn)行解析，將產(chǎn)品零部件處理成樹形結(jié)構(gòu)（產(chǎn)品裝配樹）。同時(shí)，建立零部件、特征、參數(shù)之間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)關(guān)系，以直觀的方式進(jìn)行顯示（如圖6所示）。接受用戶的參數(shù)輸入、零部件類型選擇和特征選擇，期間對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹及零部件/特征和參數(shù)關(guān)系進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

圖6 基于規(guī)則的整機(jī)參數(shù)化主界面—產(chǎn)品裝配樹

3.CAD模型生成

首先，遍歷產(chǎn)品裝配樹，根據(jù)整機(jī)參數(shù)化算法，生成創(chuàng)建當(dāng)前產(chǎn)品的三維模型的過程語句，包括：零部件及其特征實(shí)例的創(chuàng)建、零部件及其特征參數(shù)更新、零部件裝配約束添加等[4]。

然后，啟動(dòng)CAD模型生成引擎，依次執(zhí)行模型生成描述語句，生成當(dāng)前產(chǎn)品的三維幾何模型。

（四）CAD模型生成引擎

建立常見CAD軟件（PRO/E和UG）與整機(jī)參數(shù)化系統(tǒng)的接口程序。該程序讀取整機(jī)參數(shù)化模塊輸出的產(chǎn)品模型描述語句，對(duì)其進(jìn)行解析并最終實(shí)現(xiàn)三維模型的生成。

四、結(jié) 語

傳統(tǒng)的整機(jī)參數(shù)化建模技術(shù)存在的主要問題是適用面窄，自適應(yīng)性差。傳統(tǒng)整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：軟件設(shè)計(jì)者首先對(duì)需要建模的產(chǎn)品對(duì)象進(jìn)行需求分析，總結(jié)其建模的基本規(guī)律，包括產(chǎn)品的零部件組成、主要零部件的特征結(jié)構(gòu)、主要的控制參數(shù)（主參數(shù)）、主參數(shù)與其它細(xì)節(jié)參數(shù)之間的約束關(guān)系、零部件的裝配關(guān)系等等；然后程序員編寫整機(jī)參數(shù)化人機(jī)界面，界面的主要功能是接受用戶的主參數(shù)輸入；再以主參數(shù)作為程序入口，將之前總結(jié)的建模規(guī)律編寫成程序代碼；最后調(diào)用商品化CAD軟件的相關(guān)接口函數(shù)，建立零部件實(shí)例，對(duì)其進(jìn)行尺寸驅(qū)動(dòng)，并進(jìn)行零部件的裝配約束，完成整機(jī)模型。上述整機(jī)參數(shù)化建模技術(shù)的最大問題，在于建模規(guī)則的不可調(diào)控性。建模規(guī)則以程序代碼（條件、公式、循環(huán)等語句）的形式被固化在軟件程序代碼中，一旦投入使用，最終用戶就無法修改建模規(guī)則。而實(shí)際工程中，盡管統(tǒng)一企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品之間存在很多相似之處，但是不同型號(hào)產(chǎn)品的建模規(guī)則仍然存在很多不同之處。完全“剛性”的整機(jī)參數(shù)化軟件很難適應(yīng)工程的實(shí)際需求，這是目前整機(jī)參數(shù)化技術(shù)無法普及的主要原因。

通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控方法的理論創(chuàng)新之處在于：整機(jī)產(chǎn)品的建模規(guī)則與整機(jī)參數(shù)化程序相分離。也就是說，一般的整機(jī)參數(shù)化系統(tǒng)，建模規(guī)則是以程序代碼方式存儲(chǔ)的；而在本文中，建模規(guī)則以腳本的方式存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。這樣存儲(chǔ)的建模規(guī)則是可以調(diào)控的，用戶可以根據(jù)其產(chǎn)品特點(diǎn)，通過建模管理模塊對(duì)建模規(guī)則進(jìn)行擴(kuò)充和修改，從而極大的提高了整機(jī)參數(shù)化軟件的自適應(yīng)性。自適應(yīng)調(diào)控的基本結(jié)構(gòu)是用戶指定需要?jiǎng)?chuàng)建的產(chǎn)品類型，整機(jī)參數(shù)化程序通過對(duì)該產(chǎn)品框架模型和建模規(guī)則的解析，動(dòng)態(tài)建立該產(chǎn)品的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹，并創(chuàng)建主參數(shù)的輸入界面，包括零件類型的選取、特征類型的選取、主參數(shù)的數(shù)值確定等；用戶輸入?yún)?shù)后，系統(tǒng)自動(dòng)完成產(chǎn)品建模的一系列工作。通用性整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控方法的技術(shù)創(chuàng)新之處在于：建模規(guī)則的語義描述及其解析。通過對(duì)大量產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分析和研究，提出并建立了一套由框架模型和腳本語言構(gòu)成的建模規(guī)則描述與解析技術(shù)。

總之，通過應(yīng)用創(chuàng)新的通用性整機(jī)參數(shù)化技術(shù)，可以極大地提高整機(jī)參數(shù)化建模系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)控能力。可以將整機(jī)參數(shù)化技術(shù)的適用性從只適用于某類特定產(chǎn)品，擴(kuò)展為適用于所有的相關(guān)產(chǎn)品。

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[責(zé)任編輯：思涵]