基于UDF的軌道車輛快速加工設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

郭玉亮，李 穎，母印亨，李 蕊，張恒智

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，唐山 063035）

基于UDF的軌道車輛快速加工設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

郭玉亮，李 穎，母印亨，李 蕊，張恒智

（唐山軌道客車有限責(zé)任公司，唐山 063035）

本文介紹了軌道車輛快速加工設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)方案及實際應(yīng)用情況。該系統(tǒng)是通過重點分析軌道車輛零部件的結(jié)構(gòu)形式和加工特點，遵循參數(shù)化設(shè)計理念，在Pro/ENGINEER軟件基礎(chǔ)上通過二次程序開發(fā)建立起來的。軌道車輛快速加工設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)了零部件三維模型加工特征的快速設(shè)計，有效縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，增強了企業(yè)的市場反應(yīng)能力。

參數(shù)化；加工特征；Pro/ENGINEER；UDF；INI

企業(yè)產(chǎn)品大多是定型的，具有系列化、通用化或標(biāo)準(zhǔn)化的特點，多數(shù)新產(chǎn)品的開發(fā)只需對很少一部分零部件進行全新設(shè)計，絕大部分零部件都可以得到重用[1]。軌道車輛產(chǎn)品設(shè)計現(xiàn)狀也是如此，許多新產(chǎn)品都可以基于固有產(chǎn)品通過變形設(shè)計完成，也就是說不同產(chǎn)品間存在相同或者相似的結(jié)構(gòu)特征，同一產(chǎn)品不同子系統(tǒng)也有許多相同或者相似的特征，尤其是加工特征，比如線纜線槽的長圓孔特征、側(cè)柱翼面切口特征、弧形端部馬蹄特征等，如圖1所示。使用Pro/ ENGINEER軟件提供的用戶自定義特征（UDF，User-defined Feature）功能，設(shè)計人員可以將常用的特征定義成準(zhǔn)確規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)模板，在后續(xù)設(shè)計中，根據(jù)需要調(diào)用相關(guān)的UDF特征快速完成新零部件的加工特征設(shè)計，效率顯著提升，且符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化的要求。

圖1 馬蹄特征

1 系統(tǒng)設(shè)計與建立

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軌道車輛快速加工設(shè)計系統(tǒng)基于參數(shù)化思想進行開發(fā)，包括兩個主要部分：人機交互界面和加工設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。加工設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫位為服務(wù)器端，用于存儲標(biāo)準(zhǔn)加工特征數(shù)據(jù)模板及參數(shù)列表等，由專業(yè)人員進行統(tǒng)一管控和數(shù)據(jù)模板擴充。設(shè)計人員通過人機交互界面調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)模板，在遵循原設(shè)計意圖的情況下通過修改關(guān)鍵參數(shù)來改變幾何形狀，快速變形生成新產(chǎn)品零件的加工特征模型數(shù)據(jù)，其架構(gòu)為C/S架構(gòu)。

由于本企業(yè)三維設(shè)計環(huán)為Pro/ENGINEER軟件，為實現(xiàn)與快速加工設(shè)計系統(tǒng)的集成，并且保證二者的兼容性，本系統(tǒng)所有的二次開發(fā)全部調(diào)用了Pro/Toolkit開發(fā)包中的Pro/ENGINEER底層API函數(shù)，其程序架構(gòu)如圖2所示。

圖2 程序架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

軌道車輛快速加工設(shè)計系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫按照層級的方式由若干個按零件名稱命名的文件夾組成，且級別可以根據(jù)要求進行快速配置，便于分類和檢索。每個文件夾對應(yīng)一個標(biāo)準(zhǔn)加工特征數(shù)據(jù)模板，包括標(biāo)準(zhǔn)加工設(shè)計UDF特征和參數(shù)表。其中參數(shù)表中記錄著UDF特征名稱、參數(shù)代號、缺省參數(shù)值和參數(shù)說明。標(biāo)準(zhǔn)加工特征數(shù)據(jù)模板均可通過網(wǎng)絡(luò)被客戶端設(shè)計人員高效便捷地使用，比如上傳、下載或者修改等。

為了保證標(biāo)準(zhǔn)加工特征數(shù)據(jù)模板的準(zhǔn)確性和可用性，對系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的管理設(shè)置了相關(guān)權(quán)限。新增、修改或者刪除模板必須經(jīng)過嚴格的審核，經(jīng)確認后，由管理員統(tǒng)一操作，確保數(shù)據(jù)源統(tǒng)一性和規(guī)范性。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

1.3 人機界面

軌道車輛快速加工設(shè)計系統(tǒng)的前臺界面是體驗快速加工特征設(shè)計的第一關(guān)。因此，簡潔、易用、美觀的用戶界面是界面設(shè)計者與用戶的共同需求[2]?？焖偌庸ぴO(shè)計系統(tǒng)的界面如圖4所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖4 系統(tǒng)界面

界面說明如下：

（1）標(biāo)準(zhǔn)加工設(shè)計UDF特征參照選擇步驟及尺寸示意；（2）標(biāo)準(zhǔn)加工設(shè)計UDF特征選取和尺寸顯示及編輯；（3）標(biāo)準(zhǔn)加工設(shè)計UDF特征操作。

2 標(biāo)準(zhǔn)加工特征數(shù)據(jù)模板建立

整個模板數(shù)據(jù)需要提供的內(nèi)容包括：UDF文件、提示圖片、后臺配置文件，其建立流程如圖5所示。

圖5 模板建立流程

2.1 分析特征需求

根據(jù)實際設(shè)計需求確定特征的定形尺寸和定位尺寸，孔特征定形尺寸包括孔長度、孔寬度、孔深度，定位尺寸包括離兩側(cè)邊的距離尺寸，變化規(guī)律為以上尺寸都應(yīng)具有可編輯性。

2.2 特征創(chuàng)建

為了保證數(shù)據(jù)模板的通用性、特征的參照創(chuàng)建一般采用平板形式，建模草繪尺寸依據(jù)實際大小標(biāo)注，特征和參照要分步驟創(chuàng)建，孔特征實例模型及草繪圖紙的效果如圖6所示。

圖6 孔特征實例模型及草繪

2.3 UDF創(chuàng)建

UDF可以是從屬，也可獨立，區(qū)別如下[3]：

從屬UDF：在運行時，從屬的UDF直接從原始模型獲得其值，因此要使從屬UDF有效，原始模型必須存在。如果在原始模型中改變尺寸值，它們會自動反映到UDF中。

獨立UDF：獨立的UDF將所有原始模型信息復(fù)制到UDF文件中。因此，獨立的UDF比從屬的UDF需要更多的存儲空間。如果改變參照模型，這些變化不會反映到UDF中。

考慮到快速加工設(shè)計工具的通用性，且確保不影響原始模型數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用獨立UDF技術(shù)創(chuàng)建快速加工設(shè)計UDF特征。

（1）特征添加。選擇“工具”→“UDF庫”→ “創(chuàng)建”，建立新的UDF，命名為“changyuankong”，在“UDF選項”中選擇“單一的”，點擊“完成”，在彈出“是否選擇參照零件”對話框中選擇“否”，在新彈出的窗口中，選擇“添加”→ “選取”，選擇已創(chuàng)建的孔特征，完成特征添加。

（2）參照面添加。分別為每一個選中的參照輸入提示語：放置面輸入“surface1”，上側(cè)定位面輸入“surface2”，左側(cè)定位面輸入“surface3”。

（3）可變尺寸添加。選擇“可變尺寸項”→ “定義”，根據(jù)實際情況選擇需要設(shè)置變化的尺寸，由于本例中所有尺寸都需要實現(xiàn)可編輯性，所以選擇“選取全部”項，為每一個可變尺寸輸入提示語，點擊“確定”，完成UDF創(chuàng)建。

（4）提示圖創(chuàng)建。合理的圖示設(shè)計易于設(shè)計人員理解，從而避免操作錯誤，順利完成設(shè)計。如圖7所示。

圖7 提示圖

（5）后臺配置。為準(zhǔn)確定義UDF特征及參數(shù)表的關(guān)聯(lián)關(guān)系，系統(tǒng)采用INI文件存儲特征參數(shù)，包括UDF特征名稱、參數(shù)代號、缺省參數(shù)值和參數(shù)說明等，孔特征INI文件配置參數(shù)如圖8所示。

圖8 INI配置

說明如下：

“[長圓孔]”為類別名稱；

“udf_file =”為UDF名稱；

“pic_file =”為提示圖片名稱

“Var_Dim_list =” 為尺寸代號；

“Var_Dim_Value_list =” 為尺寸默認值；

“Pic_Display_list =” 為行為參數(shù)代號；

“Remark_list =” 為行為參數(shù)說明。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

對于設(shè)計人員來說，軌道車輛快速加工設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用非常簡單，不用關(guān)心后臺數(shù)據(jù)模板是如何配置的，直接調(diào)用即可。目前，本公司已應(yīng)用本系統(tǒng)進行多個軌道車輛產(chǎn)品的開發(fā)，涉及高速動車組、地鐵、普通碳鋼客車等系列。下面以線纜線槽長圓孔加工特征設(shè)計為例簡單說明。

（1）打開Pro/ENGINEER，建立線槽基礎(chǔ)模型，打開快速加工設(shè)計系統(tǒng)，根據(jù)需求選擇長圓孔加工特征，如圖9所示。

（2）根據(jù)圖示，輸入長圓孔的定形尺寸和定位尺寸，單擊“確定”，選擇放置面、上側(cè)定位面和左側(cè)定位面，即完成單個孔加工特征生成，如圖10所示。

圖9 長圓孔加工特征選擇

圖10 單個孔設(shè)計

（3）選中單個孔特征，單擊“陣列”，分別選擇x軸和y軸方向，輸入數(shù)量完成線槽多孔特征設(shè)計。如圖11所示。

圖11 多孔特征設(shè)計

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)使設(shè)計人員減少草繪、標(biāo)注、約束等繁瑣的重復(fù)性操作，實現(xiàn)了加工特征設(shè)計的參數(shù)化，且有利于設(shè)計時相同、相似特征的統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化。隨著標(biāo)準(zhǔn)加工特征數(shù)據(jù)模板的持續(xù)豐富，應(yīng)用本系統(tǒng)設(shè)計成規(guī)?；?，真正體現(xiàn)實用性價值。

[1]張 氫.基于知識的產(chǎn)品級參數(shù)化虛擬設(shè)計的可重用性研究[J].中國機械工程，2003，14（20）：1753-1756.

[2] 黃艷群，黎 旭，李榮麗.設(shè)計?人機界面[M].北京：北京理工大學(xué)出版，2007.

[3] 王奇亮，李方信.Pro/ENGINEER中UDF的創(chuàng)建和使用[J].機械，2003，30（6）：55.

責(zé)任編輯 徐侃春

Development and application of Rapid Machining Design System for rail vehicles based on UDF

GUO Yuliang, LI Ying, MU Yinheng, LI Rui, ZHANG Hengzhi
( Tangshan Railway Vehicle Co., Ltd, Tangshan 063035, China )

The paper introduced the development scheme of Rapid Machining Design System for rail vehicle and its practical applications. The System was designed through analyzing the structure of the vehicle parts and the machining features, followed the parametric design ideas, founded by redevelopment of program based on Pro/ENGINEER. The System implemented the rapid design of three-dimensional model machining features, shortened the product development cycle effectively, enhanced the market reaction ability of enterprise.

parameterization; machining feature; Pro/ENGINEER; UDF; INI

U270.8∶TP39

A

1005-8451（2014）10-0053-04

2014-04-04

唐山軌道客車有限責(zé)任公司科技研究開發(fā)項目（2014TCX074）。

郭玉亮，工程師；李 穎，工程師。