自頂向下的常用機(jī)構(gòu)庫(kù)研究①

張文彬, 沈精虎, 夏 凡

(青島大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,青島 266071)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的提高與發(fā)展,許多傳統(tǒng)的典型機(jī)構(gòu)(如凸輪機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)等)被廣泛應(yīng)用于各種現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,同時(shí)也涌現(xiàn)出大量能夠在某些特殊領(lǐng)域應(yīng)用的新型機(jī)構(gòu)(如柔性機(jī)構(gòu)、仿生機(jī)構(gòu)、微型機(jī)構(gòu)等). 機(jī)構(gòu)的選型應(yīng)用與機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)成為機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),選擇何種機(jī)構(gòu)用以滿足產(chǎn)品的特定運(yùn)動(dòng)要求是機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié). 然而,就機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本身而言,大部分的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)(大約占設(shè)計(jì)實(shí)例中的70%)并不是憑空創(chuàng)造的,而是以現(xiàn)有的機(jī)構(gòu)為模板進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷腫1].

目前,在教育、企業(yè)及科研領(lǐng)域,機(jī)構(gòu)手冊(cè)仍舊是進(jìn)行機(jī)構(gòu)選型和設(shè)計(jì)的重要參考工具[2]. 雖然機(jī)構(gòu)手冊(cè)被廣泛的應(yīng)用,但仍存在眾多不足,例如：(1) 機(jī)構(gòu)手冊(cè)比較厚重,不易攜帶. (2) 機(jī)構(gòu)示例圖多為二維視圖,不夠直觀. (3) 缺乏機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)仿真及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析. (4) 新型機(jī)構(gòu)添加不便,更新成本高.

在此背景下,對(duì)三維CAD設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛研究. 例如,美國(guó)德克薩斯州大學(xué)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的Shastar系統(tǒng),是一個(gè)集幾何造型、仿真、查詢及建模為一體的設(shè)計(jì)系統(tǒng); 華中科技大學(xué)國(guó)家CAD支撐軟件工程技術(shù)研究中心,以三維參數(shù)化CAD平臺(tái)為基礎(chǔ),二次開(kāi)發(fā)出了一種嵌入式典型零部件設(shè)計(jì)系統(tǒng)[3]. 以上成果所開(kāi)發(fā)的對(duì)象主要是零件,所實(shí)現(xiàn)的功能主要是零件的三維造型,從產(chǎn)品的整體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真等綜合應(yīng)用方面涉及很少.

1 常用機(jī)構(gòu)庫(kù)的功能設(shè)計(jì)

1.1 功能需求分析

機(jī)構(gòu)庫(kù)是要面向用戶的,能否滿足用戶的使用需求是評(píng)定系統(tǒng)優(yōu)良的主要標(biāo)準(zhǔn). 所以,系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先要考慮用戶的需求. 通常,從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮系統(tǒng)的功能. (1) 無(wú)論多么復(fù)雜的機(jī)械都是由若干簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)單元按特定的方式組合而成,設(shè)計(jì)人員希望能夠快速查找到能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的所有機(jī)構(gòu),以供選擇. (2)機(jī)構(gòu)數(shù)量繁多,根據(jù)分類方式的不同,同一機(jī)構(gòu)可能屬于不同的類別,如果沒(méi)有合理的分類管理方式,將會(huì)導(dǎo)致篩選機(jī)構(gòu)的工作量加大,存儲(chǔ)空間的浪費(fèi)等. (3) 機(jī)構(gòu)往往是需要裝配到組件當(dāng)中的,設(shè)計(jì)人員希望從外部調(diào)取進(jìn)來(lái)的機(jī)構(gòu)能夠與自己建的組件完美結(jié)合,因此,設(shè)計(jì)人員希望能夠?qū)δ骋粰C(jī)構(gòu)進(jìn)行變型設(shè)計(jì),同時(shí)修改機(jī)構(gòu)中某一零件尺寸時(shí),仍能保持正確的裝配關(guān)系. (4) 機(jī)構(gòu)在不斷的完善,設(shè)計(jì)人員希望能夠把常用的機(jī)構(gòu)合理存儲(chǔ)起來(lái),并且方便維護(hù)管理.

1.2 功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

明確了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求之后,通過(guò)綜合分析比較,選用功能強(qiáng)大的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件Creo作為常用機(jī)構(gòu)庫(kù)的開(kāi)發(fā)平臺(tái),以Creo本身自帶的Creo/TOOLKIT作為二次開(kāi)發(fā)工具[4],借助Visual Studio 2010集成開(kāi)發(fā)環(huán)境,利用MFC可視化對(duì)話框技術(shù),結(jié)合SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù),設(shè)計(jì)出機(jī)構(gòu)檢索模塊、仿真模塊、運(yùn)動(dòng)曲線分析模塊、有限元分析模塊、機(jī)構(gòu)快速設(shè)計(jì)模塊和機(jī)構(gòu)庫(kù)動(dòng)態(tài)管理等模塊,最終完成的系統(tǒng)構(gòu)架和用戶主交互界面分別如圖1和圖2所示.

2 常用機(jī)構(gòu)庫(kù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 機(jī)構(gòu)的自頂向下設(shè)計(jì)

自頂向下(Top-Down)設(shè)計(jì)是一種從抽象到具體的漸進(jìn)過(guò)程,符合產(chǎn)品的實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程[5]. 它是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期就根據(jù)產(chǎn)品的功能要求事先定義產(chǎn)品的架構(gòu),同時(shí)考慮到組件與組件、組件與零件、零件與零件之間的約束和定位關(guān)系,產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,再進(jìn)行單個(gè)零件的詳細(xì)設(shè)計(jì),這種設(shè)計(jì)方法符合設(shè)計(jì)人員的思維習(xí)慣[6]. 在Creo軟件平臺(tái)是通過(guò)運(yùn)動(dòng)骨架來(lái)實(shí)現(xiàn)自頂向下的設(shè)計(jì),常用機(jī)構(gòu)庫(kù)里的機(jī)構(gòu)采用這種設(shè)計(jì)方法能夠?yàn)楹笃谠O(shè)計(jì)人員調(diào)用所需機(jī)構(gòu)進(jìn)行快速修改提供便利.

圖1 常用機(jī)構(gòu)庫(kù)構(gòu)架圖

圖2 常用機(jī)構(gòu)庫(kù)的主交互界面

2.2 機(jī)構(gòu)的分類和信息存儲(chǔ)

機(jī)構(gòu)數(shù)量豐富,形式多樣,如何選擇合理科學(xué)的方法對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分類,直接決定了機(jī)構(gòu)檢索的效率. 在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中,選擇樹(shù)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將機(jī)構(gòu)按類分解,逐層細(xì)化,在做到層次分明的基礎(chǔ)上,再對(duì)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行編碼. 機(jī)構(gòu)與編碼一一對(duì)應(yīng),每組編碼數(shù)字都包含著機(jī)構(gòu)的類型、功能等信息. 例如,按機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)形態(tài)分類(編碼為01),其下層圓周運(yùn)動(dòng)(編碼為0101),直線運(yùn)動(dòng)(編碼為0102),具體編碼規(guī)則按圖3所示,通過(guò)編碼,用數(shù)字化的方法進(jìn)行機(jī)構(gòu)信息處理,大大提高了機(jī)構(gòu)信息整理和存儲(chǔ)的效率. 本系統(tǒng)是通過(guò)借助SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái),創(chuàng)建機(jī)構(gòu)的信息列表,用以完成機(jī)構(gòu)分類信息和特征信息的存儲(chǔ)和管理.

圖3 機(jī)構(gòu)分類編碼方式

2.3 機(jī)構(gòu)特征對(duì)象的操作

機(jī)構(gòu)特征提取的基本方法思路是：首先,利用庫(kù)函數(shù)ProSolidFeatVisit( )實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的特征提取,再利用庫(kù)函數(shù)ProElemtreeElementVisit( )實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)特征元素樹(shù)的訪問(wèn),并通過(guò)過(guò)濾函數(shù)實(shí)現(xiàn)待修改屬性信息的提取;其次,建立用戶自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),將提取的屬性信息存入數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu); 最后,從用戶自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中讀取數(shù)據(jù),用于模型重構(gòu). 圖4為特征提取方法示意圖. 具體的代碼編寫可以根據(jù)這種方法思路寫出.

2.4 數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)技術(shù)

常用機(jī)構(gòu)庫(kù)里的機(jī)構(gòu)信息大部分儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中,若要實(shí)現(xiàn)這些信息的調(diào)用,離不開(kāi)系統(tǒng)應(yīng)用程序?qū)?shù)據(jù)庫(kù)的訪問(wèn),而數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)接口則是連通系統(tǒng)應(yīng)用程序訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)的關(guān)鍵技術(shù). 本系統(tǒng)采用目前主流的數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)接口ADO(ActiveX Data Object)技術(shù). ADO是Microsoft提出的應(yīng)用程序接口(API)用以實(shí)現(xiàn)訪問(wèn)關(guān)系或非關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù). ADO中最重要的對(duì)象有3 個(gè),分別為 Connection、Command 和 Recordset[7]. 這里僅介紹打開(kāi)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)集并讀取數(shù)據(jù)的方法,調(diào)用Recordset對(duì)象的Open方法,需要定義RecordsetPtr型變量,然后才能打開(kāi)一個(gè)數(shù)據(jù)集. 如：m_pRecordset=m_pConnection→Execute(“select * from T_Class where Parent is null”,0,adCmdText); 它的第一個(gè)參數(shù)可以是一個(gè)表的名字、一個(gè)SQL語(yǔ)句或者一個(gè)命令對(duì)象等,第二個(gè)參數(shù)就是之前建立的連接對(duì)象的指針.

3 應(yīng)用實(shí)例

以封閉行星輪系圓柱齒輪凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)為例,在常用機(jī)構(gòu)庫(kù)的主交互界面中可以通過(guò)3種檢索方式檢索到此機(jī)構(gòu),分別為目錄查詢、分類索引和模糊查詢,找到機(jī)構(gòu)后,可以觀察機(jī)構(gòu)的三維模型,同時(shí)可以結(jié)合運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖和特性介紹初步了解機(jī)構(gòu),然后通過(guò)“運(yùn)動(dòng)仿真”觀看機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)情況,通過(guò)“運(yùn)動(dòng)曲線”查看機(jī)構(gòu)各零部件的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性,如果機(jī)構(gòu)能達(dá)到工況要求,需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu),按“加載機(jī)構(gòu)”按鈕,將所選用的機(jī)構(gòu)加載到Creo環(huán)境中,此時(shí)“設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)”按鈕可用,點(diǎn)擊此按鈕,彈出機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)交互界面,由于機(jī)構(gòu)庫(kù)中的所有機(jī)構(gòu)是通過(guò)自頂向下設(shè)計(jì)完成,零件之間存在數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和裝配關(guān)系,因此在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)初期已經(jīng)對(duì)關(guān)鍵尺寸做好標(biāo)識(shí),形式為“key_名稱”,機(jī)構(gòu)快速設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)這些關(guān)鍵尺寸進(jìn)行修改即可. 圖5為封閉行星輪系圓柱齒輪凸輪機(jī)構(gòu)的齒條設(shè)計(jì).

4 結(jié)束語(yǔ)

常用機(jī)構(gòu)庫(kù)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)理論和用戶需求角度展開(kāi)的,同時(shí)依托用戶數(shù)量龐大的三維設(shè)計(jì)平臺(tái),保證了本系統(tǒng)應(yīng)用的廣泛性和實(shí)用性. 由于機(jī)構(gòu)庫(kù)里的機(jī)構(gòu)全部采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)完成,設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行機(jī)構(gòu)修改設(shè)計(jì)時(shí),會(huì)大大提高機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率,縮短新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,為企業(yè)新產(chǎn)品搶占市場(chǎng)贏得時(shí)間; 其次,常用機(jī)構(gòu)庫(kù)的開(kāi)發(fā)彌補(bǔ)了機(jī)構(gòu)手冊(cè)的不足,實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)的快速檢索,動(dòng)態(tài)仿真,動(dòng)態(tài)管理等功能,方便設(shè)計(jì)人員快速找到符合工況需求的機(jī)構(gòu). 需要注意的是,用戶如果自行向機(jī)構(gòu)庫(kù)中添加新機(jī)構(gòu),一定要按本系統(tǒng)的入庫(kù)規(guī)則進(jìn)行,如機(jī)構(gòu)的命名,機(jī)構(gòu)的分類編碼,機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵尺寸確定等,新用戶使用本系統(tǒng)可參照常用機(jī)構(gòu)庫(kù)的“幫助”模塊,由于篇幅所限,常用機(jī)構(gòu)庫(kù)的其它模塊不再詳細(xì)介紹與具體展示.

圖4 特征提取方法示意圖

圖5 齒條尺寸信息修改與模型變更前后對(duì)比

1 徐新勝,李丹,嚴(yán)天宏,等. 面向柔性客戶需求的產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)方法. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2012,24(3)：394-399.

2 許愛(ài)芬,賈巨民,溫秉權(quán),等. 多行星排齒輪變速機(jī)構(gòu)構(gòu)型及效率研究. 機(jī)械傳動(dòng),2014,38(12)：158-160.

3 胡曉穎. 基于Pro/Engineer的三維零件庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[碩士學(xué)位論文]. 濟(jì)南：山東大學(xué),2014.

4 趙靜. 面向產(chǎn)品造型的人機(jī)交互系統(tǒng)開(kāi)發(fā). 食品與機(jī)械,2016,32(9)：80-83.

5 梁飛,沈精虎,孫凱. 基于Pro/E自頂向下的貼膠機(jī)設(shè)計(jì). 機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2015,34(8)：1263-1266.

6 呂國(guó)林,褚學(xué)寧,儲(chǔ)德新,等. 自頂向下設(shè)計(jì)的多骨架建模方法. 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2015,27(3)：548-558.

7 Anonymous. How do multivalue venders tackle the ‘big data’challenge? Database Trends & Applications,2011,25(1)：24-27.