基于參數化設計的DTⅡ型帶式輸送機數字樣機系統開發

黃勇 魏坤坤 潘江如 王玲 陳濤

摘要：基于數字模型參數化建模方法及虛擬裝配技術開發了DTⅡ型帶式輸送機數字樣機系統。該系統能夠根據總體設計要求及參數選型方式快速建立各類DTⅡ型帶式輸送機數字模型。系統工作原理是根據輸送機的結構特征及功能，將輸送機分為頭架、尾架、中間架、托輥以及輔助設備等幾部分。每部分的典型零件通過電子表格的數據進行參數化尺寸驅動，實現零件的實例化。最后調用裝配指令將所有實例零部件總體裝配起來，完成數字樣機的建模工作。這種建模方法便于編輯和修改模型，節約時間和成本，大大提高效率。可以用于設計驗證、分析、論證。為產品設計打下牢固基礎。

Abstract： Based on the parametric modeling method of digital model and virtual assembly technology， the digital prototype system of DTⅡ belt conveyor was developed. The system can quickly establish digital models of various DTⅡ belt conveyors according to the overall design requirements and parameter selection methods. The working principle of the system is to divide the conveyor into headstock， tailstock， middle frame， idler rollers and auxiliary equipment according to its structural features and functions. The typical parts of each part are parametrically driven by the data of the spreadsheet to realize the instantiation of the parts. Finally， the assembly instructions are called to assemble all the instance parts as a whole to complete the modeling work of the digital prototype. This modeling method is easy to edit and modify the model， save time and cost， and greatly improve efficiency. It can be used for design verification， analysis and demonstration. Lay a solid foundation for product design.

關鍵詞：數字模型參數化;虛擬裝配;數字樣機系統;數字樣機

Key words： digital model parameterization;virtual assembly;digital prototype system;digital mockup

中圖分類號：TH222? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）24-0197-05

1? 帶式輸送機數字模型系統設計總體思路

制造業智能化是現代制造業發展的趨勢。數字孿生技術是智能制造的重要特征，也是實現智能制造的基礎途徑之一。數字孿生技術的實現首先需要在信息層建立數字模型[1]。

數字模型可以用于產品的快速驗證、分析和論證，也可以用于與客戶之間的泛在設計[2]。目前常見的數字模型建立方式有兩種：其一是按照零件、部件、整機的順序從底層至頂層依次建模;其二是將整機進行拆分分析，利用成組思想進行歸類劃分，再利用參數化設計進行建模。建模過程中反復校驗成組思路是否最優，對參數化模型進行迭代優化[3]。對比兩種方法，第一種方法建模比較精確耗時較長，適合單件產品的設計。第二種適合快速批量數字模型的建立。DTⅡ型帶式輸送機是典型的標準化、系列化產品。本系統的目標是建立設計標準中所有類型的DTⅡ型帶式輸送機數字模型[4]。所以本系統適合第二種方法進行快速數字模型的建立。通過對DTⅡ型輸送機的各部件分析發現，DTⅡ型輸送機各關鍵零部件結構都相同或相似，只有尺寸不同。為了能夠高效快速的建模，節省開發時間。最終決定采用參數化建模并利用外部表格對模型尺寸進行驅動的方式。

DTⅡ型帶式輸送機是典型的標準化、系列化產品[5]。通過對DTⅡ型輸送機的圖紙進行分析，整機的零部件組成較多。為了實現系統的精細化管理，將輸送機進行拆分并歸類[6]。按照輸送機的結構特征及各部件的功能，可以將輸送機分為頭架、尾架、中間架、托輥以及輔助設備等幾部分。在進行拆分之后可以更加直觀的描述各部件的功能，也方便對各個部件進行調試、修改。拆分之后對各個部分進行參數化建模。在數字樣機裝配環節利用建模軟件的二次開發功能，開發出專門的交互界面實現設計參數的傳遞和加載[7]。并調用裝配指令最終將所有參數化的零部件總體裝配起來，完成數字樣機的建模工作。系統工作原理如圖1所示。

整個系統的開發過程主要分為四個部分：零件設計的參數表征;參數化建模;轉配程序;UI界面開發。從零件的設計到裝配圖更新直至最后保存，其過程如圖2所示。

2? 帶式輸送機參數化設計方法

參數化設計是建立裝備數字化模型的一種方法。傳統的制圖方式主要僅限于二維制圖，主要包括點、線、面，只能夠反應產品的外部結構，而不包括產品的設計思路。所以產品的尺寸變化時，不能快速修改模型尺寸[8]。參數化建模是通過定義尺寸參數來得到一個類型的模型。再通過實例化模型數據值來確定具體數字樣機。利用人機交互功能，數字樣機可以根據實際的需求進行參數值修改，從而快速得到各種尺寸的樣機。這種建模方法便于編輯和修改模型，節約時間和成本，大大提高效率。還可以用于設計驗證、分析、論證，為產品設計打下牢固基礎。

2.1 參數化建模方法

參數化建模的步驟大致分為以下幾點：

①提取參數;

②對零部件進行參數化建模并且對重要的參數進行提取;

③對建模過程進行驗證并對其中的問題進行解決和優化。

參數化建模方式分為三種：

①特征建模。在這種的建模方法中可以直接使用長方體、球、圓柱（錐）等模塊并且在對話框中直接輸入想要模型的參數以及坐標原點就可以生成預期的模型，還可以將這些簡單的模型進行求和得到相對復雜的模型，但曲面不能過于復雜，所以這種方法只能針對一些簡單的模型進行建模，相對于復雜的模型在建模的過程中較為困難。

②草圖設計。它可以進行相對復雜的建模，比如可以通過草圖的繪制，然后通過一些其他的命令，例如：拉伸、旋轉、掃略等命令生成模型，可以生成一些相對復雜一點的模型。但有些部分零件較多，草圖設計就顯得略微不足，可以通過裝配解決問題。

③克隆裝配?？寺⊙b配是把裝配的關系引入，用于解決一些復雜的模型或者某一個部分沒有辦法準確定位的問題。因此可以對部件、整體的設計同時進行。相對于上述兩種方法（特征建模、草圖設計）的優點在于可以對很多零部件的模型進行設計。裝配的參數化設計是通過總裝配的數據被零部件使用，即零部件引用裝配圖的參數，通過改變裝配圖的參數驅動零部件參數來達到裝配圖與零部件之間的參數協調變化。這種參數化建模的方法現在使用的最為廣泛，相信也是今后參數化發展的趨勢。

下面以關鍵組件托輥為例分析參數化建模方式：

輥體的零部件有軸承、軸承座、軸、筒皮。本系統中軸承座零件由筒皮和軸對其進行尺寸關聯。軸和筒皮直接進行參數化建模。

通過對軸承座圖的分析，用特征建模時無法保證軸承座的傾斜度以及各部位的厚度，因此采用草圖設計方法，首先做出零件的二維形狀草圖再經由約束對草圖形狀的束縛，以保證在參數改變時形狀不改變;再設置已經做好的二維圖的尺寸約束，并輸入表達式數據，如圖3所示，在表達式中還可以將數據引用軸和筒皮的參數，當筒皮和軸的參數改變時軸承座的尺寸也會隨之改變，旋轉生成模型。

軸的建模采用草圖設計建模的方法，把軸截面圓心固定在坐標系的原點。并用對稱拉伸的方法創建軸的模型。在表達式中需輸入的具體參數為：軸長L、各段軸徑D，其中軸頸是重要的尺寸由軸承內徑決定，具體的參數表達式設置如圖4所示。

筒皮的建模也采用草圖設計方法并拉伸創建模型，筒皮的參數主要為筒皮厚度、筒皮直徑、長度，具體的參數表達式設置如圖5所示。

將建模完成的筒皮、軸承座、軸按照順序依次裝配在一起裝配效果如圖6所示，建立表達式并讓裝配的零件引用表達式，輥體的參數變化時，零件的參數也會隨之變化。

中支柱、邊支柱均為有一定復雜結構的零件，因此采用草圖設計并拉伸來創建草圖，在后期的驅動過程中為了保證參數化驅動的效果，對中支柱、邊支柱采取部分建模如圖7所示，在最后將所有零部件裝配在一起時鏈接角鋼的面并采用拉伸至角鋼平面即可。

最后將所有的參數化的模型根據實際要求通過裝配約束全部裝配在一起，裝配圖如圖8所示，在總裝配建立表達式并讓各個裝配零部件模型的表達式引用。

2.2 基于電子表格的尺寸驅動方法

參數化模型建立后，為了參數模型能快速實例化，采用外部的電子表格驅動圖形尺寸。這有利于把標準表中的參數更加直觀表示出來同時也有利于模型一次性刷新，避免了某一參數沒有改變導致模型的更新失敗。

這里利用了Microsoft office 2007和UG軟件進行開發。外部電子表格的建立必須使用Microsoft office 2007及以上的Excel的表格，版本過低或其他電子表格UG無法讀取。具體的過程為如圖9所示。

①首先建立一個EXCEL表格，表格中有標準的尺寸參數;

②再在UG建立的表達式中用函數去讀取電子表格中的數值;

③最后每改變一次讀取表格中的數據時，都需要保存電子表格，并在表達式中刷新來自外部的數據。

3? 建模軟件的二次開發

3.1 系統軟件的界面開發

由于數字樣機系統是基于UG軟件，所以建立人機交互界面需要利用NX軟件的二次開發功能。UG/Open主要是為了讓不同的應用程序實現柔性集成的一個開發工具的開放性構架。該構架包括UG/Open Menu Script、UG/Open UI Style、UG/Open API、UG/Open GRI四個模塊。

Open Menu Script工具可以在菜單欄進行添加、重組和裁剪，也可以集中使用;在UG的安裝目錄下新建一個二次開發的文件夾用來存放二次開發的內容，本例新建的文件夾是CTTOOLS，在新建的CTTOOLS文件夾中需重新建Startup、Application、及Prt文件夾用于存放文件。在Startup的文件中重新建立一個空的文本文檔，軟件在啟動時候需要加載本文檔，并將本文檔的后綴名刪除并改為men，在本文檔中編寫開發菜單的腳本語言。要完成指定菜單的動作需要ACTIONS來完成。菜單腳本文件被命名為xx.men。編寫完成腳本文件之后保存并重啟UG，在UG的菜單欄上會掛出剛制定的新創建菜單。

新建的菜單是一個空菜單，當點擊菜單時是不會執行任何操作，此時需要在菜單下寫進去程序。首先打開UG，在啟動下拉菜單中找到所應用模塊下的塊UI樣式編輯器，根據開發者的需求新建UI，編輯完成UI后在對話框中選擇生成語言為C++，為構件開發平臺做準備。生成的三個文件后綴名分別為cpp、dlx、hpp。

DTⅡ型皮帶輸送機帶寬是一個重要參數，因此在設計UI的時候把帶寬作為一個重要的參數來控制其他的參數，即通過不同的帶寬參數來控制帶寬下所有的參數。然后在系統新菜單創建一個組;分別命名為group、group1、group11、group12、group13、group2、group3，其中在group組下創建一個枚舉類型命名為帶寬，用于選型的初選，這一個非常重要的參數，當切換到不同的參數帶寬時就可以調出對應的參數而其他的參數就放在group1、group11、group12、group13中。group1、group11、group12、group13是對應不同帶寬下的各個組件的參數即頭架、托輥、支腿、尾架的參數，它們不同的參數通過程序控制不同的prt文件，group1至group13的顯示要與帶寬的參數來對應這就要通過程序來控制;group2中的參數是控制整個裝配的長度及每一個托輥之間的距離;group3是一個參考圖片，選擇C++的生成語言并另存為zpt文件，在生成的文件中把后綴名為zpt.dlx的文件粘貼復制到Application中，此時UI的制作基本完成。

3.2 裝配驅動原理

UG/OPEN API是開發環境與UG的交流方式。通過API可以對UG的圖形終端進行操作。本系統利用VS 2012編譯完成的程序驅動UG去執行。新建NX OPEN C++項目，配置屬性，會自動生成一個源文件，里面有UG自帶的模板C++語言，用戶可以在模板的基礎上經行程序編寫。系統會將UG自己配屬的源文件移除，重新配屬在UI設計中生成的另外兩個文件分別是zpt.cpp、zpt.hpp。為了將參數化零件組裝到一起，此時需要用到裝配函數，在此次的二次開發中需要用到的裝配函數是UF_ASSEM_add_part_to_assembly。函數參數中tag_t parent_par是需要裝配的部件的目標，是想要把部件裝配到哪里去;const char * part 是部件來自于哪里，為需要添加的部件的位置、路徑（路徑為全路徑）以及部件名稱;double origin[3]表示的是組件裝配的位置原點。

4? 結論

通過對系統的測試分析（圖10），該系統能夠快速生成各標準類型DTⅡ型輸送機。尺寸匹配和裝配關系準確。修改尺寸參數快速高效。可以用于產品的快速驗證、分析和論證，也可以用于與客戶之間的泛在設計。也為搭建數字孿生平臺建立了良好的基礎。

參考文獻：

[1]數字孿生：連結現實與數字世界[J].軟件和集成電路，2020（05）：78-85.

[2]曹冰.基于統一的三維產品數字模型構建協同設計平臺研究[J].機電工程技術，2009，38（008）：22-23.

[3]孫偉，馬輝，李朝峰，等.面向機械產品可視優化設計的參數化建模[J].東北大學學報（自然科學版），2009（11）：1632-1635.

[4]鄧春曉.DTⅡ型帶式輸送機計算機輔助設計系統的研制[D].安徽理工大學，2005.

[5]宋曉琨，劉英林.DTII（A）型帶式輸送機設計選型系統的研制開發[J].機械工程與自動化，2007（02）：117-118.

[6]韓文非，羅黨，寧宣熙.成組技術中零件分類的一種新方法[J].成組技術與生產現代化，2003，20（003）：46-48.

[7]邢秀琴，邢秀娟，葉志忠，等.基于UG二次開發的模型軟件設計[J].機械工程與自動化，2013.

[8]連彩元.參數化設計在CAD繪圖中的應用[J].機電技術， 2010（04）：29-31.