机电产品三维零件库开发模式及关键技术研究.doc

机电产品3D零件库开发模式及关键技术研究杜江 曹岩 西安工业大学 机电工程学院, 西安 710032摘 要：针对当前不同领域产品开发过程中通过对已有设计资源的不断积累、重用而实现新产品快速研制开发的迫切需求，本文以机电产品中广泛应用的具有标准化、通用化特征的零件为对象，以其数据依职能的一致性归类关联记录存储为前提，探讨了以Pro/E系统为平台，综合运用三维CAD技术、XML技术和关系数据库技术，开发建立内容可动态扩充、定制的机电产品三维零件库的实现技术及所需解决的关键问题。文中所提出发方法可以为不同领域产品3D零件库的开发形成一种通用的思路。关键词：零件库；设计重用；ProE；XML新产品研发过程中，通过对零件库的合理使用无疑可以有效提升产品研发的效率并降低成本。但针对当前知识经济时代背景下产品设计制造过程日益计算机化、网络化、并行化、敏捷化、智能化、拟实化的发展趋势1-2，如何面向机电产品的快速研发需求，打破传统学科领域界限，通过对当前主流CAD技术、数据库技术等技术的综合应用和有效集成，而从零件数据高效准确重用的角度来实现对机电产品零件库体系结构的设计改良、完善及其性能的提升显然是一个值得深入探讨的问题。1 机电产品3D零件库的开发目标在新产品研制过程中，通过开发建立三维零件库而实现对已有产品零件设计资源的重用是实现新产品快速研制的一个有效途径。但是，在当前产品更新、升级换代日益加快的趋势和背景下，从数据有效重用的角度来看，对于3D零件库的开发显然需要打破传统的仅仅针对零件自身类型、结构尺寸等几何数据信息进行记录和管理的束缚，以如下的3方面为目标考虑零件库的开发。 1）零件库内容在零件种类和零件自身数据内容层次均可动态扩充和定制2）所需零件依其设计、使用要求或特点的快速准确检索和动态建模3）零件结构尺寸、实体模型等二、三维异构数据依职能的归类关联记录存储和一致描述其中，目标1是为了使3D零件库具备数据可动态扩充和按需定制重组的功能而提出的。基于此目标不仅可实现对现有产品研制过程中相关零件三维模型等设计资源的动态积累，而且可以通过对所记录零件内容的动态重组而适应不同领域产品的开发需求。而目标2则是为了使所开发的3D零件库能够按设计、使用要求实现零件的快速准确检索和自动调用而提出的。基于此目标可以使零件库在实际中应用中能够为产品研制工作的高效开展提供更加有力的支持。目标3则是目标1和2得以实现的前提保证。因为通过对零件数据依职能的归类关联记录存储可以首先从数据的一致性记录管理层面为目标1的实现奠定基础，进而可基于依职能归类记录的零件数据定制检索模式并开发程序按设计使用要求实现对所需零件模型的快速检索准确调用。依据这些目标，对于机电产品三维零件库的开发显然需要综合应用三维CAD技术和关系数据库技术来考虑其实现方案。2 机电产品3D零件库的设计原则和体系结构依据以上所分析的目标，显然应该从零件数据的存储管理和查询调用两个层面综合考虑机电产品零件库的开发问题3。以此为原则，如何依据零件自身的类型结构、使用特点及其标准化程度实现对零件数据依职能的一致性归类、关联记录存储显然是开发建立机电产品3D零件库所必须首先考虑解决的问题。这也是进一步按照上述目标建库从应用层面实现对零件数据的全面准确管理和高效检索调用的前提。基于以上分析，机电产品3D零件库的基本体系结构如下图1所示。三维CAD系统关系数据库系统零件结构尺寸数据库结构参数、尺寸表零件3D模型库模型文件零件库管理程序文件管理系统零件名称及类型标识文件2D、3D结构视图图1 机电产品3D零件库系统结构Figure 1 The structure of 3D parts library of machinery and electronic products如图1所示，机电产品3D零件库从整体上来看是一个基于关系数据库系统和三维CAD系统等所构建的关于零件二维、三维数据的综合管理应用系统。其在结构上可分为三个层次。最底层为以图、表、模型等形式记录存储零件数据信息的数据层。中间层是针对底层零件数据实现“读取访问、记录、存储”职能的3维CAD系统、关系数据库系统以及文件管理系统。最上层是面向实际应用需求封装零件检索逻辑流程和管理模式的零件库管理程序，其可以通过与用户的交互按需实现对库中零件数据的动态加载显示和检索调用。基于此三层次结构，可以在基于关系数据库和三维CAD系统实现零件数据归类一致性记录存储的同时，依据零件在用户使用逻辑上的访问流程开发程序实现对零件数据的一致性访问和调用。从而使零件库具备良好的通用性和适应性，进而可以满足不同行业领域用户依据自身特点开发符合自身产品特点的零件库的需求45。3 机电产品3D零件库实现的关键技术和方法基于上面所分析的机电产品3D零件库的开发目标和体系结构，对于机电产品3D零件库的开发应从零件数据的记录存储、管理和查询调用两个层面入手具体解决如下几个问题：1）零件数据依职能的归类和一致性记录存储2）归类记录零件数据的一致性关联描述3）依零件特点和使用要求的零件检索、调用模式和实现方法其中问题1的求解是开发建立3D零件库的数据基础和前提条件。而问题2解决则是针对归类记录的零件二维、三维异构数据可以基于程序而实现一致性访问、调用的保证。问题3则对应于从应用层面按零件的特点实现对所需零件数据检索调用的技术措施。依据当前数据库技术和CAD技术在产品设计领域的发展应用现状，对于上述问题1可以通过表1所示的方法加以考虑解决。表1 零件数据的归类和存储方法Table 1 the classification and storage method of Parts data零件数据归类数据示例数据职能记录存储形式方法基本描述数据零件名称销轴零件归类识别零件基本信息XML文件类型、型号A型、B型标准号GB/T 882-2008二维结构数据二维结构图及结构参数零件的选型和检索2D结构图文件Jpg结构参数表结构寸ddkcekrl3510.510.663510.510.683510.510.610零件尺寸表Access三维数据三维结构图及结构参数三维模型调用自动建模3D结构图文件jpg3D参模型文件ProE如表1所示，零件归类后的各类数据可通过以关系数据库系统等为工具所建立的结构图文件、尺寸表及三维模型文件等加以记录。它们彼此之间针对所记录零件是一一对应的，因此可以简单地通过统一命名方式为归类后零件数据的一致性访问调用提供保证。在基于表1方法实现零件数据依职能归类一致记录的基础上，可以基于如下所示的XML文件完成对归类记录零件数据的一致性关联描述，解决上述机电产品3D零件库开发的第2个关键问题。 在基于上述XML文件实现对归类零件数据一致关联描述的基础上，XML的开发性和可扩展性还可以为零件库在内容上的扩充和定制提供良好的支持。同时，XML格式上的一致性也可以为基于CAD系统和数据库系统开发检索程序实现对其所描述的零件二维、三维异构数据的一致性访问和调用提供有力支持6-7。在基于上述方法从零件数据的归类一致性关联记录和描述层面解决3D零件库开发的前两个关键问题的基础上，针对依职能归类记录的零件数据，可以按照零件自身的标准化程度及结构和应用特点，采用如下表2所示的方式开展对归类记录零件数据的检索和调用8。表2 零件数据的检索调用模式Table 2 the Parts data retrieval mode零件特点零件样例依职能归类零件数据的检索、调用步骤标准化的零件零件结构尺寸可依标准规定凭经验选定螺栓螺母螺钉等基于零件描述信息和二维结构图数据实现零件的选型基于选型零件尺寸表实现零件结构尺寸查询检索基于检索尺寸实现选型零件三维模型动态调用和尺寸更新零件结构尺寸需按使用要求计算并依标准查定弹簧等 基于零件描述信息和二维结构图数据实现零件的选型选型零件设计要求的获取依设计要求，基于选型零件尺寸表计算、查定零件结构尺寸基于所得尺寸实现选型零件三维模型动态调用和尺寸更新零件结构尺寸需依使用场所确定后依标准查定把手合页等基于零件描述信息和二维结构图数据实现零件的选型基于选型零件的结构图和结构参数获取按使用场所确定的非标尺寸，并基于选型零件尺寸表查定零件的标准结构尺寸基于所得尺寸实现选型零件三维模型动态调用和尺寸更新非标零件零件结构稳定，尺寸需依使用要求更新天线馈源等基于零件描述信息和二维结构图数据实现零件选型基于选型零件结构图及结构参数的相关结构尺寸动态获取基于获取尺寸实现选型零件三维模型动态调用和尺寸更新从表2所给出的零件数据检索模式可知，在实现零件数据依职能归类记录的基础上，可以采用相对稳定一致的流程实现对所记录零件数据的检索和调用。首先，可以基于归类记录的零件的基本描述数据和二维结构图实现对所需零件的选型，进而可基于归类记录的零件尺寸表数据通过与用户的交互而完成对所需零件尺寸的获取、计算和查询，最终基于所获得的零件尺寸数据可以采用一致的方法通过对相关零件3D模型的调用和尺寸更新完成对所需零件的自动建模。依据表2所分析的模式，显然可开发对应的管理程序依零件特点按对应模式完成对归类记录零件数据的动态检索调用，实现上述开发机电产品3D零件库的第2个目标。依据表1所列举归类零件数据的职能及表2所分析的检索模式，机电产品3D零件库管理程序针对归类零件数据所具体执行的操作处理活动及其对应所实现的功能如下表3所示：表3 管理序针对归类零件数据所实现的操作活动Table 3 the program operation to the classified part data 归类的零件数据管理程序针对数据的操作、处理活动零件基本描述数据XML文件零件名称、类型、型号数据的读取、显示、浏览、动态选择二维零件结构图（jpg文件）所选类型零件结构图的同步读取、显示零件的设计、使用要求数据数据动态获取及其所关联零件结构参数及其尺寸的计算零件结构参数、零件尺寸表零件结构参数及其数据的获取、记录和显示零件尺寸表数据的读取、显示、交互选择及检索零件三维模型所选零件模型的调用和尺寸更新针对表3中所给出针对归类零件数据的操作活动，在以关系数据库系统ACCESS和三维CAD系统ProE为平台基于上述方法实现零件数据的归类一致记录存储的基础上，可通过下表4所示VC+类对象和Protoolkit函数来完成表三中所列出的针对归类零件数据的处理和操作活动。对于零件结构尺寸的计算活动由于可以依据所获取数据很容易地编程实现，故表4中对此未再详述。表4 完成归类零件数据操作处理活动的类对象Table 4 the Class to Operate the part data归类零件数据的操作、处理活动数据操作处理的类对象零件名称、类型、型号数据的读取MSXML2零件名称、类型、型号数据的显示、浏览、选择CPersistentTreeCtrl零件结构图文件的读取、显示CBitmapContrl零件的设计、使用要求、结构参数的获取、显示CEdit零件结构尺寸数据表打开和读取CDatabase , CRecordset零件结构尺寸数据表的显示，数据选择CListCtrl零件三维模型的读取和尺寸更新ProMdlRetrieve , roParameterValueSet基于以上分析，本文以Access系统和ProE系统为平台，在VC编成环境下以Protoolkit为开发工具，针对表2中所列举的零件数据的检索调用模式所对应开发形成的零件库管理程序界面分别如下图1、2所示。 图1 机电产品3D零件库管理程序运行界面 - 密封件模块Figure1 the program interface of 3D parts library of Mechanical and electrical products-sealing part modular图2 机电产品3D零件库管理程序运行界面 扭转弹簧模块Figure2 the program interface of 3D parts library of Mechanical and electrical products Torsion Spring modular 图1是依据表2中的第一种检索模式而针对密封标准件这类零件而开发的检索程序界面，图2则是依据表2中的第2种模式针对螺旋弹簧这类零件所开发形成的检索程序界面。如图1，图2所示，针对归类记录的零件数据，零件库管理程序通过CPersistentTreeCtrl类对应的树控件可以实现对零件类型信息的显示以及与用户的交互。进而可基于用户选择的零件，通过CDatabase、 CRecordset类读取对应的零件结构尺寸数据表和结构图并通过与CListCtrl类、CBitmapContrl类和CEdit类所对应的列表控件和图片控件以及编辑框控件实现对所读取的零件二维尺寸数据和结构图等零件归类数据的动态显示，通过与用户的交互可以获得用户选择和输入的零件结构尺寸数据，以便可以进一步依用户选择完成对应零件3D模型的检索调用和创建。在基于图1,2所示的检索界面通过与用户的实时交互完成零件数据检索和获取的基础上，针对所得的零件名称、类型和结构尺寸等零件的数据信息，可以依据零件的名称信息基于ProMdlRetrieve函数实现对所对应记录零件模型文件的动态读取，进而可以基于检索得到的零件结构参数及其对应的尺寸数据运用ProParameterValueSet函数实现对模型中各结构参数所对应零件尺寸的修改而实现模型的更新，创建出与所检索零件尺寸吻合的零件三维模型。4 结 论针对机电产品中所广泛应用的系列具有标准化、通用化特征的典型零件，本文从零件数据依职能的全面一致管理、准确调用角度提出了开发3D零件库的目标、原则和体系结构及其实现关键技术。本文的研究成果可为不同领域产品零件库的开发提供有意借鉴和支持。参考文献1 HE Jie, SHI Guanglin. Method of Driving Object Model with Real - Time Data and Its Implementation. Computer Simulation2007,2(2):1992 CAI Zhao-quan, LU Qing-wu, ZHENG Zong-hui, LUO Wei，Design and Implementation of Rapid Development Platform Based on Metadata，Computer Engineering, 2009，9（5）：603 Chen Zhang. Research on the Component Service Framework Based on Data-driven, Computer Engineering and Application, 2005，18（9）：39 4 赵建民, 庄建新, 金基勇, 任伟. 数据驱动的射孔方案知识系统的设计与实现, 大庆石油学院学报第, 2008 3(6) :124科技5 张昇,刘建国,李望伟. 基于数据驱动决策支持的维修器材管理, 四川兵工学报2008 5(10):536 杨超. 基于数据驱动的森林资源MIS 开发方法研究,西南林学院学报,2005,2(6):737 ZHU Ju ,WANG Zhi2jian ,YANG Xue. A Software Automation Test Frameworks Based on Data-Driven Automation Methodology,COMPUTER TECHNOLOGY AND DEVELOPMENT, 2006,5(5):388 关文革.武强.王建平. 基于数据驱动的螺旋式数据仓库开发方法的研究, 计算机工程与应用,2004.12(12):105The Development mode and Key technology of 3D Part Library of Mechanical and electrical Products Du Jiang, Cao Yan School of Mechatronic Engineering，Xian Technological University，Xian 710032，ChinaAbstract：(Objective)According to the requirement to accumulate and reuse the existing design resources in the development process of new products, (Method) the