支持集成产品开发模式的产品级三维参数化变型设计技术研究

1 支持集成产品开发模式的产品级三维参数化变型设计技术研究支持集成产品开发模式的产品级三维参数化变型设计技术研究 摘要 三维参数化变型设计技术正逐渐成为机械产品开发设计的主流 分析了当前机械产 品三维参数化变型设计的现状 引入集成产品开发模式 详细探讨了集成产品开发模式下 基于知识的广义参数化设计 集成化建模技术 支持产品复用的配置设计 支持产品全生 命周期的工艺信息集成等关键技术及其在门式起重机三维参数化变型设计中的应用 基于 主流三维 CAD 软件平台 开发了门式起重机产品及零部件模块的三维参数化变型设计软件 并在实际中得到了较好的应用 关键词 集成产品开发模式 集成建模 变型设计 配置设计 工程图自动调整 自动工艺 规划 0 0 引言引言 变型设计是企业目前广泛采用的机械 设计方法 机械产品变型设计的三维 CAD 模型基本上都采用了参数化技术 与此同 时商品化的 CAD 系产品统对变型设计方法 的支持程度有限 有关变型设计的理论和 方法成为当今 CAD 研究的一个重点 但是 目前机械产品的变型设计基本停留在模 型的尺寸驱动变型设计 未研究变型设计尺 寸参数的约束源 设计计算或设计经验 现 有的变型设计一般不支持产品重用 延长 了产品开发的周期 参阅文献 1 5 目前 国内外对三维参数化设计平台 UG Pro E SolidWorks Solid Edge 等进行三维参数 化开发研究的工作较多 但对三维参数化模 型驱动后的工程图自动调整研究却很少 6 由于驱动后的工程图变化比较大 很难 满足企业的要求 修改非常的烦琐 导致 三维参数化变型设计技术应用范围受到限 制 目前基于零件三维特征的自动工艺规 划研究尚不成熟 与支持产品全生命周期 的工艺信息 产品数据管理 PDM 集成尚 不完善 上述因素已经成为机械产品参数化变 型设计进一步应用的瓶颈 集成产品开发 I PD Integrated product development 模 式综合运用模块化 参数化 智能化的设 计思想 并结合面向对象的设计方法 知 识集成的设计方法 在产品全息装配的基 础上 进行快速产品开发 在集成产品开发模式下 机械产品的 变型设计技术发生了根本变化 基于集成 产品开发模式的机械产品三维参数化变型 设计能够有效实现各类信息集成 功能集 成和过程集成 能够科学重用企业的产品 信息资源 可显著提高企业三维参数化变 型设计应用水平 直接提高企业设计效率 设计质量和企业核心竞争力 本文结合 门式起重机开发实例 论述门式起重机基 于 IPD 开发模式的三维参数变形设计的内 涵 体系结构及其关键技术 以某型号门 式起重机为研究对象 利用 VB 程序开发了 基于三维设计平台 SolidWorks 的参数化变 型设计系统 1 1 基于集成产品开发模式的起重机产品三基于集成产品开发模式的起重机产品三 维变型设计体系结构维变型设计体系结构 集成产品开发模式强调知识的重用 产品的重用 强调产品的全生命周期 IPD 模式下 机械产品三维参数化变型设计所 要考虑的除了用参数驱动尺寸或拓扑结构 外 更多的是产品的功能 规格 材料 工艺等参数以及各个零部件之间的装配关 系 已由最初的产品尺寸和结构改变的系 列化设计发展到大规模定制的产品快速设 计 发展到产品设计下游的产品数据库管 理 产品生命周期管理 PLM 工艺信息 的管理 以及基于三维参数化模型驱动后 与之相关联工程图的视图位置 比例 BOM 表等相关信息的自动更新等 其目的是建 立集成的智能产品模型和跨功能的并行工 作环境 以充分挖掘开发设计领域中极为 客观的时间和费用的潜力 大幅度缩短产 品开发设计周期 降低产品成本 提高产 品质量 本文研究 IPD 模式下门式起重机 产品设计阶段的三维参数化变型设计技术 其整体开发体系结构如图 1 所示 2 2 开发过程及关键技术开发过程及关键技术 2 12 1 基于知识的广义参数化变型设计基于知识的广义参数化变型设计 为了支持集成产品开发中的并行设计 定制设计等设计理念 有必要将传统的 2 参数 图 1 门式起重机三维参数化变型系统开发体系结构 化设计进行拓展 即广义参数化设计 产 品的设计范围应该覆盖产品的概念设计 详细 设计 工艺设计等设计阶段 形成完备的 产品设计约束 基于知识的广义参数化设计 将知识 工程原理和计算机辅助设计理论相结合 不仅实现用几何特征参数控制产品模型 而且旨在将设计人员在设计过程中采用的 设计思想 准则 原理等以显性的知识表 达出来 比传统产品建模技术更能体现产 品特征 更适应现代设计的发展需求 在 基于知识的参数化设计中根据系统或产品 所提供的主参数模型 在相关约束和规则 的驱动下进行产品的变型设计 用户修改 一定的参数 而系统完成参数的修正和调 整 最终得出满足设计要求的设计结果 进行产品的 IPD 模式下的门式起重机参数 化变型设计的过程如下 2 1 12 1 1 参数分析参数分析 广义参数化设计解决产品设计中上层 设计对象的参数化以及上下层设计对象的 参数关联问题 需要进行参数的层次及关 联分析 首先分析影响整个产品功能 结 构的主要性能参数总体参数如影响门式起 重机整体结构尺寸的主要参数是货物的长 宽 高 起重量 起升高度 跨度 工 作级别等 其次分析零部件参数确定全局参数 局部 参数 辅助参数和无关参数 全局参数与 多个零部件的结构尺寸相关联 只决定本 零部件结构尺寸参数为局部参数 由全局 和局部参数计算出的结构尺寸参数为辅助 参数 独立但不影响其它零部件尺寸变化的 参数为无关参数 最后进行参数关联分析 及参数的工程约束分析 零部件间的参数 关联通过模型本身的装配来保证 而零件内 的参数关联可以通过 CAD 系统的相关功能 来保证 参数的工程约束分析与设计计算 关联 设计计算与零部件主模型之间需要 建立数据交换机制 参数化主模型的参数 一部分由产品设计计算得到 一部分由设计 人员凭经验根据零件的具体特点确定 在 确定出驱动尺寸和从动尺寸后需要进一步 分析各个尺寸的变化范围 这个范围会影响 到公差数值 标准件和某些非标准件的配 置 在参数化时设计人员只需输人驱动尺 寸的值就可以自动更新从动尺寸 公差 标准件配置等相关因素 门式起重机的设 计计算与数据接口人机交互参数化界面如 图 2 所示 2 1 22 1 2 利用集成建模技术构建门式起重机产利用集成建模技术构建门式起重机产 品主模型品主模型 1 门式起重机主模型全息建模 图 2 门式起重机的设计计算与数据接口人机交互的参 数化界面 全息建模技术就是在建模过程中把产 品模型看成是几何模型和信息模型的有机 3 组合 全息建模的目标是要涵盖产品的几 何模型 特征 属性信息和与产品相关的 大量经验知识 把与产品全生命周期相关 的各种信息集成在一个对象模型中 全面 的表达产品信息 7 创建全息模型时 需 定义相关的设计规则和约束 使得产品设 计人员可以通过约束参数的修改来驱动模 型更新 以集合的形式描述参数化信息模 型 把零件 部件 模块或产品的信息概 括表示为四元组 M s e a c 其中 M 表示零件 部件或产品的信息 s 代表零 件或部件结构化信息 e 表示非结构的经验 知识信息 a 表示非几何属性信息 c 表示 工程约束信息 s 和 a 统称为广义参数信 息 g 通过全息建模能够将以非结构化形式 存在的相关经验知识集成在一起 以几何 特征和结构化属性信息支持产品级参数化 模型驱动 建立零件的主模型时首先先分析该 零件的主变量 建立主要特征 然后分步建 立特征 结合工艺方法来建模 并考虑零件 在参数化模型驱动过程中各特征的变化情 况 还有一些零件上的特征可能在不同条 件下具有不同形状 这种情况就需要建立零 件的配置或者是系列零件设计表 根据需要 来激活某种配置 另外 在主模型模板中 设置好单位 密度等基本信息 装配体采用自顶向下的树形层次建 模方法 产品是由部件和零件按照一定的 特征和约束关系组成的 零件又可以分为 更低一级的零件和元件 同样零件和元件 之间也按一定的特征和约束关系构成 即 根据门式起重机的结构特点 功能特点及 零部件之间的约束关系把其化分为多个结 构和功能相对独立的一级子装配体 如主 梁 端梁等 然后再把一级子装配划分 为多个二级子装配体 如支座 连接板等 这样依次划分直至最后一级 图 3 为 门式起重机树形层次装配模型结构 对于 产品 A RiA表示产品族 R 表示产品 则RA RiA i 1 2 m 表示 产品族RA由m个产品 R 的集合组成 对于任 何一个产品R 可以表示为RiA Rj A j 1 2 n 表示任一个产品 R 可以由下层的m个 组成部件的集合组成 而部件又有b组成 直到该组成零件为元件 产品的变型设 计的 基本元素就蕴含于这些部件 零件与元件 之间 在建立门式起重机主模型时利用 Solid Works 软件的自定义属性可以添加所有的结 图 3 门式起重机树形层次装配模型 构化属性信息 这些信息都是和零部件模 型相关联的 能够实时地反应零部件模型的 变化情况 门式起重机模型中需要添加的 属性信息包括 材料 Material 重量 Weigh t 图纸代号 DrawingNo 零件代号 PartNo 零件序号 NO 展开长 Length 等 这些基本 信息还能通过注解内容的属性链接反映在 二维工程图上 帮助处理工程图信息 2 门式起重机主模型的更新驱动 在产品概念设计阶段建立面向对象的 产品数据结构 构造产品树 并且把零部件 的特征信息以及约束关系信息存储在里面 并且可以通过指针 链表等工具方便地对 树中的每一数据进行插入 查询 删除和 修改等操作 如更改某一零部件的信息只 是局部的数据更改 不影响整个产品结构 的变化 8 实现过程如下 将各零件按照一 定的规则赋予代号编码 PartID 将零件类 分为属性信息和特征信息 操作函数封装 在二次开发软件的 API 函数中 并将这些 可变信息封装起来 只要将零件的边 面 与产品类里面的信息建立配合关系 按照 一定的推理机 调用对应的方法 更新产 品树特征 就会进化成或实例化为客户需 4 要的产品 IPD 模式下 整个装配体系结构分为 三个层次 装配信息层和装配模型驱动层 装配工艺层 通过知识重用的思想 组 合成一个闭环系统 从而建立完善的产品 通用变型设计模块 达到将模块化产品分 别驱动其各个装配模块的目的 通过在程 序中添加公式算法或者直接在交互界面中 输入参数均可进行驱动 图 4 为 IPD 模式 下门式起重机全息装配设计及变型设计系 统 图 4 IPD 模式下门式起重机全息装配设计及变型 设计系统 图 5 为门式起重机三维参数化变型设 计中参数传递与驱动方式 图 5 参数化变型设计中的参数传递与驱动方式 2 22 2 基于知识重用的门式起重机产品族模基于知识重用的门式起重机产品族模 块化主结构的配置设计块化主结构的配置设计 产品族设计是实现产品系列化和多样 化的基本环节 它是一种利用有限的开发制 造和服务 发展产品多样性的方法 9 建立 门式起重机产品族主结构需要全面了解产 品模块的所有可能组合 在此基础上构建 一个可配置的产品结构 然后根据不同用 户的需求 采用配置设计和变型设计相结 合的方法 从产品族主结构中派生出客户 定制的产品结构 其实现过程如下 事先 在产品模型库根据产品的参数化信息模型 设置配置模块并建立门式起重机基本模块 的层次结构 然后利用知识库对配置模块 进行检索 约束规则判断以及对检索到的 相似模块进行修改 重组形成门式起重机 产品的主结构 根据配置模块对实现产品 功能的基本特点将配置模块分为四种类型 基本配置模块 是指组成一个产品是 必须包括的模块 配置设计时直接选定 必选模块 是指必须按照一定的规则 从产品族主结构的指定模块中选择一定 数量的模块加入到定制产品中 结构变型配置模块 结构变型是指部 件的组成结构发生变化 可通过结构选项的 取值选用不同的零部件来实现变型设计 根据产品族中的可选件 替换件 组合件 选择件和互斥件等信息 按客户订单需求 设 置配置条件 对产品结构节点上的配置模块 集合中的元素进行可选性配置 通过产品 的结构变型 可实现产品族内的产品组合设 计 几何变型配置模块 几何变型是指 零部件的主要功能特征都相同 只是其几何 规格或内部属性发生变化 通过选取不同尺 寸参数或属性值获得新的产品实例 通过 产品的几何变型 可实现门式起重机产品族 内系列产品的设计 门式起重机的知识库利用 SQLServer20 05 进行管理 利用 VB 的 ODBC 功能实现知识 库的编辑与维护 它以列表的形式把知识 库中的知识显示给用户 用户可通过它完 成对知识库中知识的浏览 添加 删除和 修改 知识库中存放了以规则形式表示的 领域知识 由多个数据库文件组成 每个 文件对应一项任务 规则的表达形式主要 有等式表达式规则 不等式规则 产生式 规则 方程组规则与模糊规则约束等 组 成各种配置约束关系如可选关系 互斥关 系 依赖关系 选择关系等 逻辑表达的表示方式如下 If precondition then CF1 Elseif precondition then CF2 Else then CFn 5 其中 precondition 是由主模型集合中 的参数化模型信息集合 M 中的元素 si ei ai ai ci组成的各种表达式 根据配置设计规则和树形节点遍历的 方法选择结构变型配置模块和几何模型配 置模块自动实现门式起重机产品族的多种 结构变型设计 图 6 表示了基于门式起重 机产品族模块化主结构的配置设计过程 首先 根据客户的需求 确定配置设计规则 然 后 通过产品族的主结构 按照知识库确 定的配 图 6 门式起重机产品族模块化主结构的配置设计 过程 部分 置设计规则 在产品族主结构中由配置约 束关系选择必选模块 结构变型配置模块 几何变型配置模块共同构成定制产品的 产品结构 产品结构中的零部件可以根据 需要 通过主模型进行变型设计 2 32 3 门式起重机产品变型后的相关图形及门式起重机产品变型后的相关图形及 数据信息的处理数据信息的处理 2 3 12 3 1 工程图的自动调整与优化工程图的自动调整与优化 一般的机械产品在三维开发平台下 如 PRO E UG SolidEdge 等 变型驱动后 生成的工程图 其视图布局 比例 尺寸 各注释的位置等都与国标相差甚远 不 适于直接作为加工参考 严重影响了三维 参数化变型设计的因此需对其进行调整 解决方法是通过程序自动实现 利用 Solid Works API 接口函数 View 对象的 GetAnnot ations GetBaseView GetBreakLines G etBomTable GetName SetName Positio n 等属性和方法 可以通过这些属性和方法 获取和设置工程图的属性以及调用工程图 上的一些命令方法 通过程序读取每个视 图的中心位置 并把它记录在 Read dat 文件内 如图 7 所示 图 7 通过遍历视图所获取的视图信息 Read dat 记录了通过视图遍历的方法 获取的视图信息 工程图自动调整程序 也 是通过视图遍历的方法对视图逐一调整 调整的内容包括 视图比例 视图位置 尺 寸与注释 BOM 表等 图 8 为工程图自动调 整的流程 利用获取到的视图信息 结合 相应的坐标公式 采用适当的算法便可实 现对工程图的自动调整 6 图 8 工程图自动调整流程 a 尺寸位置的调整 尺寸位置调整原理是基于尺寸层的 在尺寸标注的时候 将视图外部尺寸归入 尺寸层 在调整的时候 首先通过遍历获 得各层的尺寸 然后在程序中设置每一层 尺寸距离视图外边界的距离 通过判断如 0 1 0 5 0 1 0 1 1 0 0 2 1 0 0 0 等尺寸层的类型与方向 就可以计算处尺寸层的位置 具体计算公 式如下 2dim 2dim MaxWDim DPSn xx MaxHDim DPSn yy Dx 表示尺寸在图纸坐标系下 X 方向的坐标 值 Dy表示尺寸在图纸坐标系下 Y 方向的 坐标值 表示视图在图纸坐标系下的实际定 位坐标 MaxWDim MaxHDim 表示视图在宽 度 高度方向的最大尺寸 Sdim表示尺寸 与尺寸之间的间距 n 表示尺寸距离视图边 界的层数 b BOM表的调整 BOM表作为工程图的重要组成部分 它 用于反映各零部件之间相互关系及其代号 标准件号 名称 数量 材料等属性信 息 为此 如何在三维模型参数化驱动之后 生成正确 符合要求的明细栏 是获得高质 量工程图的必要前提 也是保证整个三维参 数化变型设计系统可靠性的重要基础 10 基于参数化模型驱动的工程图明细栏自动 生成与调整技术 主要包括零部件序号调 整 行距及列宽的控制以及明细栏的折断 明细表链接的属性随模型的信息而变化 利用SetColumnWidth属性设置明细表列宽 SetRowHeight属性设置明细表行高 明细 表行数的添加利用InsertBomTable2函数插 入空行 明细表的折断是通过判断明细表 的行数是否超过规定的行数 然后计算折 断的位置 计算定位点 利用 Split MoveOrCopy函数将折断的明细调整 到所要定位的位置 c 视图位置的调整 模型变型驱动后生成的工程图容易出现 错位 剖面视图不在位或悬空 局部视图 缺失等问题 视图位置的调整就是通过调 整视图的定位点 使其返回到驱动前视图 的坐标 调整方法是用程序定义的变量来 读取 记录每个视图的中心位置 并进行坐 标转换计算 模型驱动完成后对工程图进 行位置调整时 使视图的新中心位置坐标与 原中心位置坐标相重合 这样就避免了视图 与视图之间的错位 并符合了企业标准 类似地 视图比例与注释 工艺信息的 更新等利用 SolidWorks API 对象的属性及 几何关系式 采用适当的算法 根据 read dat 文件内读取的数据信息编制工程图自 动调整程序自动实现 2 3 22 3 2 实现与工艺信息 实现与工艺信息 PDMPDM 的无缝集成的无缝集成 PDM 将与产品相关的信息以及与产品相 关的过程进行了集成 使 CAD 与 CAPP 信息 共存于 PDM 系统的数据库中 在 SolidWorks 的对象模型中提供了外部应用程序对模型 文件及其相关属性和变量进行访问和操作 的外部接口 通过该接口可实现对模型的特 征及其属性 变量进行定义和编辑的操作 这样可将模型的工艺信息以属性或变量的 形式附加于设计模型上 如图 9 所示为 CAD 模型与 PDM 系统信息传递的层次结构 通 过 7 图 9 CAD 模型与 PDM 系统信息传递的层次结 构 GetPropertyExtension GetSelectedObje ctType 等 API 函数对信息模型特征的特征 信息进行访问 获取工艺信息 基于此 在工 艺决策层通过模糊关系推理可确定零件的 加工方案 进而得到合理的加工链 将加 工链进一步分解得到加工工艺路线 工序 工时和材料定额等工艺信息并以属性的 形式存储于模型文件中 从而从逻辑和存储 两个角度均可实现设计和工艺信息的集成 通过数据接口模块 直接与 PDM 系统进 行通讯 将所有的数据上传到 PDM 数据库 中 为产品的全生命周期管理提供了基础 3 应用