三維特征造型系統中裝配與零件設計的聯動
2008-12-31 00:00:00岳利強朱長才
計算機應用研究 2008年11期
(清華大學 a.計算機科學與技術系；b.軟件學院， 北京 100084)
摘要：為了在現有系統的基礎上實現變量化設計，研究了三維特征造型系統中的層次化單元裝配模型，在此基礎上加入了裝配單元對變量化設計的改進，進一步實現了裝配設計和零件設計的聯動，有效地進行了變量化設計，并且在裝配設計模塊中給出了具體的應用實例。
關鍵詞：裝配設計; 零件設計; 裝配模型; 變量化設計
中圖分類號：TP391文獻標志碼：A
文章編號：1001-3695(2008)11-3374-02
Interaction of assembly and part design in 3D feature based on modeling system
YUE Li-qianga，ZHU Chang-caib
(a.Dept. of Computer Science Technology，b.School of Software， Tsinghua University， Beijing 100084， China)
Abstract:This paper presented and studied the hierarchical assembly component model.the improvement of variational design in assembly design，and interaction of assembly and part design.On these basis，variational design can carry through effectively.At the end，gave some examples of assembly design.
Key words:assembly design;part design;assembly modeling;variational design
在一個三維造型系統中，零件設計是最基本的模塊，是裝配設計、工程圖設計以及其他擴展功能模塊的基礎。對于復雜的模型，裝配設計也是非常重要的，它將各個零件通過一定的裝配約束關系裝配起來，以滿足特定的功能要求。對零件設計與裝配設計的有機結合可以為產品設計提供極大的幫助，提高整個產品開發的效率。由于裝配設計中的裝配體是由零件體構成的，可以方便地實現從零件體到裝配體的數據交換。但是在裝配設計中對零件體、裝配關系等進行修改，如何完成從裝配體到零件體的數據交換是相對比較困難的。更進一步，如何對數據改變所產生的變量化影響進行處理則是目前CAD領域研究探討的熱門話題。
1988年PTC公司推出基于參數化特征造型技術的新一代實體造型系統Pro/Engineer系統，被認為是CAD發展史上的一次質的飛躍，極大地簡化了產品建模過程。此后許多CAD/CAM公司都推出了自己的參數化特征造型系統。國外主要有UGS公司的Unigraphics、生信國際公司的SolidWorks、IBM公司和達索飛機公司的Catia等；國內主要有北京航空航天大學的CAXA系統、清華大學的TiGEMS系統、浙江大學的大天系統等。1997年SDRC公司首次推出了變量化技術，這是參數化技術的一次飛躍。變量化技術將整個設計草圖當做一個完整的系統來考慮，與構造過程的順序無關。變量化技術提供的靈活更改模型的方式有效地支持了CAD的概念化設計，可以使設計者的創造力和想象力得到更充分的發揮。
1裝配模型
目前文獻中主要存在三種裝配模型：樹結構模型[1]、圖結構模型[2]、Virtual Link模型[3]。在TiGEMS造型系統中，本文借鑒了這三種模型，在Zdrahal和Valasek提出的層次化任務模型[4]的基礎上，給出了一種支持功能設計的層次化單元裝配模型。
11層次化單元裝配模型
裝配并不是一個單一層次上的問題。由于子裝配的引入，子裝配內部、子裝配與零件之間都可以任意定義裝配約束。因此，裝配約束分布在不同裝配層次上，構成了典型的層次結構。
如圖1所示，本文引用了VL模型的層次表示概念，給出一種層次化單元裝配模型，將VL模型中的約束層次關系擴展成為一種邏輯層次關系。同時引入單元的概念統一表示裝配體、子裝配體和零件(利用面向對象技術的繼承與派生技術，實現裝配單元和零件單元)。
具有層次化結構的裝配單元可以表示從零件到部件，到產品的各個層次的功能結構，因此單元設計是基于層次化裝配單元模型的裝配設計的主要任務。單元設計建立在已知的功能結構基礎上，基于單元的產品設計過程是根據產品的功能需求，將產品單元按照已知功能結構分解為一系列子單元的過程。與Zdrahal和Valasek給出的層次化任務模型相似，單元設計的過程如圖2所示。單元的設計分為單元選擇、結構設計和參數設計。功能映射往往存在多對多情況，單元選擇是指根據映射規則從多個單元中選擇一個，以實現指定的功能。
12基于變量化設計的裝配單元模型
在基于參數化特征造型的CAD系統中，1.1節所描述的層次化單元裝配模型可以良好地反映用戶對于裝配設計模塊的要求。但是在概念化設計中，用戶希望獲得盡可能多的自由。這就要求特征造型系統支持一定的變量化設計。同時，希望能夠在現有系統的基礎上實現這一要求。
在原有的層次化單元裝配模型的基礎上，加入了裝配單元對于變量化設計的改進。如圖3所示，當用戶發出變量修改信息后，系統將查找相應的裝配單元，完成相應的操作。
2裝配與零件設計的聯動
本文實現了在TiGEMS造型系統支持一定的變量化設計，支持零件和裝配體的聯動。本章主要介紹其具體過程。
21三維標注分類
變量化設計首先需要獲取相關數據。這就需要三維標注的支持。如表1所示，在裝配設計中，三維標注主要分為三大類：一類是標注零件或裝配體間的約束尺寸；另一類是標注零件的草圖尺寸或特征參數；第三類是標注其他參考尺寸。能夠引起變量化設計的是第一類和第二類三維標注。當用戶對這兩類數據進行修改時，系統將進入相關流程，進行變量化設計驅動。
表1三維標注分類
標注種類說明
結構尺寸標注零件或裝配體間的約束尺寸
參數尺寸標注零件內部的約束尺寸
標志尺寸標志任意實體之間的尺寸關系
22相關模塊數據結構
三維零件和裝配模塊重定義了所有特征的基類，里面定義了所有特征的基本屬性：具體的有表示特征的ID（在同一個零件中，每個特征的ID值是惟一的）；記錄特征的標志信息（該特征是否可刪除、是否可改名等）；記錄了特征的狀態信息（該特征是否被掛起、是否構造時失敗、是否顯示、是否固定、是否被選中等）；記錄特征所屬的部件（零件、裝配等）；表示特征的屬性（包括特征名稱、特征創建者、特征創建時間等）；包含四個存儲特征ID的數組，記錄了特征在邏輯上和特征樹上的依賴關系（兩組是該特征的邏輯上和特征樹上的父特征，另一組是該特征的邏輯上和特征樹上的子特征）。另外定義了所有特征的基本操作，如copy用于特征復制、build用于特征構造、draw用于特征的顯示等。
23聯動流程
由于裝配設計中的裝配體是由零件體構成的，可以方便地實現從零件體到裝配體的數據交換。TiGEMS系統中裝配設計模塊與零件設計模塊交互的原有流程如圖4所示。
當零件設計模塊中的零件體發生變化時（主要由修改草圖尺寸和修改特征參數引起），零件體將進行重構，得到新的零件體。如果此時系統中有相應的裝配體正在后臺等待編輯，系統在該裝配體所在文檔切換到前臺時對裝配體進行更新，然后重構裝配關系，生成新的裝配體。在這個過程中，用戶如果對裝配設計模塊中的某個零件不滿意，只能夠在零件設計模塊中對該零件進行修改，然后再回到裝配設計模塊中觀察修改的效果。這并不能做到零件設計模塊和裝配設計模塊的聯動。
要做到零件設計模塊和裝配設計模塊的聯動，就必須實現裝配設計模塊中的直接驅動，即直接在裝配設計模塊中標注和修改三維尺寸，同時更新相應的結構關系和零件參數。為此，新加入的裝配設計模塊與零件設計模塊交互的流程如圖5所示。
首先，系統實現了在裝配設計模塊中的三維尺寸標注。用戶可以直接在裝配設計模塊中對零件體進行標注。對三維尺寸的修改將引起裝配設計模塊中相應裝配單元數據的改變。系統將查找相應的裝配單元進行重構，然后更新裝配體，重構裝配關系。
3應用實例
如圖6、7所示，當改變距離和兩個直徑時，機座的形狀自動發生變化來滿足這些改變。其中，當圖6實例A的圓柱體的直徑(20)改成圖7實例A的圓柱體的直徑(24)時，機座的形狀不發生變化。當圓柱體的圓心與機座的底面距離發生改變時（27.64~25.4），由于機座與圓柱體的相切關系，機座高度發生變化。當螺栓的直徑發生變化時(2.3~1.5)，由于機座螺孔與螺栓的等半徑關系，機座螺孔也發生變化。
4結束語
在三維特征造型系統中，對數據改變所產生的變量化影響進行處理，進行變量化設計是造型系統發展的方向。本文在清華大學的TiGEMS造型系統的基礎上，研究了層次化單元裝配模型，加入了裝配單元對于變量化設計的改進，更進一步地實現了裝配設計和零件設計的聯動，有效地進行了變量化設計。筆者下一步的工作將研究變量化設計中復雜裝配關系傳播的問題和過約束判定的問題。
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