面向機械設計手冊的基于Pro/TOOLKIT的三維標準件庫開發

曹 巖 楊艷麗 白 瑀 杜 江 范春霞

(①西安工業大學先進制造工程研究所，陜西西安710032;②深圳大學信息工程學院計算機系，廣東深圳518060)

在查閱有關機械企業的所有零件調查統計報告后，統計數據顯示標準件的使用約占零部件總數的50%，典型的變型零件占40%。生產實踐證明標準件具有優良的性能，采用這些標準件能夠保證產品的質量且可降低企業生產成本［1-2］。標準件庫的建立可以有效地積累設計成果，實現在設計過程中對已有設計資源及成果最大限度地重用，避免重復，提高設計質量與效率。因此，建立適應實際需求的三維標準件庫是必需的。提供標準件庫或提供開發標準件的工具是CAD系統的一個重要組成部分，是評價CAD系統的一個指標。

1 研究目的

在機械設計中，有許多繪圖工作量是涉及標準件，如鉚釘、鉚螺母、螺栓、螺母等。由于這些零部件的數量大，結構形式多，不僅繪圖非常繁瑣，而且還要反復查閱手冊，尋找數據。因而，很需要一種直觀方便、快捷準確地繪制標準件的方法，使用戶能靈活地調用標準件，生成所需的模型。為此應該建立一個標準件庫，這是為了充分發揮CAD軟件的作用而進行的一項重要的二次開發工作。

標準件庫是將各種標準件或零件的信息存放在一起，并配有管理系統和相應CAD標準接口的軟件系統。用戶可以對標準件庫進行查詢、檢索、訪問、提取所需的零件信息，供設計、制造等工序使用。

在Pro/ENGINEER環境下建立鉚連接三維標準件庫，利用VC++6.0的MFC類庫和動態鏈接庫(DLL)方式建立方便快捷的人機對話界面。一方面可以避免設計者繁瑣的標準件繪圖工作，提高設計效率;另一方面也可以提高設計的標準化程度，減少錯誤發生率［3-4］。在Pro/ENGINEER環境下建立鉚連接三維標準件庫的要求如下:

(1)具有各類型的鉚連接標準件;以最新版《機械設計手冊》為依據，針對鉚連接件結構參數的不同將其詳細分類，分析其結構特征。

(2)具有擴展鉚連接標準件庫的能力。

(3)采用的技術便于實現與其他系統的集成。

(4)具有良好的人機交互界面，易學易用。實現對標準件的查詢、檢索、調用及對標準件庫的擴充。

(5)基于最新版的《機械設計手冊》來進行三維標準件庫的開發。

(6)建立的Pro/ENGINEER標準件庫中對應鉚連接標準件模型的調用，自動生成用戶所需的標準件三維模型，供用戶進行裝配等操作。

2 標準件庫系統結構

我國機械制造企業廣泛采用標準鉚連接結構，其結構規范，大多可以套用鉚連接的國家標準或與國標相似的行業或企業標準。Pro/ENGINEER環境下標準件庫的系統結構如圖1所示。其中有用戶管理界面、Pro/TOOLKIT接口程序、標準件模型庫、標準件關系數據庫4個部分。其核心部分為標準件模型庫和標準件關系數據庫2部分。

三維標準件庫是利用特征造型技術建立的，因此在該庫中存儲的并非是帶有具體幾何數據的實體模型，而是各類由尺寸驅動的參數模型。標準件的特征參數庫主要存儲標準件的各種參數。由于零件的參數個數、參數數值類型都因零件的不同而不同，因此每個數據表保存一個標準件的數據。本文選擇Microsoft Access數據庫建立鉚連接標準件的關系數據庫。

系統的用戶管理界面是由若干菜單和窗體組合而成。它是連結標準件模型庫和參數庫的橋梁。當系統接到要求進行構型任務后，用戶界面將提示用戶進行標準件關鍵參數的選擇，系統根據所選的關鍵參數檢索關系數據庫，確定其他參數后，并將處理后的這些參數賦予對應的設計變量，形成與標準件模型相聯系的外部參數文件。然后調出參數化標準件模型庫中事先定義好的標準件模型，并根據參數文件中的參數值對其進行尺寸約束驅動，生成所需規格的標準件。本文采用VC++6.0來開發用戶選擇及管理界面。

2.1 標準件檢索程序模塊

針對鉚連接標準件，該程序模塊可實現與用戶的實時交互，引導用戶選擇鉚連接標準件的具體結構類型。然后，該程序模塊可針對用戶選擇的鉚連接標準件類型，通過交互方式獲得所選標準件的結構參數和性能參數。進而可基于所獲取的參數實現對鉚連接標準件關系數據庫的檢索。該程序模塊基于VC++6.0和Pro/TOOLKIT開發，并作為一個動態鏈接庫，通過菜單掛接在Pro/E環境中運行。

2.2 標準件自動造型模塊

該程序模塊動態獲取標準件檢索程序模塊檢索結果，進而依據獲取的檢索結果實現對鉚連接標準件庫中與檢索結果相對應的鉚連接標準件模型的調用，自動生成對應的鉚連接標準件三維實體模型。

標準件庫檢索程序模塊和標準件自動造型模塊(如圖2)。

3 系統開發關鍵技術

3．1 Pro/TOOLKIT

Pro/ENGINEER常用的二次開發工具有:族表(Family Table)、用戶定義特征(UDF)、Pro/Program、J-link、Pro/TOOLKIT等。本文Pro/TOOLKIT應用程序流程如圖3。

Pro/TOOLKIT支持用戶或第三方在Windows 2000NT/XP操作系統中使用C和C++語言設計程序，采用Microsoft Visual C++6.0的集成環境下完成程序的設計、調試和編譯，開發基于Pro/ENGINEER系統的應用程序模塊，擴充Pro/ENGINEER系統功能，從而滿足用戶的特殊要求。還可利用Pro/TOOLKIT提供的UI對話框、菜單以及VC++可視化界面技術，設計出方便實用的人機交互界面，從而大大提高系統的使用效率。

Pro/TOOLKIT提供了大量針對Pro/ENGINEER底層資源調用的庫函數和頭文件，幾乎覆蓋了Pro/ENGINEER中的所有操作，使用戶或第三方編寫的應用程序能夠以一種可控制的、安全的方式訪問Pro/ENGINEER的數據庫，并可以實現應用程序模塊與Pro/ENGINEER系統的無縫集成。

3．2 族表(Family Table)

Pro/ENGINEER的族表是零件的集合，這些零件的特征基本是相似的。用族表方式創建標準件庫通常適用于那些系列化的、工作中固定不變的標準件。使用族表可縮短產品設計的周期，改善設計質量，提高設計自動化程度，實現標準件庫系統與PDM系統(Pro/Intralink)的集成，以滿足零件數據管理需要。

族表是Pro/ENGINEER中的一個利用表格來驅動模型的工具。用戶可以將事先定義好模型(在表格中稱之為GENERIC)零件的可供驅動的尺寸參數、特征、模型等放入表格中。用戶在表格中輸入的參數值就可以創建一個新的零件(在表格中稱為INSTANCE零件)。通過族表可以方便管理具有相同或相近結構的零件，特別適用于標準零件的管理。族表通過建立通用零件為父零件，然后在其基礎上對各參數加以控制生成派生零件。整個族表通過電子表格來管理，所以又被稱為表格驅動。

可利用族表建立標準件庫，對于重復性高、相似性大的零件或標準件，不需要每個規格都建立一個零件，使用一個原始樣本零件(Generic Part)及一個族表，即可自動生成按族表所示尺寸比例的實例零件。

運用零件族表進行建立標準件庫時，具體方法有兩種:①利用Pro/Engineer本身提供的零件族表功能手工完成。該方法用戶無須編程，即可控制組合零件模型的形狀和尺寸;②采用CAD接口組件開發方法實現。本文中采用手工方法建立鉚連接標準件的族表。

3.3 基于特征建模和族表的鉚連接標準件庫的建立

利用Pro/ENGINEER強大的特征建模和族表功能，可以很好地解決在基本模型建立以后的多個參數的驅動問題，從而實現了Pro/ENGINEER三維參數化功能的擴展。

在建立鉚連接標準件模型庫之前，首先根據其結構對其進行分類。根據所劃分的鉚連接標準件類型和標準件的相似性原理，確定能夠完整表示該系列標準件所有零件特征的復合零件，分析其特征及特征的創建順序。根據該復合零件可以派生出此系列標準件中的任一零件。在Pro/ENGINEER環境下創建其三維零件模型，即三維零件樣板，并實現模型的參數化驅動。在三維零件樣板的基礎上確定一組設計參數來控制零件的形狀和拓撲關系，并建立零件族表設計參數的系列尺寸;通過添加不同的系列尺寸來自動生成零件的三維模型，從而實現常用標準件庫的創建。創建步驟如圖4。

(1)為了確保參數驅動時不會發生特征再生失敗，建立標準件庫之前，應進行深入的分析，充分考慮特征的“父子”關系，遵循一定的順序建模，一般情況下是將固定不變的形狀特征放在前面，變化可能性最大的特征放在后面。避免特征再生時沖突，這樣做便于參數化驅動得到所需要的零件。

(2)在Pro/ENGINEER中完成零件樣板三維模型的創建。創建一個作為原型零件的模型，并在該模型上定義參數之間的關系等。

(3)利用Pro/ENGINEER系統中的Family Table，創建形狀結構相似而尺寸略有不同的標準件庫。使用特征收集器的功能加入特征、尺寸、參數等內容供子零件產生變化。

(4)驗證族表的正確性，使每個子零件均可以順利產生。驗證結果依照原型零件的名稱記錄，其文件格式為:*.tst，該文件記錄子零件的名稱和再生結果。

通過創建關系式，使得零件族表中的設計參數與系統默認的約束參數符號建立關聯，當選擇某個實例進行參數化重構時，實際是普通模型為樣板模型，族表中該實例的設計參數的值，通過參數約束方程傳遞給使Pro/ENGINEER系統自動創建的約束參數名，然后進行模型重構，最后通過布爾運算即可得到所需的衍生件。基于族表技術的Pro/ENGINEER系統零件生成流程如圖5。

3．4 利用MFC開發Pro/TOOLKIT應用程序

目前，利用Microsoft Visual C++MFC(Microsoft Foundation Class)開發人機交互界面是常用的方法，能向用戶提供圖形與文字共存的可視化環境，使操作更為自然、簡便和快速，技術也比較成熟。因此，本文采用VC++6.0開發人機交互界面。

Pro/TOOLKIT并不提供對MFC的支持，因此不能直接應用MFC對話框，想利用MFC強大功能實現對話框的開發，必須以通信方式實現在Pro/TOOLKIT中調用MFC，本文在Pro/TOOLKIT與MFC之間采用動態鏈接庫(DLL)方式通信，在Pro/ENGINEER與Pro/TOOLKIT接口技術之間也采用同步模式中的動態連接模式(DLL)方式通信。

創建Pro/TOOLKIT應用程序有兩種方法:一種方法是選用Make文件創建Pro/TOOLKIT應用程序;另一種方法是利用VC++向導創建Pro/TOOLKIT應用程序。本文中采用VC++向導創建Pro/TOOLKIT應用程序。

利用VC++的應用程序設計向導可以方便快速地創建Pro/TOOLKIT應用程序的基本框架。標準件庫的界面采用下拉菜單和對話框相結合的方式。從下拉菜單中選擇所需要的鉚連接標準件的種類，如圓頭鉚釘、平頭鉚釘、空心鉚釘等，并負責應用程序的裝載、執行;對話框包括鉚連接標準件中鉚釘和鉚螺母的用戶選擇界面。

菜單是Pro/ENGINEER的主要用戶界面。菜單的實現包含了兩部分內容，即添加菜單標簽供用戶選擇和實現相應的菜單功能。菜單的實現方法如下:

(1)建立共享MFC的常規DLL工程，命名為Fan-ProLib.dll;

(2)編寫接口頭文件;

(3)編寫FanProLib.cpp文件;

(4)添加主菜單項，利用ProMenubarMenuAdd()函數實現;

(5)添加主菜單項下的功能菜單項(下拉菜單)。

在Pro/ENGINEER中運行Pro/TOOLKIT應用程序，必須先進行注冊。注冊文件(Registry File)的作用是向Pro/ENGINEER系統傳遞有關Pro/TOOLKIT應用程序的信息。Pro/ENGINEER可通過此文件來定位Pro/TOOLKIT應用的資源文件。Pro/TOOLKIT應用程序的注冊有兩種方法，一種是自動注冊和運行，另一種是手動注冊和運行。

3.5 數據庫接口技術

在零件的設計過程中，經常需要考慮零件的機械性能及幾何參數，通常的方法是查閱《機械設計手冊》，因此浪費了大量的時間。在標準件庫系統中利用數據庫技術，將該零件機械性能參數保存在數據庫，在需要時查閱，可以大大方便零件的設計。依據《機械設計手冊》，選取Microsoft Access 2003數據庫來建立鉚連接標準件關系數據庫及其檢索和查詢功能。

通過VC++可以實現Access與Pro/ENGINEER軟件的對接，在Pro/ENGINEER中就可以調用Access數據庫資源，如圖6。

對于鉚連接標準件庫，在Access中用表格的形式對每種標準件的型號進行存儲，用VC++開發對話框界面，實現人機交互。利用VC++中的MFC ODBC編程實現對用Access建立的鉚連接標準件庫相關數據的檢索和查詢功能。

因鉚連接標準件庫的數據是通過使用Access等軟件利用表格預先存儲的，便于對現有庫進行修改、部分內存資料刪除和增加，可以實現數據共享，大大減少了數據的冗余。為確保準確性，每一個參數表中的數據都來源于《機械設計手冊》，因此標準件參數庫也可以作為一個標準件簡明手冊。

4 系統應用

啟動Pro/ENGINEER軟件，進入系統初始界面，如圖7所示。以半圓頭鉚釘為例，說明鉚連接標準件庫系統的使用過程。

在菜單中選擇“標準件庫”→“鉚連接”→“鉚釘”，進入鉚釘選擇界面，如圖8所示。然后，在鉚釘分類框中選擇所需類型并選擇數據庫中參數，單擊“確定”按鈕，就可調出半圓頭鉚釘的派生零件，如圖9。

5 結語

CAD發展的方向是開放性、集成化、智能化、網絡化和標準化。基于Pro/ENGINEER平臺進行符合我國標準的標準件庫的二次開發。在系統設計中，主要從符合工程技術人員的習慣、提高標準件設計的效率和質量、標準件庫使用方便的角度出發，開發了常用鉚連接標準件庫和方便實用的人機界面，實現了其與Pro/ENGINEER的集成，從而可以更方便調用鉚連接標準件進行產品設計，減少了重復性勞動，提高了標準化程度。

系統中模型數據都來自于最新版的《機械設計手冊》，模型數據可靠，因此該標準件庫系統可以看作是一個機械標準件電子手冊，顯示直觀、逼真，用戶界面友好、美觀大方，可視化程度高。具有Windows操作經驗的用戶即可方便地使用該系統。

所采用的建庫方法具有推廣性，專門應用領域的用戶可用來擴充所需的標準件庫和通用件庫，提高開發效率和質量。在標準件庫的擴充和標準件的裝配設計上，尚需做進一步的深入工作。

［1］黃小龍，張子兵.基于Pro/E的三環減速器參數化設計系統開發與研究［J］.機械設計與制造，2007(4):66-67.

［2］賈承安，郝濱海，徐桂華.基于Pro/FamilyTable十字軸類冷擠壓件三維零件庫的開發［J］.鍛壓裝備與制造技術，2007(5):96-98.

［3］吳海華，曾孟雄.基于Pro/ENGINEER的三維標準件庫研究與實現［J］.機械設計，2003，20(9):31-32.

［4］蔣家東，張福潤，楊楚民.使用Pro/ENGINEER二次開發技術自動建模研究［J］.計算機應用研究，2003(4):75-77.