機械產(chǎn)品的協(xié)同仿真設(shè)計*

張開利 ，齊智敏 ，張安華

(1.遼東學(xué)院 信息技術(shù)學(xué)院，遼寧 丹東118003；2.遼寧機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 設(shè)備處，遼寧 丹東118002)

現(xiàn)今機械產(chǎn)品設(shè)計呈現(xiàn)多元化、實用化、信息化的特點，需要提供新的工作環(huán)境來滿足這種變化；傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品生產(chǎn)從設(shè)計到原型生產(chǎn)、測試需要花費很多時間，開發(fā)周期長，而且各個環(huán)節(jié)之間缺乏信息溝通，常導(dǎo)致設(shè)計人員之間的合作不協(xié)調(diào)。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)品協(xié)同仿真設(shè)計應(yīng)運而生。協(xié)同仿真設(shè)計改變了傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，適應(yīng)當(dāng)今紛繁多變的市場需求及團隊合作研發(fā)[1-2]。

1 協(xié)同仿真設(shè)計

1.1 協(xié)同仿真設(shè)計的必然性

現(xiàn)今的機械設(shè)計已經(jīng)演變?yōu)橐粋€多學(xué)科、多技術(shù)的綜合研究領(lǐng)域，機械產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜度越來越高，設(shè)計活動越來越強調(diào)基于知識資源的協(xié)同設(shè)計，從而克服時間、空間、計算機軟硬件等限制，形成一個便于群體相互交流和合作的“虛擬同地”的共同設(shè)計空間，由于協(xié)同設(shè)計人員分布于不同的單位及機構(gòu)，使研發(fā)資金分散開來，降低了各部門的研發(fā)開支。協(xié)同設(shè)計可以充分利用機械產(chǎn)品研發(fā)中的不同知識資源，避免大量“知識孤島”的形成，提高知識共享和重用效率，加快創(chuàng)新速度。

另一方面，為了改變原始的工人原型生產(chǎn)弊端，在機械產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計階段可以采用仿真設(shè)計。仿真設(shè)計充分利用各種有效資源實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)字模擬、性能仿真分析，方便、安全地找出產(chǎn)品的錯誤設(shè)計，及時改正，保證產(chǎn)品的安全性；研發(fā)過程充分匯集了工程實用信息、產(chǎn)品最新理念信息及其他相關(guān)信息，確保產(chǎn)品的實用性和創(chuàng)新性。為了最大限度地提高產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)程，將協(xié)同設(shè)計和仿真設(shè)計合二為一，協(xié)同仿真設(shè)計是目前制造業(yè)的重要應(yīng)用技術(shù)[3]。

1.2 協(xié)同仿真設(shè)計的工作原理

分布在不同地點的設(shè)計人員通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行產(chǎn)品協(xié)同仿真設(shè)計，生成產(chǎn)品數(shù)字原型，在虛擬環(huán)境中做相關(guān)實驗、測試，確保生產(chǎn)進(jìn)度并保證產(chǎn)品質(zhì)量。協(xié)同工作模式在時間段上可以是同步或異步，在整個協(xié)同設(shè)計過程中，用戶可以根據(jù)實際情況選擇使用。

例如，設(shè)計者A邀請設(shè)計者B對他的設(shè)計目標(biāo)進(jìn)行操作時，二者可以共同設(shè)計目標(biāo)產(chǎn)品，同時可以進(jìn)行信息交流，操作過程中需要滿足仿真數(shù)據(jù)與模型顯示同步，所以傳輸數(shù)據(jù)應(yīng)盡可能少，這里利用VS C#中的ADO.NET和XML的緊密集成、顯示統(tǒng)一作為網(wǎng)絡(luò)編程接口的基礎(chǔ)，實現(xiàn)協(xié)同仿真設(shè)計開發(fā)，如圖1所示。

產(chǎn)品設(shè)計過程中產(chǎn)生的大量仿真數(shù)據(jù)，需要優(yōu)化管理，否則占用的存儲空間較大，通常在幾百兆至上千兆之間。協(xié)同仿真設(shè)計在數(shù)據(jù)管理方面可以采用自動管理和人工管理兩種方式，前者獲取多人設(shè)計的最優(yōu)仿真數(shù)據(jù)替換原始數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)冗余；后者由多人設(shè)計組組長來確定是替換原始數(shù)據(jù)還是產(chǎn)生新數(shù)據(jù)，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)不會丟失。通常情況下，可以采用前者，重要設(shè)計時應(yīng)該指定組長來主控。

2 機械產(chǎn)品的協(xié)同仿真設(shè)計

2.1 SolidWorks做二次開發(fā)的先決條件

SolidWorks是一種全新的三維機械仿真軟件，以PDM為平臺，集成CAD/CAE/CAPP/CAM等CAX軟件，提供全參數(shù)化三維實體造型設(shè)計；并提供了幾百個API函數(shù)，為二次開發(fā)提供了充分空間。基于SolidWorks的二次開發(fā)創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)支持的協(xié)同仿真設(shè)計系統(tǒng)，可以充分利用異地資源，大大提高設(shè)計效率，減少設(shè)計成本，具有重要的現(xiàn)實意義。

SolidWorks二次開發(fā)可以采用OLE技術(shù)或COM技術(shù)。利用OLE技術(shù)可以開發(fā)獨立的可執(zhí)行程序(*.exe)，用戶可以使用來自兩個或多個Windows應(yīng)用程序的資源來解決復(fù)雜的應(yīng)用課題；基于COM的技術(shù)可以使用最多的SolidWorks API函數(shù)，生成 *.dll格式的文件，加載到主架構(gòu)應(yīng)用系統(tǒng)中，形成二次開發(fā)軟件系統(tǒng)的一個插件。一般情況下，在執(zhí)行SolidWorks中的大部分操作時，模塊內(nèi)的DLL比模塊外的EXE運行速度快許多，因此采用COM技術(shù)開發(fā)方式比較多。

2.2 SolidWorks協(xié)同仿真組件的二次開發(fā)

SolidWorks同其他CAD軟件一樣，是針對整個制造業(yè)所設(shè)計的通用軟件，而非為某個具體行業(yè)和企業(yè)量身訂制，因此不能最大程度地滿足具體用戶的特殊要求，常常要對SolidWorks進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)三維CAD系統(tǒng)的專業(yè)化和本土化。Microsoft推出的Visual C#是一個純面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計語言，其編譯系統(tǒng)提供了與其他軟件系統(tǒng)良好的接口，很適合對SolidWorks進(jìn)行二次仿真開發(fā)，這里采用COM技術(shù)對SolidWorks做二次開發(fā)。

2.2.1 仿真組件二次開發(fā)

首先，SolidWorks API需要導(dǎo)入Visual C#編譯系統(tǒng)，即執(zhí)行“選擇工具箱項”命令，切換到“COM組件”選項卡導(dǎo)入SLDWorks類庫；接著，在“解決方案資源管理器”中引入命名空間SldWorks，即實現(xiàn)SolidWorks API函數(shù)庫的導(dǎo)入；最后，利用導(dǎo)入的函數(shù)庫資源進(jìn)行程序編碼，代碼經(jīng)過編譯生成零件仿真組件PartsDLL.dll，將組件PartsDLL再嵌入仿真應(yīng)用系統(tǒng)，則此系統(tǒng)便可以在需要的地方創(chuàng)建PartsDLL中類的對象并進(jìn)行對象行為的執(zhí)行，由此完成SolidWorks仿真組件二次開發(fā)，實現(xiàn)Solid-Works的專業(yè)化、本土化。

2.2.2 基于仿真組件的協(xié)同設(shè)計開發(fā)

在專業(yè)化、本土化的SolidWorks仿真組件基礎(chǔ)上再做協(xié)同設(shè)計開發(fā)，這里協(xié)同模式包括自動管理和人工管理兩種方式。協(xié)同設(shè)計過程中要求傳輸數(shù)據(jù)量應(yīng)盡可能少，這里提出XML增量數(shù)據(jù)傳輸。如設(shè)計者A在數(shù)據(jù)模型上做參數(shù)修改，建立與參數(shù)模型相對應(yīng)的中間變量。此中間變量中包括原標(biāo)識碼、新標(biāo)識碼及其他參數(shù)，并將此中間變量中機械產(chǎn)品的修改參數(shù)替換數(shù)據(jù)庫中對應(yīng)記錄的相應(yīng)參數(shù)。設(shè)計者B做協(xié)同設(shè)計時，可以讀取設(shè)計者A的數(shù)據(jù)庫中記錄的變動元素信息，轉(zhuǎn)換成XML增量文件做數(shù)據(jù)傳輸，接收到本機后從XML增量文件中抽取增量信息，利用原標(biāo)識碼在數(shù)據(jù)庫中檢索此記錄，若此次是自動管理協(xié)同設(shè)計，則將抽取到的增量信息替換檢索記錄中的對應(yīng)字段；若此次協(xié)同設(shè)計很重要，采用人工管理方式，由組長確定是替換原記錄還是產(chǎn)生新記錄[4-6]。然后調(diào)用DLL仿真組件來繪制出三維仿真數(shù)據(jù)模型，并實現(xiàn)產(chǎn)品模型在設(shè)計者A與設(shè)計者B之間的同步顯示，完成協(xié)同設(shè)計的任務(wù)，具體實現(xiàn)如圖2所示。

將生成的多個DLL仿真組件及一個DLL協(xié)同設(shè)計組件嵌入到仿真應(yīng)用系統(tǒng)中，實現(xiàn)協(xié)同仿真設(shè)計開發(fā)，如圖3所示。

2.3 齒輪的協(xié)同仿真設(shè)計

齒輪傳動的設(shè)計參數(shù)不僅對齒輪的壽命和強度產(chǎn)生影響，而且對齒輪組在嚙合的傳動性能也有很大的影響。例如齒輪模數(shù)大小的變化對齒輪傳動中齒輪振動、潤滑間隙、齒輪嚙合穩(wěn)定性會產(chǎn)生影響，從而影響齒輪的強度及壽命；齒輪螺旋角的大小對于齒輪傳動的扭矩和齒輪的強度產(chǎn)生影響；變位齒的變位系數(shù)的變化直接產(chǎn)生齒輪根切，影響齒輪的傳動。

這里設(shè)計者A和設(shè)計者B對齒輪模數(shù)做協(xié)同仿真設(shè)計，設(shè)計者A先對產(chǎn)品做模數(shù)修改并將修改參數(shù)存入數(shù)據(jù)庫，同時利用仿真組件生成三維仿真數(shù)據(jù)模型；設(shè)計者B實時從數(shù)據(jù)庫中提取設(shè)計者A修改過的參數(shù)，生成XML增量文件傳輸?shù)奖緳C，再利用本機仿真組件生成與設(shè)計者A相同的三維仿真數(shù)據(jù)模型，實現(xiàn)顯示同步，如圖4所示。

接著，對齒輪做兩方面的仿真分析：(1)靜態(tài)分析。通過調(diào)整齒輪的應(yīng)變、應(yīng)力、轉(zhuǎn)矩的參數(shù)，找出一組使齒輪具有更好的使用時間和效率的數(shù)據(jù)；(2)運動分析。施加不同的阻尼來模仿實際中的效果，找出最優(yōu)阻尼以利于更好地提高齒輪的使用效率。

通常情況下可以采用自動管理方式，若此仿真設(shè)計數(shù)據(jù)最優(yōu)則中間變量替換原始數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)最優(yōu)管理；若原數(shù)據(jù)是階段性的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，則應(yīng)采用人工管理方式由設(shè)計組組長做仿真分析，確定是替換原始數(shù)據(jù)還是產(chǎn)生新數(shù)據(jù)，實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)管理。

協(xié)同仿真設(shè)計的引入使設(shè)計人員、供應(yīng)商、制造商和客戶保持緊密聯(lián)系，提高溝通效率，及時匯集多方面信息，快速開發(fā)新產(chǎn)品。可是遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計由于剛剛起步，像其他新興技術(shù)一樣還不夠完善，隨著CAD技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)及人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程協(xié)同設(shè)計的內(nèi)容必將越來越豐富，功能越來越強大，所提供的服務(wù)也將越來越完善。

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