電纜橋架自適應變型設計研究及應用

吳占超，丁立家，馬 軍，羅國富

（鄭州輕工業學院 機電工程學院，鄭州 450002）

0 引言

客戶對產品的需求呈現多樣化、差異化、個性化，促使制造企業的設計制造模式逐漸由大批量生產（(Mass Production，MP）轉向大批量定制[1]（Mass Customization，MC ）。由于產品成本的60%是由設計決定的，傳統的設計生產方式無法向用戶快速提供符合其個性化需求的產品，而自適應變型設計方法，使新產品開發中的大部分零部件可重用以往產品的信息，而只需對其部分零部件進行全新設計，這大大縮短設計生產周期，提高產品的質量可靠性，很好的滿足客戶和企業要求。

電纜橋架作為承載各種電纜敷設的載體，是應用在現代化智能建筑中信息監控和通信設施等水平布線和垂直布線系統的安裝通道，廣泛應用于計算機網絡工程、消防工程、弱電系統工程和廣播電視等領域。即使目前橋架部分零部件已系列化，但由于現代化智能建筑形式多樣，企業仍難以快速滿足客戶個性化需求。PDMS[2](Plant Design Management System)能對橋架系統進行設計并模擬安裝布置，但需要先建立橋架元件庫、等級表、出圖定制模版及規則、數據管理發布體制和協同設計流程體系等，流程較為復雜。

本文根據橋架客戶需求多樣化、個性化等特點，提出了基于Pro/TOOLKIT二次開發技術的產品自適應變型設計方法及其架構，充分利用了原有設計資源，開發出了電纜橋架自適應變型設計系統，實現了橋架零件及產品的快速化變型設計。

1 產品自適應變型設計方法及架構

1.1 產品自適應變型設計方法

產品自適應變型設計方法，其基本原理是通過在已創建的三維實體特征模型基礎上，進一步根據零部件或產品的變型設計要求，建立一組可以完全控制其三維模型形狀和大小的設計參數，然后修改產品關鍵參數尺寸值，其他相關參數尺寸能自適應改變并通過設計程序自動生成新的三維產品模型。

該方法是在三維實體模型基礎上實現，其前提是在三維軟件平臺上已創建好零部件庫及其附件庫并通過參數選取、關系設置等建立了零部件參數化樣板庫，并通過自動化裝配程序設計生成產品模型樣板庫，參數讀取、變更后，利用自適應參數化程序設計自動更新生成新的零件或者產品模型，如圖1所示。

自適應變型主要通過零件特征模型內部參數尺寸之間關聯關系和零件之間的參數尺寸關聯關系實現。設系統所建立的參數化特征模型（Parametric Feature Model）為：

PFM={FS，PS}

其中，三維實體模型由特征和參數共同組成。設組成特征模型的特征集合（Feature Set）形式化描述為：

FS={FS1，FS2，·· ，FSm}

組成參數化特征模型的參數集合（Parameter Set）形式化描述為：

圖1 產品自適應變型設計方法

PS={PS1，PS2，·· ，PSn}

從參數集合PS中提取出具有幾何意義的參數Qi對參數集PS進行控制，并建立參數集PS與Qi之間的映射關系F，這樣當對某一個或幾個參數進行修改時，零件模型將會發生相應的變更；當修改參數的零件跟其他零件尺寸相關聯的時候，相應的零件也將隨之發生變化，進而組件甚至整個產品都將自適應變型。

1.2 產品自適應變型設計架構

基于上述分析，產品自適應變型設計的邏輯架構如圖2所示，包括模板的建立、C源程序開發、資源文件（包括菜單資源文件、窗口信息資源文件、對話框資源文件）編寫、源程序的編譯和連接、注冊文件編寫以及程序的注冊和運行等，如圖2所示。

圖2 產品自適應變型設計架構

2 基于裝配的產品自適應變型設計實現

2.1 零件級自適應變型設計

基于零部件及附件庫，通過提取參數和建立參數尺寸關系式，建立零件及附件模型樣板庫，最后利用自適應參數化設計程序進行模板驅動實現零件模型更新變型。其主要步驟如下：

1）提取參數：所謂提取參數，就是從零件模型所有尺寸參數集合PS中，將其中需要變型的特征尺寸參數提取出來。另外，參數的提取并不僅限于此，還包括提取對模型的拓撲結構、幾何形狀等有直接影響的尺寸參數等。

2）建立參數尺寸關系表達式：根據1）提取出零件模型中CAD軟件自動生成的尺寸參數代號，而參數化特征模型需要通過建立參數尺寸關系表達式來進行參數傳遞。如在Pro/E中建立盲孔深度與壁厚的參數尺寸關系式H = T - Constant，(H為孔深，T為壁厚，Constant為常值)，其中參數 T是驅動參數尺寸， H 是被驅動參數，該關系式可以控制盲孔的深度隨壁厚度的改變而改變。

3）模板驅動：經過1）和2）建立了全參數化約束的可重用零件模板，該模板在基本模型拓撲結構不變情況下必須保證約束參數解存在并且唯一，因此在建立參數化零件模板時，須在驅動參數與被驅動參數一一對應情況下建立了尺寸關系表達式，此時當通過程序改變其中參數尺寸進行模板驅動時，整個零件相應尺寸將會自適應的發生改變而零件的基本幾何特征和拓撲結構關系將不會隨之變化，從而保證了零件自適應變型設計的有效性。

2.2 部件級自適應變型設計

產品自適應變型設計不僅要保證零件內部特征的約束關系、拓撲結構、幾何形狀等特性，還要保證零件之間的位置、尺寸關聯、依附等裝配關系，它是基于零部件及附件參數化樣板庫基礎上進行自動化裝配建立產品模板，最后利用自適應參數化設計程序實現產品模型更新。其步驟和零件自適應變型設計大致相同，主要區別是產品自適應變型設計首先進行自動化裝配步驟，詳細介紹如下：

1）基于基準約束[5]采用應用程序驅動元件方式實現產品自動化裝配。用于零件間裝配的約束關系類型有對齊、插入、匹配、坐標系、相切、缺省等裝配關系，要實現自動化裝配需要在裝入待裝配零件模型時就確定零件之間的約束關系，如選取孔、軸的配合面設置為對齊關系來表達軸與孔之間的配合關系，或者選取兩個元件的表面設置為匹配關系來表達零件表面之間的接觸關系，只有確定了零件間的約束關系才能實現產品自動化裝配。另外，元件在裝配體中實現完全約束需要定義1～3個裝配約束關系，其中采用基于坐標系[6]自動裝配只需要定義1個裝配約束，基于基準面自動裝配需要定義3個約束，用Pro/TOOLKIT應用程序驅動使零件自動化裝配過程如圖3所示。

2.3 基于產品自適應變型設計的自動裝配

由零、附件元件模版到組件產品模版采用Pro/TOOLKIT程序設計進行自動化裝配。實現元件自動裝配的關鍵技術主要是獲取元件路徑對象信息，目前Pro/TOOLKIT程序在進行路徑獲取時采用的是多叉樹結構，它包含了元件或組件在裝配體中的邏輯位置與裝配層次，如圖4所示，元件特征標識ID表示元件在裝配體中的位置。在自動化裝配過程中創建并設置元件約束里的初始化裝配件的約束條件路徑調用的是ProAsmcomppathInit（）函數，其定義[4]為：

ProError ProAsmcomppathInit (

ProSolid p_solid_hand，

ProIdTable memb_id_table，

int table_size，

ProAsmcomppath *p_handle)

其中“memb_id_table”是從裝配體組件根特征出發到當前元件的路徑，即前零部件特征標識ID組，是一個一維數組；“table_size”為特征標識ID組的維數。要獲得G元件的路徑對象信息，需從G元件開始向上遞歸直到頂層裝配件，并且記錄所途經的每一個元件特征標識ID。如圖4中G零件的ID表為：

table_size =3

memb_id_table [0]=9

memb_id_table [1]=13

memb_id_table [2]=18

圖3 自動化裝配過程

圖4 多叉樹裝配結構

程序通過ProSolidFeatVisit( )函數遍歷特征的形式獲取元件路徑對象，在執行過程中，經過濾函數設置遍歷條件及對子元件類型和名稱等判斷定義訪問動作函數，自動循環直到找到其目標元件，完成自動化裝配。

3 電纜橋架變型系統開發與應用

結合企業應用案例，開發了電纜橋架自適應變型設計系統，該系統采用在三維軟件Pro/E菜單欄中添加電纜橋架菜單條的方法。

當軟件運行時自動加載注冊文件，同時進行注冊文件的注冊，注冊后菜單條顯示如圖5所示。

圖5 電纜橋架菜單欄

在菜單欄里列出了電纜橋架零件庫及附件庫的主要零部件，可以直接點擊進行零部件的自適應變型設計，如點擊“四通”、“水平四通”按鈕，打開該零件模型同時彈出變型設計對話框如圖6所示，可以根據安裝要求、橋架容量等進行參數變更，經自適應參數化程序生成滿足要求的新零件模型。

圖6 水平四通變型設計界面

圖7 橋架自動化裝配后的空間布置示意圖

點擊“裝配體”，打開自動化裝配后的橋架空間布置示意圖如圖7所示，修改局部零件參數尺寸后，整個產品都自適應地隨之變更，避免了再逐個修改其他零部件并重新裝配等繁瑣工作，大幅縮短了設計周期，提高了效率。

4 結束語

本文提出一種采用二次開發的方法及其構架形式對產品進行自適應變型設計，步驟中應用了自動化裝配技術，減少了變型設計時間，提高了設計效率，從而提高企業市場競爭力。經企業實際應用驗證了文中所提方法和技術的有效性，達到了理想的效果。

[1] 趙利平,王宗彥,秦慧斌,董良,面向大規模定制的堆垛機快速設計系統研究[J],中國機械工程,2008,19(18):2161-2165.

[2] 舒立,陳靜平.三維軟件在電纜橋架設計中的應用[J]. 湖南電力,2010,30(6):34-36.

[3] 王曉林,唐良寶.基于三維模型的參數化設計方法研究與應用[J]. 機械設計與制造,2007,8:73-75.

[4] Parametric Technology Corporation. Pro/TOOLKIT User’s Guide[M]. USA：PTC，2007.

[5] 顧翠,張利強,項欽之. 基于Pro/E二次開發的衛星裝配設計研究[J] 計算機工程與設計 2011,32(4):1169-1172.

[6] 平雪良,陶宇,葉晶,董寧.基于坐標系的自動裝配方法的研究與實現[J].機械設計,2011,28(11):11-14.