通用性整機參數化建模系統自適應調控方法

摘 要：針對現有整機參數化建模技術的不足，提出了一種通用性整機參數化建模系統自適應調控方法：核心思想是將產品建模規則與程序框架相分離，核心技術是建模規則的語義描述及其解析。實例分析表明通過應用創新的通用性整機參數化技術，可以極大地提高整機參數化建模系統自適應調控能力。可以將整機參數化技術的適用性從只適用于某類特定產品，擴展為適用于所有的機械產品。與傳統CAD軟件的建模方式相比，系列產品的產品建模效率提高50%以上；可以適用于常見機械產品整機模型的快速建模。

關鍵詞：通用性；整機參數化；建模系統；自適應；調控方法

中圖分類號：TP39 文獻標識碼：A 文章編號：1672-8122（2014）12-0163-03

參數化建模技術作為最有效的快速建模手段，長期以來一直是國內外計算機輔助設計領域的研究熱點。PTC公司在20世紀90年代將零部件級的通用參數化技術應用在其Pro/E軟件中，使得三維設計系統建模效率大大提高[1]。在此基礎上，很多學者開展了產品整機的參數化建模技術研究，也出現了一些相關產品。目前國內外進行參數化設計的研究有很多。這些參數化設計研究已經突破了傳統參數化設計中結構參數定義自下而上的設計理念，提出了自上而下的總體參數控制方法，并提出了提取設計人員的設計思路，固化設計規則，從而實現自動化的參數設計方法。但是這種參數化設計方法還有很大的局限性，其總體參數控制受預定的參數結構約束，無法進行實時地改變；而固化的設計規則限制系統只能適用于某特定類型的產品，不具有通用性和可拓展性。

本研究提出了一種通用性整機參數化建模系統自適應調控方法。在產品設計過程中對其設計參數進行層次劃分，并建立設計參數之間的聯動關系；通過主參數控制整個產品模型的建立和修改，系統根據設計規則完成主參數與其它設計參數的轉換，生成產品裝配約束模型，并自動更新產品的數字模型：系統將設計規則與系統框架相分離，設計規則可以通過簡單的語法用腳本文件描述，可以方便地添加和修改。與之前的研究相比，設計規則不再固化，系統根據需要可進行自適應調控，使系統的通用性大大增加，不再局限于某特定的產品設計。

一、技術原理

所謂“整機參數化”，是指在零件參數化技術的基礎上，針對某類產品整機建模的特點，總結其建模規律，并依據規則由程序自動完成產品整機建模的一系列操作，從而大大降低設計者勞動強度，提高建模效率的一種快速建模技術[2]。

參數化技術是實現快速建模的主要手段之一。傳統的參數化技術只能處理零件級的幾何模型，不能滿足產品整機模型的快速建模需求。應用傳統的參數化建模技術，設計者需完成一系列復雜而又煩瑣的工作，并且很容易出現錯誤。現有整機參數化技術的主要問題是自適應性差：建模規則往往被固化在程序中。工程中影響產品幾何形狀的因素非常多，建模規則是瑣碎而又多變的。而固化在程序中的規則往往只能滿足一種情況的需要，花費了大量時間和精力開發的整機參數化系統只能滿足特定產品的快速建模需求，難以推廣應用到其它類似的設計中。

實際上，對于某類產品而言，建模規則總是有一定規律可循的。如果將建模規則引入到程序中，由程序代替人工完成以上工作，就可以大大減少設計者的勞動強度，提高建模效率。本研究提出的通用性整機參數化建模系統自適應調控方法：將建模規則與系統框架相分離，建模規則可由最終用戶通過簡單的語法用腳本文件描述，可以方便地添加和修改。從而極大地提高了系統的自適應性。通過定制零部件庫及其建模規則，可以快速生成滿足不同產品建模需求的整機參數化程序。

二、自適應調控結構

通用性整機參數化建模系統自適應調控結構如圖1所示：整個系統由“建模規則維護”、“框架模型庫維護”、“基于規則的整機參數化建模”和“CAD模型生成引擎”四個部分組成。其中：“建模規則維護”模塊主要用于向產品框架模型添加建模規則；“框架模型庫維護”模塊主要用于對常見產品、零部件及特征的框架模型進行分類存儲；“基于規則的整機參數化建模”模塊則負責讀取并解析產品的框架模型和建模規則，生成用于選取零部件實例、特征實例和輸入主控參數的用戶界面，并根據輸入的主參數、零部件類型和特征類型，確定整個產品的零部件及特征的數量、類型和參數，并將其輸出到CAD系統下，自動建立產品零部件及其裝配模型，實現產品整機的參數化建模；“CAD模型生成引擎”用于向常見的CAD軟件（例如PRO/E和UG）輸出整機參數化系統生成產品三維模型。

圖1 通用性整機參數化建模系統自適應調控框圖

由圖1可以看出，系統的基本工作流程如下：a.由結構設計人員建立常見產品、零部件和特征的“框架模型”；b.由負責系統維護的管理員按照建模規則的腳本語義，應用“建模規則維護”模塊，在框架模型上添加建模規則，并通過“框架模型庫維護”按照一定層次結構分類存儲；c.用戶則調用模塊“基于規則的快速建模”，生成產品模型實例。

與一般的整機參數化系統相比，圖1所示的方案的主要特點是將具體的建模規則與整機參數化系統相分離。最終用戶可以通過“建模規則維護”界面對產品的建模規則進行擴充和修改，從而使得“整機參數化建模”系統具有良好的可調控性，可以適應不同產品快速建模的需求。理論上講，整機參數化技術建模系統可以適應所有產品的快速建模需求。

“基于規則的整機參數化建模”負責對“框架模型”進行參數化，其主要功能包括：a.解析指定的“框架模型”的規則語義，將其用直觀的產品樹的形式顯示；b.接受用戶的“虛零部件”實例選擇、“虛特征”實例選擇、參數輸入等信息；c.根據用戶輸入的信息和建模規則，對框架模型進行實例化，生成模型生成腳本，進而得到模型。

三、實例分析

（一）框架模型庫維護

所謂框架模型，是指在對某一類相似結構的產品模型進行抽象、歸納的基礎上，利用“虛零件”和“虛特征”的概念，建立的簡要結構模型，其本質是一種可視化的整機參數化框架表達。框架模型分為“裝配框架”和“零件框架”兩種。其中“裝配框架”是一種加入了“虛組件”的裝配模型，“零件框架”是一種加入了“虛特征”的組件模型。“虛組件”是一種只定義裝配位置（用一個局部坐標系完成）和基本尺寸，沒有具體結構的組件模型。用戶在設計過程中選擇具體的組件實例，賦予其具體參數后，系統自動用組件實例替換“虛組件”形成實際的裝配；“虛特征”是一種只定義位置和方位（用一個局部坐標系完成），沒有具體結構的特征表示。用戶在設計過程中選擇具體的特征實例，賦予具體參數后，系統自動用特征實例替代虛特征形成實際的組件。

框架模型庫用于存儲產品、零部件和特征的框架模型。框架模型庫維護模塊的主要作用是對各種框架模型進行分類管理，包括：模型分類、模型對應的CAD文件和建模規則等信息的存儲。框架模型庫維護的界面（如圖2所示）。

圖2 框架模型庫維護主界面

（二）建模規則及其維護

通過對大量產品整機參數化規律的總結和提煉，建立了一種能夠滿足絕大部分產品建模需求的建模規則描述語義。建模規則從形式上看是一套具有一定格式的腳本語言，其基本語義包括對產品的零部件裝配關系、主參數定義、參數關聯關系、特征定義、特征關聯、零部件約束、系列特征等信息的描述[3]。通過這套語言，可以方便地對整機參數化的建模規則進行定義。建模規則的可視化定義方法，用戶可以在CAD軟件下，面向產品及其零部件的實體模型，通過專用工具，對建模規則進行維護，如圖3所示。

圖3 建模規則維護窗口

（三）基于規則的整機參數化

這部分是本文的核心研究內容，其工作流程如圖4所示。從工作流程可以看出，該部分的主要工作包括：

圖4 基于規則的整機參數化工作流程

1.裝載產品框架模型庫結構

讀取存儲產品框架模型庫的數據庫表，以樹形結構顯示產品、零部件和特征的分類層次關系，如圖5所示。

圖5 基于規則的整機參數化主界面—框架模型樹

2.產品框架模型的裝載和交互

讀取產品及零部件的框架模型，對其建模規則進行解析，將產品零部件處理成樹形結構（產品裝配樹）。同時，建立零部件、特征、參數之間的復雜關聯關系，以直觀的方式進行顯示（如圖6所示）。接受用戶的參數輸入、零部件類型選擇和特征選擇，期間對產品結構樹及零部件/特征和參數關系進行實時調整。

圖6 基于規則的整機參數化主界面—產品裝配樹

3.CAD模型生成

首先，遍歷產品裝配樹，根據整機參數化算法，生成創建當前產品的三維模型的過程語句，包括：零部件及其特征實例的創建、零部件及其特征參數更新、零部件裝配約束添加等[4]。

然后，啟動CAD模型生成引擎，依次執行模型生成描述語句，生成當前產品的三維幾何模型。

（四）CAD模型生成引擎

建立常見CAD軟件（PRO/E和UG）與整機參數化系統的接口程序。該程序讀取整機參數化模塊輸出的產品模型描述語句，對其進行解析并最終實現三維模型的生成。

四、結 語

傳統的整機參數化建模技術存在的主要問題是適用面窄，自適應性差。傳統整機參數化建模系統的基本結構：軟件設計者首先對需要建模的產品對象進行需求分析，總結其建模的基本規律，包括產品的零部件組成、主要零部件的特征結構、主要的控制參數（主參數）、主參數與其它細節參數之間的約束關系、零部件的裝配關系等等；然后程序員編寫整機參數化人機界面，界面的主要功能是接受用戶的主參數輸入；再以主參數作為程序入口，將之前總結的建模規律編寫成程序代碼；最后調用商品化CAD軟件的相關接口函數，建立零部件實例，對其進行尺寸驅動，并進行零部件的裝配約束，完成整機模型。上述整機參數化建模技術的最大問題，在于建模規則的不可調控性。建模規則以程序代碼（條件、公式、循環等語句）的形式被固化在軟件程序代碼中，一旦投入使用，最終用戶就無法修改建模規則。而實際工程中，盡管統一企業生產的產品之間存在很多相似之處，但是不同型號產品的建模規則仍然存在很多不同之處。完全“剛性”的整機參數化軟件很難適應工程的實際需求，這是目前整機參數化技術無法普及的主要原因。

通用性整機參數化建模系統自適應調控方法的理論創新之處在于：整機產品的建模規則與整機參數化程序相分離。也就是說，一般的整機參數化系統，建模規則是以程序代碼方式存儲的；而在本文中，建模規則以腳本的方式存儲在數據庫中。這樣存儲的建模規則是可以調控的，用戶可以根據其產品特點，通過建模管理模塊對建模規則進行擴充和修改，從而極大的提高了整機參數化軟件的自適應性。自適應調控的基本結構是用戶指定需要創建的產品類型，整機參數化程序通過對該產品框架模型和建模規則的解析，動態建立該產品的產品結構樹，并創建主參數的輸入界面，包括零件類型的選取、特征類型的選取、主參數的數值確定等；用戶輸入參數后，系統自動完成產品建模的一系列工作。通用性整機參數化建模系統自適應調控方法的技術創新之處在于：建模規則的語義描述及其解析。通過對大量產品結構的分析和研究，提出并建立了一套由框架模型和腳本語言構成的建模規則描述與解析技術。

總之，通過應用創新的通用性整機參數化技術，可以極大地提高整機參數化建模系統自適應調控能力。可以將整機參數化技術的適用性從只適用于某類特定產品，擴展為適用于所有的相關產品。

參考文獻：

[1]張峰，李兆前，黃傳真.參數化設計的研究現狀與發展趨勢[J].機械工程師，2002（1）.

[2]A Verroust，F Schonek，D Roller.Rule-oriented method for parameterized computer-aided design [J].Computer- Aided Design， 1992（10）.

[3]蘭麗輝.關于CAD產品的參數化設計方法的探討[J].長春工程學院報，2003（3）.

[4]王君澤，瞿暢.基于網絡的標準件三維參數化仿真[J].機床與液壓，2010（5）.

[責任編輯：思涵]