船載隨動平臺參數化設計

萬 健，周 洪，付彥琨，王 紅，吳恩啟

（1.上海理工大學 機械工程學院，上海 200093；2.上海船舶設備研究所，上海 200079）

0 引言

航空、航海技術的發展體現了一個國家的綜合國力，是國家軍事實力、科技水平及經濟實力的綜合展現。該領域的發展對國家安全、國民經濟甚至人民生活質量的提高都起到重要作用［1］。與陸地相比，航海受到海浪的影響，會產生復雜的多維搖蕩運動，從而導致船上需要保持慣性空間方位不變的裝置無法正常且精準的運作。例如船載攝像機［2］、艦載激光武器［3］等設備在搖蕩的環境中，無法獲取清晰的視頻圖像，因而無法對目標進行精確損傷，這些都會造成不可預估的后果。因此，需要隨動平臺隔離載體產生的多維搖蕩運動。

隨動平臺在民用、科考、救援和軍事等領域有著廣泛運用，其在國防安全、人民生活和經濟建設中都發揮著至關重要的作用。但同時隨動平臺也面臨著動態性能差、結構強度低以及與環境產生共振等問題，這些都會影響設備的正常工作，甚至威脅工作人員的生命安全。因此，隨動平臺結構的優劣將直接關系到設備工作的可靠性。在隨動平臺設計過程中，不可避免地要反復多次進行修改，多次對模型零件進行重建以及對裝配體重新進行組裝，如果對每個零件都進行個性化設計，會導致工作量大、開發周期長、效率低下等問題［4］。

隨著計算機網絡技術日趨成熟與完善，計算機輔助設計已成為現代制造業的發展方向。研究表明，采用參數化建模方法可顯著提高復雜零件三維建模時的自動化程度［5］。參數化設計可實現模型的系列化生成，提高設計效率［6-7］。陳雨等［8］基于C++對Pro/E 進行二次開發，提高了變速箱設計效率；Fan［9］利用UG 建立液壓支架的三維模型；李振華等［10］基于VB 對SolidWorks 進行二次開發，并對高速動車組彈簧進行參數化設計；Necdet 等［11］通過自頂向下的建模方法對球關節進行參數化建模。

目前，隨動平臺的設計存在零件設計重復、圖紙修改任務量大等問題。為此，本文開發一種可自動生成零件并完成裝配的設計系統，通過調用Solid Works 內置的API 函數對三維模型參數進行修改，實現參數化設計。在輸入基本參數后，計算機自動進行建模及裝配。該方法可有效提升設計質量與效率。

1 隨動平臺結構分析與工作原理

隨動平臺由基礎部件、橫搖機構、縱搖機構等組成，整體結構如圖1 所示。其中，基礎部件主要由底板、左右基架等組成，橫搖機構由承重軸、立桿、擺盤、箱體、橫搖電機、減速器等組成，縱搖機構由隨動底座、支架、拉桿、縱搖電機、減速器等組成。

縱搖機構上的拉桿與基礎部件的左右基架相接，控制縱搖機構的縱向擺動。橫搖機構放置在縱搖機構上與縱搖機構串聯，通過橫搖電機獲取的姿態信息控制擺盤的橫向擺動。其中，箱體放置在擺盤上，箱體內放置需要保持慣性空間穩定的設備，箱體數量可根據需要增加或減少。

2 隨動平臺程序化建模系統設計

利用SolidWorks 進行二次開發的原理分為兩種：一種是基于組件對象模型規范（Component Object Model，COM），另一種是基于對象鏈接與嵌入（Object Linking and Embedding，OLE）技術，實現OLE 自動化［12］。SolidWorks 提供了二次開發應用程序接口API 函數，能使用戶根據自己的需求進行二次開發，完成模塊定制。用戶編寫的程序通過調用API 成員與SolidWorks 應用程序的對象成員進行交互，完成對SolidWorks 的訪問與操作，從而建立產品的三維模型。API 功能函數以COM 技術為基礎，COM 技術是對象模型的組建技術，通過其可實現對象組件化程序編程設計思想［13］。COM 技術也是一種面向對象的編程模式，支持COM 技術的編程語言（VB、C#、C++）都可用來進行Solid?Works 二次開發。C#是目前最流行的編程語言之一，因其簡單易用、功能強大，受到了廣大設計人員歡迎。本文研究的程序化建模系統提高了隨動平臺建模效率，縮短了隨動平臺設計周期，提高了設計質量。

2.1 隨動平臺系統總體架構

系統總體架構設計在產品系統開發與使用的整個生命周期中都至關重要，系統各個功能模塊的實現是系統整體架構的基礎，模塊之間的有機統一是實現系統整體性的有力保障［14］。隨動平臺參數化設計系統基于C#通過Visu?alStudio 建立人機交互界面，設計人員輸入指定參數，通過與三維建模軟件進行銜接，一鍵生成三維模型。該系統總體由用戶層、開發層與數據層組成，用戶層是設計人員與系統交互的通道，將設計參數直接傳遞給開發層；開發層是構建三維模型的通道，接收設計人員提供的設計參數信息，并進行主動尺寸與關聯尺寸計算，完成程序化建模后再將信息傳遞給數據層；數據層為整個系統提供數據支撐，主要包括零部件庫、裝配體庫等。系統總體架構如圖2所示。

Fig.2 System architecture圖2 系統總體架構

2.2 人機交互界面設計

系統界面設計是影響人機交互的重要環節之一，也是用戶對軟件的第一印象，因此是軟件設計的重要組成部分［15］。通過人機交互方式，根據用戶需求快速獲得結構參數，并生成對應參數模型，可縮短設計周期，提高設計效率與準確性，從而降低了對設計人員專業素質的要求［16］。依據本文的設計需求，設計員能夠通過隨動平臺參數化設計系統的人機交互界面與三維建模軟件銜接，根據指定參數生成三維模型。程序化建模的主要步驟與手動建模步驟相同［17］，通過獲取箱體數量、質心高度等參數，自動計算相應零件尺寸，逐步建模生成立桿、支架、左右基架等零部件，并進行模型裝配，完成程序化建模。人機交互界面如圖3 所示。

Fig.3 Human-machine interaction interface圖3 人機交互界面

通過人機交互界面，設計人員可輸入參數對模型進行個性化設計。人機交互界面可實時顯示所搭建的支架和裝配體模型圖，以方便、直觀地展示給設計人員。同時為了保證建模的準確性，人機交互界面可顯示各個參數取值范圍，并在參數超出該范圍時進行警示。為便于后續分析，設有模態分析及動力仿真模塊，可提供部分模型的模態分析結果及動力性能相關參數作為參考。

2.3 程序化建模

參數化設計方法有兩種：模型驅動法和尺寸驅動法。模型驅動法是指完全調用API 函數構建模型，是從無到有地生成模型。但該方法比較復雜、編程工作量大，且建模速度緩慢，對開發人員的專業性有著極高要求，針對形狀簡單且較為規則的零部件可采用該方法。尺寸驅動法是在現有模型基礎上設置主動參數變量，通過修改參數變量重新進行建模。該方法編程工作量小，更易于開發，相較于模型驅動法，其在生成一些造型相似且需要系列化的零件時可節約大量計算資源，減少設計人員工作量［18］。本文將尺寸驅動法與模型驅動法相結合進行參數化設計。

2.3.1 零件模塊設計

零件模塊中包含兩類零部件：一類是固定參數零部件，是指不經過任何更改，直接調用裝配的零件；另一類是關鍵零部件，是指需要經過尺寸參數的更改變化，重新建模的零件［19］。通過對主動參數的賦值生成自定義參數零部件，將主動參數對應的零部件與被動參數對應的零部件建立關聯，將參數變化逐級傳遞至整體模型。為保證程序化建模質量，參數分析是其中的關鍵。參數包括主動尺寸參數、被動尺寸參數和不變尺寸參數。在零部件建模過程中，主動參數包括箱體數量、支架下底邊長度、支架上邊線長度、初始橫搖角度、初始縱搖角度、左右基架高度、基架橫梁高度等。被動參數包括立桿高度、支架高度、拉桿長度等。控制參數如表1 所示。

Table 1 Control parameters表1 控制參數

設計人員輸入主動參數后，根據箱體數量自動改變立桿高度、支架高度及拉桿高度等被動參數，并進行命名與保存。零件模塊化設計典型指令代碼如下：

2.3.2 裝配體模塊設計

以往的裝配都是由CAD 完成的，通過配合關系手動完成每個部件的裝配，耗時耗力。通過智能裝配可節省大量時間成本，且易于操作［20］。模型裝配分為自頂向下和自底向上兩種方式，由于該系統已通過參數化獲得了零件模型，因此這里選擇自底向上的裝配方式［21］。在完成零部件程序化建模后，通過自底而上的建模方法進行模型裝配，按照零部件之間的結構及位置關系添加約束類型。在自動裝配過程中，大多數裝配都可利用基準面或基準軸進行配合，但在選擇零件的點、線、面進行裝配時，則需要采用遍歷技術。通過對零件待裝配面進行自定義命名，裝配時計算機選定零部件后，對零件所有面都遍歷一遍，直到遍歷至命名面后，利用Select4 選定面后再進行裝配。為保證模型中各個機構能夠按照要求運動，需選擇合適的元素進行裝配才能保證模型的自由度。裝配示意圖如圖4 所示。

裝配系統實現步驟如下：

（1）打開裝配體及插入零件。首先通過編寫的代碼打開裝配體環境，然后利用AddComponent 函數向裝配體中插入立桿和支架。插入零件后，利用CloseDoc 函數關閉零件以釋放零件所占內存。主要代碼如下：

Fig.4 Assembly diagram圖4 裝配示意圖

（2）添加配合關系。在裝配過程中，需要選擇點、線、面等元素進行裝配。配合關系主要包括重合、距離配合、同軸心、平行等。大多數裝配都可利用基準面或基準軸進行配合，但當需要選擇零件的點、線、面進行裝配時便需要采用遍歷技術。對零件的面命名后，再編制程序遍歷零件所有的面。當遍歷到命名的面之后，利用Select4 選定面。當選定所需裝配的元素后，利用Addmate5 函數添加配合關系完成裝配。

同軸心配合的部分代碼如下：

（3）模型重建及保存。在裝配完成后，利用ForceRe?build2 函數對模型進行重建，防止出現添加配合關系不成功的現象，之后再利用SaveAs3 對模型進行保存。主要代碼如下：

通過API 函數的調用完成程序化建模，具體裝配參數如表2 所示。

Table 2 Assembly parameters表2 裝配參數

3 結語

以工程思想為指導，將參數化設計及自動裝配技術應用于隨動平臺結構設計系統中，以C#為開發語言，通過調用API 函數對SolidWorks 進行二次開發，應用面遍歷技術實現對面的精準選擇及裝配。通過對自動裝配的研究，對模型參數化方法有了更深入的了解。該系統提高了設計效率，降低了設計成本，縮短了設計周期，具有一定的現實意義。后續還需要進一步提高系統運行效率，并改善人機交互界面。