李文威 陳 南 殷國棟

東南大學,南京,211189

基于參數化建模的復雜機械產品虛擬樣機復用

李文威 陳 南 殷國棟

東南大學,南京,211189

為實現復雜機械產品虛擬樣機的復用,提出了一種由程序驅動參數化虛擬樣機尺寸參數來自動重建虛擬樣機的方法。論述了符合參數化設計需要的復雜機械產品虛擬樣機基礎模型建模要求,并在闡述尺寸參數命名規(guī)則、參數驅動機制和約束矩陣方程求解方法的基礎上,開發(fā)了參數化建模系列程序。該套程序實現了復雜機械產品虛擬樣機基礎模型的自動參數化和尺寸參數程序驅動下的虛擬樣機自動重建。

復雜機械產品;參數化建模;虛擬樣機;模型復用;二次開發(fā)

0 引言

虛擬樣機技術是以虛擬樣機為核心、以仿真為手段、以各種CAx/DFx為工具的一種數字化設計方法[1]。它通過在計算機上構建產品模型和進行仿真分析,可以在設計階段準確預測產品各方面的性能,為產品設計改進提供參考。與實物樣機相比,在設計、測試和產品評價中應用虛擬樣機技術具有縮短開發(fā)周期、降低開發(fā)成本、提高產品質量的優(yōu)勢[2]。

復雜機械產品往往零件數量多、零件間裝配關系復雜、機構運動規(guī)律復雜。在復雜機械產品的設計中,一般采用虛擬樣機技術獲得機械系統(tǒng)的仿真分析數據,以供優(yōu)化設計時參考。機械產品的設計是一個不斷優(yōu)化更改的過程,為驗證優(yōu)化效果,產品結構更改后需要重新建立虛擬樣機并進行驗證分析。復雜機械產品的虛擬樣機建模過程繁瑣,設計更改后的虛擬樣機重復建模一方面導致設計效率低下,另一方面使得基于虛擬樣機的整機仿真優(yōu)化難以實施。要改變復雜機械產品虛擬樣機建模效率低下的狀況,復用既有的虛擬樣機模型是一個有效途徑。

本文基于參數化虛擬樣機尺寸參數程序驅動,提出實現復雜機械產品虛擬樣機復用的方法,并給出了其實現的具體過程,研究結果對提高復雜機械產品虛擬樣機建模效率以及縮短優(yōu)化設計周期具有重要意義。

1 基于參數化建模的虛擬樣機復用

1.1 復用過程

參數化設計技術為設計模型的可變性、可重用性,以及模型裝配等提供了有效手段[3]。參數化模型記錄了模型的幾何信息,保存了模型的拓撲結構以及其他設計知識、設計約束等信息,適于結構相同而尺寸不同的產品的快速系列化設計。

參數化虛擬樣機技術是虛擬樣機技術和參數化設計技術的融合,它使得虛擬樣機由于自身尺寸可變而獲得重用,避免了結構相似虛擬樣機的重復建模。參數化虛擬樣機是在產品參數化模型基礎上建立的虛擬樣機,由可變部分(尺寸參數)和可重用部分(除尺寸參數以外的各種設計知識、設計約束等信息)組成。由于在虛擬樣機建模過程中引入了參數化設計技術,故參數化虛擬樣機的自身尺寸參數可變,通過驅動這些尺寸參數就可以重建出結構相似但尺寸不同的系列化虛擬樣機。

基于參數化建模的虛擬樣機模型復用過程可分為三個步驟:①構建產品基礎模型庫。用戶按照產品參數化設計要求構建虛擬樣機基礎模型,并將與其相關聯(lián)的零件和裝配體模型一并保存在基礎模型庫中,以供參數化。②基礎模型的參數化。通過程序對基礎模型進行參數化,生成參數化虛擬樣機,并將模型保存于參數化模型庫中,作為衍生其他模型的原型。③參數化虛擬樣機的尺寸參數程序驅動。利用程序驅動參數化模型的尺寸參數,實時生成虛擬樣機實例模型,并保存模型于實例模型庫中,供虛擬樣機仿真分析使用?；趨祷５奶摂M樣機復用過程及其UM L類圖描述如圖1所示。

圖1 基于參數化建模的虛擬樣機復用過程

1.2 虛擬樣機基礎模型建模要求

構建虛擬樣機基礎模型是實現虛擬樣機參數化的前提。基礎模型包括零件基礎模型、裝配體基礎模型和虛擬樣機基礎模型三部分內容。構建基礎模型時,除了須符合最基本的建模要求以外,還須符合復雜機械產品參數化設計的要求。

1.2.1 零件尺寸標注方式的規(guī)范化

為滿足零件參數化設計的需要,需規(guī)范零件尺寸的標注方式。

(1)位置尺寸標注方式的統(tǒng)一。標注位置尺寸時,有多種不同的標注方法,為了不引起歧義,統(tǒng)一將尺寸的標注端點選擇在弧線中心點處。

(2)特征尺寸的顯化處理[4]。在零件設計中,采用特征復制方法得到的特征沒有顯性尺寸,需要對這類尺寸進行顯化處理,才能對其參數化。例如,圖2所示鏡像所得的特征應進行尺寸的顯化處理。

1.2.2 復雜裝配體規(guī)模的縮減

復雜機械產品零件眾多,增加了建模和仿真的難度,須采用子裝配法縮減模型規(guī)模。按照運動關系,將彼此沒有相對運動的零部件合并為子裝配體,再以各子裝配體為基礎裝配成總裝配體。由于總裝配體中,各子裝配體均被視為一個整體,實際上相當于減小了零件數量,縮減了模型的規(guī)模。

1.2.3 虛擬樣機約束副與幾何特征的關聯(lián)

復雜機械產品一般只作結構更改,零部件之間的約束關系則保持不變,這決定了虛擬樣機中約束副的類型及方向亦保持不變。因此,虛擬樣機參數化的關鍵是約束副位置的參數化。在約束副與約束副所依賴的幾何特征之間建立關聯(lián)以后,約束副位置能夠在模型幾何尺寸改變的同時獲得同步更新,間接達到了重建虛擬樣機的目的。

2 尺寸參數及其驅動機制

2.1 尺寸參數命名的規(guī)范化

復雜機械產品零件尺寸多,隨意命名尺寸參數容易引起名稱的混淆,而且難于對同種類型的尺寸參數進行集中處理。筆者提出了一種基于尺寸分類的尺寸參數規(guī)范命名方法,根據對參數所驅動尺寸的分類,用尺寸的類型信息命名其驅動參數,實現尺寸參數命名的規(guī)范化。由于參數名稱中蘊含了參數所要驅動尺寸的類型信息,故程序對不同類型尺寸參數的識別處理更加方便。具體命名規(guī)范如下:

其中,零件圖號為零件惟一的標識號;尺寸分類1為參數所驅動尺寸的形位類型,分為位置尺寸(以“l(fā)oc”標識 ,如圖 3 中的 D2、D3)和形狀尺寸(以“sha”標識,如圖 3中的D 1);尺寸分類 2為參數所驅動尺寸的度量類型,分為線性尺寸(以“l(fā)in”標識,如圖3中的 D3)、徑向尺寸(以“rad”標識,如圖3中的 D1)和角度尺寸(以“ang”標識,如圖3中的D2);尺寸分類3為參數所驅動尺寸的驅動類型,分為匹配尺寸(受其他尺寸參數驅動的尺寸,以“mat”標識)和自由尺寸(不受其他尺寸參數驅動的尺寸,以“fre”標識);順序號為依參數建立順序賦予的流水號。

圖3 尺寸分類

例如,圖3零件中尺寸D 1的驅動參數可以命名為“01001ˉshaˉradˉmatˉ1” ,則代表該參數是圖號為01001零件的第一個參數,其驅動尺寸的類型為形狀尺寸、徑向尺寸和匹配尺寸。根據這一命名規(guī)則,可將參數按其所驅動尺寸的類型劃分為表1所示的12個類別。注意到還有弧長尺寸,為使其同樣適用上述命名規(guī)則,在標注時將其用相應的角度尺寸和徑向尺寸來替代。

表1 12種參數類型

2.2 尺寸參數驅動的數學描述

尺寸參數驅動使用戶能夠采用數學方程式建立各尺寸參數之間的約束關系,并通過尺寸參數去驅動零件的主要尺寸來得到相似的模型。為了使參數驅動后的裝配體各零件之間以及零件內部特征之間不至于發(fā)生結構干涉,應先驅動匹配尺寸參數,再修改自由尺寸參數。

不妨將所有匹配尺寸參數組成一組向量d,即

式中,dij為零件i的第j個匹配尺寸對應的驅動參數;m為配合零件總數;ni為零件i的匹配尺寸總數。

通常情況下,反映參數之間數值約束關系的方程組是線性方程組,用矩陣方程形式表示為

式中,A為尺寸參數約束矩陣;b為常數矩陣;s為裝配體所有零件匹配尺寸總數。

2.3 約束矩陣方程求解

只有約束矩陣方程(式(1))滿足|A|≠0時,參數化后產品的形式才能唯一。因此,給出的方程式數目須等于可驅動匹配尺寸總數。這里矩陣A通常為高階稀疏矩陣,求解式(1)時,可采用效率較高的全選主元高斯-約當消去法求解,其具體求解過程可參見文獻[5]。

3 參數化建模程序的開發(fā)

以SolidWorks為二次開發(fā)平臺開發(fā)參數化建模程序,實現復雜機械產品虛擬樣機基礎模型的自動參數化和尺寸參數程序驅動下的虛擬樣機自動重建功能。為了保證程序的通用性,程序設計中遵循了上述尺寸參數命名規(guī)則和驅動方式。

3.1 總體架構

要創(chuàng)建SolidWorks參數化建模專有程序,需對SolidWorks進行二次開發(fā)。支持OLE編程的開發(fā)工具都能通過調用So lidWorks內部的API函數而進行二次開發(fā)。由于V isual Basic界面開發(fā)功能強大,且已嵌入SolidWorks內部,故采用Visual Basic作為二次開發(fā)工具。

參數化建模程序由通用子程序動態(tài)鏈接庫、自動參數化、參數驅動和參數可視化修改4個程序模塊構成。其中,自動參數化、參數驅動和參數可視化修改模塊的主要功能是通過調用通用子程序庫內部的API函數來實現的。圖4為參數化建模程序的UM L用例圖。用戶使用參數化建模程序時,只需給定參數化條件、約束方程文件和自由尺寸參數值,程序就能分別自動完成虛擬樣機基礎模型的參數化、虛擬樣機重建和自由尺寸參數的修改。

圖4 參數化建模程序的UML用例圖

3.2 通用子程序動態(tài)鏈接庫

為了實現程序的模塊化,減少冗余代碼,設計了通用子程序動態(tài)鏈接庫。子程序在VB的ActiveX DLL環(huán)境下編寫,每個子程序實現SolidWorks的一個特定功能。將寫好的程序編譯成DLL文件對函數進行封裝,就建成了一個通用子程序動態(tài)鏈接庫,其內部的API函數可供其他程序模塊調用執(zhí)行。使用通用子程序庫起到了代碼保密、程序模塊化和提高程序運行效率的效果。通用子程序庫的部分成員函數如圖5所示。程序其他模塊對通用子程序動態(tài)鏈接庫的調用關系如圖6所示。

3.3 自動參數化模塊

復雜機械產品零件尺寸數量多,人工參數化費時費力。為此,專門設計了自動參數化程序,為零部件尺寸自動添加驅動參數。自動參數化程序流程如圖7所示,括號內為引用的通用子程序庫成員函數名稱。圖7中,n1為零件總數;n2為零件i表面總數;n3為零件i特征總數;n4為特征k顯性尺寸總數。程序運行以后,在基礎模型庫中查找裝配體文件,并遍歷裝配體所有零件的顯性尺寸,依據尺寸的類型信息為每個尺寸自動加入相應的驅動參數。

圖5 通用子程序動態(tài)鏈接庫的部分成員函數

圖6 參數化建模程序的UM L組件圖

圖7 自動參數化模塊程序流程圖

3.4 參數驅動模塊

參數驅動的目的是指通過驅動虛擬樣機各組成零部件的主要尺寸參數得到零部件裝配關系和約束關系相同、尺寸不同的虛擬樣機模型。SolidWorks不具備求解多元線性方程組的功能,不適合存在大量方程約束的復雜機械產品尺寸參數的驅動。為此,設計了參數驅動程序,以實現在SolidWorks外部求解線性方程組。參數驅動程序流程如圖8所示,括號內為引用的通用子程序庫成員函數名稱。圖8中文件擴展名含義如下:eqt為約束方程文件,mat為矩陣文件,ret為結果文件,p rg為可執(zhí)行參數化程序腳本文件。

圖8 參數驅動模塊程序流程圖

使用程序前,用戶應事先編寫約束方程文件,用方程約束表示參數間的函數關系。運行程序以后,程序將讀取的方程文件轉換為矩陣方程,然后利用全選主元高斯-約當消去法求解矩陣方程。如果方程有解,則根據求出的參數值去驅動裝配體的尺寸參數,從而獲得新虛擬樣機模型。如果因為出現過約束或約束不足以及約束矛盾的情況而導致方程無解,則程序退出運行。

下面通過一個例子簡要說明參數驅動程序運行過程:

(1)用戶建立約束方程文件,表示參數間的約束關系。例如,某裝配體尺寸參數約束方程文件的內容為

(2)運行參數驅動程序,程序自動讀取約束方程文件,并將其轉化為以下矩陣方程:

(3)采用全選主元高斯-約當消去法求解該矩陣方程,得到各參數取值:

(4)用求得的數值替換參數化程序腳本中的原參數值,并執(zhí)行參數化程序腳本,對裝配體進行參數驅動,生成新裝配體。虛擬樣機約束副位置已與裝配體幾何特征相關聯(lián),在生成新裝配體的同時,虛擬樣機模型得以重建。

3.5 參數可視化修改模塊

參數可視化修改模塊為輔助模塊,用于修改模型的自由尺寸參數,其主界面如圖9所示。程序通過檢索零部件的程序腳本文件,獲取零部件參數所驅動尺寸的名稱、取值、類型等信息,并在界面中給予顯示。用戶在界面中修改零部件自由尺寸參數取值并確認以后,程序即可驅動零部件尺寸參數生成新的零部件。參數驅動原理同圖8中虛線框部分所示。

圖9 參數可視化修改程序主界面

可以看出,整套參數化建模程序具有如下特點:①開放性。通用子程序動態(tài)鏈接庫提供了API接口,可由其他程序調用執(zhí)行復用其程序功能。②通用性。程序采用基于尺寸分類的參數命名規(guī)則編寫,保持了程序功能與要進行參數化設計的具體產品無關,適合于任何產品的參數化建模。③自動化。零件尺寸參數的添加、裝配體尺寸參數的驅動均由程序自動完成,能夠快速、高效地生成系列化產品的虛擬樣機模型,提高產品設計效率。

4 應用實例

多色膠印機是一種結構復雜的精密印刷機械?，F針對某型多色膠印機的關鍵總成——印刷色組的印刷部分建立參數化虛擬樣機,并通過驅動其尺寸參數重建虛擬樣機。鑒于模型規(guī)模龐大,建模和仿真均在計算機工作站上完成。虛擬樣機建模和仿真平臺選擇SolidW orks及其自帶的多剛體動力學仿真插件SolidWorks/M otion。

(1)構建虛擬樣機基礎模型。建立膠印機零件基礎模型,統(tǒng)一其位置尺寸的標注方式,并對特征尺寸進行顯性處理。合并零部件為子裝配體,將上萬個零件縮減為幾十個部件,并在 Solid-Works大型裝配體模式下完成全局裝配體的裝配。在部件之間加入適當類型的約束副,Solid-Works/M otion可以自動將約束副與幾何特征相關聯(lián)。

(2)生成參數化虛擬樣機。利用參數化建模程序將基礎模型參數化,并轉化為參數化虛擬樣機,同時生成可執(zhí)行參數化程序腳本文件。

(3)驅動尺寸參數重建虛擬樣機。建立約束方程文件,并利用參數驅動程序驅動裝配體主要尺寸參數,快速生成虛擬樣機實例模型。由于該虛擬樣機規(guī)模大、參數多,限于篇幅,具體結構參數恕不詳述。尺寸參數驅動后重建的膠印機第二色組印刷部分的虛擬樣機如圖10所示。

圖10 重建的膠印機第二色組印刷部分虛擬樣機

相對實物樣機而言,虛擬樣機不僅是幾何樣機,更是功能樣機。在虛擬樣機幾何尺寸改變以后,模型的質量屬性、約束副位置等也隨之變化。利用SolidWorks/M otion或 ADAMS對虛擬樣機實例進行仿真分析,其結果可以作為評價產品設計方案優(yōu)劣的依據。

5 結論

(1)提出了基于參數化虛擬樣機尺寸參數程序驅動,實現復雜機械產品虛擬樣機復用的方法,在復雜機械產品虛擬樣機建模方面做了有益探索。

(2)論述了符合虛擬樣機參數化設計需要的復雜機械產品虛擬樣機基礎模型建模要求,提出了基于尺寸分類的尺寸參數命名規(guī)則,對尺寸參數驅動機制進行了數學描述,給出了約束矩陣方程的求解方法,為參數化建模程序的開發(fā)提供了理論指導。

(3)所開發(fā)的通用參數化建模程序具有開放性、通用性和自動化的特點,實現了復雜機械產品虛擬樣機模型的程序自動參數化和尺寸參數驅動下虛擬樣機的自動建模,為虛擬樣機技術在仿真優(yōu)化中的應用奠定了基礎。

(4)本文所提出的基于參數化建模的復雜機械產品虛擬樣機復用方法仍存在一些有待研究和改進的問題,如裝配尺寸約束方程的自動生成方法等,這需要通過進一步的研究給予解決。

[1] 杜平安,于德江,岳萍.虛擬樣機技術的技術與方法體系研究[J].系統(tǒng)仿真學報,2007,19(15):3447-3451.

[2] Chen Xi.Agent-based Distributed Concep tual Design of Virtual Prototyping for Comp lex Products[C]//2007 International Conference on Computational Inte lligence and Security W orkshops.Piscataway:IEEE,2007:378-381.

[3] 夏鴻建,王波興,陳立平.多體系統(tǒng)仿真分析平臺參數化建模技術研究[J].計算機集成制造系統(tǒng),2007,13(8):1511-1518.

[4] 王恒,寧汝新,唐承統(tǒng).三維裝配尺寸鏈的自動生成[J].機械工程學報,2005,41(6):181-187.

[5] 周長發(fā).科學與工程數值算法:Visual Basic版[M].北京:清華大學出版社,2002.

Reuse of Virtual Prototyping for Comp lex Mechanical Products Based on ParametricM odeling

LiWenwei Chen Nan Yin Guodong
Southeast University,Nan jing,211189

In order to reuse virtual p rototyping for com plex mechanical products,an automatic reconstruction approach of virtual prototyping w as proposed through program drive to the size parameters of parameterized virtual prototyping.Themodeling requirements for thebasic virtual prototyping of comp lexm echanical productswere described under the demands of parametric design.The parameter naming rule was presented.Them athematicalmodelof parameter drivemechanism was described.The solvingm ethod o f constraintmatrix equation was demonstrated.On the basis of allabove,w e developed a series of parametric modeling program for com plex mechanical products.This set of programs achieves the functions of autom atic dimension parameterization of the basic virtual prototyping and the automatic reconstruction of the virtual prototyping based on parameter drive.

com plex mechanical product;parametricmodeling;virtual prototyping;model reuse;secondary development

TH 128;TP311.1

1004—132X(2011)05—0530—06

2010—05—13

江蘇省科技成果轉化專項資金項目(BT2007072)

(編輯 袁興玲)

李文威,男,1981年生。東南大學機械工程學院博士研究生。研究方向為機械結構動態(tài)分析、優(yōu)化與控制。陳 南,男,1953年生。東南大學機械工程學院教授、博士研究生導師。殷國棟,男,1976年生。東南大學機械工程學院副教授、博士。