朱大偉，錢林方，徐亞棟

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,江蘇 南京 210094)

參數(shù)化技術(shù)在 20 世紀 90 年代后期已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，很多利用參數(shù)化技術(shù)開發(fā)的專用設(shè)計系統(tǒng)使設(shè)計人員從大量繁重瑣碎的工作中解脫出來，不僅提高了設(shè)計效率，增強了市場快速反應(yīng)能力，而且還有效地減少了信息的存儲[1]。梁振剛[2]在火炮身管結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了對身管模型的參數(shù)化驅(qū)動。楊青[3]詳細研究了利用Pro/E二次開發(fā)工具Pro/Toolkit進行參數(shù)化二次開發(fā)的原理和方法。秦慧斌[4]論述了機械產(chǎn)品三維廣義參數(shù)化設(shè)計的內(nèi)涵、設(shè)計步驟和關(guān)鍵技術(shù)。炮身設(shè)計過程是一個多方案、多參數(shù)、多目標(biāo)的評價決策過程，設(shè)計過程中參數(shù)可能要反復(fù)進行修改以及性能計算，這就要求設(shè)計過程盡量參數(shù)化。筆者將參數(shù)化技術(shù)運用到炮身的設(shè)計中，建立炮身的參數(shù)化模型，將大大簡化炮身的設(shè)計步驟，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研制費用。

1 參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)化設(shè)計是目前CAD應(yīng)用技術(shù)中最重要的技術(shù)之一，作為產(chǎn)品建模的一個重要手段，在系列化產(chǎn)品設(shè)計中得到了較好的應(yīng)用。筆者采用三維模型和控制程序相結(jié)合的方式，也就是在Pro/E環(huán)境下完成炮身零件和組建的構(gòu)建，再建立一組可以控制模型形狀和相對位置的參數(shù)，這組參數(shù)可以通過VB程序調(diào)用Pro/E的底層函數(shù)進行修改，達到用程序和三維模型結(jié)合的方式完成參數(shù)化建模[3]。

接到新的炮身設(shè)計任務(wù)之后，首先會根據(jù)需求進行分析，得到概念模型，然后對實例庫進行搜索，檢索出結(jié)構(gòu)相同或者類似的設(shè)計實例。然后依據(jù)設(shè)計計算、設(shè)計經(jīng)驗、結(jié)構(gòu)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)等，確定產(chǎn)品所需要的參數(shù)；最后通過控制程序，修改實例中的相關(guān)參數(shù)，得到新的模型。參數(shù)設(shè)計步驟如圖1所示。

2 炮身零件的參數(shù)化模型

參數(shù)化模型是參數(shù)化設(shè)計的基礎(chǔ)和前提，參數(shù)化模型是否全面、合理，決定了將來參數(shù)化設(shè)計能否順利進行。炮身零件參數(shù)化模型建立分為三維幾何約束模型和控制程序兩個部分：

1)建立炮身三維幾何約束模型?；赑ro/E 的三維建模屬于特征全約束的參數(shù)化建模，通過尺寸標(biāo)注和施加相切、共線、垂直、對稱等關(guān)系實現(xiàn)特征的全約束。

2)控制程序的編寫以及界面設(shè)計。在建立了三維幾何約束模型基礎(chǔ)上，只需要通過VB程序?qū)⑿碌脑O(shè)計參數(shù)傳給Pro/E，就完成了參數(shù)的修改。

2.1 零件的三維幾何約束模型

某壓制火炮炮身主要包括身管、炮尾、炮閂和炮口制退器，在Pro/E中分別建立各自簡化三維模型作為幾何約束模型。下面通過身管三維幾何約束模型介紹三維幾何約束模型的建立過程。

身管的三維幾何約束模型是身管結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型的基礎(chǔ)，通過運用幾何元素間的約束關(guān)系構(gòu)造身管的拓撲結(jié)構(gòu)。身管的參數(shù)化模型以形狀特征單元為基本構(gòu)造元素，通過對各特征單元的組合操作并建立單元間的約束關(guān)系來完成整個模型的構(gòu)建，這種層次構(gòu)造特性一般采用CSG模式來記錄產(chǎn)品的生成歷史與層次結(jié)構(gòu)。而在構(gòu)造內(nèi)部模型時則采用B-REP模式，如此，二者的信息相互補充，確保幾何模型的完整和精確。根據(jù)炮身的參數(shù)化幾何模型構(gòu)造過程涉及到的元素類型和構(gòu)造方法，該模型可以分為3個層次，分別是：形體層、特征層與元素層，如圖2所示。

身管的參數(shù)化幾何模型是由特征層開始的，由特征組合成簡單形狀特征、組合形狀特征直至最終模型。一般幾何約束系統(tǒng)，是定義2D圖形幾何約束，通過指定圖形掃描類型，得到參數(shù)化特征體素。

身管的縱向截面如圖3所示。可以清楚地看到，元素之間包含了各類約束關(guān)系，例如點在線上，線與線的垂直，線與線的長度相等，水平線等。在特征層中，各個特征體素通過正則布爾運算形成簡單形狀特征，得到的基本形狀單元通過確定的組合方式即可組成基本形狀特征。形體層中，簡單形狀特征通過特征布爾運算和幾何約束(尺寸/聯(lián)結(jié)關(guān)系)，最終形成參數(shù)化的幾何模型。從特征描述到特征組合，幾何約束貫穿了整個過程，體現(xiàn)了設(shè)計者的設(shè)計意圖。

按照身管三維幾何模型，依次建立炮尾、炮閂和炮口制退器的三維幾何約束模型，各幾何約束模型如圖4所示。

2.2 參數(shù)控制程序

Automation GATEWAY(AGW)是蘭德公司開發(fā)的針對Pro/E二次開發(fā)第三方插件，通過VB程序調(diào)用Pro/E的底層函數(shù)對模型進行操作，AGW作為兩者之間的橋梁傳遞數(shù)據(jù)。

在進行模型參數(shù)化程序設(shè)計的同時還要完成用戶交互界面的設(shè)計。設(shè)計交互界面最主要考慮的是友好性，以及模型調(diào)用和修改的方便性，盡量使用戶感到方便，合乎用戶的設(shè)計習(xí)慣。身管的參數(shù)控制界面如圖5所示。參數(shù)的單位均為毫米，其他零部件的參數(shù)設(shè)置界面風(fēng)格相似，此處不再羅列。至此，已完成了炮身主要零件的參數(shù)化模型建立。

3 炮身裝配體的參數(shù)化模型

在已建立的炮身相關(guān)零部件參數(shù)化模型的基礎(chǔ)上，利用自底向上的裝配方法進行裝配體參數(shù)化模型的建立，如圖6所示。裝配體的參數(shù)化模型主要針對各個零件間的定位參數(shù)和各個零件在相關(guān)部分的耦合參數(shù)間的約束關(guān)系。炮身的裝配體中，主要有3組定位參數(shù)，包括閂體與炮尾的定位參數(shù)，炮尾與身管的定位參數(shù)，身管與炮口制退器的定位參數(shù)。其中，身管與炮口制退器，身管與炮尾均存在軸對齊關(guān)系，因此，只需要6個定位參數(shù)，分別是d0:1、d1:1、d2:1、d3:1、d4:1、d5:1，后綴“:1”是Pro/E中預(yù)留給裝配體中定位參數(shù)的，凡是參數(shù)帶有“:1”后綴均為裝配體參數(shù)。零件的參數(shù)在裝配體中后綴標(biāo)以0，2，4，…，n等偶數(shù)加以區(qū)分。本模型中，身管后綴為0，炮尾為2，炮閂是4，炮口制退器為6。

參數(shù)設(shè)置的交互界面如圖7所示，單位與Pro/E中的單位統(tǒng)一，長度單位采用毫米，角度單位采用度。

在參數(shù)化設(shè)計中，需要將參數(shù)與模型上的尺寸建立關(guān)系，以保證在零件參數(shù)發(fā)生變化后各個相關(guān)參數(shù)能保持既定的約束關(guān)系。身管是炮身最主要的部分，炮身的裝配體是以身管為參照進行的，炮身設(shè)計也是先確定身管的外形結(jié)構(gòu)再做其他相關(guān)零部件的設(shè)計。因此，裝配體中，相關(guān)聯(lián)的參數(shù)以身管的參數(shù)為準(zhǔn)，也就是確定相關(guān)參數(shù)的主從關(guān)系，身管為主，其他為從。

炮身各零件關(guān)聯(lián)參數(shù)的設(shè)置界面如圖8所示，其中W為連接筒的厚度，根據(jù)實際情況進行手動設(shè)置。X，Y，Z屬于中間變量，分別確定炮口制退器與身管相連接部分的內(nèi)徑，炮尾與身管連接處半徑和炮閂的寬度，大小由模型中的驅(qū)動參數(shù)確定。如此，便可以實現(xiàn)裝配體關(guān)聯(lián)參數(shù)的自動更新。

至此，已完成了炮身裝配體參數(shù)化模型的建立。

4 設(shè)計實例

炮身的參數(shù)化設(shè)計首先需要運用已有的參數(shù)化零件模型創(chuàng)建各個零件，在參數(shù)設(shè)置界面中將確定的新參數(shù)填入對應(yīng)的位置，點擊“創(chuàng)建”即可得到新零件模型。

得到所有零件模型后，再打開裝配體的參數(shù)化模型，根據(jù)內(nèi)部定義的參數(shù)關(guān)系，各個零件之間有約束關(guān)系的參數(shù)均自行變化為適應(yīng)的大小，再通過裝配體參數(shù)控制程序，調(diào)整零件的相對位置關(guān)系，參數(shù)設(shè)置如圖7所示，最終保存新的模型，如圖9所示，完成參數(shù)化設(shè)計。

5 結(jié) 論

筆者通過運用三維幾何約束模型和控制程序相結(jié)合的方式，構(gòu)建了炮身的三維參數(shù)化模型，從而實現(xiàn)了參數(shù)對模型的驅(qū)動，其中進行驅(qū)動所需的幾何信息和拓撲信息由計算機自動提取，完成了炮身的參數(shù)化設(shè)計。設(shè)計實例表明，炮身參數(shù)化設(shè)計是可行的，并且為炮身的優(yōu)化設(shè)計以及分析仿真打下了良好基礎(chǔ)，大大提高了整個設(shè)計流程的效率。

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