馬保吉，劉　濤

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

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基于Pro/E二次開發(fā)的光纖線包參數(shù)化設(shè)計(jì)*

馬保吉，劉濤

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

由于幾何參數(shù)不同的光纖線包結(jié)構(gòu)相似，所以在設(shè)計(jì)過程中會(huì)造成不必要的重復(fù)勞動(dòng)，設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，成本高，而且設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤的概率比較大，可能使相同的問題反復(fù)出現(xiàn)。這不僅導(dǎo)致人力資源的浪費(fèi)，而且制造的零件存在不能裝配等一系列后續(xù)問題，該類問題的存在，嚴(yán)重阻礙了新產(chǎn)品的研究與開發(fā)?；赑ro/E二次開發(fā)可以解決上述問題，為光纖線包的設(shè)計(jì)提供了軟件支持，并為光纖線包后續(xù)的有限元分析奠定了基礎(chǔ)。

參數(shù)化；Pro/E；二次開發(fā)

光纖線包由于光纖具有信息量大、頻帶寬、功耗低、自身輻射小和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于光纖制武器[1-2]。由于光纖線包在使用過程中不能發(fā)生線包整體滑脫、線間糾纏和斷裂等問題，所以上述問題是光纖線包設(shè)計(jì)過程中應(yīng)主要考慮和解決的。

光纖線包通常需要緊湊的結(jié)構(gòu)和較高的質(zhì)量，因此，根據(jù)不同的要求，靈活地改變光纖線包的結(jié)構(gòu)顯得尤為重要。這就需要經(jīng)常查閱相關(guān)的理論、方法和數(shù)據(jù)等資料，其中大部分理論、方法和數(shù)據(jù)都是經(jīng)過了大量的實(shí)驗(yàn)以及工程歸納，這些方法不僅浪費(fèi)人力物力，而且效率低?；赑ro/E軟件二次開發(fā)的參數(shù)化建模不僅可以方便相關(guān)參數(shù)的修改來滿足不同的要求[3-4]，而且可以聯(lián)合使用ANSYS強(qiáng)大的熱力學(xué)分析功能，以進(jìn)一步改善結(jié)構(gòu)來滿足相應(yīng)的要求。Pro/E軟件與ANSYS軟件分別是CAD和CAE領(lǐng)域的典型代表，Pro/E軟件的機(jī)械設(shè)計(jì)模塊是一種高效的三維建模工具，ANSYS軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分、施加載荷、求解和后處理功能以及良好的開放性，但ANSYS功能的幾何模型相對(duì)較弱；因此，應(yīng)用ANSYS軟件建立光纖線包裝配模型將是一個(gè)非常繁瑣的過程。

借助Pro/E軟件強(qiáng)大的建模功能和其二次開發(fā)模塊對(duì)光纖線包進(jìn)行參數(shù)化建模，通過修改參數(shù)變量中相應(yīng)的參數(shù)來快速生成一個(gè)新模型，很適合光纖線包以及其他零件的設(shè)計(jì)，有利于后續(xù)的熱力學(xué)分析，可以大大提高設(shè)計(jì)效率。

1　Pro/E軟件的參數(shù)化設(shè)計(jì)原理及方法

Pro/E軟件通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)交換格式，使用戶可以獲得更多其他的功能模塊來增強(qiáng)軟件的功能。該系統(tǒng)的參數(shù)化功能采用符號(hào)類型字符來構(gòu)成尺寸，不像其他系統(tǒng)直接指定一些固定值形式，使設(shè)計(jì)者可以任意建立形狀和大小之間的關(guān)系功能。當(dāng)任意參數(shù)改變時(shí)，同時(shí)其他相關(guān)特征也會(huì)得到修正，該功能更方便于幾何模型的修改。

1.1設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及參數(shù)化設(shè)計(jì)

通常而言，參數(shù)化技術(shù)是指零件模型的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，通過改變模型結(jié)構(gòu)中1個(gè)或多個(gè)幾何尺寸，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)模型中的其余相關(guān)部分修改，進(jìn)而完成對(duì)整個(gè)模型的創(chuàng)建過程。大多數(shù)模型大小的控制是通過修改尺寸來驅(qū)動(dòng)的，因此，參數(shù)化設(shè)計(jì)也叫尺寸驅(qū)動(dòng)。參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)以其強(qiáng)大的草圖設(shè)計(jì)、尺寸驅(qū)動(dòng)和圖形修改功能，使得系列化設(shè)計(jì)、初始設(shè)計(jì)、產(chǎn)品建模與改進(jìn)方案對(duì)比以及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)成為更有效的設(shè)計(jì)手段。工程類設(shè)計(jì)人員采用參數(shù)化技術(shù)，可通過改變幾何尺寸生成新的模型提高設(shè)計(jì)效率，避免繁瑣的重復(fù)工作，因此，參數(shù)化技術(shù)成為專業(yè)化設(shè)計(jì)中的重要研究?jī)?nèi)容。

1.2基于特征的參數(shù)化建模

直接用特征來定義零件的幾何結(jié)構(gòu)，模型由特征生成。用戶可以利用Pro/E軟件的基本特征，由二維輪廓生成三維模型，再利用弧、拔模等特征對(duì)三維模型進(jìn)行更進(jìn)一步的修改，得到最終結(jié)果。通過給出的特征參數(shù)集，對(duì)參數(shù)進(jìn)行修改來驅(qū)動(dòng)三維模型的變化，最終成功達(dá)到參數(shù)化設(shè)計(jì)的功能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的研發(fā)。

Pro/E軟件使用用戶熟悉的元素作為產(chǎn)品幾何模型的結(jié)構(gòu)，這些特性是一些常見的機(jī)械結(jié)構(gòu)，很容易根據(jù)預(yù)置來修改。

1.3Pro/E裝配與動(dòng)態(tài)仿真[5]

零件裝配和機(jī)構(gòu)仿真是Pro/E軟件的重要功能。零件裝配與機(jī)構(gòu)仿真是對(duì)設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)意圖的直觀表達(dá)，可以通過動(dòng)態(tài)仿真來檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)是否合理?？傊?，這些功能為設(shè)計(jì)者提供了重要的幫助。在產(chǎn)品裝配模塊中，Pro/E軟件對(duì)產(chǎn)品的裝配和機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析提供了約束裝配和連接總成[6]等2種不同的裝配方法。

1)約束裝配。對(duì)普通產(chǎn)品進(jìn)行裝配時(shí)，不管相關(guān)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的參照或某些組件是否經(jīng)過修正，都可以使用組件之間的約束進(jìn)行裝配。

2)連接總成。連接與裝配中的約束不同，連接具有一定的自由度。連接的目的是定義組件采用的放置約束類型，限制主體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，確定一個(gè)組件在機(jī)構(gòu)中可能出現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)類型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝配環(huán)境下各組件之間連接后機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真。

1.4裝配管理

裝配也是二次開發(fā)中一個(gè)非常重要的內(nèi)容。Pro/E軟件的基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，很容易使用一些直觀的命令，例如接觸、插入和對(duì)齊等，根據(jù)設(shè)計(jì)要求很容易把零件裝配到一起。Pro/E軟件先進(jìn)的功能，支持大型復(fù)雜零件裝配，并且裝配中的零件也不受限制，這是Pro/E軟件裝配中最基本的內(nèi)容。Pro/E軟件的裝配功能有選擇裝配和自動(dòng)裝配等2種類型。選擇裝配就是在裝配過程中，手動(dòng)選擇元件裝配到當(dāng)前組立中，并選取若干參照、約束以便成功裝配；自動(dòng)裝配就是2個(gè)部分的綜合，其主要運(yùn)用了裝配，然后用程序來實(shí)現(xiàn)元件約束的自動(dòng)選取，來提高裝配效率，而組立中約束的選取仍要采用手動(dòng)選取。自動(dòng)裝配的應(yīng)用比較廣泛，也是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)全自動(dòng)化的基礎(chǔ)。

1.5元素的遍歷與干涉

在一個(gè)裝配體中，元素的遍歷是很常見的，遍歷時(shí)的主要問題是應(yīng)正確區(qū)分子裝配和元件，從而保證總裝配體下的每一個(gè)元件都能被有效地訪問到。

零件的干涉檢查也是一項(xiàng)重要的內(nèi)容，雖然Pro/E軟件提供了相關(guān)功能，但對(duì)于某些模型還不夠，此時(shí)就需要自己編寫干涉檢查的函數(shù)。

2　參數(shù)化建模與尺寸驅(qū)動(dòng)[7]

約束也是參數(shù)化技術(shù)中重要的一部分，它在參數(shù)化設(shè)計(jì)中表現(xiàn)為某些元素之間必須滿足的1組或多組關(guān)系，分為工程約束和幾何約束。工程約束被定義為幾何元素之間固有的某種約束關(guān)系，它包括制造、功能以及邏輯約束關(guān)系等，在表達(dá)設(shè)計(jì)過程和設(shè)計(jì)要求上有著重要意義。幾何約束又可分為尺寸約束和結(jié)構(gòu)約束。結(jié)構(gòu)約束被認(rèn)為是幾何元素之間的一種拓?fù)潢P(guān)系，如平行、垂直等；尺寸約束意思是幾何元素的位置和大小，包括長(zhǎng)度、距離等，它也是參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中的驅(qū)動(dòng)對(duì)象，通過改變參數(shù)值來驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，因此尺寸約束是可變的，對(duì)尺寸約束可以進(jìn)行標(biāo)注，并且能夠顯示出來。

對(duì)于參數(shù)化生成的特征模型，不僅表達(dá)了形狀特征信息，而且還記錄了特征依存關(guān)系與生產(chǎn)方法。尺寸和公差即包含在特征中的特征屬性信息，形狀和位置特征即形狀特征參數(shù)修改和定位。根據(jù)設(shè)計(jì)意圖，它會(huì)通過改變其他特征來實(shí)現(xiàn)整個(gè)模型的修改，這就是基于特征參數(shù)化設(shè)計(jì)[8]的基本思想。

特征參數(shù)是隱藏的，當(dāng)參數(shù)被修改，它就會(huì)從隱藏到顯示自動(dòng)生成，當(dāng)特征表面生成時(shí)，可以設(shè)置依賴項(xiàng)、尺寸和公差。由于位置特征、形狀和尺寸被定義為參數(shù)，通過依賴修改尺寸參數(shù)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)約束自動(dòng)檢索出對(duì)應(yīng)的參數(shù)值和相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)給定的相關(guān)參數(shù)方程組，計(jì)算出所需的尺寸，然后驅(qū)動(dòng)幾何圖形發(fā)生改變，從而達(dá)到修改形狀和位置特征的目的。

3　Pro/E與傳統(tǒng)二維CAD軟件的比較

傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)[9]主要是為提供設(shè)計(jì)工具，但它缺乏分析問題和解決問題的能力，并且只適用于解決算法問題或確定任務(wù)類型。機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)不僅涉及一系列的公式、許多設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格以及映射技術(shù)，而且使用在許多非數(shù)字的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)中。傳統(tǒng)的二維CAD系統(tǒng)起源于計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，其智能模式并沒有從自身的需要中吸取經(jīng)驗(yàn)，大部分停留在電子板階段。設(shè)計(jì)者使用二維CAD系統(tǒng)記錄結(jié)果，但設(shè)計(jì)活動(dòng)被限制在設(shè)計(jì)者的頭腦中，當(dāng)設(shè)計(jì)者使用二維CAD軟件時(shí)，設(shè)計(jì)幾乎結(jié)束了；因此，傳統(tǒng)的二維CAD軟件有很大的局限性，例如不能定義模型的約束關(guān)系，不能進(jìn)行簡(jiǎn)單模型的分析等，恰好這些是Pro/E等三維軟件的優(yōu)點(diǎn)。

4　結(jié)語

在CAD軟件的應(yīng)用中，Pro/E軟件的應(yīng)用已取得了很大的進(jìn)步，并廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，Pro/E軟件的開發(fā)已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，也受到了不同領(lǐng)域工程人士的青睞。在參數(shù)化設(shè)計(jì)方面，Pro/E軟件提供了二次開發(fā)接口，大大提高了工作效率。

[1] 曹自強(qiáng). 光纖制導(dǎo)技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 光子學(xué)報(bào)，2007，36(6):53-55.

[2] 吳順正. 光纖特性與應(yīng)用[M]. 臺(tái)北：全華科技圖書出版公司，1987.

[3] 張繼春. Pro/ENGINEER二次開發(fā)實(shí)用教程[M]. 北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[4] 吳立軍，陳波. Pro/ENGINEER二次開發(fā)技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[5] 高霄漢，張予川.基于Pro/E二次開發(fā)技術(shù)的通用裝配仿真過程的研究[J].計(jì)算機(jī)輔助工程，2004，12(1):50-54.

[6] 黃愷，李雷，劉杰. Pro/E參數(shù)化高級(jí)應(yīng)用教程[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[7] 王新亮，杜玉紅. 基于Pro/E的參數(shù)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2009，38(4):37-39.

[8] 金濤，陳敏，匡勇. Pro/ENGINEER軟件的二次開發(fā)技術(shù)[J]. 昆明：昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2004，37(13):69-72.

[9] 李詠紅. Pro/Engineer的參數(shù)化零件二次開發(fā)研究與實(shí)現(xiàn)[J]. 中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2005(1):101-103.

*兵器預(yù)研基金項(xiàng)目

責(zé)任編輯鄭練

The Overview of Optic Fiber Cable Package Parametric Design based on the Secondary Development of Pro/E

MA Baoji, LIU Tao

(Institute of Mechanical and Electrical Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an 710021, China)

Due to the different geometric parameters of optic fiber cable package structure similar, designing through different designers will cause unnecessary duplication of labor, long design cycle, high cost, and the larger probability of error, probably the same problem recurring. It causes not only the waste of manpower and resources, but also the existence of manufactured parts cannot be assembling and a series of follow-up problems. These problems will cause great resistance to the research and development of new products. The above problems can be solved by the secondary development of Pro/E. It will provide software support for the design of the optical fiber cable package, and lay the foundation for the subsequent finite element analysis of the fiber optic cable package.

parametric, Pro/E, the secondary development

TP 391.7

A

馬保吉(1964-)，男，博士，教授，主要從事制導(dǎo)光纖技術(shù)等方面的研究。

2016-01-13