侯永濤，嵇佳琪

（江蘇大學機械工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013）

1 引言

產(chǎn)品配置是指對預先定義的可配置產(chǎn)品的組件進行組合，滿足個性化客戶需求，完成產(chǎn)品定制的手段[1]。當前的產(chǎn)品配置多為零部件級，配置起來相對簡單，主要是零部件的裝配約束；特征級的產(chǎn)品配置研究相對較少，主要原因是特征操作相對零部件的裝配約束更加困難。特征級的產(chǎn)品配置不但需要根據(jù)KBE（knowledge based engineering）技術(shù)建立工程向?qū)Т_定驅(qū)動參數(shù)，而且產(chǎn)品模型需要進行參數(shù)化設(shè)計[2]。目前，對梁結(jié)構(gòu)的配置仍然停留在零部件級的固定配置。以副車架縱梁結(jié)構(gòu)為例，這種固定配置往往無法滿足企業(yè)對副車架多種型號的需求，常常導致重新建模和重新設(shè)計。

知識工程（KBE）就是將經(jīng)過長期工程考驗的產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗、數(shù)據(jù)、方法進行歸納整理和提煉，使之成為指導產(chǎn)品設(shè)計、制造行之有效的規(guī)范化設(shè)計知識，并與企業(yè)的CAD 系統(tǒng)結(jié)合，通過CAD 系統(tǒng)的二次開發(fā)形成專業(yè)化設(shè)計工具，其本質(zhì)就是知識的再利用[3]。通過KBE 技術(shù)建立梁結(jié)構(gòu)的模型庫，并且?guī)熘心Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)尺寸需要根據(jù)客戶需求隨時調(diào)整，這樣很容易產(chǎn)生大量重復設(shè)計，基于NX 二次開發(fā)模塊的參數(shù)化設(shè)計功能可有效解決這種重復設(shè)計問題[4-5]?；贙BE 技術(shù)，結(jié)合CAD 軟件NX 的二次開發(fā)模塊，將梁結(jié)構(gòu)的配置過程以向?qū)问焦袒?，完成梁結(jié)構(gòu)的專業(yè)化配置工具。配置過程中，不斷重復利用模型庫中參數(shù)化模型，調(diào)用不同的參數(shù)模型形成不同系列的梁結(jié)構(gòu)，使得梁結(jié)構(gòu)可以從一種配置狀態(tài)切換到另一種配置狀態(tài)。

2 基于知識模型庫的建立

通過整理梁結(jié)構(gòu)各個部件之間的關(guān)系，歸納出設(shè)計過程中需要的工程知識，并定義出影響產(chǎn)品性能的工程參數(shù)[6]。根據(jù)工程知識建立計算產(chǎn)品性能的工程規(guī)則，再結(jié)合客戶需求完成設(shè)計過程向?qū)?，以此完成工程參?shù)到幾何驅(qū)動參數(shù)的轉(zhuǎn)化。將梁結(jié)構(gòu)進行單元化處理，并設(shè)計了一種平穩(wěn)可靠的方式實現(xiàn)單元模型的幾何驅(qū)動。根據(jù)幾何驅(qū)動參數(shù)完成幾何模型，建立梁結(jié)構(gòu)的單元模型庫。

2.1 梁結(jié)構(gòu)的單元化

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格和產(chǎn)品特性按功能將產(chǎn)品劃分模塊。為了從科學的角度合理地劃分模塊，需要分析產(chǎn)品的特征和結(jié)構(gòu)，研究產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)組成，合并相同或相似的單元，分離不同的單元，最終通過模塊化理論統(tǒng)一。

按功能將梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)品劃分模塊并分離為單元，簡稱為梁單元。每個梁單元擁有兩個截面，不同的梁單元擁有不同的截面輪廓。為了建立更全面的庫，必須構(gòu)建不同的截面輪廓包含產(chǎn)品知識。在建立模型庫時，該研究使用計算機軟件NX9.0 構(gòu)建3D 模型。

根據(jù)梁截面形狀的不同，模型庫中梁單元的數(shù)量，如表1 所示。有時為了滿足客戶需求，可以添加截面形狀。當截面形狀數(shù)量從n增加到n+1 時，庫中梁單元的數(shù)量將增加2n+1 個。

表1 梁單元創(chuàng)建矩形Tab.1 Beam Unit Creation Rectangle

2.2 梁結(jié)構(gòu)的控制方法

通過總結(jié)產(chǎn)品設(shè)計知識，利用KBE 技術(shù)形成知識庫。在設(shè)計和計算過程中，使用已分類的參數(shù)來調(diào)用知識庫中的相應知識和方法來完成設(shè)計和計算。在計算過程中，設(shè)計人員可以通過產(chǎn)品的關(guān)鍵參數(shù)來表示設(shè)計知識。

圖1 兩點之間的路徑Fig.1 Path between Two Points

以梁單元為例，在工作坐標系下創(chuàng)建兩個基準坐標系（CSYS）分別控制梁單元的兩個截面的空間自由度。每個基準坐標系包含一個基準點、三個基準平面和三條基準軸。坐標系的基準點位于截面的中心位置，依靠基準坐標系的旋轉(zhuǎn)平移控制截面的6 個自由度。接著，以一種穩(wěn)定平滑的方法連接兩個坐標系的基準點。具體效果，如圖1 所示。

這種方法使梁單元兩個截面之間平滑過渡，連接的曲線將引導模型的中心軌跡。具體方法示意，如圖2 所示。P1 和P2 點是基準坐標系的基準點，位于截面中心。P1-2、P2-2 和Pm的位置通過K1、K2、K3、K4 這四個參數(shù)變量來控制。為了方便計算，K1=K2=K3=K4=0.5，這時P1-2、P2-2 和Pm分別位于線段L1、L2 和Lm的中點處。圓弧半徑的值依靠a1、a2、b1、b2、α、β 這 6 個參數(shù)確定。以R1 為例：

圖2 路徑計算Fig.2 Path Calculation

圖3 多變的梁單元的變形Fig.3 Variation of the Variable Beam Element

圖4 梁結(jié)構(gòu)的多樣性變形Fig.4 Variety Deformation of the Beam Structure

使用這種方法P1 和P2 之間的路徑，經(jīng)過P1-2、P2-2、Pm平穩(wěn)過渡。隨著基準坐標系自由度和KR1等參數(shù)的變化，路徑將產(chǎn)生大量可能性。結(jié)合梁單元截面輪廓的多樣性，使得梁單元的可變性充足。具體效果展示，如圖3 所示。多變的梁單元為梁結(jié)構(gòu)的多樣性提供了基礎(chǔ)。將不同的梁單元通過相同的截面連接，經(jīng)過多次連接得到需要的梁結(jié)構(gòu)。梁結(jié)構(gòu)中的梁單元與相鄰的梁單元相互影響，如果改變其中一個梁單元的截面形狀參數(shù)或截面自由度，那么相鄰梁單元也要產(chǎn)生相應變化。通過控制梁單元，也間接控制了梁結(jié)構(gòu)。梁結(jié)構(gòu)的多樣性具體效果，如圖4 所示。

3 基于KBE 技術(shù)的NX 二次開發(fā)

基于KBE 技術(shù)結(jié)合NX 軟件，通過NX/Open API 定制菜單和對話框，完成用戶界面；并在對話框和模型庫之間建立驅(qū)動、調(diào)用等關(guān)系，完成CAD 系統(tǒng)與幾何模型庫的連接。最終，以插件的形式供用戶在NX 環(huán)境中通過用戶界面進行調(diào)用，完成梁結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)品的專業(yè)設(shè)計。其具體的開發(fā)框架，如圖5 所示。

圖5 基于KBE 的開發(fā)框架Fig.5 KBE-Based Development Framework

3.1 用戶界面開發(fā)

通過編輯NX 中的Menu script 文件進行菜單設(shè)計。首先，新建文本文件，將其擴展名改為*.men，并完成菜單腳本文件的編寫。接著，將其保存于開發(fā)目錄的Startup 文件下，完成協(xié)調(diào)于NX的菜單界面開發(fā)[7]。NX 啟動后，系統(tǒng)會自動加載用戶指定開發(fā)目錄下的菜單文件，根據(jù)腳本程序在NX 指定位置顯示菜單，如圖6所示。

圖6 配置菜單Fig.6 Configuration Menu

利用NX/Open 的Block UI Styler 定制用戶對話框。打開塊UI 樣式編輯器模塊，在設(shè)計對話框中添加向?qū)?、截面形狀選擇、截面自由度配置、截面形狀參數(shù)配置等控件，調(diào)整其相對位置，并添加對應的位圖文件。其具體效果在第四章開發(fā)實例中展示。

3.2 系統(tǒng)的實現(xiàn)

以NX 9.0 軟件和VS2012 編譯器為開發(fā)平臺。將"NX 安裝路徑 UGOPENvs files”下的 VC、VC#、VB 三個文件夾復制到VS2012 的安裝目錄下；在VS2012 中新建一個NX9 Open Wizard模板項目；將Block UI Styler 生成的*.hpp 和*.cpp 文件替換掉模板項目中的頭文件和源文件，編寫相應地主函數(shù)和回調(diào)函數(shù)，生成動態(tài)鏈接庫文件（*.dll），將其放置于應用程序目錄下供菜單項調(diào)用[8]。系統(tǒng)的主要實現(xiàn)流程，如圖7 所示。在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，NX9 Open Wizard 模板項目利用NX/Open API 與幾何模型庫之間建立了驅(qū)動、調(diào)用等關(guān)系。以此幾何模型庫通過模板項目與CAD系統(tǒng)完成了連接。使得客戶在NX 獨立環(huán)境中，通過用戶界面就可以進行梁單元的調(diào)用、組合、更新和生成，最終完成梁結(jié)構(gòu)模型。

圖7 系統(tǒng)實現(xiàn)流程Fig.7 System Implementation Process

4 開發(fā)實例

以某小型轎車副車架縱梁為例，在NX 中進行聯(lián)合配置開發(fā)，其配置過程具有高度的靈活性和穩(wěn)定性。配置過程主要由四部分組成：（1）梁骨架配置（2）梁截面選擇配置（3）梁截面自由度配置（4）梁截面形狀參數(shù)配置。配置流程圖，如圖8 所示。

圖8 梁結(jié)構(gòu)配置流程Fig.8 Beam Structure Configuration Process

4.1 梁骨架配置

根據(jù)梁部件與相鄰部件的關(guān)系，按功能劃分模塊，然后確定其骨架。該骨架包含了梁組件在三維空間中的位置信息。實例中將梁分成5 個模塊為例，需要6 個截面，每個坐標系代表一個截面，如圖9 所示。

圖9 梁的骨架Fig.9 Skeleton of the Beam

4.2 截面形狀選擇配置開發(fā)

模型庫中的梁單元根據(jù)截面形狀的不同，可以分為許多不同的單元模型。在配置界面中根據(jù)選擇的梁截面形狀，確定加載單元模型類型。另外，通過點擊“切換”或“添加”按鈕，減少或增加需要選擇的截面，間接決定需要加載的梁單元模型數(shù)量。其配置界面，如圖10 所示。

圖10 截面形狀選擇界面Fig.10 Section Shape Selection Interface

梁單元創(chuàng)建矩形表格1 中，兩個截面形狀可以確定一個梁單元的類型。根據(jù)對話框中所選截面形狀的不同，通過NX/Open API 可以快速的從幾何模型庫中定位到所需要的模型。接著，需要將定位到的梁單元模型，加載到裝配文件中。在加載單元模型時，根據(jù)截面形狀的選擇，如果需要對同一種單元模型重復加載。那么，在重復加載前，需要對其單元模型進行復制，再加載其復制模型。加載梁單元后的總裝配模型，如圖11 所示。

圖11 梁單元的總裝配Fig.11 Total Assembly of the Beam Unit

4.3 模型的更新

梁結(jié)構(gòu)模型的更新主要由兩部分組成：（1）截面自由度配置開發(fā)（2）截面形狀參數(shù)配置開發(fā)。通過其控制梁單元的軌跡和截面輪廓，使得梁結(jié)構(gòu)在不同配置狀態(tài)間轉(zhuǎn)換，滿足了梁結(jié)構(gòu)多種型號配置的需求。

4.3.1 截面自由度配置開發(fā)

當梁骨架的配置信息需要更新或有其它一些特殊需求，為了避免生成多余模型，占用額外的存儲空間，需要重定義梁骨架。根據(jù)前文的控制方案，改變截面坐標系的6 個空間自由度，可以控制骨架在三維空間中的位置信息。當骨架的位置信息重定義后，后臺程序?qū)⒏鶕?jù)配置信息更新單元模型庫中的梁單元，并重新加載。更新截面自由度的一個例子，如圖12 所示。

圖12 截面自由度配置界面Fig.12 Section Degree of Freedom Configuration Interface

4.3.2 截面形狀參數(shù)配置開發(fā)

梁骨架的配置信息更新后，在確定截面形狀的基礎(chǔ)上，為了滿足梁配置的靈活性，需要對梁截面形狀參數(shù)實現(xiàn)更新配置。當改變配置對話框中的數(shù)據(jù)后，梁相應的截面形狀參數(shù)將在總裝配模型中發(fā)生變化。其配置界面，如圖13 所示。

圖13 截面形狀參數(shù)配置界面Fig.13 Section Shape Parameter Configuration Interface

5 結(jié)語

以KBE 技術(shù)為基礎(chǔ)，建立梁結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)品基于知識的單元模型庫，使用NX/Open API 和Visual Studio 對模型庫進行聯(lián)合配置開發(fā)。將梁的配置流程以NX 中向?qū)问郊右怨袒?，在配置過程中調(diào)用模型庫中的梁單元并加以更新，梁單元以截面輪廓和中心軌跡參數(shù)的改變而更新。這種結(jié)合KBE 技術(shù)的梁配置開發(fā)方法，確保了梁結(jié)構(gòu)在三維空間中的可控性，實現(xiàn)了梁結(jié)構(gòu)拓撲變化的多樣性。并且NX 的向?qū)Ｊ剑沟迷贜X 獨立軟件中就能完成梁結(jié)構(gòu)類型產(chǎn)品的配置，極大地提高了工作效率，且為建立梁結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫提供了基礎(chǔ)。