張志剛， 趙 罡

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院，北京 100191）

在產(chǎn)品開發(fā)過程中標(biāo)準(zhǔn)件的使用率約占零件總數(shù)的60%[1]，因此標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用對提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率至關(guān)重要。標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)的研究與開發(fā)可追溯到早期的二維CAD平臺，如基于AutoCAD平臺的標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)。隨著參數(shù)化特征造型技術(shù)日漸成熟，標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)中涉及的尺寸驅(qū)動(dòng)這一關(guān)鍵技術(shù)被妥善解決，應(yīng)用于各三維參數(shù)化特征造型平臺之上的CAD系統(tǒng)也隨之大量出現(xiàn)。

外部管路系統(tǒng)是燃?xì)廨啓C(jī)最重要的組成部分之一，直接影響到燃?xì)廨啓C(jī)的可靠性和安全性。在燃?xì)廨啓C(jī)的管路系統(tǒng)中存在大量的標(biāo)準(zhǔn)件，包括管接頭、外套螺母、堵頭、卡箍、轉(zhuǎn)接段等，通常稱之為管路元件。這些元件均是航空專用零件，其幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般相同或相似，僅尺寸規(guī)格有差異。在實(shí)際的管路敷設(shè)過程中，常需大量使用此類管路元件，而工程設(shè)計(jì)人員也因?yàn)槌叽绲牟煌坏貌粚ν惖墓苈吩M(jìn)行重復(fù)設(shè)計(jì)，這不僅耗費(fèi)了設(shè)計(jì)人員大量的時(shí)間和精力，而且導(dǎo)致產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫過大，不易管理。通過建立管路元件的標(biāo)準(zhǔn)件庫，不僅可以解除繁瑣的重復(fù)繪制工作，提高設(shè)計(jì)效率，還能保證標(biāo)準(zhǔn)件的繪制精度，同時(shí)有利于后續(xù)的維護(hù)工作。

關(guān)于三維管路的計(jì)算機(jī)輔助敷設(shè)技術(shù)研究，國內(nèi)已有一定基礎(chǔ)[2-3]。陳志英等在航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路智能敷設(shè)方面做了較深入的研究和探索[2]；付宜利等研究了石油管路空間位置規(guī)劃、路徑自動(dòng)搜索及路徑修改等管路敷設(shè)關(guān)鍵技術(shù)[3]。本文在這些研究工作的基礎(chǔ)上，對種類繁多的燃?xì)廨啓C(jī)管路零件進(jìn)行分類歸納，開發(fā)了一個(gè)簡單易用的零件庫系統(tǒng)，為后續(xù)的管路敷設(shè)奠定了良好的基礎(chǔ)。

本文介紹基于UG平臺的燃?xì)廨啓C(jī)管路元件庫開發(fā)是基于工程需要。文中第一節(jié)介紹了 UG平臺提供的二次開發(fā)接口；第二節(jié)給出了管路元件庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；第三、四節(jié)介紹了數(shù)據(jù)層和用戶層的開發(fā)細(xì)節(jié)；最后給出了實(shí)例和結(jié)論。

1 UG軟件的二次開發(fā)工具

UG/Open是一系列UG開發(fā)工具的總稱，是UG軟件為用戶或第三方開發(fā)人員提供的最主要的開發(fā)工具。UG/Open開發(fā)工具主要包括UG/Open API、UG/Open GRIP、UG/Open MenuScript、UG/Open UIStyler等模塊，這幾個(gè)模塊的開發(fā)方法和適用范圍如表1所示。

開發(fā)燃?xì)廨啓C(jī)管路元件庫需要使用數(shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)，涉及到數(shù)據(jù)庫編程，因此本文選擇的開發(fā)工具是UG/Open API，開發(fā)平臺為Visual C++6.0。在開發(fā)過程中還使用到了一些MFC類庫，因?yàn)檫@樣可以方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，靈活簡潔地進(jìn)行字符串相關(guān)操作，設(shè)計(jì)出更加豐富美觀的界面，同時(shí)也能很容易實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的相關(guān)操作。

表1 UG/Open開發(fā)工具比較

2 管路元件庫系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

管路元件庫系統(tǒng)主要由兩層結(jié)構(gòu)組成：數(shù)據(jù)層和用戶層。數(shù)據(jù)層主要用來存儲管路零件的尺寸信息，為用戶層提供數(shù)據(jù)支持；用戶層主要用來從數(shù)據(jù)庫中讀取管路零件尺寸、添加新尺寸到數(shù)據(jù)庫中、刪除數(shù)據(jù)庫中的尺寸信息和管路零件的參數(shù)化建模，如圖1所示。

數(shù)據(jù)層的設(shè)計(jì)工作主要在于零件族的劃分和特征參數(shù)的提取，為每類零件族設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)表，并以特征參數(shù)為數(shù)據(jù)表的列字段存儲。用戶層的開發(fā)首先是建立在CAD系統(tǒng)基礎(chǔ)上的，利用開發(fā)接口，開發(fā)出用戶界面，實(shí)現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的操作和管路零件模型的生成。

3 數(shù)據(jù)層的開發(fā)

3.1 零件數(shù)據(jù)庫的組織形式

零件庫的主要對象是零件模型，零件模型可以由零件編號、名稱、尺寸參數(shù)等特性來描述。零件庫由多個(gè)零件族組成，每個(gè)零件族由樣板模型和一系列尺寸參數(shù)組成，它可以通過零件名稱、編號、特征參數(shù)值來索引。因此，整個(gè)零件庫是一種樹狀的層次關(guān)系，如圖2所示。

圖2 零件庫的組織形式

3.2 零件族劃分的原則

零件的特征包括結(jié)構(gòu)、材料與工藝3個(gè)方面，本文只研究零件的結(jié)構(gòu)。零件結(jié)構(gòu)相似包括形狀相似、尺寸相似和精度相似。形狀相似是指零件所具有的形狀要素如平面、外圓、孔、螺紋、錐體、健槽、齒型等及其在零件上的布置形式相似；尺寸相似是指零件之間相對應(yīng)尺寸相似；精度相似是指零件相對應(yīng)表面之間精度要求的相似。零件的相似性是零件分類的依據(jù)，籍此劃分零件族。零件族的劃分原則如下：

（1）零件的幾何形狀相似，即零件的特征相似，尤其是外特征，特征的位置、尺寸不重要，但相似特征應(yīng)具備，例如外環(huán)槽、錐體、孔、及球面等。

（2）同軸的外圓特征數(shù)量的多少一般視為相似，并且外環(huán)槽、錐體及球面等特征位于零件的端部時(shí)，則該零件族的上述特征都應(yīng)位于零件的端部。

（3）同軸的孔特征可視為一族。

（4）圓面上均勻分布的孔特征，不管數(shù)量多少視為一族。

當(dāng)零件族確定后，需要指出的是憑經(jīng)驗(yàn)劃分的零件族，并不一定能全部在UG平臺上實(shí)現(xiàn)，例如：在劃分的零件族中，某一零件有孔特征，而另一零件沒有孔特征，則此零件族不能完全涵蓋這兩種零件，須重新劃分。由于基于特征建模的CAD軟件，不支持特征參數(shù)為零的特征，此例中孔的直徑或深度為零，即違反特征參數(shù)不能為零的規(guī)則。

3.3 提取零件的主特征參數(shù)

特征參數(shù)的提取與零件的相似程度有密切關(guān)系。當(dāng)零件的幾何拓?fù)潢P(guān)系一致，而很多尺寸值不相同時(shí)，需要提取的特征參數(shù)較多，此時(shí)建立的零件庫開放性較好。在工程實(shí)際中，一個(gè)零件族只有少數(shù)幾個(gè)特征參數(shù)不同的情況居多，此時(shí)開發(fā)零件庫較容易。

因同一特征在不同設(shè)計(jì)平臺或同一設(shè)計(jì)平臺下，用不同構(gòu)造方法的特征表達(dá)不一樣，所以在提取參數(shù)時(shí)，需注意三點(diǎn)。第一，使三維設(shè)計(jì)平臺下的特征參數(shù)的表達(dá)與工程實(shí)際中的表達(dá)協(xié)調(diào)一致。第二，提取參數(shù)時(shí)還應(yīng)尋找零件的特征表達(dá)參數(shù)之間的關(guān)系，以減少參數(shù)個(gè)數(shù)，以便使數(shù)據(jù)庫存儲有最小冗余。以簡單螺母為例，除螺母的高度、孔徑外，僅正六邊形在三維設(shè)計(jì)平臺下，需9個(gè)參數(shù)方可滿足全部約束，而工程實(shí)際中正六邊形僅需2個(gè)參數(shù)表達(dá)。值得注意的是：雖然通用CAD軟件中，正多邊形僅需內(nèi)切圓和邊數(shù)兩個(gè)參數(shù)即可確定，但參數(shù)化設(shè)計(jì)中用到的正多邊形需用邊、角信息表達(dá)，故正六邊形需9個(gè)參數(shù)。需要根據(jù)幾何關(guān)系找出參數(shù)間的依賴關(guān)系，籍此可以將9個(gè)參數(shù)，簡化為2個(gè)獨(dú)立的參數(shù)，并與國標(biāo)協(xié)調(diào)一致，如圖3所示。第三，提取參數(shù)過程中應(yīng)當(dāng)考慮所提取的參數(shù)，關(guān)于模板零件是否構(gòu)成過約束或欠約束，提取參數(shù)后及時(shí)驗(yàn)證，就可檢驗(yàn)提取的參數(shù)是否正確。

3.4 建立樣板模型

根據(jù)前述劃分零件族的思路，將所有的管路零件分為若干個(gè)零件族，再為每個(gè)零件族提取特征參數(shù)。選取零件族中最復(fù)雜的一個(gè)零件作為模板零件，以零件族的特征參數(shù)作為尺寸約束，采用參數(shù)化建模的方法為該類零件族建立一個(gè)樣板模型。需要說明的是，該樣板模型其實(shí)也只是一個(gè)普通的UG零件模型，只是它采用參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)，并且該樣板模型的尺寸標(biāo)注一定要是全約束的，不能欠約束也不能過約束。零件模型建立完成后，需要修改參數(shù)表達(dá)式的名稱，將系統(tǒng)給定的默認(rèn)表達(dá)式名稱更改為有實(shí)際意義、易于區(qū)分的表達(dá)式名稱。這樣就完成了一類零件族的樣板模型，可以按照同樣的方法為每一類零件族建立樣板模型。

圖3 特征參數(shù)簡化

4 用戶層的開發(fā)

4.1 數(shù)據(jù)庫操作模塊

數(shù)據(jù)庫操作模塊主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與零件尺寸數(shù)據(jù)源之間的各種操作，為管路元件庫系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持。本文選擇ADO方式連接數(shù)據(jù)庫，這種連接方式速度快、占用內(nèi)存低、實(shí)現(xiàn)簡單。本模塊的功能包括數(shù)據(jù)庫的連接、數(shù)據(jù)庫信息的查詢、數(shù)據(jù)庫信息的添加和數(shù)據(jù)庫信息的刪除等。采用ADO與VC++編程開發(fā)，利用ADO提供的功能強(qiáng)大的智能指針，只需編寫合適的 SQL語句就能實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的各種操作。

4.2 用戶界面模塊

開發(fā)用戶界面有兩種可選的方式：UG軟件自帶的界面編輯器和 VC++的 MFC類庫。第一種方式實(shí)現(xiàn)的用戶界面更符合UG軟件的風(fēng)格，但是實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，界面提供的消息響應(yīng)方式也不太完善；第二種方式采用 VC++的MFC類庫，可以設(shè)計(jì)非常復(fù)雜的界面，編程也比較簡單，更重要的是MFC類庫可以方便地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本文選擇使用MFC類庫編寫用戶界面。

用戶操作界面主要由零件參數(shù)化設(shè)計(jì)對話框和數(shù)據(jù)庫操作對話框組成，還有一些常見的MFC控件，如按鈕、靜態(tài)文本框、編輯框、列表框和組合框等。用戶進(jìn)行零件設(shè)計(jì)時(shí)，可以直接輸入零件的參數(shù)值，快速生成零件的三維模型；也可以從數(shù)據(jù)庫中選擇尺寸值，重新編輯零件的參數(shù)表達(dá)式，更新零件模型，操作流程如圖4所示。從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)時(shí)，用戶可以查詢零件尺寸數(shù)據(jù)，可以刪除零件尺寸數(shù)據(jù)，還可以添加新的零件尺寸數(shù)據(jù)；如果需要擴(kuò)充零件庫，只需向數(shù)據(jù)庫中添加新的零件尺寸數(shù)據(jù)即可。

圖4 零件庫操作流程圖

4.3 CAD系統(tǒng)接口模塊

UG軟件提供了多種開發(fā)工具，本文選擇的開發(fā)工具是 UG/Open API。使用 UG/Open API編寫的應(yīng)用程序可以在兩種不同的環(huán)境下運(yùn)行：內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境，這兩種環(huán)境又分別被稱為內(nèi)部模式和外部模式。內(nèi)部模式的應(yīng)用程序具有文件小、連接塊的特點(diǎn)，另外，使用內(nèi)部模式的應(yīng)用程序還可以通過UG的交互界面獲取和創(chuàng)建模型，創(chuàng)建和編輯表達(dá)式，通過圖形窗口查看程序的運(yùn)行結(jié)果。函數(shù)ufusr()和ufsta()是內(nèi)部模式應(yīng)用程序標(biāo)準(zhǔn)的入口函數(shù)。這里選擇使用ufsta()函數(shù)作為入口函數(shù)，它可以在UG程序啟動(dòng)后自動(dòng)被加載。ufsta()入口函數(shù)有固定的編寫模式：首先需要初始化UG環(huán)境，然后調(diào)用用戶開發(fā)的程序，最后需要釋放UG環(huán)境。作者開發(fā)的應(yīng)用程序經(jīng)過編譯鏈接之后生成動(dòng)態(tài)鏈接庫文件，UG軟件可以自動(dòng)加載和執(zhí)行。

5 實(shí) 例

本文完成了八類管路零件庫的開發(fā)，包括管路零件的參數(shù)化建模，數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計(jì)，用戶界面開發(fā)和零件模型更新等。用戶使用此零件庫，通過輸入零件參數(shù)，或從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入已存在的零件參數(shù)，可以快速生成新尺寸的零件模型。

圖5給出一個(gè)使用此零件庫快速生成系列零件的例子。

圖5 管接頭零件系列

6 結(jié) 論

本文開發(fā)的管路元件庫系統(tǒng)采用了參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，通過系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫相連接，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)自動(dòng)選擇和查詢，以及與UG環(huán)境無縫連接，使得用戶調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)零件更加方便。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開放式標(biāo)準(zhǔn)庫結(jié)構(gòu)，方便用戶修改與擴(kuò)充。采用特征參數(shù)化驅(qū)動(dòng)的方法，減少了建庫的工作量。元件庫的開發(fā)也是對成組技術(shù)和敏捷制造中的變形設(shè)計(jì)做了一次有益的探索，對自動(dòng)化或系列化生產(chǎn)的機(jī)械制造企業(yè)，建立自己的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，具有重要的指導(dǎo)意義。

當(dāng)然，本文開發(fā)的管路元件庫系統(tǒng)也存在一些不足之處，例如當(dāng)新增一類管路零件時(shí)，需要為新增的管路零件編寫額外的代碼。本文后續(xù)的工作包括：一是改善管路元件庫的擴(kuò)展性；二是將此管路元件庫系統(tǒng)與管路敷設(shè)系統(tǒng)相集成，使它們更好的發(fā)揮作用。

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