曹 巖 楊艷麗 白 瑀 杜 江 范春霞

(①西安工業(yè)大學(xué)先進(jìn)制造工程研究所，陜西西安710032;②深圳大學(xué)信息工程學(xué)院計算機(jī)系，廣東深圳518060)

在查閱有關(guān)機(jī)械企業(yè)的所有零件調(diào)查統(tǒng)計報告后，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示標(biāo)準(zhǔn)件的使用約占零部件總數(shù)的50%，典型的變型零件占40%。生產(chǎn)實踐證明標(biāo)準(zhǔn)件具有優(yōu)良的性能，采用這些標(biāo)準(zhǔn)件能夠保證產(chǎn)品的質(zhì)量且可降低企業(yè)生產(chǎn)成本［1-2］。標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立可以有效地積累設(shè)計成果，實現(xiàn)在設(shè)計過程中對已有設(shè)計資源及成果最大限度地重用，避免重復(fù)，提高設(shè)計質(zhì)量與效率。因此，建立適應(yīng)實際需求的三維標(biāo)準(zhǔn)件庫是必需的。提供標(biāo)準(zhǔn)件庫或提供開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)件的工具是CAD系統(tǒng)的一個重要組成部分，是評價CAD系統(tǒng)的一個指標(biāo)。

1 研究目的

在機(jī)械設(shè)計中，有許多繪圖工作量是涉及標(biāo)準(zhǔn)件，如鉚釘、鉚螺母、螺栓、螺母等。由于這些零部件的數(shù)量大，結(jié)構(gòu)形式多，不僅繪圖非常繁瑣，而且還要反復(fù)查閱手冊，尋找數(shù)據(jù)。因而，很需要一種直觀方便、快捷準(zhǔn)確地繪制標(biāo)準(zhǔn)件的方法，使用戶能靈活地調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件，生成所需的模型。為此應(yīng)該建立一個標(biāo)準(zhǔn)件庫，這是為了充分發(fā)揮CAD軟件的作用而進(jìn)行的一項重要的二次開發(fā)工作。

標(biāo)準(zhǔn)件庫是將各種標(biāo)準(zhǔn)件或零件的信息存放在一起，并配有管理系統(tǒng)和相應(yīng)CAD標(biāo)準(zhǔn)接口的軟件系統(tǒng)。用戶可以對標(biāo)準(zhǔn)件庫進(jìn)行查詢、檢索、訪問、提取所需的零件信息，供設(shè)計、制造等工序使用。

在Pro/ENGINEER環(huán)境下建立鉚連接三維標(biāo)準(zhǔn)件庫，利用VC++6.0的MFC類庫和動態(tài)鏈接庫(DLL)方式建立方便快捷的人機(jī)對話界面。一方面可以避免設(shè)計者繁瑣的標(biāo)準(zhǔn)件繪圖工作，提高設(shè)計效率;另一方面也可以提高設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化程度，減少錯誤發(fā)生率［3-4］。在Pro/ENGINEER環(huán)境下建立鉚連接三維標(biāo)準(zhǔn)件庫的要求如下:

(1)具有各類型的鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件;以最新版《機(jī)械設(shè)計手冊》為依據(jù)，針對鉚連接件結(jié)構(gòu)參數(shù)的不同將其詳細(xì)分類，分析其結(jié)構(gòu)特征。

(2)具有擴(kuò)展鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件庫的能力。

(3)采用的技術(shù)便于實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的集成。

(4)具有良好的人機(jī)交互界面，易學(xué)易用。實現(xiàn)對標(biāo)準(zhǔn)件的查詢、檢索、調(diào)用及對標(biāo)準(zhǔn)件庫的擴(kuò)充。

(5)基于最新版的《機(jī)械設(shè)計手冊》來進(jìn)行三維標(biāo)準(zhǔn)件庫的開發(fā)。

(6)建立的Pro/ENGINEER標(biāo)準(zhǔn)件庫中對應(yīng)鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件模型的調(diào)用，自動生成用戶所需的標(biāo)準(zhǔn)件三維模型，供用戶進(jìn)行裝配等操作。

2 標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

我國機(jī)械制造企業(yè)廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)鉚連接結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)規(guī)范，大多可以套用鉚連接的國家標(biāo)準(zhǔn)或與國標(biāo)相似的行業(yè)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Pro/ENGINEER環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)件庫的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中有用戶管理界面、Pro/TOOLKIT接口程序、標(biāo)準(zhǔn)件模型庫、標(biāo)準(zhǔn)件關(guān)系數(shù)據(jù)庫4個部分。其核心部分為標(biāo)準(zhǔn)件模型庫和標(biāo)準(zhǔn)件關(guān)系數(shù)據(jù)庫2部分。

三維標(biāo)準(zhǔn)件庫是利用特征造型技術(shù)建立的，因此在該庫中存儲的并非是帶有具體幾何數(shù)據(jù)的實體模型，而是各類由尺寸驅(qū)動的參數(shù)模型。標(biāo)準(zhǔn)件的特征參數(shù)庫主要存儲標(biāo)準(zhǔn)件的各種參數(shù)。由于零件的參數(shù)個數(shù)、參數(shù)數(shù)值類型都因零件的不同而不同，因此每個數(shù)據(jù)表保存一個標(biāo)準(zhǔn)件的數(shù)據(jù)。本文選擇Microsoft Access數(shù)據(jù)庫建立鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件的關(guān)系數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)的用戶管理界面是由若干菜單和窗體組合而成。它是連結(jié)標(biāo)準(zhǔn)件模型庫和參數(shù)庫的橋梁。當(dāng)系統(tǒng)接到要求進(jìn)行構(gòu)型任務(wù)后，用戶界面將提示用戶進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件關(guān)鍵參數(shù)的選擇，系統(tǒng)根據(jù)所選的關(guān)鍵參數(shù)檢索關(guān)系數(shù)據(jù)庫，確定其他參數(shù)后，并將處理后的這些參數(shù)賦予對應(yīng)的設(shè)計變量，形成與標(biāo)準(zhǔn)件模型相聯(lián)系的外部參數(shù)文件。然后調(diào)出參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)件模型庫中事先定義好的標(biāo)準(zhǔn)件模型，并根據(jù)參數(shù)文件中的參數(shù)值對其進(jìn)行尺寸約束驅(qū)動，生成所需規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)件。本文采用VC++6.0來開發(fā)用戶選擇及管理界面。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)件檢索程序模塊

針對鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件，該程序模塊可實現(xiàn)與用戶的實時交互，引導(dǎo)用戶選擇鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件的具體結(jié)構(gòu)類型。然后，該程序模塊可針對用戶選擇的鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件類型，通過交互方式獲得所選標(biāo)準(zhǔn)件的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)。進(jìn)而可基于所獲取的參數(shù)實現(xiàn)對鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件關(guān)系數(shù)據(jù)庫的檢索。該程序模塊基于VC++6.0和Pro/TOOLKIT開發(fā)，并作為一個動態(tài)鏈接庫，通過菜單掛接在Pro/E環(huán)境中運行。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)件自動造型模塊

該程序模塊動態(tài)獲取標(biāo)準(zhǔn)件檢索程序模塊檢索結(jié)果，進(jìn)而依據(jù)獲取的檢索結(jié)果實現(xiàn)對鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件庫中與檢索結(jié)果相對應(yīng)的鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件模型的調(diào)用，自動生成對應(yīng)的鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件三維實體模型。

標(biāo)準(zhǔn)件庫檢索程序模塊和標(biāo)準(zhǔn)件自動造型模塊(如圖2)。

3 系統(tǒng)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)

3．1 Pro/TOOLKIT

Pro/ENGINEER常用的二次開發(fā)工具有:族表(Family Table)、用戶定義特征(UDF)、Pro/Program、J-link、Pro/TOOLKIT等。本文Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序流程如圖3。

Pro/TOOLKIT支持用戶或第三方在Windows 2000NT/XP操作系統(tǒng)中使用C和C++語言設(shè)計程序，采用Microsoft Visual C++6.0的集成環(huán)境下完成程序的設(shè)計、調(diào)試和編譯，開發(fā)基于Pro/ENGINEER系統(tǒng)的應(yīng)用程序模塊，擴(kuò)充Pro/ENGINEER系統(tǒng)功能，從而滿足用戶的特殊要求。還可利用Pro/TOOLKIT提供的UI對話框、菜單以及VC++可視化界面技術(shù)，設(shè)計出方便實用的人機(jī)交互界面，從而大大提高系統(tǒng)的使用效率。

Pro/TOOLKIT提供了大量針對Pro/ENGINEER底層資源調(diào)用的庫函數(shù)和頭文件，幾乎覆蓋了Pro/ENGINEER中的所有操作，使用戶或第三方編寫的應(yīng)用程序能夠以一種可控制的、安全的方式訪問Pro/ENGINEER的數(shù)據(jù)庫，并可以實現(xiàn)應(yīng)用程序模塊與Pro/ENGINEER系統(tǒng)的無縫集成。

3．2 族表(Family Table)

Pro/ENGINEER的族表是零件的集合，這些零件的特征基本是相似的。用族表方式創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)件庫通常適用于那些系列化的、工作中固定不變的標(biāo)準(zhǔn)件。使用族表可縮短產(chǎn)品設(shè)計的周期，改善設(shè)計質(zhì)量，提高設(shè)計自動化程度，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)(Pro/Intralink)的集成，以滿足零件數(shù)據(jù)管理需要。

族表是Pro/ENGINEER中的一個利用表格來驅(qū)動模型的工具。用戶可以將事先定義好模型(在表格中稱之為GENERIC)零件的可供驅(qū)動的尺寸參數(shù)、特征、模型等放入表格中。用戶在表格中輸入的參數(shù)值就可以創(chuàng)建一個新的零件(在表格中稱為INSTANCE零件)。通過族表可以方便管理具有相同或相近結(jié)構(gòu)的零件，特別適用于標(biāo)準(zhǔn)零件的管理。族表通過建立通用零件為父零件，然后在其基礎(chǔ)上對各參數(shù)加以控制生成派生零件。整個族表通過電子表格來管理，所以又被稱為表格驅(qū)動。

可利用族表建立標(biāo)準(zhǔn)件庫，對于重復(fù)性高、相似性大的零件或標(biāo)準(zhǔn)件，不需要每個規(guī)格都建立一個零件，使用一個原始樣本零件(Generic Part)及一個族表，即可自動生成按族表所示尺寸比例的實例零件。

運用零件族表進(jìn)行建立標(biāo)準(zhǔn)件庫時，具體方法有兩種:①利用Pro/Engineer本身提供的零件族表功能手工完成。該方法用戶無須編程，即可控制組合零件模型的形狀和尺寸;②采用CAD接口組件開發(fā)方法實現(xiàn)。本文中采用手工方法建立鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件的族表。

3.3 基于特征建模和族表的鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件庫的建立

利用Pro/ENGINEER強(qiáng)大的特征建模和族表功能，可以很好地解決在基本模型建立以后的多個參數(shù)的驅(qū)動問題，從而實現(xiàn)了Pro/ENGINEER三維參數(shù)化功能的擴(kuò)展。

在建立鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件模型庫之前，首先根據(jù)其結(jié)構(gòu)對其進(jìn)行分類。根據(jù)所劃分的鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件類型和標(biāo)準(zhǔn)件的相似性原理，確定能夠完整表示該系列標(biāo)準(zhǔn)件所有零件特征的復(fù)合零件，分析其特征及特征的創(chuàng)建順序。根據(jù)該復(fù)合零件可以派生出此系列標(biāo)準(zhǔn)件中的任一零件。在Pro/ENGINEER環(huán)境下創(chuàng)建其三維零件模型，即三維零件樣板，并實現(xiàn)模型的參數(shù)化驅(qū)動。在三維零件樣板的基礎(chǔ)上確定一組設(shè)計參數(shù)來控制零件的形狀和拓?fù)潢P(guān)系，并建立零件族表設(shè)計參數(shù)的系列尺寸;通過添加不同的系列尺寸來自動生成零件的三維模型，從而實現(xiàn)常用標(biāo)準(zhǔn)件庫的創(chuàng)建。創(chuàng)建步驟如圖4。

(1)為了確保參數(shù)驅(qū)動時不會發(fā)生特征再生失敗，建立標(biāo)準(zhǔn)件庫之前，應(yīng)進(jìn)行深入的分析，充分考慮特征的“父子”關(guān)系，遵循一定的順序建模，一般情況下是將固定不變的形狀特征放在前面，變化可能性最大的特征放在后面。避免特征再生時沖突，這樣做便于參數(shù)化驅(qū)動得到所需要的零件。

(2)在Pro/ENGINEER中完成零件樣板三維模型的創(chuàng)建。創(chuàng)建一個作為原型零件的模型，并在該模型上定義參數(shù)之間的關(guān)系等。

(3)利用Pro/ENGINEER系統(tǒng)中的Family Table，創(chuàng)建形狀結(jié)構(gòu)相似而尺寸略有不同的標(biāo)準(zhǔn)件庫。使用特征收集器的功能加入特征、尺寸、參數(shù)等內(nèi)容供子零件產(chǎn)生變化。

(4)驗證族表的正確性，使每個子零件均可以順利產(chǎn)生。驗證結(jié)果依照原型零件的名稱記錄，其文件格式為:*.tst，該文件記錄子零件的名稱和再生結(jié)果。

通過創(chuàng)建關(guān)系式，使得零件族表中的設(shè)計參數(shù)與系統(tǒng)默認(rèn)的約束參數(shù)符號建立關(guān)聯(lián)，當(dāng)選擇某個實例進(jìn)行參數(shù)化重構(gòu)時，實際是普通模型為樣板模型，族表中該實例的設(shè)計參數(shù)的值，通過參數(shù)約束方程傳遞給使Pro/ENGINEER系統(tǒng)自動創(chuàng)建的約束參數(shù)名，然后進(jìn)行模型重構(gòu)，最后通過布爾運算即可得到所需的衍生件?；谧灞砑夹g(shù)的Pro/ENGINEER系統(tǒng)零件生成流程如圖5。

3．4 利用MFC開發(fā)Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序

目前，利用Microsoft Visual C++MFC(Microsoft Foundation Class)開發(fā)人機(jī)交互界面是常用的方法，能向用戶提供圖形與文字共存的可視化環(huán)境，使操作更為自然、簡便和快速，技術(shù)也比較成熟。因此，本文采用VC++6.0開發(fā)人機(jī)交互界面。

Pro/TOOLKIT并不提供對MFC的支持，因此不能直接應(yīng)用MFC對話框，想利用MFC強(qiáng)大功能實現(xiàn)對話框的開發(fā)，必須以通信方式實現(xiàn)在Pro/TOOLKIT中調(diào)用MFC，本文在Pro/TOOLKIT與MFC之間采用動態(tài)鏈接庫(DLL)方式通信，在Pro/ENGINEER與Pro/TOOLKIT接口技術(shù)之間也采用同步模式中的動態(tài)連接模式(DLL)方式通信。

創(chuàng)建Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序有兩種方法:一種方法是選用Make文件創(chuàng)建Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序;另一種方法是利用VC++向?qū)?chuàng)建Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序。本文中采用VC++向?qū)?chuàng)建Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序。

利用VC++的應(yīng)用程序設(shè)計向?qū)Э梢苑奖憧焖俚貏?chuàng)建Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序的基本框架。標(biāo)準(zhǔn)件庫的界面采用下拉菜單和對話框相結(jié)合的方式。從下拉菜單中選擇所需要的鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件的種類，如圓頭鉚釘、平頭鉚釘、空心鉚釘?shù)?，并?fù)責(zé)應(yīng)用程序的裝載、執(zhí)行;對話框包括鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件中鉚釘和鉚螺母的用戶選擇界面。

菜單是Pro/ENGINEER的主要用戶界面。菜單的實現(xiàn)包含了兩部分內(nèi)容，即添加菜單標(biāo)簽供用戶選擇和實現(xiàn)相應(yīng)的菜單功能。菜單的實現(xiàn)方法如下:

(1)建立共享MFC的常規(guī)DLL工程，命名為Fan-ProLib.dll;

(2)編寫接口頭文件;

(3)編寫FanProLib.cpp文件;

(4)添加主菜單項，利用ProMenubarMenuAdd()函數(shù)實現(xiàn);

(5)添加主菜單項下的功能菜單項(下拉菜單)。

在Pro/ENGINEER中運行Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序，必須先進(jìn)行注冊。注冊文件(Registry File)的作用是向Pro/ENGINEER系統(tǒng)傳遞有關(guān)Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序的信息。Pro/ENGINEER可通過此文件來定位Pro/TOOLKIT應(yīng)用的資源文件。Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序的注冊有兩種方法，一種是自動注冊和運行，另一種是手動注冊和運行。

3.5 數(shù)據(jù)庫接口技術(shù)

在零件的設(shè)計過程中，經(jīng)常需要考慮零件的機(jī)械性能及幾何參數(shù)，通常的方法是查閱《機(jī)械設(shè)計手冊》，因此浪費了大量的時間。在標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)中利用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將該零件機(jī)械性能參數(shù)保存在數(shù)據(jù)庫，在需要時查閱，可以大大方便零件的設(shè)計。依據(jù)《機(jī)械設(shè)計手冊》，選取Microsoft Access 2003數(shù)據(jù)庫來建立鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件關(guān)系數(shù)據(jù)庫及其檢索和查詢功能。

通過VC++可以實現(xiàn)Access與Pro/ENGINEER軟件的對接，在Pro/ENGINEER中就可以調(diào)用Access數(shù)據(jù)庫資源，如圖6。

對于鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件庫，在Access中用表格的形式對每種標(biāo)準(zhǔn)件的型號進(jìn)行存儲，用VC++開發(fā)對話框界面，實現(xiàn)人機(jī)交互。利用VC++中的MFC ODBC編程實現(xiàn)對用Access建立的鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件庫相關(guān)數(shù)據(jù)的檢索和查詢功能。

因鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件庫的數(shù)據(jù)是通過使用Access等軟件利用表格預(yù)先存儲的，便于對現(xiàn)有庫進(jìn)行修改、部分內(nèi)存資料刪除和增加，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，大大減少了數(shù)據(jù)的冗余。為確保準(zhǔn)確性，每一個參數(shù)表中的數(shù)據(jù)都來源于《機(jī)械設(shè)計手冊》，因此標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)庫也可以作為一個標(biāo)準(zhǔn)件簡明手冊。

4 系統(tǒng)應(yīng)用

啟動Pro/ENGINEER軟件，進(jìn)入系統(tǒng)初始界面，如圖7所示。以半圓頭鉚釘為例，說明鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)的使用過程。

在菜單中選擇“標(biāo)準(zhǔn)件庫”→“鉚連接”→“鉚釘”，進(jìn)入鉚釘選擇界面，如圖8所示。然后，在鉚釘分類框中選擇所需類型并選擇數(shù)據(jù)庫中參數(shù)，單擊“確定”按鈕，就可調(diào)出半圓頭鉚釘?shù)呐缮慵鐖D9。

5 結(jié)語

CAD發(fā)展的方向是開放性、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和標(biāo)準(zhǔn)化?；赑ro/ENGINEER平臺進(jìn)行符合我國標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)件庫的二次開發(fā)。在系統(tǒng)設(shè)計中，主要從符合工程技術(shù)人員的習(xí)慣、提高標(biāo)準(zhǔn)件設(shè)計的效率和質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)件庫使用方便的角度出發(fā)，開發(fā)了常用鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件庫和方便實用的人機(jī)界面，實現(xiàn)了其與Pro/ENGINEER的集成，從而可以更方便調(diào)用鉚連接標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，減少了重復(fù)性勞動，提高了標(biāo)準(zhǔn)化程度。

系統(tǒng)中模型數(shù)據(jù)都來自于最新版的《機(jī)械設(shè)計手冊》，模型數(shù)據(jù)可靠，因此該標(biāo)準(zhǔn)件庫系統(tǒng)可以看作是一個機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)件電子手冊，顯示直觀、逼真，用戶界面友好、美觀大方，可視化程度高。具有Windows操作經(jīng)驗的用戶即可方便地使用該系統(tǒng)。

所采用的建庫方法具有推廣性，專門應(yīng)用領(lǐng)域的用戶可用來擴(kuò)充所需的標(biāo)準(zhǔn)件庫和通用件庫，提高開發(fā)效率和質(zhì)量。在標(biāo)準(zhǔn)件庫的擴(kuò)充和標(biāo)準(zhǔn)件的裝配設(shè)計上，尚需做進(jìn)一步的深入工作。

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