楊顯剛， 何玉林， 杜 靜， 金 鑫， 李成武

（重慶大學機械學院，重慶 400044）

參數(shù)化零部件庫建庫技術研究與實踐

楊顯剛， 何玉林， 杜 靜， 金 鑫， 李成武

（重慶大學機械學院，重慶 400044）

在論述特征、事物特征表、特征造型與參數(shù)化設計的相互關系的基礎上，提出了基于通用CAD系統(tǒng)的參數(shù)化零部件設計思路。在研究Inventor平臺二次開發(fā)的基礎上，提出了基于Inventor的參數(shù)化零部件庫的構建方法和關鍵的實現(xiàn)代碼，并通過實例驗證了該方法的可行性。

快速設計；參數(shù)化設計；Inventor二次開發(fā)；零部件庫

隨著科學技術迅猛發(fā)展和市場競爭日益激烈，如何快速的提供滿足客戶需要的產(chǎn)品，成為了企業(yè)提高競爭力的不懈追求的目標。企業(yè)能否快速的設計出滿足需要的產(chǎn)品是企業(yè)核心競爭力的重要標志。CAD技術已普遍被企業(yè)采用，但是，通用CAD 系統(tǒng)已難以滿足進一步提高產(chǎn)品設計效率和封裝專業(yè)知識的要求。因此，開發(fā)面向行業(yè)的專用CAD 系統(tǒng)已成為提高設計效率和水平的重要方向。設計人員在利用CAD 軟件進行產(chǎn)品設計時，大量地用到國家標準件、行業(yè)標準件、企業(yè)通用件等零部件，所以，在通用CAD 系統(tǒng)中建立面向行業(yè)開放的、信息完備的零部件庫是一項重要的基礎工作。通過使用零部件庫系統(tǒng)，設計人員可以把精力集中在新產(chǎn)品的創(chuàng)新設計上，或者在原有零部件的基礎上進行變形修改，從而節(jié)省寶貴的時間，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高設計效率[1]。

1 特征、事物特性表與參數(shù)化設計

特征(Feature)這一概念從20世紀70年代提出以來，學術界還沒有一個統(tǒng)一的關于特征的嚴格定義。從不同的角度，會有不同的定義。

Shan JJ提出特征是一種形狀，對于這類形狀，工程設計人員可以附加一些工程信息[2]。

Christian Mascle在總結(jié)各特征定義的基礎上給特征下的定義為：特征是對一個或多個設計、制造活動有意義的幾何形體或?qū)嶓w，并由此構成一個零件的形狀和其他屬性的信息集[3]。

從上面這些定義中，可以看出，特征是對一定的結(jié)構的抽象，具有一定的工程意義，它蘊含結(jié)構的幾何信息和拓撲信息，人們可以利用特征來交流和表達思想。

事物用特征來表示后，事物就表現(xiàn)為一組有意義的特征參數(shù)。不同的事物表現(xiàn)為不同的參數(shù)。這些參數(shù)常用事物特性表來存儲。特征和事物特性表與CAD造型技術相結(jié)結(jié)合，這就形成了特征造型。

特征造型是設計人員直接用符合他們的思維習慣的特征概念來建立產(chǎn)品模型。它的基本思想是預定義一組感興趣的特征，存入特征庫中，這些特征的幾何和拓撲關系被事先定義，而特征參數(shù)和技術信息等被定義為變量。設計時，由設計人員根據(jù)需要指定這些變量和操縱特征關系來完成產(chǎn)品定義。由于特征是面向工程人員有意義的元素，特征不僅能夠加速設計過程，實現(xiàn)標準化生產(chǎn)，降低成本和提高生產(chǎn)率，而且能夠提高產(chǎn)品設計質(zhì)量，顯著改善設計與應用之間的信息交換。

參數(shù)化設計是指零件或部件的形狀比較定型，用一組參數(shù)約束該幾何圖形的一組結(jié)構尺寸序列，參數(shù)與設計對象的控制尺寸顯式對應，當賦予不同的參數(shù)序列值時，就可達到驅(qū)動新的目標幾何圖形，其設計結(jié)果是包含設計信息的模型[4]。參數(shù)化設計將產(chǎn)品設計轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品參數(shù)的制定，通過重用已有產(chǎn)品的幾何和拓撲結(jié)構，使得設計人員專注于產(chǎn)品的主要性能參數(shù)的設計。這無疑是會大大提高產(chǎn)品的設計效率。因此，參數(shù)化設計是快速設計的重要研究內(nèi)容。

此外，為了滿足多樣化的客戶需求，企業(yè)常常將產(chǎn)品系列化。有統(tǒng)計表明企業(yè)產(chǎn)品設計工作中有70%是變型設計。為了降低產(chǎn)品的成本，常常在產(chǎn)品設計中大量選用標準化、通用化和系列化的零件。這些都為參數(shù)化設計提供用武之地。

參數(shù)化設計離不開基于特征造型的CAD系統(tǒng)的支持。只有借助于CAD系統(tǒng)的支持才能將產(chǎn)品的性能參數(shù)轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品模型，進而投入生產(chǎn)，形成產(chǎn)品。通用的CAD系統(tǒng)提供的特征造型著眼于產(chǎn)品的幾何模型的建立，對具體的產(chǎn)品設計，尤其是具體產(chǎn)品的變型設計而言，重用的粒度過細，不能滿足快速設計的需要。具體地講，產(chǎn)品設計要求重用的是零部件，而通用的 CAD系統(tǒng)提供的是產(chǎn)品零部件的建模特征。因此，常常在通用的CAD系統(tǒng)的基礎上借助于二次開發(fā)技術，對零部件進行特征抽取，用特征參數(shù)表來表示和存儲結(jié)構類似的零部件，通過特征參數(shù)驅(qū)動零部件的模版模型文件，生成滿足需要的新零部件。其中，對于部件的處理有兩種思路，一種思路是將部件作為零件來處理，即部件就是零件；另一種思路是充分考慮部件的內(nèi)部結(jié)構，強調(diào)部件是由零件構成的裝配體。由于在實際工作中，對于被選部件，常常只關心部件的功能特性參數(shù)和在產(chǎn)品中與其他零部件的連接和空間情況，很少去關心部件的內(nèi)部結(jié)構，因此，為了降低建模的復雜度，和模型庫的數(shù)量，通常將部件作為零件來處理，即采用第一種思路去處理部件。對于那些部件結(jié)構對產(chǎn)品有重要影響的部件或者對部件所含零件有選擇要求的部件，在建立部件庫時應采用第二種思路。

2 Inventor及基于 Inventor的二次開發(fā)

Autodesk Inventor是一個基于特征的參數(shù)化實體造型軟件，是集參數(shù)實體造型、曲面造型、裝配造型、二維與三維雙向關聯(lián)繪圖以及與AutoCAD相互轉(zhuǎn)換于一體的機械設計系統(tǒng)。

API是Application Program Interface（應用程序接口）的簡稱。Inventor API以COM方式把Inventor的各種內(nèi)在對象暴露出來供二次開發(fā)人員調(diào)用，用以滿足特殊的產(chǎn)品設計需要。通過滿足這些需要的功能模塊，設計人員在Inventor中可以高效的設計出滿足客戶需要的設計產(chǎn)品。Inventor API所含的對象較多，對象層次也較多，因此，本文只給出幾個主要對象及其層次結(jié)構如圖1所示。

圖1 Inventor API對象組織圖

圖1反映了Inventor內(nèi)部各種對象的包含關系。在這幅圖的指引下程序員可以獲得某個具體對象實例的訪問權。例如，現(xiàn)在要訪問PartDocument對象的實例——當前活動零件文檔，假設inventor的Application對象實例為_invApp，可以用如下代碼來實現(xiàn)：

//聲明該類型變量Dim oPartDoc As Inventor.PartDocument//把Application對象實例中相應的實例賦值該類型變量，獲得該實例的訪問權

oPartDoc = _invApp.ActiveDocument Inventor提供了4種InventorAPI開發(fā)途徑，即 VBA，Add-In，Standalone EXE 和ApprenticeServer。

VBA的全稱是Visual Basic for Application，即為應用程序量身定做的 VBasic。因此，VBA并不是一個獨立的開發(fā)工具，也不為某一個產(chǎn)品所獨有，它是微軟開發(fā)的一種編程語言。在Inventor中，利用 VBA設計的程序一般被稱作“宏”，需要在 Inventor才可以執(zhí)行，不能脫離Inventor。在新版本中可能被取消，因此，考慮到模塊的可重用性，建議不要采用此方式。

Add-In 即插件，可生成DLL形式，也可以選擇生成EX E形式。DLL形式在Inventor 啟動時自動加載，運行在Inventor相同的處理空間，效率最高。EXE形式運行在單獨的處理空間中，其優(yōu)點是不會危及Inventor的運行，調(diào)試較方便，但效率較低。

StandaloneEXE運行在Inventor之外的處理空間，與Inventor進行頻繁通訊，因而存在效率上的損失，但擁有自己的界面，便于用戶調(diào)試。

ApprenticeServer 是 Inventor 的一個子集，運行在應用程序相同的處理空間，比在 Inventor內(nèi)部操作具有更高的效率，但提供功能的有限。

綜上所述，在開發(fā)初期，即產(chǎn)品原型開發(fā)時用StandaloneEXE方式，在產(chǎn)品發(fā)布時用插件形式。

Inventor的二次開發(fā)與其他平臺的二次開發(fā)一樣，是為了拓展平臺的功能。借助嵌入平臺的功能模塊，能夠快速地完成任務。Inventor的二次開發(fā)相較于solidworks和solidedge研究較少。從檢索到的文獻[5-7]上看，主要包括Inventor的應用和基于Inventor的參數(shù)化零件庫的研究，在構建參數(shù)化零件庫的理論和具體實現(xiàn)方法上仍有值得研究的地方。此外，在新版的 Inventor中ilogic技術在參數(shù)化零部件庫的建立中也有重要的價值。

3 基于 Inventor的參數(shù)化零部件庫的構建

Inventor提供了一系列的參數(shù)化工具：ifeature、ipart、iassemble。這些參數(shù)化工具都是建立在特征參數(shù)表（在Inventor中用“fx”來表示）的基礎上的。ifeature用于定義特征，ipart用于對零件進行特征化，形成零件工廠，iassemble用于對裝配體進行特征化。利用這些工具，可以快速地將系列化、標準化的零件以特征表的形式存儲在模型中方便在Inventor的環(huán)境中進行快速的參數(shù)化建模。但是，這些信息被封裝在模型文件中，造成了這些信息共享困難，不便于設計人員的交流和共享。因此，常常利用二次開發(fā)技術，利用這些參數(shù)化工具，借助編程語言，結(jié)合行業(yè)知識來開發(fā)面向行業(yè)的快速設計工具。對于 Inventor，常常利用 fx、ifeature、ipart、iassemble和ilogic這些參數(shù)化工具來建立快速開發(fā)工具的功能原型，然后利用編程技術以插件的形式開發(fā)出功能模塊，最后，在Inventor環(huán)境中發(fā)布這些功能模塊，供設計人員使用。

在Inventor環(huán)境中構建零件庫一般用到兩個流程。

1） 在Inventor環(huán)境下利用ipart技術構建帶有較小特征參數(shù)表的零件庫，主要用于驗證模型文件的正確性?；趇part技術的零件庫建構流程如下：

用Inventor建立零件模型——用ipart技術參數(shù)化零件，建立特征參數(shù)表——通過ipart表變更不同的參數(shù)生成不同的零件。

2） 應用二次開發(fā)技術構建基于Inventor的插件式零件庫的建構流程，主要用于快速設計工具的建立，其流程如下：

用Inventor建立零件模型——用fx參數(shù)化零件，建立特征參數(shù)表——應用 InventorAPI給特征參數(shù)賦值，驅(qū)動零件模型——生成新的模型文件，完成參數(shù)化建模。

在綜合產(chǎn)品設計時對部件的選用要求，零部件庫的開發(fā)成本等因素的基礎上，選擇第一種部件庫的構建思路，即將部件作為零件來處理。因此，部件庫和零件庫的開發(fā)流程基本相同，不同的是部件模型需要運用變量化技術將給出的較少的部件參數(shù)和較多的模型參數(shù)關聯(lián)。

基于Inventor的插件式零部件庫的構建技術主要包括下面幾個部分：

3.1 建立模型文件和特征參數(shù)表

在產(chǎn)品變形設計中，常常既要選用零件，也要選用部件。被選的零部件常常以手冊的形式出現(xiàn)，為了便于理解零部件的幾何特征參數(shù)的含義，常用示意圖來說明。對選用的零件，按零件的幾何特征尺寸建立幾何模型，然后根據(jù)這些尺寸建立特征參數(shù)表。對于選用的部件，由于在實際工作中以表格和示意圖的方式給出的被選部件常常對非重要的幾何參數(shù)進行簡化處理，因此，在建模的時候要作一定的尺寸補充，補充尺寸要盡可能的與特征尺寸關聯(lián)，以保證模型在保證準確性的同時盡可能協(xié)調(diào)。為此，常常將特征參數(shù)作為用戶自定義參數(shù)，然后用這些自定義參數(shù)作為變量，用關系式去定義模型參數(shù)。手冊參數(shù)一般直接作為用戶自定義參數(shù)，但值得注意的是，當手冊參數(shù)名稱與系統(tǒng)參數(shù)名稱沖突時要求重新命名該參數(shù)，因此，常用數(shù)據(jù)字典的形式來建立手冊參數(shù)名和用戶參數(shù)名之間的映射關系。為了模型的通用性，常常增加很少的用戶自定義參數(shù)，比如表1中的變量ddd。然后再在建模的過程中充分考慮這些參數(shù)，并將這些參數(shù)作為模型變量，以便于Inventor插件通過給這些參數(shù)賦值來驅(qū)動參數(shù)模型。

下面以雙軸改向滾筒為例說明建模過程。首先分析雙軸改向滾筒的示意圖和特征參數(shù)表，用Inventor平臺建立該滾筒模型文件如圖2所示，在表現(xiàn)特征參數(shù)的同時盡量保持模型的協(xié)調(diào)。其次根據(jù)手冊參數(shù)定義用戶參數(shù)，然后用用戶參數(shù)通過關系式去定義模型參數(shù)，例如表1反應了雙軸改向滾筒的手冊參數(shù)、用戶參數(shù)和模型參數(shù)之間的對應關系。最后，將手冊參數(shù)表數(shù)據(jù)輸入用戶參數(shù)，檢驗模型的正確性。

表1 雙軸改向滾筒手冊參數(shù)、用戶參數(shù)和模型參數(shù)對應表

圖2 雙軸改向滾筒模型

此外，為了減少模型文件的數(shù)量，可以應用Inventor的ilogic技術。ilogic技術Inventor新增加的功能，它主要是為了克服傳統(tǒng)參數(shù)化模型的局限性，即傳統(tǒng)參數(shù)化模型只能用幾何尺寸參數(shù)驅(qū)動模型來實現(xiàn)參數(shù)化。ilogic技術不僅可以利用幾何尺寸來參數(shù)化模型，還可以定義規(guī)則和關系。利用關系和規(guī)則可以在參數(shù)化模型中引入尺寸參數(shù)、特性(property)、屬性、特征(feature)、組件或者其它特性。這增加了建立參數(shù)化模型的靈活性，可以將相似的幾個模型用一個含有豐富規(guī)則的模型來代替。例如：根據(jù)連接的要求，滾筒的基座上有時需要放置2個孔，有時需要放置4個孔。在傳統(tǒng)的參數(shù)化模型中只有建2個模型，1個帶有兩個孔。1個帶 4個孔。如果用 ilogic技術，可以這樣處理：首先在用戶參數(shù)表中建立一個變量(NumberHoles)，并制定其值為 2，4；然后用ilogic規(guī)則編輯器編寫如下規(guī)則如圖3所示；最后通過改變變量NumberHoles的值來設定孔的數(shù)量。

圖3 ilogic規(guī)則

3.2 用特征參數(shù)驅(qū)動模型文件，生成新的模型文件

特征參數(shù)可以以多種方式來存儲，可以存在數(shù)據(jù)庫中，也可以存在數(shù)據(jù)文件中。一般情況下，為了便于信息共享，便于信息的維護和管理，常利用數(shù)據(jù)庫來存儲。為了使用的方便性，常以插件的形式將新開發(fā)的功能模塊集成到Inventor平臺中。因此，參數(shù)化零部件模塊的結(jié)構如下：

圖4 參數(shù)化零部件模塊圖

在圖4中，模型庫實際上就是一個文件夾，里面包含了多個只讀的模型文件。數(shù)據(jù)庫可以是任意的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，例如本文事例選擇的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是SQL Server。數(shù)據(jù)庫一旦確定后，相應得數(shù)據(jù)庫訪問技術也就決定了，例如，本文事例選擇的數(shù)據(jù)庫訪問技術為ADO技術。參數(shù)化零部件模塊插件主要包括交互界面、數(shù)據(jù)庫訪問技術、InventorAPI等3部分。交互界面是利用MFC技術來構建的，因為 Inventor平臺是安裝在Windows操作系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)庫訪問技術主要是從數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)。InventorAPI主要執(zhí)行一些基于Inventor的自動化操作。參數(shù)化零部件模塊插件的功能是借助交互界面獲取設計人員指令，在數(shù)據(jù)庫和模型庫的支持下自動完成零部件模型的建立。

參數(shù)化零部件模塊的工作流程如圖5所示。

圖5 參數(shù)化零部件模塊的工作流程圖

在圖5中，最關鍵的是如何利用InventorAPI對象通過特征參數(shù)來驅(qū)動模型文件。這個問題的解決方法是利用InventorAPI中parameters對象來指定模型中參數(shù)的值，然后更新模型，從而完成模型的建立。該方法的關鍵代碼如圖6所示。

圖6 parameters對象的應用

此外，為了插件的交互性，常常將零部件的選型知識融合在交互界面中。如圖7中，滾筒在選型的過程中用到了兩條規(guī)則，一條是根據(jù)滾筒的類型來選擇，一條是根據(jù)皮帶寬度來選擇。

圖7 插件式滾筒參數(shù)化模塊的實現(xiàn)

4 結(jié) 論

本文詳細的論述了特征的內(nèi)涵以及事物的特征表示形式——特征事物表，在此基礎上討論了特征造型和參數(shù)化設計，為參數(shù)化零部件庫的構建提供了理論基礎和開發(fā)思路。在介紹Inventor平臺的二次開發(fā)情況基礎上，給出基于inventor的參數(shù)化零部件庫的構建方法和實現(xiàn)代碼。該方法在某企業(yè)的皮帶運輸機參數(shù)化系統(tǒng)的應用中取得顯著的效果，表明了該方法的可行性和有效性。借助參數(shù)化部件模塊，設計人員可以快速生成通用部件的幾何模型。通過對相關的部件模型進行裝配，可構建基于裝配環(huán)境的自制件關聯(lián)設計環(huán)境。皮帶運輸機參數(shù)化系統(tǒng)的應用明顯加速了整個設計過程，降低了自制件和通用部件不匹配問題的出現(xiàn)率，提高了設計的質(zhì)量。皮帶運輸機參數(shù)化系統(tǒng)下一步將引入通用部件的自動裝配技術，避免人工裝配中的誤裝配問題。

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Research and Implementation of Parametric Parts and Components Library

Yang Xiangang, He Yulin, Du Jing, Jin Xin, Li Chengwu
( Chongqing University, Chongqing 400044, china )

On the basis of describing the relationship between features, tabular layout of article characteristics, design with features and parametric design, the paper proposes an insight into how to parameterize parts/components on general CAD systems. Based on the research of customized development on Inventor, the methodology of building parametric parts/components library and developing key implementation code on Inventor is put forward. Instance of case study is performed and demonstrates the feasibility of the methodology.

rapid design; parametric design; customized development; part and component library

TP 391

A

2095-302X (2013)02-0153-06

2012-03-16；定稿日期：2012-05-18

國家自然科學基金資助項目(51005255)；國家科技支撐計劃課題資助項目（2009BAA22B02 ）

楊顯剛（1978-），男，四川南部人，博士研究生，主要研究方向為產(chǎn)品數(shù)字化設計與制造、知識工程。E-mail：yxg20023@yahoo.com.cn

何玉林（1945-），男，四川遂寧人，教授，博士生導師，主要研究方向為風力發(fā)電機組設計技術研究、計算機圖形學、產(chǎn)品數(shù)字化設計與制造。E-mail：heyulin@cqu.edu.cn