陳圣明，袁清珂

（廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

木材封邊機快速建模系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

陳圣明，袁清珂

（廣東工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

論文以木材封邊機為研究對象，分析了封邊機的結(jié)構(gòu)特點，基于參數(shù)化設(shè)計理論與方法，提出了封邊機快速建模系統(tǒng)的體系架構(gòu)與開發(fā)方案，研究了系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，以VS2010為集成開發(fā)環(huán)境，采用VB.NET開發(fā)了基于SolidWorks的封邊機快速建模系統(tǒng)，最后通過實例演示驗證了系統(tǒng)的有效性與實用性。

快速建模；參數(shù)化；二次開發(fā)；封邊機

0 引言

產(chǎn)品快速建模是企業(yè)實施快速響應(yīng)策略的重要內(nèi)容，它是在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，充分利用企業(yè)已有的設(shè)計資源，基于企業(yè)CAD平臺和相關(guān)設(shè)計知識，快速定制產(chǎn)品的設(shè)計方案[1]?？焖俳５膶崿F(xiàn)通常要求設(shè)計人員以企業(yè)的CAD系統(tǒng)為基礎(chǔ)并結(jié)合二次開發(fā)技術(shù)，建立適用于系列化產(chǎn)品的快速建模系統(tǒng)。本文以東莞某木工機械企業(yè)的MFB60系列封邊機為設(shè)計對象，通過分析其結(jié)構(gòu)特點，提出了產(chǎn)品快速建模系統(tǒng)的開發(fā)方案，研究了系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，最終開發(fā)了基于 Solid-Works的封邊機快速建模系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)開發(fā)方案

1.1 設(shè)計對象的結(jié)構(gòu)特點

MFB60系列包含了13種型號的封邊機實例，這些不同型號的封邊機是由不同的功能模塊配置而成的組合式機構(gòu)，其結(jié)構(gòu)的配置通常由客戶需求的加工功能所決定?？蓪⒎膺厵C的結(jié)構(gòu)劃分為三大模塊，分別是基本、高級以及輔助模塊。基本模塊包括送帶、貼緊、齊頭機構(gòu)；高級模塊包括預(yù)銑、粗修、精修、刮邊、拋光機構(gòu)；輔助模塊包括：機架、壓料梁、輸送帶電機、壓料梁罩蓋組件、長導(dǎo)軌支撐塊、左右立柱等?；灸K和高級模塊通過螺栓聯(lián)接于機架板的相應(yīng)孔位。

由于各個功能模塊在MFB60系列不同型號產(chǎn)品之間具有通用性，這些不同型號之間的區(qū)別僅僅在于功能機構(gòu)的配置組合不同，或者是它們在機架板上的安裝位置以及安裝孔的尺寸參數(shù)不同。也就是說，其余12種型號的產(chǎn)品實例可以看成是擁有全部功能的MFB60CY的一部分。因此，可以通過這些功能機構(gòu)不同的配置，以及它們在機架板的安裝孔位進行參數(shù)化設(shè)計，快速生成具有不同功能機構(gòu)組合的封邊機整機模型。

1.2 系統(tǒng)功能需求

系統(tǒng)的功能需求包含：①可針對所需功能模塊在機架板上的孔位參數(shù)進行參數(shù)化設(shè)計，其余非參數(shù)化零部件能基于約束規(guī)則自動與之匹配，最后快速生成完整的封邊機整機模型；②系統(tǒng)最終的集成模式以獨立執(zhí)行程序的（*.exe）形式呈現(xiàn)，用戶可以方便地調(diào)用相關(guān)功能。

1.3開發(fā)工具與系統(tǒng)體系架構(gòu)

根據(jù)功能需求，系統(tǒng)采用VS2010作為集成開發(fā)環(huán)境，通過VB.NET對SolidWorks進行二次開發(fā)。系統(tǒng)的體系架構(gòu)包含：用戶層、應(yīng)用層與數(shù)據(jù)層。其體系架構(gòu)見圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

（1） 用戶層。用戶層包含兩部分：一是系統(tǒng)的功能界面，即人機交互；二是Solid-Works應(yīng)用環(huán)境，它負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)的運行結(jié)果。

（2） 應(yīng)用層。應(yīng)用層是將設(shè)計需求轉(zhuǎn)化為設(shè)計結(jié)果的過程，包括參數(shù)化建模、尺寸推理以及參數(shù)管理。參數(shù)化建模是通過所編寫的程序調(diào)用SolidWorks的API，控制數(shù)據(jù)層中的參數(shù)化模板，對模板的參數(shù)化尺寸進行賦值并更新模板文件，快速生成所需的產(chǎn)品模型。尺寸推理主要是在程序運行時，根據(jù)人機交互推理出關(guān)聯(lián)尺寸，這些關(guān)聯(lián)尺寸主要是機架組件、機架底座以及輔助機構(gòu)中受機架板尺寸所約束的尺寸。參數(shù)管理決定了整個系統(tǒng)的初始數(shù)據(jù)或默認(rèn)缺省的數(shù)據(jù)，并管理數(shù)據(jù)的讀取操作。

（3）數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層是負(fù)責(zé)管理本系統(tǒng)所需的所有數(shù)據(jù)，包括模板庫和產(chǎn)品尺寸設(shè)計規(guī)則。模板庫存放的是MFB60CY的整機模型，重點是參數(shù)化模型。尺寸設(shè)計規(guī)則庫主要包含封邊機的設(shè)計知識。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 開發(fā)流程

系統(tǒng)的具體開發(fā)流程如下：①創(chuàng)建具有完整功能機構(gòu)的模板模型即MFB60CY的三維模型；②由于參數(shù)化設(shè)計的核心在于尺寸約束與尺寸驅(qū)動技術(shù)[3]。因此，需要分析MFB60CY中哪些零件可以參數(shù)化，對于非參數(shù)化的零部件需要明確它們的約束規(guī)則。對于可參數(shù)化的零件，需要建立特征參數(shù)表，明確零件中的驅(qū)動尺寸和從動尺寸，以及尺寸所受的約束；③對模型文件的所有尺寸進行重命名，方便后續(xù)編程時對尺寸的賦值與計算；④設(shè)計程序界面，明確程序運行的流程；⑤創(chuàng)建XML文檔，將所有重命名后的尺寸按產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹的形式存儲在XML的各級節(jié)點中，編寫讀取和寫入XML節(jié)點數(shù)據(jù)的函數(shù)；⑥編寫實現(xiàn)SolidWorks參數(shù)化建模的函數(shù)以及保存SolidWorks文件至指定路徑的函數(shù)。第七步：系統(tǒng)調(diào)試完畢后，交給企業(yè)用戶進行測試，直到滿足預(yù)定功能并且不產(chǎn)生干涉。

2.2 系統(tǒng)的具體開發(fā)

（1）確定特征參數(shù)。確定特征參數(shù)是用來明確可參數(shù)化零件的驅(qū)動尺寸、從動尺寸以及尺寸所受的約束。其前提是先明確需要參數(shù)化的零部件。

由于MFB60系列中，基本模塊和高級模塊屬于通用件，除電氣部分外，MFB60系列的零部件可分類為外購件、外協(xié)件、以及自制件，系統(tǒng)只需對自制件進行是否需要參數(shù)化的分析。分析MFB60CY的結(jié)構(gòu)，自制件中需要參數(shù)化的零件為機架板、機架組件以及機架底座。

以機架板為例，說明機架板特征參數(shù)的建立。機架板的所有尺寸可分類為：①各功能機構(gòu)在機架板的安裝孔的位置和大小尺寸；②機架板的總長、總寬以及厚度。機架板所受的尺寸約束包括：①機架板的總長、總寬、厚度的尺寸范圍；②各機構(gòu)在機架板的安裝孔的大小應(yīng)一致；③機架板的尺寸決定了機架組件、機架底座以及輔助機構(gòu)的尺寸，對機架板參數(shù)化后，需要及時更新與之關(guān)聯(lián)的尺寸。

（2）建立約束規(guī)則。約束規(guī)則是指封邊機的尺寸推理、尺寸之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系以及模塊和零部件之間的裝配關(guān)系。以機架底座為例，可在SolidWorks菜單欄下 “工具|方程式”中設(shè)定約束規(guī)則，如圖2所示。其余機構(gòu)的約束規(guī)則均照此法完成。

圖2 機架底座的約束規(guī)則

（3）功能函數(shù)與應(yīng)用界面開發(fā)。需要開發(fā)的功能函數(shù)包括：參數(shù)化建模以及XML節(jié)點數(shù)據(jù)的讀取與寫入。參數(shù)化建模函數(shù)由程序調(diào)用相關(guān)的SolidWorks API函數(shù)來修改模板的尺寸，并重建和更新模型[4]。建模的代碼步驟為打開模型文件、更新尺寸、重建模型、保存文件。部分代碼如表1所示。應(yīng)用界面采用MDI多文檔界面方式，主窗體為MFB60系列參數(shù)化主界面、其菜單欄為用戶所選擇的功能機構(gòu)，系統(tǒng)的參數(shù)化流程按照菜單欄的順序進行參數(shù)輸入，單擊每一個菜單欄選項，可對該機構(gòu)在機架板的安裝孔位進行參數(shù)化設(shè)計并及時單擊“保存”按鈕，將設(shè)計后的參數(shù)更新至XML相應(yīng)的節(jié)點。

（4）建立XML數(shù)據(jù)文檔。本系統(tǒng)運用的數(shù)據(jù)管理工具為XML[5]。首先，在VS2010中創(chuàng)建XML文件，然后將MFB60CY所有的尺寸以 “參數(shù)名＝參數(shù)值”的形式記錄，作為整個系統(tǒng)的尺寸參數(shù)存取模板。圖3為系統(tǒng)中刮邊機構(gòu)在XML文檔中的表示，其中d1表示刮邊機構(gòu)孔系的基準(zhǔn)孔在機架板的直徑，d2表示2號孔直徑，fx12，fy12分別表示刮邊機構(gòu)2號孔相對于基準(zhǔn)孔 （1號孔）的x和y方向的增量。通過這種方式，就建立了刮邊機構(gòu)孔系的大小和位置參數(shù)的數(shù)字模型，其余機構(gòu)據(jù)此法類推即可。

圖3 左邊為刮邊機構(gòu)孔系，右邊對應(yīng)的XML文檔

3 系統(tǒng)運行實例

系統(tǒng)執(zhí)行流程如圖4所示，圖5為程序界面和運行結(jié)果。系統(tǒng)運行時，首先選擇所需的功能機構(gòu)，并確定好每一個機構(gòu)在機架的安裝孔系的大小和位置參數(shù)，某機構(gòu)是否存在于最終的模型中根據(jù)該機構(gòu)是否需要而調(diào)整，即某機構(gòu)若需要，則在模板模型中保留該機構(gòu)，反之則將該機構(gòu)所包含的特征、草圖全部刪除。在該機構(gòu)被刪除后，后續(xù)的機構(gòu)必須向前移動被刪除機構(gòu)所占用的橫向長度。由于系統(tǒng)使用的模板文件是包含所有機構(gòu)的 MFB60CY，因此系統(tǒng)程序代碼自動按 “預(yù)銑—溶膠—送帶—貼緊—齊頭—粗修—精修—刮邊—拋光”的順序去判斷某機構(gòu)是否需要而自動更新該機構(gòu)的狀態(tài)。

因此，系統(tǒng)的參數(shù)化建模流程為：基于所需的功能機構(gòu)，先完成機架板的參數(shù)化；然后完成與機架板相關(guān)聯(lián)的機架組件和機架底座的參數(shù)化；最后根據(jù)所選中機構(gòu)配置組合去更新參數(shù)化模板（MFB60CY），進而完成整機的參數(shù)化建模。

假設(shè)客戶的需求是送帶、貼緊輪、齊頭以及精修機構(gòu)。系統(tǒng)運行流程為：①打開SolidWorks，進入系統(tǒng)初始界面；②根據(jù)客戶要求選擇需要的功能機構(gòu)；③進入詳細(xì)參數(shù)化界面對選中的機構(gòu)進行參數(shù)化設(shè)計，依次輸入所需機構(gòu)在機架板的孔位參數(shù)及占用長度；④進入機架及總裝界面：依次對機架部分通用件和非標(biāo)件進行參數(shù)化設(shè)計；⑤設(shè)置模型存放路徑并單擊建模按鈕即可生成所需模型。

圖4 系統(tǒng)執(zhí)行流程

圖5 系統(tǒng)界面及運行結(jié)果（部分）

4 結(jié)論

（1）經(jīng)實例測試與企業(yè)的試運行，木材封邊機快速建模系統(tǒng)能切實有效地實現(xiàn)封邊機整機的參數(shù)化建模，能快速生成不同功能機構(gòu)配置組合的MFB60系列封邊機，所建的模型并未出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。

（2）本系統(tǒng)所基于的知識和規(guī)則僅僅是某一系列的產(chǎn)品，可通過建立產(chǎn)品知識庫，結(jié)合企業(yè)更豐富的設(shè)計知識和資源，進而實現(xiàn)產(chǎn)品的智能設(shè)計。

[1]鐘廷修.快速響應(yīng)工程和快速產(chǎn)品設(shè)計策略[J].機械設(shè)計與研究，1999，1.

[2]童時中.模塊化原理設(shè)計方法及應(yīng)用[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[3]齊從謙，崔瓊瑤.基于參數(shù)化技術(shù)的設(shè)計方法研究[J].機械設(shè)計與研究，2002，5.

[4]葉修梓，陳超祥.SolidWorks高級教程：二次開發(fā)與API[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[5]宋武.XML基礎(chǔ)教程與實驗指導(dǎo)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2013.

The Development and Application of Edge Bonding Machine's Rapid Modeling System

CHEN Sheng-Ming，YUAN Qing-Ke
(School of Mechanical and Electrical Engineering,Guangdong University of Technology,Guangzhou Guangdong 510006,China)

Focusing on edge bonding machine,this paper presents the framework and development program of the product rapid modeling system based on parameterization.We develop the rapid modeling system of edge bonding machine through analyzing its functional structure. At last,we verify the validity and utility of the system by giving a demo instance.

rapid modeling；parameterization；secondary development；edge bonding machine

TP317

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.041

1002－6673（2014）03－104－03

2014－04－08

陳圣明 （1989-），男，江西井岡山人，在讀碩士研究生。研究方向：知識工程與CAD/CAE/CAM/PLM集成技術(shù)。已發(fā)表論文一篇；袁清珂 （1963-），男，山東青島人，博士。研究方向：知識工程與CAD/CAM/CAE/ PLM集成技術(shù)；機電一體化；知識挖掘和信息化；多體動力學(xué)和計算機仿真。已發(fā)表論文四十余篇。