面向机械设计手册的基于Pro/TOOLKIT的三维标准件库开发

曹 岩 杨艳丽 白 瑀 杜 江 范春霞

(①西安工业大学先进制造工程研究所，陕西西安710032;②深圳大学信息工程学院计算机系，广东深圳518060)

在查阅有关机械企业的所有零件调查统计报告后，统计数据显示标准件的使用约占零部件总数的50%，典型的变型零件占40%。生产实践证明标准件具有优良的性能，采用这些标准件能够保证产品的质量且可降低企业生产成本［1-2］。标准件库的建立可以有效地积累设计成果，实现在设计过程中对已有设计资源及成果最大限度地重用，避免重复，提高设计质量与效率。因此，建立适应实际需求的三维标准件库是必需的。提供标准件库或提供开发标准件的工具是CAD系统的一个重要组成部分，是评价CAD系统的一个指标。

1 研究目的

在机械设计中，有许多绘图工作量是涉及标准件，如铆钉、铆螺母、螺栓、螺母等。由于这些零部件的数量大，结构形式多，不仅绘图非常繁琐，而且还要反复查阅手册，寻找数据。因而，很需要一种直观方便、快捷准确地绘制标准件的方法，使用户能灵活地调用标准件，生成所需的模型。为此应该建立一个标准件库，这是为了充分发挥CAD软件的作用而进行的一项重要的二次开发工作。

标准件库是将各种标准件或零件的信息存放在一起，并配有管理系统和相应CAD标准接口的软件系统。用户可以对标准件库进行查询、检索、访问、提取所需的零件信息，供设计、制造等工序使用。

在Pro/ENGINEER环境下建立铆连接三维标准件库，利用VC++6.0的MFC类库和动态链接库(DLL)方式建立方便快捷的人机对话界面。一方面可以避免设计者繁琐的标准件绘图工作，提高设计效率;另一方面也可以提高设计的标准化程度，减少错误发生率［3-4］。在Pro/ENGINEER环境下建立铆连接三维标准件库的要求如下:

(1)具有各类型的铆连接标准件;以最新版《机械设计手册》为依据，针对铆连接件结构参数的不同将其详细分类，分析其结构特征。

(2)具有扩展铆连接标准件库的能力。

(3)采用的技术便于实现与其他系统的集成。

(4)具有良好的人机交互界面，易学易用。实现对标准件的查询、检索、调用及对标准件库的扩充。

(5)基于最新版的《机械设计手册》来进行三维标准件库的开发。

(6)建立的Pro/ENGINEER标准件库中对应铆连接标准件模型的调用，自动生成用户所需的标准件三维模型，供用户进行装配等操作。

2 标准件库系统结构

我国机械制造企业广泛采用标准铆连接结构，其结构规范，大多可以套用铆连接的国家标准或与国标相似的行业或企业标准。Pro/ENGINEER环境下标准件库的系统结构如图1所示。其中有用户管理界面、Pro/TOOLKIT接口程序、标准件模型库、标准件关系数据库4个部分。其核心部分为标准件模型库和标准件关系数据库2部分。

三维标准件库是利用特征造型技术建立的，因此在该库中存储的并非是带有具体几何数据的实体模型，而是各类由尺寸驱动的参数模型。标准件的特征参数库主要存储标准件的各种参数。由于零件的参数个数、参数数值类型都因零件的不同而不同，因此每个数据表保存一个标准件的数据。本文选择Microsoft Access数据库建立铆连接标准件的关系数据库。

系统的用户管理界面是由若干菜单和窗体组合而成。它是连结标准件模型库和参数库的桥梁。当系统接到要求进行构型任务后，用户界面将提示用户进行标准件关键参数的选择，系统根据所选的关键参数检索关系数据库，确定其他参数后，并将处理后的这些参数赋予对应的设计变量，形成与标准件模型相联系的外部参数文件。然后调出参数化标准件模型库中事先定义好的标准件模型，并根据参数文件中的参数值对其进行尺寸约束驱动，生成所需规格的标准件。本文采用VC++6.0来开发用户选择及管理界面。

2.1 标准件检索程序模块

针对铆连接标准件，该程序模块可实现与用户的实时交互，引导用户选择铆连接标准件的具体结构类型。然后，该程序模块可针对用户选择的铆连接标准件类型，通过交互方式获得所选标准件的结构参数和性能参数。进而可基于所获取的参数实现对铆连接标准件关系数据库的检索。该程序模块基于VC++6.0和Pro/TOOLKIT开发，并作为一个动态链接库，通过菜单挂接在Pro/E环境中运行。

2.2 标准件自动造型模块

该程序模块动态获取标准件检索程序模块检索结果，进而依据获取的检索结果实现对铆连接标准件库中与检索结果相对应的铆连接标准件模型的调用，自动生成对应的铆连接标准件三维实体模型。

标准件库检索程序模块和标准件自动造型模块(如图2)。

3 系统开发关键技术

3．1 Pro/TOOLKIT

Pro/ENGINEER常用的二次开发工具有:族表(Family Table)、用户定义特征(UDF)、Pro/Program、J-link、Pro/TOOLKIT等。本文Pro/TOOLKIT应用程序流程如图3。

Pro/TOOLKIT支持用户或第三方在Windows 2000NT/XP操作系统中使用C和C++语言设计程序，采用Microsoft Visual C++6.0的集成环境下完成程序的设计、调试和编译，开发基于Pro/ENGINEER系统的应用程序模块，扩充Pro/ENGINEER系统功能，从而满足用户的特殊要求。还可利用Pro/TOOLKIT提供的UI对话框、菜单以及VC++可视化界面技术，设计出方便实用的人机交互界面，从而大大提高系统的使用效率。

Pro/TOOLKIT提供了大量针对Pro/ENGINEER底层资源调用的库函数和头文件，几乎覆盖了Pro/ENGINEER中的所有操作，使用户或第三方编写的应用程序能够以一种可控制的、安全的方式访问Pro/ENGINEER的数据库，并可以实现应用程序模块与Pro/ENGINEER系统的无缝集成。

3．2 族表(Family Table)

Pro/ENGINEER的族表是零件的集合，这些零件的特征基本是相似的。用族表方式创建标准件库通常适用于那些系列化的、工作中固定不变的标准件。使用族表可缩短产品设计的周期，改善设计质量，提高设计自动化程度，实现标准件库系统与PDM系统(Pro/Intralink)的集成，以满足零件数据管理需要。

族表是Pro/ENGINEER中的一个利用表格来驱动模型的工具。用户可以将事先定义好模型(在表格中称之为GENERIC)零件的可供驱动的尺寸参数、特征、模型等放入表格中。用户在表格中输入的参数值就可以创建一个新的零件(在表格中称为INSTANCE零件)。通过族表可以方便管理具有相同或相近结构的零件，特别适用于标准零件的管理。族表通过建立通用零件为父零件，然后在其基础上对各参数加以控制生成派生零件。整个族表通过电子表格来管理，所以又被称为表格驱动。

可利用族表建立标准件库，对于重复性高、相似性大的零件或标准件，不需要每个规格都建立一个零件，使用一个原始样本零件(Generic Part)及一个族表，即可自动生成按族表所示尺寸比例的实例零件。

运用零件族表进行建立标准件库时，具体方法有两种:①利用Pro/Engineer本身提供的零件族表功能手工完成。该方法用户无须编程，即可控制组合零件模型的形状和尺寸;②采用CAD接口组件开发方法实现。本文中采用手工方法建立铆连接标准件的族表。

3.3 基于特征建模和族表的铆连接标准件库的建立

利用Pro/ENGINEER强大的特征建模和族表功能，可以很好地解决在基本模型建立以后的多个参数的驱动问题，从而实现了Pro/ENGINEER三维参数化功能的扩展。

在建立铆连接标准件模型库之前，首先根据其结构对其进行分类。根据所划分的铆连接标准件类型和标准件的相似性原理，确定能够完整表示该系列标准件所有零件特征的复合零件，分析其特征及特征的创建顺序。根据该复合零件可以派生出此系列标准件中的任一零件。在Pro/ENGINEER环境下创建其三维零件模型，即三维零件样板，并实现模型的参数化驱动。在三维零件样板的基础上确定一组设计参数来控制零件的形状和拓扑关系，并建立零件族表设计参数的系列尺寸;通过添加不同的系列尺寸来自动生成零件的三维模型，从而实现常用标准件库的创建。创建步骤如图4。

(1)为了确保参数驱动时不会发生特征再生失败，建立标准件库之前，应进行深入的分析，充分考虑特征的“父子”关系，遵循一定的顺序建模，一般情况下是将固定不变的形状特征放在前面，变化可能性最大的特征放在后面。避免特征再生时冲突，这样做便于参数化驱动得到所需要的零件。

(2)在Pro/ENGINEER中完成零件样板三维模型的创建。创建一个作为原型零件的模型，并在该模型上定义参数之间的关系等。

(3)利用Pro/ENGINEER系统中的Family Table，创建形状结构相似而尺寸略有不同的标准件库。使用特征收集器的功能加入特征、尺寸、参数等内容供子零件产生变化。

(4)验证族表的正确性，使每个子零件均可以顺利产生。验证结果依照原型零件的名称记录，其文件格式为:*.tst，该文件记录子零件的名称和再生结果。

通过创建关系式，使得零件族表中的设计参数与系统默认的约束参数符号建立关联，当选择某个实例进行参数化重构时，实际是普通模型为样板模型，族表中该实例的设计参数的值，通过参数约束方程传递给使Pro/ENGINEER系统自动创建的约束参数名，然后进行模型重构，最后通过布尔运算即可得到所需的衍生件。基于族表技术的Pro/ENGINEER系统零件生成流程如图5。

3．4 利用MFC开发Pro/TOOLKIT应用程序

目前，利用Microsoft Visual C++MFC(Microsoft Foundation Class)开发人机交互界面是常用的方法，能向用户提供图形与文字共存的可视化环境，使操作更为自然、简便和快速，技术也比较成熟。因此，本文采用VC++6.0开发人机交互界面。

Pro/TOOLKIT并不提供对MFC的支持，因此不能直接应用MFC对话框，想利用MFC强大功能实现对话框的开发，必须以通信方式实现在Pro/TOOLKIT中调用MFC，本文在Pro/TOOLKIT与MFC之间采用动态链接库(DLL)方式通信，在Pro/ENGINEER与Pro/TOOLKIT接口技术之间也采用同步模式中的动态连接模式(DLL)方式通信。

创建Pro/TOOLKIT应用程序有两种方法:一种方法是选用Make文件创建Pro/TOOLKIT应用程序;另一种方法是利用VC++向导创建Pro/TOOLKIT应用程序。本文中采用VC++向导创建Pro/TOOLKIT应用程序。

利用VC++的应用程序设计向导可以方便快速地创建Pro/TOOLKIT应用程序的基本框架。标准件库的界面采用下拉菜单和对话框相结合的方式。从下拉菜单中选择所需要的铆连接标准件的种类，如圆头铆钉、平头铆钉、空心铆钉等，并负责应用程序的装载、执行;对话框包括铆连接标准件中铆钉和铆螺母的用户选择界面。

菜单是Pro/ENGINEER的主要用户界面。菜单的实现包含了两部分内容，即添加菜单标签供用户选择和实现相应的菜单功能。菜单的实现方法如下:

(1)建立共享MFC的常规DLL工程，命名为Fan-ProLib.dll;

(2)编写接口头文件;

(3)编写FanProLib.cpp文件;

(4)添加主菜单项，利用ProMenubarMenuAdd()函数实现;

(5)添加主菜单项下的功能菜单项(下拉菜单)。

在Pro/ENGINEER中运行Pro/TOOLKIT应用程序，必须先进行注册。注册文件(Registry File)的作用是向Pro/ENGINEER系统传递有关Pro/TOOLKIT应用程序的信息。Pro/ENGINEER可通过此文件来定位Pro/TOOLKIT应用的资源文件。Pro/TOOLKIT应用程序的注册有两种方法，一种是自动注册和运行，另一种是手动注册和运行。

3.5 数据库接口技术

在零件的设计过程中，经常需要考虑零件的机械性能及几何参数，通常的方法是查阅《机械设计手册》，因此浪费了大量的时间。在标准件库系统中利用数据库技术，将该零件机械性能参数保存在数据库，在需要时查阅，可以大大方便零件的设计。依据《机械设计手册》，选取Microsoft Access 2003数据库来建立铆连接标准件关系数据库及其检索和查询功能。

通过VC++可以实现Access与Pro/ENGINEER软件的对接，在Pro/ENGINEER中就可以调用Access数据库资源，如图6。

对于铆连接标准件库，在Access中用表格的形式对每种标准件的型号进行存储，用VC++开发对话框界面，实现人机交互。利用VC++中的MFC ODBC编程实现对用Access建立的铆连接标准件库相关数据的检索和查询功能。

因铆连接标准件库的数据是通过使用Access等软件利用表格预先存储的，便于对现有库进行修改、部分内存资料删除和增加，可以实现数据共享，大大减少了数据的冗余。为确保准确性，每一个参数表中的数据都来源于《机械设计手册》，因此标准件参数库也可以作为一个标准件简明手册。

4 系统应用

启动Pro/ENGINEER软件，进入系统初始界面，如图7所示。以半圆头铆钉为例，说明铆连接标准件库系统的使用过程。

在菜单中选择“标准件库”→“铆连接”→“铆钉”，进入铆钉选择界面，如图8所示。然后，在铆钉分类框中选择所需类型并选择数据库中参数，单击“确定”按钮，就可调出半圆头铆钉的派生零件，如图9。

5 结语

CAD发展的方向是开放性、集成化、智能化、网络化和标准化。基于Pro/ENGINEER平台进行符合我国标准的标准件库的二次开发。在系统设计中，主要从符合工程技术人员的习惯、提高标准件设计的效率和质量、标准件库使用方便的角度出发，开发了常用铆连接标准件库和方便实用的人机界面，实现了其与Pro/ENGINEER的集成，从而可以更方便调用铆连接标准件进行产品设计，减少了重复性劳动，提高了标准化程度。

系统中模型数据都来自于最新版的《机械设计手册》，模型数据可靠，因此该标准件库系统可以看作是一个机械标准件电子手册，显示直观、逼真，用户界面友好、美观大方，可视化程度高。具有Windows操作经验的用户即可方便地使用该系统。

所采用的建库方法具有推广性，专门应用领域的用户可用来扩充所需的标准件库和通用件库，提高开发效率和质量。在标准件库的扩充和标准件的装配设计上，尚需做进一步的深入工作。

［1］黄小龙，张子兵.基于Pro/E的三环减速器参数化设计系统开发与研究［J］.机械设计与制造，2007(4):66-67.

［2］贾承安，郝滨海，徐桂华.基于Pro/FamilyTable十字轴类冷挤压件三维零件库的开发［J］.锻压装备与制造技术，2007(5):96-98.

［3］吴海华，曾孟雄.基于Pro/ENGINEER的三维标准件库研究与实现［J］.机械设计，2003，20(9):31-32.

［4］蒋家东，张福润，杨楚民.使用Pro/ENGINEER二次开发技术自动建模研究［J］.计算机应用研究，2003(4):75-77.