基于图形单元的快速设计系统的构建*

王兴祖，杨 波，姚 孔，王继宇，高常青

(济南大学机械工程学院，济南 250022)

基于图形单元的快速设计系统的构建*

王兴祖，杨 波，姚 孔，王继宇，高常青

(济南大学机械工程学院，济南 250022)

图形单元是从产品快速变型设计角度提出的一种新型信息建模方法，在系统总结基于图形单元的产品设计研究现状的基础上，从图形单元的特性、分类以及其自组织特性等方面分析了面向概念设计的单元化建模方法，并探讨了系统实现的关键技术，进而开发出面向产品全生命周期的快速设计系统，通过系统各模块间协同配合，可快速实现零件的自动化设计和智能化建模。最后通过运行实例验证了方法的有效性。

图形单元;单元化建模;概念设计;快速设计

0 引言

目前的CAD系统大多局限于产品几何建模，对产品设计过程前期信息模型的处理、产品工程意义的表述和动态设计等方面稍有欠缺。面向合理化工程的图形单元技术适时而生，许多学者在图形单元的相关研究领域做出了诸多尝试，冲野教郎［1］提出了生物型建模的概念，谭建荣等［2］依据产品信息基因理论，系统地讨论了图形相似的基本原理和方法，并着手研究了面向产品信息建模的图形单元技术，此外，学者们在如图形结构单元的关联模型［3］、结构单元的单元化建模［4］以及基于功能模型的单元化设计［5］等方面亦做出了有益的尝试，这些研究工作极大地推进了基于单元技术的产品设计理论的发展及研究。利用参数化建模技术，可将具有相似结构与功能的单元模型组织起来，建立功能结构单元库，在基于图形单元的设计中，将相应的图形单元按照功能要求进行自组织，可快速生成零件实体模型。在这一过程中，通过将图形单元与设计过程、设计信息进行集成建模，可有效提高产品结构设计的自动化、智能化水平，为基于合理化工程的CAD提供高效的图形建模工具。

本文在系统总结基于图形单元的产品设计研究现状的基础上，分析了面向概念设计的单元化建模方法，并将图形单元技术有机的结合到概念设计阶段，进行了基于图形单元的快速设计系统的开发。该系统通过各模块间协同配合，可快速实现零件的自动化设计和智能化建模。

1 概念设计单元化建模基础

所谓图形单元(Graphics Modelon)是指具有一定功能的结构单元;它根据产品零件的拓扑特征、形状特征、尺寸特征等，将描述同一特征的点、线、面等图素加以组合而成;它是工程技术人员思考、创造的工程语言，也是设计、制造和加工的基本单元［6］。机械产品中的零件尽管各不相同但都是由基本机构演变而来，分析各结构的相似性可大致将其分为轴套类、盘盖类、叉架类、箱体类等结构单元，正是彼此间的相似性，为其快速再设计提供了可能。

1.1 概念设计中图形单元的特性

机械产品零件的结构设计是基于功能进行的，在概念设计的单元化建模过程中，图形单元不仅是具有一定功能的结构单元，也是功能结构映射的载体。因此，为有效支持整个概念设计过程，图形单元应具有以下特性。

(1)功能性。图形单元是基于功能进行划分的，因此每个图形单元必定具有特定的功能。如具有传动作用的齿轮，具有固定作用的螺纹孔等。

(2)组合性。图形单元由点、线、面组合而成，作为结构设计中的基本单元，亦可将图形单元通过一系列约束关系共同组合成满足特定功能的零件模型。

(3)拓扑结构可变性。不同于传统的参数化设计，在基于图形单元的快速概念设计中，图形单元由结构和参数共同来定义，当将图形单元按照功能需求进行组合形成零件后，通过对其拓扑结构进行动态编辑，可实现零件的结构变异设计，从而有效支持快速产品创新设计，如图1所示。

(4)继承性。当将图形单元按照功能需求组合形成零件后，经动态编辑插入、删除、替换的图形单元，必将继承原图形单元的约束关系。

(5)演变性。具有特定约束关系的几个图形单元，可视为一个特殊的整体，进而整合、演变为一个新的图形单元。在装配体中，一个或具有特定联接关系的几个零件亦可视为一个整体，进而演变为一个可拆卸结构单元［7］。

(6)可编程性。图形单元将点、线、面间的约束关系以代码的形式储存于计算机中，可通过编辑代码来定义图形单元并通过相关算法约束单元间的联接关系。

1.2 概念设计中图形单元的分类

图形单元作为设计中的基本单元，其分类应紧密结合零件的设计过程。按图形单元的完备性及其表现，我们可将图形单元划分为如下五类，如表1所示。

(1)轴套类图形单元:轴套类零件一般为普通轴、齿轮轴及衬套等零件，主要起到支承和传递动力的作用。其主要图形单元可分为光轴、直齿、斜齿、锥齿、人字齿及蜗杆等等。

(2)盘盖类图形单元:盘盖类零件一般为端盖、阀盖及齿轮等零件，主要起到传动、连接和密封的作用。其主要图形单元可分为圆盘、椭圆盘、方盘、凸缘、肋板、直齿、斜齿、锥齿、人字齿及蜗轮等等。

(3)叉架类图形单元:叉架类零件一般为拨叉、连杆及支座等零件，主要起到支承、拨动和连接的作用。其主要图形单元可分为工型杆、支撑板、肋板、圆形底板、矩形底板、圆环、连杆大头及连杆小头等等。

(4)箱体类图形单元:箱体类零件一般为阀体、泵体及减速器箱体等零件，主要起到支承、容纳和保护其他零件的作用。其主要图形单元可分为半球形壳体、半圆柱体形壳体、三角形安装板、正方形安装板、肋板、圆柱形进出油口、上箱盖及下箱盖等等。

(5)详细设计图形单元:为完善整个模型结构，在设计的最后阶段还应进行工艺详细设计，而详细设计图形单元主要为倒直角、倒圆角、通槽、燕尾槽、T型槽、V型槽、型腔、孔和螺纹等等。

表1 主要图形单元

1.3 概念设计中图形单元的自组织

1.3.1 自组织特性

图形单元的自组织主要包括拓扑特性、形状特性和连通域特性的自组织［8］。

(1)拓扑关系的自组织

拓扑关系是各图形单元组合的关键，其连接特征主要体现在相关表面之间的约束关联，而其连接方式主要有自动、半自动和手动。

自动:各单元间的拓扑关系由系统自动生成，相关表面之间的约束关联主要体现为中心对齐和法向对齐等，如轴套类零件。

半自动:各单元间有特定的搭接关系，通过交互操作进行模型构建，相关表面之间的约束关联主要体现为中心对齐和法向对齐等，部分零件还需保证角度对齐，如盘盖类零件。

手动:对于结构复杂且无规则的零件，通过给定参数和定位关系进行搭接，相关表面之间的约束关联主要体现为中心对齐、法向对齐和角度对齐等。如叉架类零件和箱体类零件。

(2)形状特性的自组织

形状特性的自组织表现在对组合前后图形单元进行的识别及操作。生成新单元的方法大致可分为创新设计、原图演变及多图组合。对于前两种图形单元主要保证各单元间的拓扑关系，对于第三类图形单元，还需做有效性检验、共线处理等后续操作。

(3)连通域特性的自组织

连通域特性是图形操作的必要信息，若要满足复杂零件剖视的要求，则需搜索内连通域的轮廓;若要在装配设计过程中进行自动消隐，则需对零件的外轮廓进行识别［6］。

1.3.2 自组织连接算法

图形单元间的约束关系主要为中心对齐、法向对齐和角度对齐，分析单元间的连接特性，可知无论哪种约束关系，其关键操作都是最基本的平移和旋转，其基本算法如下。

(1)平移:若两图形单元名义特征点的坐标分别为 P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)，如图 2 所示。

则自组织连接时，其平移向量P1P2和平移坐标变换公式分别为:

图2 单元对齐点

图3 单元法向量

则自组织连接时，其旋转向量n和旋转角度θ分别为:

2 基于图形单元的快速设计关键技术

基于图形单元的快速设计过程主要分三个阶段:结构概念设计，结构动态编辑，结构详细设计。结构概念设计是通过对基于功能的图形单元进行选择并组合，形成产品的基本结构骨架，此时生成的模型并非最终的实体模型，往往还需要一些动态编辑，结合图形置换与迭代原理的插入、删除和替代算法，可对这一基本骨架进行更一步调整。概念设计并非设计的最终目标，应进一步上升为详细设计。为完善结构，最后还应进行工艺结构详细设计，例如添加倒角、键槽或螺纹等，亦即通过添加特定工艺结构，完善整个零件设计，进而提高设计效率。

2.1 结构概念设计

作为实际设计的第一步，结构概念设计的目标是获得产品的基本骨架。其核心问题是建立功能与几何之间的联系，实现不同类型的设计知识的捕获和映射［9］。此处以齿轮轴的概念设计为例，介绍概念设计及其自组织配合技术的实现过程。

齿轮轴虽然轴段众多，但其功能主要有两个，亦即支承和传递动力及扭矩。支承部分的基本几何结构为光轴，而传递动力及扭矩大多采用齿轮啮合的方式，主要有直齿、斜齿、人字齿、锥齿及涡轮蜗杆等五种啮合方式。每个齿轮轴都是由若干支承部分及相应啮合部分组成，因此需要逐个选择轴段、输入相关参数，并通过自组织配合，进而实现各轴段的面面配合及中心线配合。如图4所示，该齿轮轴有五部分组成，由于轴套类零件的拓扑连接方式为自动，只需依次添加光轴11、光轴12、直齿轮21、光轴13、光轴14，并输入相关参数，系统便会自动使各轴段中心线对齐，并保持首尾相连，从而建立齿轮轴的概念实体。

图4 齿轮轴

2.2 结构动态编辑

结构动态编辑是对已建好的表征零件基本骨架的概念设计结果进行结构编辑与重组。基于图形置换与迭代原理的插入、删除、替代算法，可快速修改骨架模型而不局限于固定的拓扑结构。

插入是在已构建好的模型中，把需要的新图形单元放置在适合的位置，并添加新的配合关系，从而组成新模型的操作。

删除是将模型中一个或几个图形单元删除，去除相关配合关系，并建立新模型的操作。

替代是把一个或几个图形单元去替换模型中一个需要修改的图形单元，添加新的配合关系，从而组成新模型的操作。添加的新图形单元继承了原单元的名称、配合关系等信息。

如图5所示，用斜齿轮替换图中直齿轮，则需删除直齿轮及其拓扑连接关系，并添加相应参数的斜齿轮，新齿轮继承了原直齿轮的拓扑关系。

2.3 结构详细设计

所谓结构详细设计是指为完善零件结构，在已完成的零件模型上根据功能需求添加各种典型工艺结构的详细设计过程。建立工艺数据库存储各种典型的工艺结构，设计过程中通过CAD系统与数据库的实时交换，可智能化的为所选轴段添加倒角、键槽、螺纹等，进而完成设计，完善整个结构设计并提高设计效率。如图6所示，便是为齿轮轴添加键槽。

图5 齿轮轴的啮合单元替换

图6 添加键槽

3 快速设计系统的开发与运行实例

基于图形单元的结构设计系统框架如图7所示，系统包括结构概念设计、结构动态编辑、结构详细设计、图像单元库和结构信息显示五大功能模块。各模块又包含若干子模块，共同构成本快速设计系统，通过各模块间协同配合，可快速实现零件的自动化设计及建模。

图7 系统流程图

下面以变速器中输入轴为例，介绍系统的运行流程。

3.1 实例分析

如图8a所示，本文将每个轴段都用两位的编码来表示，第一位代表了轴段的类型，第二位代表了所属轴段类型的第几个单元。如图8b所示，该齿轮轴由六个轴段组成，且第二轴段可视为由光轴通过详细设计的添加倒角和花键而成，则它属于光轴类型1且为插入光轴单元的第2个，编码应为12。故此六个轴段由五个光轴和一个直齿组成，其编码分别为11、12、13、14、21 和 15。

图8 齿轮轴编码及结构示意图

分析齿轮轴中的各轴段间关系，可知其拓扑连接关系为自动，约束主要为中心对齐和法向对齐，各轴段的配合关系编码表如表2所示。

表2 轴段间配合关系

(续表)

3.2 实例运行

按照前述分析，本齿轮轴的设计过程主要可分为三个步骤:①首先利用概念设计模块构造其六轴段的基本骨架;②然后经结构动态编辑判断是否需要进行结构调整;③最后进行结构详细设计，为各轴段添加倒角，并为第2轴段添加花键。

具体操作过程如下:

(1)结构概念设计

运行“快速设计系统”，在“结构概念设计”的下拉菜单中选“轴套类零件”(如图9)，系统会自动弹出轴套类零件设计对话框(如图10)。

图9 系统菜单和结构概念设计下拉菜单

图10 轴套类零件设计对话框

由于该齿轮轴总共分为光轴11、光轴12、光轴13、光轴14、直齿21和光轴15六个轴段，故通过逐个“添加”各个轴段，并在伴随弹出的图11a和b对话框中输入相关参数，系统便会自动生成相应轴段，并通过相关函数及算法进行自动的中心对齐和法向对齐，建立各轴段的约束关联。

图11 结构概念设计对话框

通过轴段的选择和参数的设定，本齿轮轴的骨架已基本确定，如图12所示。

图12 齿轮轴的基本骨架

(2)结构动态编辑

在所产生的结构概念设计基本骨架基础上，判断是否需要结构调整。若不需动态编辑，便直接进入详细设计模块;若变速器中输入轴的啮合部分需要改为斜齿轮，便进入动态编辑模块。先选中直齿轮，然后点击“快速设计系统”菜单，在“结构动态编辑”的下拉菜单中选“替换”，则会出现替换对话框(如图13a)，输入替换类型及单元编号，点“确定”后，在出现的图13b斜齿轮设计对话框中输入相关参数。

图13 结构动态编辑对话框

动态编辑的实质是把每个图形单元都当成装配体零件来处理，将该齿轮轴的直齿轮用两个基准面进行切割并选中，然后用斜齿轮替换直齿轮，最后重新组合成新的齿轮轴，如图14所示。

图14 结构动态编辑过程

(3)结构详细设计

动态编辑完成后，进入详细设计模块。本齿轮轴在结束概念设计并对各轴段进行倒角处理后，还需为第二轴段添加花键。先选中相关部件，然后点击“快速设计系统”菜单，在“结构详细设计”的下拉菜单中选择“键槽”，则会弹出键槽设计对话框(如图15)，选择相关类型并输入相关参数，系统即可自动为第二轴段添加相应花键。

4 系统特性分析

(1)系统具有参数化快速建模的特点。本快速系统属于特殊的参数化设计，零件设计时只需选择相应单元、输入参数，系统便会生成相应模型，并根据相应函数及算法进行单元搭接，比起传统的几何建模可大大提高效率。

(2)系统支持图形单元拓扑结构可变性。本系统可通过改变拓扑结构进行动态编辑，对于功能结构相对固定的结构单元，可作为设计模板储存在系统的“已存机构”中，在该结构上插入、删除或替代相关单元，便可实现结构的创新设计。

(3)系统支持单元结构的可演变与可拓展性。对于由若干零件组成的装配体，可通过零件间的联接关系进行单元划分，将一个或具有联接关系的多个零件视为一个单元，并通过构建典型可拆卸结构单元图谱，快速实现可拆卸结构单元的产品设计。

在上例中，变速器输入轴的基本骨架都很类似，把实例中的输入轴存储为设计模板，通过对该齿轮轴的动态编辑，替换相应啮合部分或增减相应支承部分可快速设计出具有相似功能和机构的轴类零件。例如把原变速器输入轴的各轴段参数进行重新设定，并将直齿轮动态替换为锥齿轮，便可快速得到差速器输出轴，如图16所示。

图15 键槽设计对话框

图16 结构动态编辑过程

5 总结及展望

面向产品信息模型的图形单元技术是从产品快速变型设计的角度提出的新型产品信息建模方法。对于结构相似度较高的零件，如轴套类、盘盖类、叉架类和箱体类等零件，均可基于其结构相似性运用图形单元技术提高产品设计效率，实现产品的快速化、创新化设计，缩减开发周期，提高开发质量，从而将CAD技术提升到一个新的高度。本文将图形单元技术有机的结合到概念设计阶段，从图形单元的特性、分类以及其自组织特性等方面分析了面向概念设计的单元化建模方法，探讨了系统实现的关键技术，并在SolidWorks平台上进行系统二次开发，通过系统各模块间协同配合，可完成自动化设计和智能化建模，进而实现产品的快速设计，在基于单元化建模的概念设计系统构建方面做了一点有益的尝试。

［1］Okino N.A prototyping of bionicmanufacturing System［J］.Proceeding Of ICOOMS，1992:297-302.

［2］谭建荣，岳小莉，陆国栋.图形相似的基本原理、方法及其在结构模式识别中的应用［J］.计算机学报，2002，25(9):19.

［3］董玉德，谭建荣，赵韩，等.面向图形结构单元的变量关联参数化原理与方法的研究［J］.中国机械工程，2001，12(6):671-676.

［4］ Imre HorváthWilfred van der Vegte.Nucleusbased product conceptualization-Part 1:Principles and formalization［J］International conference on engineering design(Sweden)，2003.

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［8］刘伟洪.面向产品结构设计的图形单元技术研究及应用［D］.淄博:山东理工大学，2005.

［9］仇成，冯俊文，高常青，等.机械产品概念设计的研究与发展趋势［J］.组合机床与自动化加工技术，2007(10):1-4.

(编辑 李秀敏)

Construction of Rapid Design System Based on Graphics Modelon

WANG Xing-zu，YANG Bo，YAO Kong，WANG Ji-yu，GAO Chang-qing
(School of Mechanical Engineering，University of Jinan，Jinan 250022，China)

Graphicsmodelon is a new information modeling approach in the views of product rapid variant design.After the systematic analysis of the current situation of product design on graphicsmodelon，the characteristics，classification and its self-organizing property of graphicsmodelon in the unitmodeling based conceptual design are given in this paper.Moreover，the key technology for developing the system is proposed，and product life-cycle design system based on rapid design is formed.Based on the coordination between the differentmodular of the system，the automatic and intelligent product rapid design can be realized.Finally，a design example is used to demonstrate the validity of thismethod.

graphicsmodelon;unitmodeling;conceptual design;rapid design

TH165;TH165;TP391

A

1001-2265(2013)03-0100-05

2012-08-26;

2012-09-24

国家自然科学基金项目(50975124，50905074);山东省高等学校科技计划项目(J09LD07)

王兴祖(1988—)，男，山东邹城人，济南大学机械工程学院硕士研究生，研究领域为现代设计方法与理论，(E-mail)xingzude@126.com;杨波(1968—)，女，黑龙江牡丹江人，济南大学机械工程学院教授，博士，硕士生导师，研究领域为现代设计方法与理论、协同设计等，(E-mail)me_yangb@ujn.edu.cn。