电缆桥架自适应变型设计研究及应用

吴占超，丁立家，马 军，罗国富

（郑州轻工业学院 机电工程学院，郑州 450002）

0 引言

客户对产品的需求呈现多样化、差异化、个性化，促使制造企业的设计制造模式逐渐由大批量生产（(Mass Production，MP）转向大批量定制[1]（Mass Customization，MC ）。由于产品成本的60%是由设计决定的，传统的设计生产方式无法向用户快速提供符合其个性化需求的产品，而自适应变型设计方法，使新产品开发中的大部分零部件可重用以往产品的信息，而只需对其部分零部件进行全新设计，这大大缩短设计生产周期，提高产品的质量可靠性，很好的满足客户和企业要求。

电缆桥架作为承载各种电缆敷设的载体，是应用在现代化智能建筑中信息监控和通信设施等水平布线和垂直布线系统的安装通道，广泛应用于计算机网络工程、消防工程、弱电系统工程和广播电视等领域。即使目前桥架部分零部件已系列化，但由于现代化智能建筑形式多样，企业仍难以快速满足客户个性化需求。PDMS[2](Plant Design Management System)能对桥架系统进行设计并模拟安装布置，但需要先建立桥架元件库、等级表、出图定制模版及规则、数据管理发布体制和协同设计流程体系等，流程较为复杂。

本文根据桥架客户需求多样化、个性化等特点，提出了基于Pro/TOOLKIT二次开发技术的产品自适应变型设计方法及其架构，充分利用了原有设计资源，开发出了电缆桥架自适应变型设计系统，实现了桥架零件及产品的快速化变型设计。

1 产品自适应变型设计方法及架构

1.1 产品自适应变型设计方法

产品自适应变型设计方法，其基本原理是通过在已创建的三维实体特征模型基础上，进一步根据零部件或产品的变型设计要求，建立一组可以完全控制其三维模型形状和大小的设计参数，然后修改产品关键参数尺寸值，其他相关参数尺寸能自适应改变并通过设计程序自动生成新的三维产品模型。

该方法是在三维实体模型基础上实现，其前提是在三维软件平台上已创建好零部件库及其附件库并通过参数选取、关系设置等建立了零部件参数化样板库，并通过自动化装配程序设计生成产品模型样板库，参数读取、变更后，利用自适应参数化程序设计自动更新生成新的零件或者产品模型，如图1所示。

自适应变型主要通过零件特征模型内部参数尺寸之间关联关系和零件之间的参数尺寸关联关系实现。设系统所建立的参数化特征模型（Parametric Feature Model）为：

PFM={FS，PS}

其中，三维实体模型由特征和参数共同组成。设组成特征模型的特征集合（Feature Set）形式化描述为：

FS={FS1，FS2，·· ，FSm}

组成参数化特征模型的参数集合（Parameter Set）形式化描述为：

图1 产品自适应变型设计方法

PS={PS1，PS2，·· ，PSn}

从参数集合PS中提取出具有几何意义的参数Qi对参数集PS进行控制，并建立参数集PS与Qi之间的映射关系F，这样当对某一个或几个参数进行修改时，零件模型将会发生相应的变更；当修改参数的零件跟其他零件尺寸相关联的时候，相应的零件也将随之发生变化，进而组件甚至整个产品都将自适应变型。

1.2 产品自适应变型设计架构

基于上述分析，产品自适应变型设计的逻辑架构如图2所示，包括模板的建立、C源程序开发、资源文件（包括菜单资源文件、窗口信息资源文件、对话框资源文件）编写、源程序的编译和连接、注册文件编写以及程序的注册和运行等，如图2所示。

图2 产品自适应变型设计架构

2 基于装配的产品自适应变型设计实现

2.1 零件级自适应变型设计

基于零部件及附件库，通过提取参数和建立参数尺寸关系式，建立零件及附件模型样板库，最后利用自适应参数化设计程序进行模板驱动实现零件模型更新变型。其主要步骤如下：

1）提取参数：所谓提取参数，就是从零件模型所有尺寸参数集合PS中，将其中需要变型的特征尺寸参数提取出来。另外，参数的提取并不仅限于此，还包括提取对模型的拓扑结构、几何形状等有直接影响的尺寸参数等。

2）建立参数尺寸关系表达式：根据1）提取出零件模型中CAD软件自动生成的尺寸参数代号，而参数化特征模型需要通过建立参数尺寸关系表达式来进行参数传递。如在Pro/E中建立盲孔深度与壁厚的参数尺寸关系式H = T - Constant，(H为孔深，T为壁厚，Constant为常值)，其中参数 T是驱动参数尺寸， H 是被驱动参数，该关系式可以控制盲孔的深度随壁厚度的改变而改变。

3）模板驱动：经过1）和2）建立了全参数化约束的可重用零件模板，该模板在基本模型拓扑结构不变情况下必须保证约束参数解存在并且唯一，因此在建立参数化零件模板时，须在驱动参数与被驱动参数一一对应情况下建立了尺寸关系表达式，此时当通过程序改变其中参数尺寸进行模板驱动时，整个零件相应尺寸将会自适应的发生改变而零件的基本几何特征和拓扑结构关系将不会随之变化，从而保证了零件自适应变型设计的有效性。

2.2 部件级自适应变型设计

产品自适应变型设计不仅要保证零件内部特征的约束关系、拓扑结构、几何形状等特性，还要保证零件之间的位置、尺寸关联、依附等装配关系，它是基于零部件及附件参数化样板库基础上进行自动化装配建立产品模板，最后利用自适应参数化设计程序实现产品模型更新。其步骤和零件自适应变型设计大致相同，主要区别是产品自适应变型设计首先进行自动化装配步骤，详细介绍如下：

1）基于基准约束[5]采用应用程序驱动元件方式实现产品自动化装配。用于零件间装配的约束关系类型有对齐、插入、匹配、坐标系、相切、缺省等装配关系，要实现自动化装配需要在装入待装配零件模型时就确定零件之间的约束关系，如选取孔、轴的配合面设置为对齐关系来表达轴与孔之间的配合关系，或者选取两个元件的表面设置为匹配关系来表达零件表面之间的接触关系，只有确定了零件间的约束关系才能实现产品自动化装配。另外，元件在装配体中实现完全约束需要定义1～3个装配约束关系，其中采用基于坐标系[6]自动装配只需要定义1个装配约束，基于基准面自动装配需要定义3个约束，用Pro/TOOLKIT应用程序驱动使零件自动化装配过程如图3所示。

2.3 基于产品自适应变型设计的自动装配

由零、附件元件模版到组件产品模版采用Pro/TOOLKIT程序设计进行自动化装配。实现元件自动装配的关键技术主要是获取元件路径对象信息，目前Pro/TOOLKIT程序在进行路径获取时采用的是多叉树结构，它包含了元件或组件在装配体中的逻辑位置与装配层次，如图4所示，元件特征标识ID表示元件在装配体中的位置。在自动化装配过程中创建并设置元件约束里的初始化装配件的约束条件路径调用的是ProAsmcomppathInit（）函数，其定义[4]为：

ProError ProAsmcomppathInit (

ProSolid p_solid_hand，

ProIdTable memb_id_table，

int table_size，

ProAsmcomppath *p_handle)

其中“memb_id_table”是从装配体组件根特征出发到当前元件的路径，即前零部件特征标识ID组，是一个一维数组；“table_size”为特征标识ID组的维数。要获得G元件的路径对象信息，需从G元件开始向上递归直到顶层装配件，并且记录所途经的每一个元件特征标识ID。如图4中G零件的ID表为：

table_size =3

memb_id_table [0]=9

memb_id_table [1]=13

memb_id_table [2]=18

图3 自动化装配过程

图4 多叉树装配结构

程序通过ProSolidFeatVisit( )函数遍历特征的形式获取元件路径对象，在执行过程中，经过滤函数设置遍历条件及对子元件类型和名称等判断定义访问动作函数，自动循环直到找到其目标元件，完成自动化装配。

3 电缆桥架变型系统开发与应用

结合企业应用案例，开发了电缆桥架自适应变型设计系统，该系统采用在三维软件Pro/E菜单栏中添加电缆桥架菜单条的方法。

当软件运行时自动加载注册文件，同时进行注册文件的注册，注册后菜单条显示如图5所示。

图5 电缆桥架菜单栏

在菜单栏里列出了电缆桥架零件库及附件库的主要零部件，可以直接点击进行零部件的自适应变型设计，如点击“四通”、“水平四通”按钮，打开该零件模型同时弹出变型设计对话框如图6所示，可以根据安装要求、桥架容量等进行参数变更，经自适应参数化程序生成满足要求的新零件模型。

图6 水平四通变型设计界面

图7 桥架自动化装配后的空间布置示意图

点击“装配体”，打开自动化装配后的桥架空间布置示意图如图7所示，修改局部零件参数尺寸后，整个产品都自适应地随之变更，避免了再逐个修改其他零部件并重新装配等繁琐工作，大幅缩短了设计周期，提高了效率。

4 结束语

本文提出一种采用二次开发的方法及其构架形式对产品进行自适应变型设计，步骤中应用了自动化装配技术，减少了变型设计时间，提高了设计效率，从而提高企业市场竞争力。经企业实际应用验证了文中所提方法和技术的有效性，达到了理想的效果。

[1] 赵利平,王宗彦,秦慧斌,董良,面向大规模定制的堆垛机快速设计系统研究[J],中国机械工程,2008,19(18):2161-2165.

[2] 舒立,陈静平.三维软件在电缆桥架设计中的应用[J]. 湖南电力,2010,30(6):34-36.

[3] 王晓林,唐良宝.基于三维模型的参数化设计方法研究与应用[J]. 机械设计与制造,2007,8:73-75.

[4] Parametric Technology Corporation. Pro/TOOLKIT User’s Guide[M]. USA：PTC，2007.

[5] 顾翠,张利强,项钦之. 基于Pro/E二次开发的卫星装配设计研究[J] 计算机工程与设计 2011,32(4):1169-1172.

[6] 平雪良,陶宇,叶晶,董宁.基于坐标系的自动装配方法的研究与实现[J].机械设计,2011,28(11):11-14.