基于参数化设计的DTⅡ型带式输送机数字样机系统开发

黄勇 魏坤坤 潘江如 王玲 陈涛

摘要：基于数字模型参数化建模方法及虚拟装配技术开发了DTⅡ型带式输送机数字样机系统。该系统能够根据总体设计要求及参数选型方式快速建立各类DTⅡ型带式输送机数字模型。系统工作原理是根据输送机的结构特征及功能，将输送机分为头架、尾架、中间架、托辊以及辅助设备等几部分。每部分的典型零件通过电子表格的数据进行参数化尺寸驱动，实现零件的实例化。最后调用装配指令将所有实例零部件总体装配起来，完成数字样机的建模工作。这种建模方法便于编辑和修改模型，节约时间和成本，大大提高效率。可以用于设计验证、分析、论证。为产品设计打下牢固基础。

Abstract： Based on the parametric modeling method of digital model and virtual assembly technology， the digital prototype system of DTⅡ belt conveyor was developed. The system can quickly establish digital models of various DTⅡ belt conveyors according to the overall design requirements and parameter selection methods. The working principle of the system is to divide the conveyor into headstock， tailstock， middle frame， idler rollers and auxiliary equipment according to its structural features and functions. The typical parts of each part are parametrically driven by the data of the spreadsheet to realize the instantiation of the parts. Finally， the assembly instructions are called to assemble all the instance parts as a whole to complete the modeling work of the digital prototype. This modeling method is easy to edit and modify the model， save time and cost， and greatly improve efficiency. It can be used for design verification， analysis and demonstration. Lay a solid foundation for product design.

关键词：数字模型参数化;虚拟装配;数字样机系统;数字样机

Key words： digital model parameterization;virtual assembly;digital prototype system;digital mockup

中图分类号：TH222                                        文献标识码：A                                文章编号：1674-957X（2020）24-0197-05

1  带式输送机数字模型系统设计总体思路

制造业智能化是现代制造业发展的趋势。数字孪生技术是智能制造的重要特征，也是实現智能制造的基础途径之一。数字孪生技术的实现首先需要在信息层建立数字模型[1]。

数字模型可以用于产品的快速验证、分析和论证，也可以用于与客户之间的泛在设计[2]。目前常见的数字模型建立方式有两种：其一是按照零件、部件、整机的顺序从底层至顶层依次建模;其二是将整机进行拆分分析，利用成组思想进行归类划分，再利用参数化设计进行建模。建模过程中反复校验成组思路是否最优，对参数化模型进行迭代优化[3]。对比两种方法，第一种方法建模比较精确耗时较长，适合单件产品的设计。第二种适合快速批量数字模型的建立。DTⅡ型带式输送机是典型的标准化、系列化产品。本系统的目标是建立设计标准中所有类型的DTⅡ型带式输送机数字模型[4]。所以本系统适合第二种方法进行快速数字模型的建立。通过对DTⅡ型输送机的各部件分析发现，DTⅡ型输送机各关键零部件结构都相同或相似，只有尺寸不同。为了能够高效快速的建模，节省开发时间。最终决定采用参数化建模并利用外部表格对模型尺寸进行驱动的方式。

DTⅡ型带式输送机是典型的标准化、系列化产品[5]。通过对DTⅡ型输送机的图纸进行分析，整机的零部件组成较多。为了实现系统的精细化管理，将输送机进行拆分并归类[6]。按照输送机的结构特征及各部件的功能，可以将输送机分为头架、尾架、中间架、托辊以及辅助设备等几部分。在进行拆分之后可以更加直观的描述各部件的功能，也方便对各个部件进行调试、修改。拆分之后对各个部分进行参数化建模。在数字样机装配环节利用建模软件的二次开发功能，开发出专门的交互界面实现设计参数的传递和加载[7]。并调用装配指令最终将所有参数化的零部件总体装配起来，完成数字样机的建模工作。系统工作原理如图1所示。

整个系统的开发过程主要分为四个部分：零件设计的参数表征;参数化建模;转配程序;UI界面开发。从零件的设计到装配图更新直至最后保存，其过程如图2所示。

2  带式输送机参数化设计方法

参数化设计是建立装备数字化模型的一种方法。传统的制图方式主要仅限于二维制图，主要包括点、线、面，只能够反应产品的外部结构，而不包括产品的设计思路。所以产品的尺寸变化时，不能快速修改模型尺寸[8]。参数化建模是通过定义尺寸参数来得到一个类型的模型。再通过实例化模型数据值来确定具体数字样机。利用人机交互功能，数字样机可以根据实际的需求进行参数值修改，从而快速得到各种尺寸的样机。这种建模方法便于编辑和修改模型，节约时间和成本，大大提高效率。还可以用于设计验证、分析、论证，为产品设计打下牢固基础。

2.1 参数化建模方法

参数化建模的步骤大致分为以下几点：

①提取参数;

②对零部件进行参数化建模并且对重要的参数进行提取;

③对建模过程进行验证并对其中的问题进行解决和优化。

参数化建模方式分为三种：

①特征建模。在这种的建模方法中可以直接使用长方体、球、圆柱（锥）等模块并且在对话框中直接输入想要模型的参数以及坐标原点就可以生成预期的模型，还可以将这些简单的模型进行求和得到相对复杂的模型，但曲面不能过于复杂，所以这种方法只能针对一些简单的模型进行建模，相对于复杂的模型在建模的过程中较为困难。

②草图设计。它可以进行相对复杂的建模，比如可以通过草图的绘制，然后通过一些其他的命令，例如：拉伸、旋转、扫略等命令生成模型，可以生成一些相对复杂一点的模型。但有些部分零件较多，草图设计就显得略微不足，可以通过装配解决问题。

③克隆装配。克隆装配是把装配的关系引入，用于解决一些复杂的模型或者某一个部分没有办法准确定位的问题。因此可以对部件、整体的设计同时进行。相对于上述两种方法（特征建模、草图设计）的优点在于可以对很多零部件的模型进行设计。装配的参数化设计是通过总装配的数据被零部件使用，即零部件引用装配图的参数，通过改变装配图的参数驱动零部件参数来达到装配图与零部件之间的参数协调变化。这种参数化建模的方法现在使用的最为广泛，相信也是今后参数化发展的趋势。

下面以关键组件托辊为例分析参数化建模方式：

辊体的零部件有轴承、轴承座、轴、筒皮。本系统中轴承座零件由筒皮和轴对其进行尺寸关联。轴和筒皮直接进行参数化建模。

通过对轴承座图的分析，用特征建模时无法保证轴承座的倾斜度以及各部位的厚度，因此采用草图设计方法，首先做出零件的二维形状草图再经由约束对草图形状的束缚，以保证在参数改变时形状不改变;再设置已经做好的二维图的尺寸约束，并输入表达式数据，如图3所示，在表达式中还可以将数据引用轴和筒皮的参数，当筒皮和轴的参数改变时轴承座的尺寸也会随之改变，旋转生成模型。

轴的建模采用草图设计建模的方法，把轴截面圆心固定在坐标系的原点。并用对称拉伸的方法创建轴的模型。在表达式中需输入的具体参数为：轴长L、各段轴径D，其中轴颈是重要的尺寸由轴承内径决定，具体的参数表达式设置如图4所示。

筒皮的建模也采用草图设计方法并拉伸创建模型，筒皮的参数主要为筒皮厚度、筒皮直径、长度，具体的参数表达式设置如图5所示。

将建模完成的筒皮、轴承座、轴按照顺序依次装配在一起装配效果如图6所示，建立表达式并让装配的零件引用表达式，辊体的参数变化时，零件的参数也会随之变化。

中支柱、边支柱均为有一定复杂结构的零件，因此采用草图设计并拉伸来创建草图，在后期的驱动过程中为了保证参数化驱动的效果，对中支柱、边支柱采取部分建模如图7所示，在最后将所有零部件装配在一起时链接角钢的面并采用拉伸至角钢平面即可。

最后将所有的参数化的模型根据实际要求通过装配约束全部装配在一起，装配图如图8所示，在总装配建立表达式并让各个装配零部件模型的表达式引用。

2.2 基于电子表格的尺寸驱动方法

参数化模型建立后，为了参数模型能快速实例化，采用外部的电子表格驱动图形尺寸。这有利于把标准表中的参数更加直观表示出来同时也有利于模型一次性刷新，避免了某一参数没有改变导致模型的更新失败。

這里利用了Microsoft office 2007和UG软件进行开发。外部电子表格的建立必须使用Microsoft office 2007及以上的Excel的表格，版本过低或其他电子表格UG无法读取。具体的过程为如图9所示。

①首先建立一个EXCEL表格，表格中有标准的尺寸参数;

②再在UG建立的表达式中用函数去读取电子表格中的数值;

③最后每改变一次读取表格中的数据时，都需要保存电子表格，并在表达式中刷新来自外部的数据。

3  建模软件的二次开发

3.1 系统软件的界面开发

由于数字样机系统是基于UG软件，所以建立人机交互界面需要利用NX软件的二次开发功能。UG/Open主要是为了让不同的应用程序实现柔性集成的一个开发工具的开放性构架。该构架包括UG/Open Menu Script、UG/Open UI Style、UG/Open API、UG/Open GRI四个模块。

Open Menu Script工具可以在菜单栏进行添加、重组和裁剪，也可以集中使用;在UG的安装目录下新建一个二次开发的文件夹用来存放二次开发的内容，本例新建的文件夹是CTTOOLS，在新建的CTTOOLS文件夹中需重新建Startup、Application、及Prt文件夹用于存放文件。在Startup的文件中重新建立一个空的文本文档，软件在启动时候需要加载本文档，并将本文档的后缀名删除并改为men，在本文档中编写开发菜单的脚本语言。要完成指定菜单的动作需要ACTIONS来完成。菜单脚本文件被命名为xx.men。编写完成脚本文件之后保存并重启UG，在UG的菜单栏上会挂出刚制定的新创建菜单。

新建的菜单是一个空菜单，当点击菜单时是不会执行任何操作，此时需要在菜单下写进去程序。首先打开UG，在启动下拉菜单中找到所应用模块下的块UI样式编辑器，根据开发者的需求新建UI，编辑完成UI后在对话框中选择生成语言为C++，为构件开发平台做准备。生成的三个文件后缀名分别为cpp、dlx、hpp。

DTⅡ型皮带输送机带宽是一个重要参数，因此在设计UI的时候把带宽作为一个重要的参数来控制其他的参数，即通过不同的带宽参数来控制带宽下所有的参数。然后在系统新菜单创建一个组;分别命名为group、group1、group11、group12、group13、group2、group3，其中在group组下创建一个枚举类型命名为带宽，用于选型的初选，这一个非常重要的参数，当切换到不同的参数带宽时就可以调出对应的参数而其他的参数就放在group1、group11、group12、group13中。group1、group11、group12、group13是对应不同带宽下的各个组件的参数即头架、托辊、支腿、尾架的参数，它们不同的参数通过程序控制不同的prt文件，group1至group13的显示要与带宽的参数来对应这就要通过程序来控制;group2中的参数是控制整个装配的长度及每一个托辊之间的距离;group3是一个参考图片，选择C++的生成语言并另存为zpt文件，在生成的文件中把后缀名为zpt.dlx的文件粘贴复制到Application中，此时UI的制作基本完成。

3.2 装配驱动原理

UG/OPEN API是开发环境与UG的交流方式。通过API可以对UG的图形终端进行操作。本系统利用VS 2012编译完成的程序驱动UG去执行。新建NX OPEN C++项目，配置属性，会自动生成一个源文件，里面有UG自带的模板C++语言，用户可以在模板的基础上经行程序编写。系统会将UG自己配属的源文件移除，重新配属在UI设计中生成的另外两个文件分别是zpt.cpp、zpt.hpp。为了将参数化零件组装到一起，此时需要用到装配函数，在此次的二次开发中需要用到的装配函数是UF_ASSEM_add_part_to_assembly。函数参数中tag_t parent_par是需要装配的部件的目标，是想要把部件装配到哪里去;const char * part 是部件来自于哪里，为需要添加的部件的位置、路径（路径为全路径）以及部件名称;double origin[3]表示的是组件装配的位置原点。

4  结论

通过对系统的测试分析（图10），该系统能够快速生成各标准类型DTⅡ型输送机。尺寸匹配和装配关系准确。修改尺寸参数快速高效。可以用于产品的快速验证、分析和论证，也可以用于与客户之间的泛在设计。也为搭建数字孪生平台建立了良好的基础。

参考文献：

[1]数字孪生：连结现实与数字世界[J].软件和集成电路，2020（05）：78-85.

[2]曹冰.基于统一的三维产品数字模型构建协同设计平台研究[J].机电工程技术，2009，38（008）：22-23.

[3]孙伟，马辉，李朝峰，等.面向机械产品可视优化设计的参数化建模[J].东北大学学报（自然科学版），2009（11）：1632-1635.

[4]邓春晓.DTⅡ型带式输送机计算机辅助设计系统的研制[D].安徽理工大学，2005.

[5]宋晓琨，刘英林.DTII（A）型带式输送机设计选型系统的研制开发[J].機械工程与自动化，2007（02）：117-118.

[6]韩文非，罗党，宁宣熙.成组技术中零件分类的一种新方法[J].成组技术与生产现代化，2003，20（003）：46-48.

[7]邢秀琴，邢秀娟，叶志忠，等.基于UG二次开发的模型软件设计[J].机械工程与自动化，2013.

[8]连彩元.参数化设计在CAD绘图中的应用[J].机电技术， 2010（04）：29-31.