PDM環境下基於SolidWorks的變型設計及自動裝配系統

作者：佚名 

信息來源:internet  2006-5-19

  隨著市場競爭的日益加劇和客戶需求的多樣化、個性化，使得企業在成本、質量、交貨期和客戶滿意度方面面臨著越來越大的壓力，迫使企業不得不採用大批量定制 （MC，Masscustomization）等先進的設計、製造和管理技術。大批量定制技術的實施需要PDM系統的支持以管理企業目前存在著的大量產品 設計和工藝資源，同時管理設計和生產過程中產生的各種信息，通過產品配置和產品族管理來縮短訂單產品的通過時間。

    為了使機械制 造業能夠對市場進行靈活而快速的響應，盡可能重用原有的設計資源並縮短訂單通過時間，作者在實施自主開發的PDM系統的過程中，針對企業CAx系統及 PDM系統的應用現狀，從資源重用、信息集成的角度，研究並開發了支持設計重用的產品快速組合設計系統，同時以SolidWorks為三維設計平台開發了 支持快速組合設計的變型設計系統，並得到了相應的驗證。

    1系統的支持平台及主要功能

    1。1系統的支持平台

    本支持平台以客戶需求和未來市場需求預測為基礎，以產品族設計為核心，根據客戶訂單從產品族中配置產品滿足訂單。將產品開發過程分為客戶需求分析、產品族設計、產品配置三部分。

    當接到客戶訂單時，首先對訂單進行分析，確認訂單產品否 能夠接受。若訂單能夠接受，則對訂單產品進行處理和分解，確定訂單產品是屬於產品快速組合設計的哪種情況，即直接配置、產品變型設計還是產品全新設計。產 品的變型設計是從產品族中配置出相似產品，在相似產品的基礎上進行變型設計，可以進行標準化審核，作為產品族的一個產品實例。訂單產品設計完成後，能夠自 動生成產品的模型圖，在產品生產以前對產品的各種數進行分析以減少設計的失誤。由於每個部門對產品數據的需求不同，從產品結構中生成不同的BOM視圖供各部門使用。圖1為系統支持平台的運行流程。

    1。2系統支持平台的主要功能

    （1）設計資源管理系統。設計資源管理是PDM環境下產品快速組合設計系統的基礎。設計資源管理企業中已有的設計資源。對設計資源進行分類，使設計資源能 夠有效查詢和利用。在設計資源管理中不僅管理零部件，而且支持零部件的設計並建立零部件模型。當已有零部件無法滿足設計要求時，通過改變零部件模型的可變 尺寸參數來生成滿足條件的零部件。本平台採用支持設計重用、多層次的產品設計資源可重用模型。該模型通過分層的組織結構形式，反映產品設計資源在重用過程 中的信息需求。

    （2）產品族管理系統。在大批量定制環境下，只有擁有能夠迅速變型的產品族，才能實現對客戶需求的快速設計。產品族管理系統必須能夠建立產品族並且能對產 品族進行維護，能夠預測將來的產品需求。面向整個產品族進行設計，需提取符合顧客群需要的產品變型參數，其設計結果是形成可變型的動態產品模型。在此動態 產品模型的支持下，當針對單個客戶需求進行設計時，可以快速配置出滿足客戶需求的產品。因此，產品族管理系統還需實現與相關CAD系統的集成，並支持產品 模型及各零部件模型的變型設計。

    （3）BOM管理系統。對於同一產品，在企業不同部門需要的產品信息並不相同。BOM提供了滿足不同部門需求的產品信息，產品的BOM信息在其生命週期的 不同階段具有不同的內容，形成了產品結構的多視圖。無論是設計BOM還是製造BOM，其中的每一結點可看作零件（或組件、虛擬件、中間件等），對零件進行 重用時不僅重用了零件的設計數據，同時也重用了零件的所有數據。

    （4）產品配置管理系統。通過產品族的設計可形成可變型的產品模型，為產品配置打下了基礎。對訂單進行分解後，在產品族結構中，根據產品族中零部件之間的配置規則配置訂單產品。

    產品配置是產品快速組合設計重要的實現手段。它根據客戶選定的選項對產品模型進行變型，通過CAD系統向客戶展示該個性化產品並提供報價。若客戶滿意則可生成可供製造的產品模型並投入生產部門進行製造。如果客戶需求不能得到滿足，則可向設計員提供最相似的產品實例，使定制設計有較高的起點從而縮短工作時間。產品配置本身並不能實現產品的快速組合設計，它為產品族和客戶需求之間建立了聯繫。產品快速組合設計的真正實現還依賴於產品族的設計以及零部件的變型設計等。

    產品配置有三種途徑，分別是產品配置、產品變型設計、產品全新設計。

    2 系統各模塊的設計

    通過SolidWorksAPI可開發相應的應用系統來擴展系統的功能。本系統各應用程序開發工具採用VisualC++、VisualBasic和VisualC#，各應用程序與SolidWorks的接口插件開發採用VisualC++，開發接口採用基於OLEDB的ActiveX技術。所開發系統的結構如圖2所示。

2。1與運行平台的集成接口

    系統與SolidWorks的集成實現如圖3所示。通過屬性編輯器對零部件的總體信息和特有屬性進行統一的管理，屬性編輯器的界面如圖4所示。基本信息包括代號、名稱、規格、材料、設計者、日期和備註，些 內容正好對應二維圖紙中標題欄的主要屬性，符合設計人員的習慣。把零部件的參數分為可變參數和不變參數，可變參數作為零件的特有屬性，在屬性編輯器中通過 改變參數的值生成新的配置，然後驅動SolidWorks對新配置重新建模，從而完成零部件的變型設計。提取零部件圖形的總體信息的API函數為 value=ModelDoc2。SummaryInfo（fieldId）；提取特有信息的API函數為retval=odelDoc2。 GetCustomInfoValue（configuration，FieldName）。

    可通過屬性編輯器來實現與三維CAD系統的集成。在屬性編輯器中，不僅可對零部件的共有屬性進行編輯，而且可保存零部件的特有屬性。在特有屬性中可以保存保存零部件尺寸名稱和代號的關係。

    由於尺寸名稱是由SolidWorks軟件自動命名的，從尺寸名稱上一般無法理解其含義，通過建立尺寸名稱和代號之間的對應關係，可以使設計人員根據代號 就可得知尺寸名稱代表哪個尺寸參數。由於尺寸名稱和代號的關係是針對一個模型文件的，所以把尺寸名稱和代號的關係保存到SolidWorks圖形文件屬性 ---自定義中。為了實現零部件的變型設計，只保存零部件的可變參數。在添加特有屬性時，其尺寸參數從零部件所有尺寸參數中進行選擇，圖5為信息提取模 型。

    2。2設計與工藝信息的集成

    在SolidWorks的對象模型中提供了外部應用程序對模型文件及其相關屬性和變量進行訪問和操作的外部接口，通過該接口可實現對模型的特徵及其屬性、變量進行定義和編輯的操作。這樣可將模型的工藝信息以屬性或變量的形式附加於設計模型上。

    例如：

    （1）通過模型文檔類的AddPropertyExtension、GetPropertyExtension函數實現對零件特徵、曲面屬性的設置和訪問，如硬度、粗糙度等；

    （2）通過選擇集類的GetSelectedObjectType實現對特徵類型的訪問；

    （3）通過特徵類的Name、GetFaceCount對特徵的名稱及構成的信息進行訪問；

    （4）通過尺寸類的GetToleranceType、GetToleranceValues和SetToleranceType、GetToleranceValues函數可實現對尺寸公差類型及偏差的訪問和設置，等等。

    基於此，可將零件的工藝路線、工序、工時和材料定額等工藝信息以屬性的形式存儲於模型文件中，從而從邏輯和存儲兩個角度均可實現設計和工藝信息的集成。這些屬性的編輯通過專門開發的屬性編輯器進行。

    2。3零部件的變型設計

    2。3。1零部件主模型的建立

    企業中存在大量相似的零部件，在新設計的零部件中，大部分零部件與已有的零部件結構相似。分析已有相似零部件參數，其目的是減少零部件的可變參數，從而減少工具、夾具類型，簡化加工過程。建立零部件模型，通過零部件模型中參數的修改生成新零部件。這樣做儘管單個零部件不是最優，但通過減少加工工具、工裝裝備等，降低了加工成本並簡化了管理，從而實現整體的優化。

    通過分析已有的相似零部件，建立零部件模型，並建立零部件模型的圖形，確定零部件模型的可變參數和不變參數，這些參數作為零部件模型的一類信息進行維護，建立零件模型界面如圖6所示。在可變參數中，顯示了所有的尺寸參數，尺寸參數選中表明此參數是可變參數。

2。3。2零件的變型設計

    對零部件進行變型設計時，首先檢索零部件主模型，在滿足條件的零部件主模型的基礎上，通過修改零部件主模型的可變參數，自動生成與零部件主模型相似的零部 件圖形。生成零部件圖形後，設計人員對零部件圖形進行檢查，如果與設計要求一致，則把零部件保存到設計資源庫中，同時對零部件進行分類。若生成的零部件圖 形與設計要求不一致要重新設計。新生成的零部件與零部件模型共用同一圖形文件，只是在圖形文件中添加一個配置，其零部件屬性保存到圖形文件的配置屬性中， 這樣可減少零部件圖形文件的數量，從管理的角度便於保證數據的一致性。

    2。3。3裝配體的變型設計

    SolidWorks中的配置是一組類似零部件在其共同抽像之上的特有形態。在每一個配置中只保存該種形態的特有部分（如驅動尺寸大小等），對於整個模型 文件體積的影響幾乎可以忽略；在新生成配置時，由於只對部分特徵進行重新計算，速度要比重新繪製零件快很多。這樣可將同一類型的多個零件作為配置存入一個 文件中，既節省了磁盤空間又便於管理。配置提供了簡便的方法來開發與管理一組有著不同尺寸、零部件、或其它參數的模型。要生成一個配置需先指定名稱與屬 性，然後再根據需要來修改模型。在裝配體模型文件中，配置通過壓縮或隱藏零部件來生成簡化的設計，使用不同的零部件配置、不同的裝配體特徵參數、不同的尺 寸或配置特定的自定義屬性來生成裝配體系列。圖7為裝配體變型設計的實現界面。

    可通過裝配體模型的變型設計來生成新的裝配體。生成的新裝配體是裝配體模型文件的一個配置。在生成新裝配體的過程中，由於組成裝配體的有些零件尺寸參數變 化，則生成零件的新配置從而自動生成零件的新版本。除了版本號外，新零件的所有屬性和原零件相同。在生成裝配體的模型圖後，提取裝配體的層次結構，保存到 企業設計資源庫中，裝配過程中涉及的主要API如下：

    DimswAssyAsSldWorks。AssemblyDo

    //定義swAssy為SolidWorks的裝配實體

    DimpMateObjOutAsObject

    SetpMateObjOut=swAssy。AddMate2（mateType- FromEnum，alignFromEnum，flip，distance，distAbsUpper- Limit，distAbsLowerLimit，gearRatioNumerator，gearRatio- Denominator，ange，angleAbsUpperLimit，angleAbsLower-Limit，errorStatus）

    //進行裝配，mateTypeFromEnum為裝配類型swFeatureManager。FeatureCircularPatternlngNum，lngInterval，True，""

    //圓周陣列，lngNum陣列中零部件的數量，lngInterval零部件之間的間距swFeatureManager。 FeatureLinearPatternX1Num，X1Interval，X2Num，X2Interval，True，True，X1Name，X2Name

    //線性陣列，X1Num，方向1的數量，X1Interval方向1間距，X1Name在方向1上的零部件名稱，X2Num，//方向2的數 量，X2Interval方向2間距，X2Name在方向2上的零部件名稱swFeatureManager。 InsertMirrorFeaturestrMirrorType，bGeometryPattern，bMerge，bKnit

    //鏡像，strMirrorType表示鏡像類型，bGeometryPattern表示是否鏡像幾何特徵，bMerge表示是否合併，bKnit表示是否結合面

    swModel。ClearSelection2True

    //清除所有選擇的基準

    2。4產品模型圖的自動裝配

    由於在設計產品族結構的過程中，已經考慮了各零部件之間的裝配關係，並把各零部件之間的裝配關係作為產品族結構的一類信息進行管理，因此，在生成產品結構 後可以自動生成產品的總裝圖。這主要是考慮到產品族結構根據不同的配置項可以配置出很多產品，若把這些產品的模型圖全部進行存儲要佔用很大的空間，更為突 出的問題是帶來了管理的不便，對產品模型圖維護的工作量很大，並且當增加一個可選配置項時，產品模型圖的數量將增加一倍。

    2。4。1裝配關係的定義

    確定零部件之間裝配關係的具體方法如下：建立一個虛擬件，把新零部件和與之有裝配關係的零部件作為虛擬件的子節點，把虛擬件的所有子節點中所涉及到的零部 件全部輸入到SolidWorks裝配環境下進行手工裝配。手工裝配完成後對虛擬件進行提取，與提取產品結構的區別是不在設計資源庫中保存零部件，只保存 與新零部件有關的裝配關係，提取結束後自動刪除選中的虛擬件。

    在SolidWorks中零部件之間的裝配關係有9類，裝配關係在SolidWorks中的參數如表1所示。

    2。4。2裝配關係的提取

    在裝配關係進行提取時，如果裝配基準在零部件的裝配基準庫中不存在，則需首先把零部件的裝配基準保存到相應零部件記錄的裝配基準中，再確定與其它零部件的 裝配關係。若提取的裝配基準在相應的零部件裝配基準中存在，則直接確定與其他零部件之件的裝配關係。而對於新建版本的零部件或者新零部件，把裝配基準保存 到新零部件記錄的裝配基準中，最後確定產品結構中零部件使用的裝配基準。

    產品結構中零部件的裝配基準確定後，提取裝配基準之間的裝配關係，把裝配關係保存到數據庫中。導入產品結構的過程中，在遍歷產品中所有零部件的同時，遍歷 與零部件相關的裝配零部件提取裝配關係。對於已經提取的裝配關係給予標記，防止同一裝配關係在數據庫中保存多次。

    2。4。3產品模型圖的裝配方式

    可將系統中的產品結構樹按裝配的層次關係在CAD系統的裝配環境下進行裝配。根據用戶需求在系統中從產品族結構中按照零部件的配置約束進行配置，從而形成 新的產品結構樹，或對已有的產品結構樹進行修改。根據該產品結構樹，可以在CAD系統裝配出新的產品。對於可以預定義裝配關係的CAD系統（如 SolidWorks），並且裝配關係可以預先確定的情況下，則根據裝配層次關係及裝配參數，通過系統的API操縱數據結構自動實現裝配過程。裝配過程可 以後台執行，最後向用戶顯示裝配結果，也可以前台執行，給用戶直觀地顯示裝配過程。裝配過程如圖8所示。

    2。4。4產品自動裝配實現

    SolidWorksAPI可以從幾何級、特徵級和零部件級對模型進行操作。產品自動裝配是在遍歷產品結構中零部件之間裝配關係的過程中進行的，在遍歷到 零部件之間的裝配關係時，其裝配基準處於被選中狀態，這個裝配關係結束後，取消裝配基準的被選中狀態，遍歷下一個裝配關係並進行裝配，直至產品裝配結束。

    3 結語

    本文提出了大批量定制環境下基於PDM平台的產品快速組合設計系統的解決方案；以自主研發的QUST-PDMS作為產品快速組合設計的支持平台，建立了系 統的體系結構；以訂單產品的快速通過和設計資源的重用為目的，將企業的產品數據通過設計資源管理系統、產品族管理系統、產品配置管理系統和BOM管理系統 等進行管理，並通過基於SolidWorks的產品變型設計和自動裝配系統完成訂單產品的快速組合設計，所研究的內容已得以實現並得到初步驗證。實踐證 明，基於PDM平台開發的支持產品快速組合設計的變型設計及自動裝配系統明顯地提高了設計資源的充用程度，明顯地縮短了訂單產品的設計週期。

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