ProEngineer机械零件特征模型库参数化设计

【１４】第２８卷第４期２００６－０４制造业自动化基于Ｐｒｏ／Ｅ的机械零件特征模型库参数化设计韩国才１，２，　张 锂１（１．　兰州工业高等专科学校，　甘肃　兰州　７３００５０； ２．　西安交通大学　机械工程学院，　陕西　西安　７１００４９　）摘要：基于Ｐｒｏ／Ｅ作为支撑平台，以Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ作为核心技术开发的机械零件特征模型库的计算机模块系统，将机械零件的设计和三维实体建模融合起来，提高了零件的设计计算和绘图效率，实现了机械零件的快速造型和重构，系统具有良好的用户界面、可扩展性、很好的实用性和专业性。

关键词：Ｐｒｏ／Ｅ；实体建模；　机械零件库；特征模型库；　参数化设计中图分类号：ＴＰ２７３文献标识码：Ａ 文章编号：１００９－０１３４（２００６）０４－００１４－０２Parametric design of mechanical part feature model library based on Pro/EＨＡＮ　Ｇｕｏ－ｃａｉ１，２，　ＺＨＡＮＧ　Ｌｉ１（１．　Ｌａｎｚｈｏｕ　Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，　Ｌａｎｚｈｏｕ　７３００５０，　Ｃｈｉｎａ；２．　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｘｉ′ａｎ　Ｊｉａｏ　Ｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｘｉ′ａｎ　７１００４９，　Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ｐｒｏｐｐｉｎｇ　ｕｐ　ｌｅｖｅｌ　ｗｉｔｈ　Ｐｒｏ／Ｅ　ａｎｄ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ　ａｓ　ｎｕｃｌｅａｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｐａｒｔ　Ｆｅａｔｕｒｅ　ｍｏｄｅｌ　Ｌｉｂｒａｒｙ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ．　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ，　ｐｒｏｍｏｔｉｎｇ　ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　ｄｒａｗ　ｏｆ　ｐａｒｔ，ｉｔｒｅａｌｉｚｅ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒｔ．　Ｉｔ　ｈａｄ　ｇｏｏｄ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｎｄｉｎｇ，　ｇｏｏｄ　ｐｒａｃｔｉｃａｌａｎｄ　ｓｐｅｃｉａｌｉｔｙ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ： Ｐｒｏ／Ｅ；　ｅｎｔｉｔｙ　ｍｏｄｅｌ；　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐａｒｔ　ｌｉｂｒａｒｙ；　ｆｅａｔｕｒｅ　ｍｏｄｅｌ　ｌｉｂｒａｒｙ；　ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ　ｄｅｓｉｇｎ收稿日期：２００５－０８－０８作者简介：韩国才（１９６４－），男，副教授，机械工程领域硕士研究生，从事机械设计、工程图学及ＣＡＤ教学和科研工作。

随着计算机技术的迅猛发展，参数化设计技术日益广泛的应用于各个领域［１］。

在制造业中，新产品开发若采用传统的“物理样机制造－实验”设计方法，无疑会耗费大量成本、延长设计时间，且不能从本质上掌握结构设计与性能的直接影响关系，这样始终摆脱不了经验设计造成的低效率、低质量。

而参数化设计技术是一套全新的开发模式，可革新产品开发过程、缩短周期降低成本、改进产品设计质量、提高产品开发效率。

参数化设计是指通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，自动完成对图形中相关部分的修改，从而实现同类结构机械产品的快速修改与设计［２，３］。

参数化设计技术的关键问题是要研究实体建模，是在传统设计，常规可靠性与优化设计的理论方法基础上引入参数化设计理论和方法而形成的一种新型设计方法。

参数化设计的实现，可以简化绘图过程，减少重复性工作，提高设计效率。

１ ＰＲＯ／Ｅ中机械零件特征模型库参数 化的设计方法在Ｐｒｏ／Ｅ环境下建立参数化特征模型库通常有以下几种方法［４，５］：（１）　用户自定义特征（ＵＤＦ）生成ｇｐｈ文件，即在Ｐｒｏ／Ｅ环境中通过Ｃｒｅａｔｅ　Ｌｏｃａｌ　Ｇｒｏｕｐ生成用户自定义特征后，再进入Ｐｒｏ／Ｅ中调用这些文件造型；（２）　Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ工具编制程序造型；（３）　调用簇表并对簇表中的相关变量赋值后，模型将依据输入参数重新生成，该方法建立的是实实在在的库，零件库由一个一个的零件组成，不过这些零件不是一个一个的画出来的，它是一种快速建库的方法，使用数据表格来管理库。

　（４）　在Ｐｒｏ／ｐｒｏｇｒａｍ中将参数放在Ｉｎｐｕｔ模块中，要求用户在更新的时候输入参数，从而根据这些参数重新生成模型，该方法创建的是虚拟的库，零件库中只有一个样本零件，并通过程序管理库。

结合拟建零件库的特点，采用其中的一种或两种方法即可生成所需要的特征模型库。

２ ＰＲＯ／Ｅ中机械零件特征模型库参数 化的关键技术机械零件的设计通常以工作可靠、成本低、结构合理和方案优化为原则，一般应考虑：　（１）　建立零件的受力模型并计算载荷；（２）　选择零件的类型与制造业自动化结构设计；（３）　零件的材料；（４）　确定零件的基本尺寸和绘制零件的工程图。

完成上述工作涉及到设计数据的处理，还要引用大量的数据表格或图表资料，甚至要通过Ｐｒｏ／Ｅ调用Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ的造型函数来完成零件的造型和工程图的绘制工作。

因此系统的设计应包括图形用户界面技术、数据库管理技术和接口技术等。

２．１　图形用户界面技术Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ提供了下拉菜单的编程接口，提供的用于对话框用户界面设计的用户界面组件工具，可以开发出与Ｐｒｏ／Ｅ自身系统融为一体的对话框。

当然，利用ＶＣ将ＭＦＣ的使用应用到Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ开发的界面设计及数据库处理中也可以完成图形用户界面程序的开发，且简洁实用，能满足不同用户ＣＡＤ系统的要求。

２．２ 数据库构建机械零件设计过程中常常涉及到大量的线表、图表和表格等的查询，如材料库、公差库的查询。

对于线表、图表和数据量较小的表格，直接采用程序化的方法即可，对于数据量比较大的表格，应将其建成数据库文件，并可以通过高级语言访问数据库中的数据。

２．３ 接口技术接口技术是为实现与其它系统的信息交换提供的输出文件信息接口，在工程实际中通常用的是零件的工程图形，而且有时候也需要为设计人员或其他应用系统提供一些设计方面的信息，如零件设计信息、材料信息、精度信息、零件的几何信息等。

通过Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ的ＡＰＩ函数生成其它系统需要的工艺信息文件、工程图文件、ＩＧＥＳ文件等，以便达到和其它系统自由交换数据的目的。

３ ＰＲＯ／Ｅ中机械零件特征模型库参数 化的设计与应用３．１ 造型简单零件的特征建模方法对于造型简单的零件，应尽量选用ＵＤＦ来建立特征文件的方法。

比如圆柱螺旋压缩弹簧的几何特征文件的建立，采用前文介绍的几种方式均可实现［４，５］。

然而在Ｐｒｏ／Ｅ环境下，建立该零件只需要一次特征造型即可实现，而且考虑到ＵＤＦ可以作为零件较小单元的样本特征零件，可以用到族表和Ｐｒｏ／ｐｒｏｇｒａｍ中，因而应尽量选用ＵＤＦ来构造弹簧的几何特征文件。

弹簧的绘制涉及到四个参数。

即弹簧丝直径、弹簧中径、总圈数、弹簧的节距，可以用ｓｙｍｂｏｌ对这四个参数分别命名为ｄ、Ｄ２、ｎ、ｐｉｔｃｈ，以便于用户识别。

３．２ 造型复杂零件的特征建模方法对于造型比较复杂的零件，应采用Ｐｒｏ／ｐｒｏｇｒａｍ的方法［６，７］。

比如圆柱直齿渐开线齿轮的造型，齿轮外表面为渐开线表面，必须通过参数方程来控制曲面的生成，因而可以通过在Ｐｒｏ／ｐｒｏｇｒａｍ中编程，自定义特征参数，控制参数来实现曲面的造型，并保存为零件的特征模板文件的方式实现。

首先对零件进行分析，提取零件的关键参数，然后设置参数变量，以便后续建模，并根据需要确定驱动参数。

创建零件模型，渐开线圆柱齿轮基体部分是一个圆柱，外形轮廓是渐开线，这些特征是齿轮类零件的主特征，其它如轴孔和键槽等特征则依附在这些主特征的辅助特征。

先建立齿轮主特征，然后建立辅助特征，最后添加其他非几何特征信息。

在Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ中分别采用拉伸（Ｅｘｔｒｕｄｅ）和可变截面扫描　（ＶａｒｉａｂｌｅＳｅｃｔｉｏｎ　Ｓｗｅｅｐ）　的方法生成这类齿轮零件的两个主特征，可以通过去除材料　（Ｃｕｔ）建立轴孔和键槽等特征，最后通过阵列Ｐａｔｔｅｒｎ命令完成模型，然后由渐开线曲线创建齿轮的一个齿槽曲面。

通过Ｐｒｏ／ｐｒｏ－ｇｒａｍ编程控制造型的整个过程，对齿轮的相关尺寸参数化，参数之间的相互关系和渐开线方程在Ｐｒｏ／ｐｒｏｇｒａｍ中进行设定或描述，从而建立渐开线齿轮的特征造型模板文件，这个模板文件由数据库来进行管理。

编制程序，Ｐｒｏ／ｐｒｏｇｒａｍ程序包含五个部分：标题，输入（Ｉｎｐｕｔ…　…ｅｎｄ　ｉｎｐｕｔ），关系式（ｒｅｌａｔｉｏｎ……ｅｎｄ　ｒｅｌａｔｉｏｎ），添加特征（ａｄｄ　ｆｅａｔｕｒｅ…　…ｅｎｄ　ａｄｄ），质量程序（ｍａｓｓ　ｐｒｏｐ…　…ｅｎｄ　ｍａｓｓ　ｐｒｏｐ）。

标题部图１ 圆柱型螺旋压缩弹簧模型【下转第７０页】第２８卷第４期２００６－０４【１５】【７０】第２８卷第４期２００６－０４制造业自动化间的距离较大，估计出的平滑因子往往都较大，导致每个样本点的影响范围加大。

而且由于故障数据与正常数据间的距离较远，它们之间的相互影响非常小，导致在概率模型图中出现一个在正常范围和故障范围之间概率非常小的区域，这个区域正是设备从正常状态到故障状态过渡的不稳定区域，从设备的劣化过程来看，设备出现在这种不稳定状态的时间较短，因而在概率模型图中也是一个概率极小的范围，此时的概率模型也是符合设备运行的实际情况的。

从图３中可以看出，设备状态的概率模型客观地反映了设备的运行状态。

正常设备的概率模型与故障设备的概率模型之间存在着明显的区别，因此完全可以将该概率模型作为对设备状态判定的有效判据。

３ 结论概率神经网络是以概率统计思想和贝叶斯优化规则而构成的分类神经网络，本文根据设备运行历史数据为样本点建立了设备状态的概率模型，该模型是设备状态的客观反映，为描述设备运行状态提供了量化的依据。

文中通过对正常设备和故障设备的概率模型进行了比较，取得了较好的效果。

参考文献：［１］　ＤＯＮＡＬＤ　Ｆ　Ｓ．　Ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃ　ｎｅｕｒａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｌｏｙｎｏ－ｍｉａｌ　ａｄａｌｉｎｅ　ａｓ　ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｆｏｒ　ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｎｅｕｒａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，１９９０，１（１）：１１１－１２１．［２］　徐光华．　概率神经网络及其大机组智能诊断技术［Ｄ］．　西安：　西安交通大学，１９９５．［３］　ＣＡＩＮ　Ｊ　Ｂ．　Ａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｓｔｉｃ　ｎｅｕｒａｌ　ｎｅｔｗｏｒｋｓ　ａｎｄ　ｉｔｓｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｔｏ　ｏｔｈｅｒ　ｍｏｄｅｌ［Ｚ］．　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ａｒｔｉ－ｆｉｃｉａｌ　Ｎｅｕｒａｌ　Ｎｅｔｗｏｒｋｓ，ＳＰＩＥ　Ｐｒｅｓｓ，１９９０．［４］　高洪青．　基于概率模型的设备状态自适应评估与预测技术［Ｍ］．　西安：　西安交通大学，２００３．分和添加特征部分是由系统自动产生的，其中添加特征部分内容大约占程序的９０％，其余部分在首次进入时呈现空白状态，需要用户自己编写。