1 課題的來源、目的、意義

　　1.1 來源

　　本課題來源于模具技術(shù)國家重點實驗室與深圳比亞迪股份有限公司的合作項目“基于UG的注塑模具設(shè)計系統(tǒng)模塊開發(fā)”。該公司是目前國內(nèi)規(guī)模較大的塑料模具公司，主要產(chǎn)品范圍覆蓋塑料管材管件、各類汽車及電器塑料件等。

　　1.2 目的

　　該項目的目的是，定制開發(fā)基于UG平臺智能化注塑模CAD專用模塊，實現(xiàn)手機(jī)等小型模具的快速設(shè)計，以提高設(shè)計效率，縮短模具設(shè)計周期，并以數(shù)字化設(shè)計方法提高模具設(shè)計質(zhì)量。通過運用實驗室的相關(guān)技術(shù)成果，全面提高公司的模具三維CAD/CAM/CAE技術(shù)水平，滿足企業(yè)模具產(chǎn)品打入國際市場的現(xiàn)實需求，提高企業(yè)的面向經(jīng)濟(jì)全球化趨勢下的長遠(yuǎn)市場競爭力。本項目的開發(fā)、測試及實施期限為一年。

　　1.3 意義

　　在實際生產(chǎn)設(shè)計過程中，對于復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品零件的某一部分，其結(jié)構(gòu)是完全相同的或大體相同，只是在不同的應(yīng)用中，尺寸不同而已。因此把這些常用的結(jié)構(gòu)特征存儲起來，在零件的設(shè)計過程中，當(dāng)遇到類似的結(jié)構(gòu)時，把存儲的結(jié)構(gòu)作為一個整體即一個特征調(diào)進(jìn)來，像機(jī)器的裝配過程一樣，按照實際需要的尺寸及約束條件把它同零件原有的部分進(jìn)行布爾運算(交、并、差)得到設(shè)計師需要的結(jié)果。而當(dāng)前Mold Wizard 提供的標(biāo)準(zhǔn)件平臺是通過裝配方式調(diào)入的，采用固有的配合方式。這種方式缺乏靈活性，而且會產(chǎn)生冗余的裝配結(jié)構(gòu)，增加用戶使用的難度。該項目通過類似標(biāo)準(zhǔn)件的建庫方案為用戶定義特征提供一個開放性的平臺，只需把已定義特征在數(shù)據(jù)庫中注冊，然后通過該平臺進(jìn)行調(diào)用，系統(tǒng)自動根據(jù)輸入?yún)?shù)自動生成相應(yīng)的特征。因此，基于UG進(jìn)行用戶自定義特征(User Defined Feature)庫的二次開發(fā)，能夠更好地滿足企業(yè)的個性化設(shè)計要求，并充分融合企業(yè)的設(shè)計經(jīng)驗和設(shè)計知識，對企業(yè)實現(xiàn)注塑模的快速、智能化設(shè)計有著十分重要的意義。

　　2 研究內(nèi)容

　　2.1 參數(shù)與配合方式

　　根據(jù)調(diào)研結(jié)果和系統(tǒng)設(shè)計要求，分類整理企業(yè)專用設(shè)計系統(tǒng)中所需的注塑模具UDF特征的參數(shù)和配合特征。在基于特征的參數(shù)化建模系統(tǒng)中，定義特征的過程是一個由造型步驟所組成的順序歷史，每一步都包含了建模的操作、定義參數(shù)和屬性，即用戶自定義特征的設(shè)計過程構(gòu)成了用戶自定義特征的設(shè)計歷史，在這個設(shè)計歷史中包含著大量的設(shè)計者的設(shè)計意圖。如果能夠提供有效的方式對用戶自定義特征的設(shè)計歷史進(jìn)行有效的維護(hù)從而能夠很好地維護(hù)這些設(shè)計意圖，則在設(shè)計新的產(chǎn)品時，只要給定尺寸值和該產(chǎn)品生命周期各階段環(huán)境對它的約束，就能夠在任何時候通過所存儲的歷史記錄來自動重建用戶自定義特征，產(chǎn)生用戶自定義特征的設(shè)計變體。

　　2.2 約束方式

　　一個產(chǎn)品的設(shè)計過程，實際上就是一個約束指定和約束滿足的過程，它們不斷循環(huán)求精，直到所有的要求都得到滿足。對于不同的零件，即使它們的某一部分的結(jié)構(gòu)是相同的，但是這部分相同的結(jié)構(gòu)在零件中的位置卻是不盡相同的。因此，當(dāng)調(diào)入用戶自定義特征時，不能把該特征每次都放在同一位置，而應(yīng)該按照不同的設(shè)計要求，根據(jù)設(shè)計者的意圖來確定該特征的位置。因此，在設(shè)計中提出了基于約束的設(shè)計。約束滿足問題可以通過一個有限集以及作用在這個有限集合上的一組關(guān)系來滿足。在產(chǎn)品的設(shè)計過程中，讓設(shè)計者確定用戶自定義特征與零件體之間的相對位置關(guān)系，如共面，線面夾角等，直到該特征被完全定位。將用戶自定義特征的多個約束類型的對象組合在一起形成該用戶自定義特征的約束關(guān)系鏈表。系統(tǒng)提供有效的方式對用戶自定義特征的約束關(guān)系鏈表進(jìn)行有效的維護(hù)。在重構(gòu)時，系統(tǒng)能夠按照該特征的約束關(guān)系鏈表，準(zhǔn)確無誤地重新定位該特征，使設(shè)計者的設(shè)計意圖得到保證。

　　2.3 參數(shù)化建模

　　用戶定義特征的參數(shù)化建模涉及以下內(nèi)容：(1)參數(shù)化造型技術(shù)，物體的幾何外形是由受約束的數(shù)學(xué)關(guān)系式來定義的，其技術(shù)特點在于：基于特征，全尺寸約束，尺寸驅(qū)動設(shè)計修改。(2)變量關(guān)聯(lián)，在分屬不同參數(shù)集的變量間建立映射關(guān)系，以便對某個變量修改后，與之對應(yīng)的變量能自動修改。(3)特征的命名規(guī)則、圖層設(shè)置與管理。(4)表達(dá)式的建立，參數(shù)化造型的重要基礎(chǔ)是表達(dá)式的應(yīng)用，表達(dá)式作為造型參數(shù)，可以使模型具備參數(shù)驅(qū)動的能力。另外，可利用表達(dá)式建立零件間的關(guān)聯(lián)。因此表達(dá)式必須依照產(chǎn)品圖冊和產(chǎn)品的二維圖形文件進(jìn)行命名，自定義表達(dá)式也應(yīng)有一定的含義。

　　2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　研究內(nèi)容包括系統(tǒng)按照功能應(yīng)劃分為多少模塊，各個模塊的功能如何定義，模塊之間如何關(guān)聯(lián)聯(lián)系、相互通信等。系統(tǒng)應(yīng)包含界面，組件描述數(shù)據(jù)庫，組件數(shù)據(jù)庫，三維模型庫等。用戶自定義特征的數(shù)據(jù)文件不但要包含其參數(shù)值，更重要的是必須包含其用于配合關(guān)系中的所具有信息。因而，數(shù)據(jù)文件中既要對特征的各種屬性信息進(jìn)行描述，還要將接口變量包含其中，以實現(xiàn)具有配合關(guān)系的零件間的關(guān)聯(lián)。

　　2.5 特征調(diào)入

　　當(dāng)用戶通過用戶界面指定若干特征的關(guān)鍵參數(shù)后，用戶特征管理系統(tǒng)會據(jù)此搜索到相應(yīng)的屬性描述文件，利用關(guān)鍵字匹配的方法找到所有用于驅(qū)動特征的參數(shù)，再將這些參數(shù)賦值給幾何模型中的尺寸變量，從而驅(qū)動幾何模型按預(yù)期的方式進(jìn)行形狀更新和定位。

　　3 技術(shù)方案

　　3.1 UG二次開發(fā)技術(shù)

　　UG/open二次開發(fā)模塊為UG軟件的二次開發(fā)工具集，便于用戶進(jìn)行二次開發(fā)工作，利用該模塊可對UG系統(tǒng)進(jìn)行用戶化剪裁和開發(fā)，滿足用戶的開發(fā)需求。UG/open包括以下幾個部分：UG/Open Menuscript開發(fā)工具，對UG軟件操作界面進(jìn)行用戶化開發(fā)，無須編程即可對UG標(biāo)準(zhǔn)菜單進(jìn)行添加、重組、剪裁或在UG軟件中集成用戶自己開發(fā)的軟件功能，UG/open Uistyler開發(fā)工具是一個可視化編輯器，用于創(chuàng)建類似UG的交互界面，利用該工具，用戶可為UG/Open應(yīng)用程序開發(fā)獨立于硬件平臺的交互界面。UG/open API開發(fā)工具提供UG軟件直接編程接口，支持C、C++、Fortran和Java等主要高級語。 UG/open API也叫UG Function(簡稱UF)，分為內(nèi)部UF和外部UF。內(nèi)部UF是運行在UG系統(tǒng)平臺內(nèi)部的API程序(通過動態(tài)鏈接庫技術(shù)與UG系統(tǒng)平臺發(fā)生關(guān)系)，特點是能夠直接控制UG系統(tǒng)的行為，也能夠通過UG用戶界面和用戶發(fā)生交互。外部UF是獨立于UG系統(tǒng)之外的C程序(也就是*.exe可執(zhí)行程序)，通過UG系統(tǒng)平臺的運行庫調(diào)用API的功能。特點是調(diào)用靈活，用途廣泛。但是無法利用UG的交互界面，因此無法和UG系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生作用。

　　3.2 特征定義與實例化

　　UDF 實際上是對造型系統(tǒng)中已有的形狀特征和造型方式的封裝。通過封裝，UDF 屏蔽了對設(shè)計人員而言沒有工程意義的繁瑣的何造型操作，而將具有工程意義的參考幾何元素、約束和尺寸以接口的形式暴露給設(shè)計人員。這些具有工程意義的參數(shù)和幾何元素由設(shè)計人員在對UDF進(jìn)行實例化時確定。UDF 的定義過程包括幾何定義、屬性定義和約束定義三步。幾何定義就是使用特征造型系統(tǒng)進(jìn)行造型的過程，幾何定義的過程則表現(xiàn)為用戶從特征歷史樹上選取子特征的過程，被選取的子特征構(gòu)成UDF所包含的內(nèi)部特征集合。屬性定義的過程是定義UDF所包含的描述信息的過程。約束的定義分為兩步，首先用戶選擇具有工程意義的尺寸和參數(shù)，而后用戶建立個參數(shù)之間的約束方程。UDF 的實例化過程包括UDF 定位、參數(shù)賦值、約束檢查和內(nèi)部特征重構(gòu)四步。通過對屬性和參數(shù)重新賦值, 進(jìn)而驅(qū)動UDF 模型得到不同的實例。

　　3.3 系統(tǒng)概念模型

　　該平臺的整體設(shè)計模型如下圖1，其中擁護(hù)模型庫是指用來存放用戶自定義特征的特征集合。運用用戶自定義特征(UDF)這種機(jī)制可建立用戶自定義特征和專用特征庫，設(shè)計者只要在設(shè)計過程的用戶界面中輸入相關(guān)參數(shù)值和約束值，就可將用戶自定義特征無縫集成到設(shè)計過程當(dāng)中，滿足用戶的特定要求，體現(xiàn)了設(shè)計者的靈活性和創(chuàng)造性，提高了設(shè)計效率。設(shè)計人員可以將經(jīng)常使用的特征經(jīng)過定義以后存于用戶自定義特征庫(UDF LIBRARY)中，當(dāng)此類特征積累到一定數(shù)量時，這些特征就成為設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)特征數(shù)據(jù)庫，后續(xù)設(shè)計中遇到同樣的問題時，只需要從數(shù)據(jù)庫中選用所需的UDF 特征，既節(jié)省時間又能使設(shè)計滿足標(biāo)準(zhǔn)化模塊化的要求。用戶自定義特征庫系統(tǒng)主要由圖庫與外界的接口模塊、特征部件注冊表、用戶自定義特征尺寸信息數(shù)據(jù)庫以及建庫工具組成。界面設(shè)計模塊是聯(lián)系用戶和系統(tǒng)的橋梁，通過圖形界面用戶可完成自定義特征的調(diào)用及后續(xù)操作，所有特征模型是參數(shù)化的，用戶選擇特征的參數(shù)通過注冊模塊已存入數(shù)據(jù)庫,系統(tǒng)根據(jù)選擇類型在數(shù)據(jù)庫中搜索相應(yīng)記錄，驅(qū)動相應(yīng)模型生成特征。

　　3.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)管理

　　用戶注冊模塊對特征進(jìn)行分類管理，在注冊文件中把特征按照類別不同加入到不同的注冊表項中，方便用戶迅速索引到所需類型的特征。 注冊文件分為兩部分，第一個為數(shù)據(jù)庫路徑注冊文件，負(fù)責(zé)提供數(shù)據(jù)文件路徑。第二個是模型數(shù)據(jù)注冊文件,根據(jù)不同的模型,用戶輸入相應(yīng)的關(guān)鍵尺寸。數(shù)據(jù)庫的管理分為外部管理和內(nèi)部管理，其中外部管理的主要工作是，當(dāng)用戶選擇某一特征名稱時，在界面上顯示特征的關(guān)鍵尺寸參數(shù)和二維圖形。一旦用戶確定采用某一規(guī)格的特征時，特征管理系統(tǒng)就會根據(jù)其名稱到特征幾何模型庫搜索相應(yīng)的模型。同時，根據(jù)特征名稱到庫中搜索相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。最后，用這些參數(shù)值對標(biāo)準(zhǔn)件模型進(jìn)行驅(qū)動，得到用戶指定的特征。數(shù)據(jù)的內(nèi)部管理主要通過系統(tǒng)注冊文件和零件間的索引關(guān)系來實現(xiàn)，在建庫時通過文件名實現(xiàn)特征在庫內(nèi)部的關(guān)聯(lián)。數(shù)據(jù)庫采用Microsoft Excel，利用ODBC訪問數(shù)據(jù)庫。采用Excel作為存儲介質(zhì)能讓用戶方便地對標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，相比其他數(shù)據(jù)庫，沒有數(shù)據(jù)庫設(shè)計基礎(chǔ)的用戶也能輕松操作，因此具有良好的操作性和擴(kuò)展性。

　　4 小結(jié)

　　隨著市場全球化競爭的日趨激烈，傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)手段由于其研制周期長，技術(shù)手段落后、產(chǎn)品壽命短和費用高等缺點，己經(jīng)不能適應(yīng)市場競爭的需要。作者的研究工作表明，采用參數(shù)化設(shè)計和關(guān)聯(lián)設(shè)計的方法建立定制化的用戶工具平臺對提高注塑模設(shè)計效率，保證設(shè)計質(zhì)量，具有重要意義。同時有效的實現(xiàn)了用戶特征庫的系列化、模塊化以及定制化，并在實際中獲得認(rèn)可，取得良好得效果。