1 產(chǎn)品變型參數(shù)及其變型關(guān)系分析

　　產(chǎn)品變型過(guò)程的實(shí)質(zhì)是變型參數(shù)在整個(gè)產(chǎn)品模型中的傳遞，最終反映到某些零部件的變型上。而零部件的變型包括特征變型、裝配關(guān)系變型、相同零部件配置數(shù)目變化和零部件的選配等。

　　產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)首先要解決的是產(chǎn)品變型參數(shù)的選擇。產(chǎn)品變型參數(shù)分析是通過(guò)對(duì)產(chǎn)品或整個(gè)產(chǎn)品系列的調(diào)研，確定整個(gè)產(chǎn)品模型的變型參數(shù)，稱為產(chǎn)品級(jí)變型參數(shù)。而零部件的變型參數(shù)分析是根據(jù)產(chǎn)品的變型要求來(lái)確定零部件所需的變型參數(shù)，相應(yīng)零部件的變型參數(shù)就稱為零件(部件)級(jí)變型參數(shù)。

　　變型關(guān)系分析所做的工作之一就是根據(jù)產(chǎn)品的變型特點(diǎn)，分析所有零部件的變型參數(shù)和產(chǎn)品級(jí)變型參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。相互關(guān)聯(lián)的參數(shù)最終形成一條參數(shù)傳遞鏈，而所有參數(shù)傳遞鏈將組成一個(gè)復(fù)雜的參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品變型參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)將直接影響復(fù)雜產(chǎn)品的變型能力及其變型設(shè)計(jì)效率，所以變型關(guān)系分析的另一項(xiàng)極其重要的工作就是優(yōu)化變型產(chǎn)品的參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)。

　　2 產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)

　　利用3維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行產(chǎn)品建模會(huì)形成一個(gè)樹(shù)形裝配結(jié)構(gòu)，稱為產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)(如圖1)。它根據(jù)零部件在建模過(guò)程中的裝配關(guān)系來(lái)確定，與按照零部件功能來(lái)劃分的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)很相似，但并不完全相同。區(qū)別在于按功能劃分出來(lái)的部件在使用3維軟件進(jìn)行建模和裝配時(shí)，因?yàn)槿鄙俣ㄎ换鶞?zhǔn)而不能組成獨(dú)立的子裝配件，如劍桿織機(jī)按照功能劃分的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中包含機(jī)架部件和傳動(dòng)部件，但是在實(shí)際裝配時(shí)傳動(dòng)部件往往與機(jī)架部件密不可分，在計(jì)算機(jī)建模過(guò)程中它不可能脫離機(jī)架部件而單獨(dú)形成一個(gè)子裝配件。所以產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)中的裝配件與傳統(tǒng)物料清單(Bill of Material，BOM)結(jié)構(gòu)中的部件不完全一樣，裝配件是指能夠在3維軟件中獨(dú)立裝配的那部分零件集合。本文用零件、裝配件、零裝配件表示在產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)中的對(duì)象，以區(qū)別于傳統(tǒng)BOM中的零件、部件、零部件的概念。

　　圖1 產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)

　　建立一個(gè)層次簡(jiǎn)單而又合理的產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)，是建立一個(gè)有效的變型產(chǎn)品參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)的前提。在利用3維設(shè)計(jì)軟件提供的二次開(kāi)發(fā)接口開(kāi)發(fā)產(chǎn)品零裝配件越在建模結(jié)構(gòu)的底層，變型運(yùn)算的工作量就越大，內(nèi)存消耗和時(shí)間消耗也就越多，對(duì)于有幾百上千個(gè)零件組成的復(fù)雜產(chǎn)品，還有可能造成“死機(jī)”;而且建模結(jié)構(gòu)層次過(guò)多，又往往會(huì)造成不同層次之間的變型零裝配件難以協(xié)調(diào)，程序開(kāi)發(fā)難以對(duì)需要配置的零裝配件進(jìn)行定位等問(wèn)題。因此，在產(chǎn)品建模過(guò)程中，應(yīng)該把需要變型的零部件盡量放在產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)的頂層，把無(wú)需變型的零部件盡量放在建模結(jié)構(gòu)底層，并盡量模塊化，組成固定子裝配件;在不影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)合理性的情況下，把含有相對(duì)獨(dú)立的變型零部件的部件盡量打散，并將變型部分盡可能放到產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)的上層。

　　3 變型參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)

　　在合理的產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，需要根據(jù)變型參數(shù)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系建立一個(gè)既有規(guī)律又有效率的變型參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)，以解決產(chǎn)品中變型零裝配件之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題，為產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)的程序開(kāi)發(fā)提供一個(gè)可靠、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)傳遞通道，這是產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)最為關(guān)鍵的部分。一般的參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)沒(méi)有規(guī)范，是設(shè)計(jì)者根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)要求而進(jìn)行的各種直接關(guān)聯(lián)，最終形成的一般都是縱橫交錯(cuò)的復(fù)雜的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，它與產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)之間沒(méi)有任何相似性。這種結(jié)構(gòu)不利于參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)的更新和維護(hù)，更不利于參數(shù)結(jié)構(gòu)的模塊化。

　　圖2表示了參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)中上下層之間參數(shù)傳遞的工作原理。零裝配件的模型文件被分成參數(shù)輸入層、數(shù)據(jù)處理層、模型驅(qū)動(dòng)層和參數(shù)輸出層4個(gè)基本層次。每個(gè)零件或裝配件根據(jù)其復(fù)雜性及變型需要，可以只包含其中的某幾個(gè)層次。在該結(jié)構(gòu)中，參數(shù)輸入層接收從上級(jí)裝配件傳遞下來(lái)的參數(shù)，包括裝配件自身的變型參數(shù)及其所有子裝配件和零件的變型參數(shù);經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，一部分參數(shù)驅(qū)動(dòng)零件或裝配件模型自身的變化，其他參數(shù)被分離出來(lái)，形成將被傳遞給各下屬子裝配件和零件的變型參數(shù)。

　　圖2 參數(shù)傳遞節(jié)點(diǎn)

　　零裝配件在上述參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)中，其整個(gè)變型過(guò)程都是一個(gè)獨(dú)立的整體。它實(shí)現(xiàn)了參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)的模塊化，只通過(guò)輸入輸出參數(shù)和其他零裝配件進(jìn)行聯(lián)系，就如同程序設(shè)計(jì)過(guò)程中的函數(shù)一樣。在產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)過(guò)程中，這種函數(shù)化的參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)是變型產(chǎn)品在建模過(guò)程中實(shí)現(xiàn)模塊化建模的基礎(chǔ)。只要零裝配件的輸入輸出參數(shù)一致，產(chǎn)品變型時(shí)就可以方便地進(jìn)行零裝配件間的選配變型。

　　對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品，在上述參數(shù)傳遞節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，以產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)為依據(jù)，提出了一個(gè)簡(jiǎn)單有效的變型參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。在該結(jié)構(gòu)模型中，規(guī)定參數(shù)只允許在產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)中縱向傳遞，任何橫向傳遞和跳躍式傳遞都是不允許的，更不允許參數(shù)在無(wú)結(jié)構(gòu)隸屬關(guān)系的零裝配件之間直接傳遞。按照此模型建立的參數(shù)傳遞關(guān)系，最終形成一個(gè)與產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)相似的參數(shù)傳遞樹(shù)，而不是一個(gè)縱橫交錯(cuò)的參數(shù)傳遞網(wǎng)。從形狀上看，變型產(chǎn)品的每棵參數(shù)傳遞樹(shù)都是產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)樹(shù)的一個(gè)子結(jié)構(gòu)樹(shù)。

　　圖3 參數(shù)傳遞樹(shù)

　　需要橫向關(guān)聯(lián)的參數(shù)應(yīng)該通過(guò)上級(jí)裝配件參數(shù)，甚至產(chǎn)品級(jí)參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖4顯示了一般參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)和樹(shù)形傳遞結(jié)構(gòu)的差異，以及如何將橫向參數(shù)傳遞轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向樹(shù)形參數(shù)傳遞。從圖4可知，沒(méi)有規(guī)則約束的參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)可能會(huì)縮短某些參數(shù)的傳遞鏈長(zhǎng)度，如產(chǎn)品級(jí)的“軸1直徑”直接與零件級(jí)的“軸1”關(guān)聯(lián)，這對(duì)于簡(jiǎn)單產(chǎn)品確實(shí)不錯(cuò)。但是對(duì)于復(fù)雜產(chǎn)品，大量的零裝配件需要變型且變型關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，其產(chǎn)品模型的建立往往需要反復(fù)地修改，參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)也需要不斷地調(diào)整。這種沒(méi)有約束、沒(méi)有規(guī)律的直接參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)將會(huì)成為設(shè)計(jì)人員的沉重負(fù)擔(dān)，當(dāng)產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)需要調(diào)整或參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，設(shè)計(jì)人員將很難對(duì)這種錯(cuò)綜復(fù)雜的參數(shù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。

　　圖4 參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)比較

　　4 產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)方法及其實(shí)現(xiàn)

　　基于產(chǎn)品的建模結(jié)構(gòu)及其參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)，用戶輸入客戶定制參數(shù)就可迅速派生出新產(chǎn)品實(shí)例。圖5說(shuō)明了產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

　　從圖5中可以看出，客戶定制的尺寸參數(shù)首先傳遞給產(chǎn)品級(jí)變型參數(shù)，然后按照參數(shù)傳遞樹(shù)傳遞給各個(gè)零裝配件的變型參數(shù);對(duì)于配置參數(shù)的處理，本文不再詳細(xì)敘述。針對(duì)每類產(chǎn)品，其整個(gè)變型設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)分為產(chǎn)品建模實(shí)現(xiàn)和變型實(shí)現(xiàn)兩個(gè)階段。

　　圖5 產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)過(guò)程

　　4.1 變型產(chǎn)品建模實(shí)現(xiàn)

　　變型產(chǎn)品建模不僅包括3維模型的建立，而且的變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，產(chǎn)品的建模結(jié)構(gòu)層次越多，變型包括參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)的建立。這一過(guò)程按照以下步驟進(jìn)行。

　　首先，利用3維設(shè)計(jì)軟件(如Solid Edge)建立零件的3維模型，同時(shí)根據(jù)零部件的變型分析結(jié)果，定義好零件的變型參數(shù);然后，在零件模型的基礎(chǔ)上建立部件的3維模型(裝配件)，同時(shí)建立裝配件內(nèi)的參數(shù)傳遞子樹(shù)，并定義好裝配件變型參數(shù);最后，基于所有裝配件建立整個(gè)產(chǎn)品的3維模型和參數(shù)傳遞樹(shù)。

　　從建模步驟中可以看出，參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)的建立是以產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。在Solid Edge中，產(chǎn)品建模的關(guān)鍵技術(shù)和參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)形式主要有以下幾種：

　　(1)直接賦值 在Solid Edge中，通過(guò)直接賦值的形式，把一個(gè)參數(shù)名或含有參數(shù)名的計(jì)算公式賦值給另一個(gè)變量，實(shí)現(xiàn)單個(gè)Solid Edge文件內(nèi)部參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)。

　　(2)復(fù)制變量 通過(guò)Solid Edge制作的模型文件，通過(guò)變量復(fù)制和變量粘貼的方式實(shí)現(xiàn)不同文件之間的參數(shù)關(guān)聯(lián)。這種參數(shù)關(guān)聯(lián)方式把一個(gè)標(biāo)志參數(shù)的特殊字符串賦值給另一文件中的參數(shù)。這個(gè)字符串由文件的絕對(duì)路徑加上文件內(nèi)參數(shù)的惟一標(biāo)志符組成，通過(guò)解讀這個(gè)字符串來(lái)確定被關(guān)聯(lián)參數(shù)的取值。這種文件之間的參數(shù)關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品零裝配件之間輸出參數(shù)和輸入?yún)?shù)的傳遞。

　　(3)腳本程序語(yǔ)言賦值 Solid Edge軟件可以解析VBScript語(yǔ)言，將復(fù)雜的計(jì)算公式以及條件選擇關(guān)系用VBScript語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。這使參數(shù)關(guān)聯(lián)有了更大的靈活性，同時(shí)也可以用VBScript建立變型規(guī)則庫(kù)。不同的腳本文件代表了不同的變型規(guī)則，通過(guò)選擇不同的腳本文件來(lái)實(shí)現(xiàn)變型規(guī)則的選擇。由于篇幅有限，本文對(duì)變型規(guī)則庫(kù)的建立和維護(hù)不再贅敘。

　　(4)零裝配件的陣列 在建模過(guò)程中，相同的特征可以很簡(jiǎn)單地通過(guò)陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。零裝配件陣列需要借助零件的局部特征，在裝配件中以陣列的零件特征作為定位基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)零裝配件的陣列。零裝配件的陣列結(jié)合VBScript語(yǔ)言控制，就可以實(shí)現(xiàn)相同零裝配件的數(shù)目配置。

　　4.2 變型實(shí)現(xiàn)

　　采用VB語(yǔ)言對(duì)Solid Edge進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品變型。首先加載Solid Edge的類型庫(kù)，通過(guò)對(duì)象鏈接與嵌入(Object Linking and Embedding，OLE)實(shí)現(xiàn)對(duì)模型文件的訪問(wèn);然后用VB的CreatObject()或GetObject()函數(shù)來(lái)獲取Solid Edge的程序?qū)ο髈bjSEApp，用objSEApp.Documents.Open()打開(kāi)產(chǎn)品模型，或通過(guò)objSEApp.ActiveDocument取得模型文件對(duì)象。通過(guò)Set Variables—obiSEApp.ActiveDocument.Variables提取模型文件的自定義變型參數(shù)對(duì)象，并進(jìn)一步訪問(wèn)模型文件中變型參數(shù)的參數(shù)名、值和計(jì)算公式。只要建立合適的建模結(jié)構(gòu)和參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)，通過(guò)賦值操作可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的尺寸變型和相同零裝配件數(shù)目配置。

　　零裝配件的選配只能通過(guò)替換來(lái)實(shí)現(xiàn)。在VB中，首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)替換零裝配件的定位，通過(guò)Document.Occurrences.Count取得產(chǎn)品中的零裝配件總數(shù)，然后用Occurrences.Item(i).OccurrenceDocument.Name取得所有零裝配件的文件名。對(duì)于子裝配件，需要采用遞歸調(diào)用，通過(guò)判別文件名取得需替換零裝配件的文件對(duì)象，用Occurrences.Item(i).Replace實(shí)現(xiàn)零裝配件的選配。

　　為使選配的零裝配件能正確地裝配到產(chǎn)品中，選配的零裝配件和原有的零裝配件必須有相同或相似的裝配特征和相同的輸入輸出參數(shù)。而且在建模時(shí)，其裝配特征必須方向相同即選配的零裝配件和原有的零裝配件在絕對(duì)坐標(biāo)重合的條件下，其裝配特征可以通過(guò)平移使之重合，而無(wú)需做鏡像、旋轉(zhuǎn)等其他操作。

　　5 應(yīng)用實(shí)例

　　劍桿織機(jī)是紡織工業(yè)中普遍使用的先進(jìn)紡機(jī)產(chǎn)品，根據(jù)用戶的不同的紡織面料生產(chǎn)需要，經(jīng)常需要改變織機(jī)的一些配置，以及進(jìn)行筘幅調(diào)整等。通過(guò)變型分析，確定劍桿織機(jī)的主要尺寸變型參數(shù)為機(jī)架長(zhǎng)度、傳速齒輪齒數(shù)、連桿裝配位置、緯密棘輪齒數(shù)、墻板厚度和上橫梁間距等;確定的主要配置參數(shù)為電動(dòng)機(jī)、電控箱、停經(jīng)裝置等零部件的型號(hào)。當(dāng)機(jī)架長(zhǎng)度不同時(shí)，軌道片和機(jī)架撐腳等零部件需要按照設(shè)計(jì)人員定義的配置規(guī)則自動(dòng)配置不同的數(shù)目。

　　劍桿織機(jī)產(chǎn)品的參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)如圖6所示。每一個(gè)產(chǎn)品級(jí)變型參數(shù)都會(huì)形成一棵參數(shù)傳遞樹(shù)，而一個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品往往包含多個(gè)產(chǎn)品級(jí)變型參數(shù)，因此其參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)往往是幾棵參數(shù)傳遞樹(shù)交錯(cuò)重疊在一起的。

　　圖6 劍桿織機(jī)產(chǎn)品參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)(部分)

　　圖7給出了劍桿織機(jī)的變型實(shí)例，設(shè)計(jì)人員從變型規(guī)則庫(kù)中選擇變型規(guī)則后，通過(guò)選擇或輸入各個(gè)變型參數(shù)，就可以產(chǎn)生新的劍桿織機(jī)實(shí)例。通過(guò)生成的BOM可以瀏覽變型產(chǎn)品的配置情況。

　　圖7 劍桿織機(jī)變型實(shí)例

　　6 結(jié)束語(yǔ)

　　本文以Solid Edge為設(shè)計(jì)環(huán)境，研究了復(fù)雜產(chǎn)品3維變型設(shè)計(jì)的原理和方法，給出了復(fù)雜產(chǎn)品的變型實(shí)現(xiàn)方法。通過(guò)對(duì)參數(shù)化計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，CAD)系統(tǒng)Solid Edge的二次開(kāi)發(fā)，并結(jié)合OLE技術(shù)，在產(chǎn)品建模結(jié)構(gòu)和參數(shù)傳遞關(guān)系樹(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)。目前，筆者正對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品變型實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，并結(jié)合產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Data Management，PDM)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于產(chǎn)品主模型的變型產(chǎn)品集成數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。