1 產品變型參數及其變型關系分析

　　產品變型過程的實質是變型參數在整個產品模型中的傳遞，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、裝配關系變型、相同零部件配置數目變化和零部件的選配等。

　　產品的變型設計首先要解決的是產品變型參數的選擇。產品變型參數分析是通過對產品或整個產品系列的調研，確定整個產品模型的變型參數，稱為產品級變型參數。而零部件的變型參數分析是根據產品的變型要求來確定零部件所需的變型參數，相應零部件的變型參數就稱為零件(部件)級變型參數。

　　變型關系分析所做的工作之一就是根據產品的變型特點，分析所有零部件的變型參數和產品級變型參數之間的關聯關系。相互關聯的參數最終形成一條參數傳遞鏈，而所有參數傳遞鏈將組成一個復雜的參數傳遞結構。產品變型參數傳遞結構將直接影響復雜產品的變型能力及其變型設計效率，所以變型關系分析的另一項極其重要的工作就是優化變型產品的參數傳遞結構。

　　2 產品建模結構

　　利用3維設計軟件進行產品建模會形成一個樹形裝配結構，稱為產品建模結構(如圖1)。它根據零部件在建模過程中的裝配關系來確定，與按照零部件功能來劃分的產品結構很相似，但并不完全相同。區別在于按功能劃分出來的部件在使用3維軟件進行建模和裝配時，因為缺少定位基準而不能組成獨立的子裝配件，如劍桿織機按照功能劃分的產品結構中包含機架部件和傳動部件，但是在實際裝配時傳動部件往往與機架部件密不可分，在計算機建模過程中它不可能脫離機架部件而單獨形成一個子裝配件。所以產品建模結構中的裝配件與傳統物料清單(Bill of Material，BOM)結構中的部件不完全一樣，裝配件是指能夠在3維軟件中獨立裝配的那部分零件集合。本文用零件、裝配件、零裝配件表示在產品建模結構中的對象，以區別于傳統BOM中的零件、部件、零部件的概念。

　　圖1 產品建模結構

　　建立一個層次簡單而又合理的產品建模結構，是建立一個有效的變型產品參數傳遞結構的前提。在利用3維設計軟件提供的二次開發接口開發產品零裝配件越在建模結構的底層，變型運算的工作量就越大，內存消耗和時間消耗也就越多，對于有幾百上千個零件組成的復雜產品，還有可能造成“死機”;而且建模結構層次過多，又往往會造成不同層次之間的變型零裝配件難以協調，程序開發難以對需要配置的零裝配件進行定位等問題。因此，在產品建模過程中，應該把需要變型的零部件盡量放在產品建模結構的頂層，把無需變型的零部件盡量放在建模結構底層，并盡量模塊化，組成固定子裝配件;在不影響產品結構合理性的情況下，把含有相對獨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品建模結構的上層。

　　3 變型參數傳遞結構

　　在合理的產品建模結構基礎上，需要根據變型參數及其關聯關系建立一個既有規律又有效率的變型參數傳遞結構，以解決產品中變型零裝配件之間的協調問題，為產品變型設計的程序開發提供一個可靠、準確的數據傳遞通道，這是產品變型設計系統最為關鍵的部分。一般的參數傳遞結構沒有規范，是設計者根據產品結構要求而進行的各種直接關聯，最終形成的一般都是縱橫交錯的復雜的網狀結構，它與產品建模結構之間沒有任何相似性。這種結構不利于參數傳遞結構的更新和維護，更不利于參數結構的模塊化。

　　圖2表示了參數傳遞結構中上下層之間參數傳遞的工作原理。零裝配件的模型文件被分成參數輸入層、數據處理層、模型驅動層和參數輸出層4個基本層次。每個零件或裝配件根據其復雜性及變型需要，可以只包含其中的某幾個層次。在該結構中，參數輸入層接收從上級裝配件傳遞下來的參數，包括裝配件自身的變型參數及其所有子裝配件和零件的變型參數;經過數據處理，一部分參數驅動零件或裝配件模型自身的變化，其他參數被分離出來，形成將被傳遞給各下屬子裝配件和零件的變型參數。

　　圖2 參數傳遞節點

　　零裝配件在上述參數傳遞結構中，其整個變型過程都是一個獨立的整體。它實現了參數傳遞結構的模塊化，只通過輸入輸出參數和其他零裝配件進行聯系，就如同程序設計過程中的函數一樣。在產品變型設計過程中，這種函數化的參數傳遞結構是變型產品在建模過程中實現模塊化建模的基礎。只要零裝配件的輸入輸出參數一致，產品變型時就可以方便地進行零裝配件間的選配變型。

　　對于復雜產品，在上述參數傳遞節點的基礎上，以產品建模結構為依據，提出了一個簡單有效的變型參數傳遞結構模型，如圖3所示。在該結構模型中，規定參數只允許在產品建模結構中縱向傳遞，任何橫向傳遞和跳躍式傳遞都是不允許的，更不允許參數在無結構隸屬關系的零裝配件之間直接傳遞。按照此模型建立的參數傳遞關系，最終形成一個與產品建模結構相似的參數傳遞樹，而不是一個縱橫交錯的參數傳遞網。從形狀上看，變型產品的每棵參數傳遞樹都是產品建模結構樹的一個子結構樹。

　　圖3 參數傳遞樹

　　需要橫向關聯的參數應該通過上級裝配件參數，甚至產品級參數來實現。圖4顯示了一般參數傳遞結構和樹形傳遞結構的差異，以及如何將橫向參數傳遞轉變為縱向樹形參數傳遞。從圖4可知，沒有規則約束的參數傳遞結構可能會縮短某些參數的傳遞鏈長度，如產品級的“軸1直徑”直接與零件級的“軸1”關聯，這對于簡單產品確實不錯。但是對于復雜產品，大量的零裝配件需要變型且變型關系錯綜復雜，其產品模型的建立往往需要反復地修改，參數傳遞結構也需要不斷地調整。這種沒有約束、沒有規律的直接參數傳遞結構將會成為設計人員的沉重負擔，當產品建模結構需要調整或參數傳遞結構發生錯誤時，設計人員將很難對這種錯綜復雜的參數結構進行調整。

　　圖4 參數傳遞結構比較

　　4 產品變型設計方法及其實現

　　基于產品的建模結構及其參數傳遞結構，用戶輸入客戶定制參數就可迅速派生出新產品實例。圖5說明了產品的變型設計實現過程。

　　從圖5中可以看出，客戶定制的尺寸參數首先傳遞給產品級變型參數，然后按照參數傳遞樹傳遞給各個零裝配件的變型參數;對于配置參數的處理，本文不再詳細敘述。針對每類產品，其整個變型設計實現分為產品建模實現和變型實現兩個階段。

　　圖5 產品變型設計過程

　　4.1 變型產品建模實現

　　變型產品建模不僅包括3維模型的建立，而且的變型設計系統時，產品的建模結構層次越多，變型包括參數傳遞結構的建立。這一過程按照以下步驟進行。

　　首先，利用3維設計軟件(如Solid Edge)建立零件的3維模型，同時根據零部件的變型分析結果，定義好零件的變型參數;然后，在零件模型的基礎上建立部件的3維模型(裝配件)，同時建立裝配件內的參數傳遞子樹，并定義好裝配件變型參數;最后，基于所有裝配件建立整個產品的3維模型和參數傳遞樹。

　　從建模步驟中可以看出，參數傳遞結構的建立是以產品建模結構為基礎的。在Solid Edge中，產品建模的關鍵技術和參數之間的關聯形式主要有以下幾種：

　　(1)直接賦值 在Solid Edge中，通過直接賦值的形式，把一個參數名或含有參數名的計算公式賦值給另一個變量，實現單個Solid Edge文件內部參數之間的關聯。

　　(2)復制變量 通過Solid Edge制作的模型文件，通過變量復制和變量粘貼的方式實現不同文件之間的參數關聯。這種參數關聯方式把一個標志參數的特殊字符串賦值給另一文件中的參數。這個字符串由文件的絕對路徑加上文件內參數的惟一標志符組成，通過解讀這個字符串來確定被關聯參數的取值。這種文件之間的參數關聯實現了產品零裝配件之間輸出參數和輸入參數的傳遞。

　　(3)腳本程序語言賦值 Solid Edge軟件可以解析VBScript語言，將復雜的計算公式以及條件選擇關系用VBScript語言來實現。這使參數關聯有了更大的靈活性，同時也可以用VBScript建立變型規則庫。不同的腳本文件代表了不同的變型規則，通過選擇不同的腳本文件來實現變型規則的選擇。由于篇幅有限，本文對變型規則庫的建立和維護不再贅敘。

　　(4)零裝配件的陣列 在建模過程中，相同的特征可以很簡單地通過陣列來實現。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，實現零裝配件的陣列。零裝配件的陣列結合VBScript語言控制，就可以實現相同零裝配件的數目配置。

　　4.2 變型實現

　　采用VB語言對Solid Edge進行二次開發來實現產品變型。首先加載Solid Edge的類型庫，通過對象鏈接與嵌入(Object Linking and Embedding，OLE)實現對模型文件的訪問;然后用VB的CreatObject()或GetObject()函數來獲取Solid Edge的程序對象objSEApp，用objSEApp.Documents.Open()打開產品模型，或通過objSEApp.ActiveDocument取得模型文件對象。通過Set Variables—obiSEApp.ActiveDocument.Variables提取模型文件的自定義變型參數對象，并進一步訪問模型文件中變型參數的參數名、值和計算公式。只要建立合適的建模結構和參數傳遞結構，通過賦值操作可以實現對產品的尺寸變型和相同零裝配件數目配置。

　　零裝配件的選配只能通過替換來實現。在VB中，首先要實現對替換零裝配件的定位，通過Document.Occurrences.Count取得產品中的零裝配件總數，然后用Occurrences.Item(i).OccurrenceDocument.Name取得所有零裝配件的文件名。對于子裝配件，需要采用遞歸調用，通過判別文件名取得需替換零裝配件的文件對象，用Occurrences.Item(i).Replace實現零裝配件的選配。

　　為使選配的零裝配件能正確地裝配到產品中，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。而且在建模時，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坐標重合的條件下，其裝配特征可以通過平移使之重合，而無需做鏡像、旋轉等其他操作。

　　5 應用實例

　　劍桿織機是紡織工業中普遍使用的先進紡機產品，根據用戶的不同的紡織面料生產需要，經常需要改變織機的一些配置，以及進行筘幅調整等。通過變型分析，確定劍桿織機的主要尺寸變型參數為機架長度、傳速齒輪齒數、連桿裝配位置、緯密棘輪齒數、墻板厚度和上橫梁間距等;確定的主要配置參數為電動機、電控箱、停經裝置等零部件的型號。當機架長度不同時，軌道片和機架撐腳等零部件需要按照設計人員定義的配置規則自動配置不同的數目。

　　劍桿織機產品的參數傳遞結構如圖6所示。每一個產品級變型參數都會形成一棵參數傳遞樹，而一個復雜產品往往包含多個產品級變型參數，因此其參數傳遞結構往往是幾棵參數傳遞樹交錯重疊在一起的。

　　圖6 劍桿織機產品參數傳遞結構(部分)

　　圖7給出了劍桿織機的變型實例，設計人員從變型規則庫中選擇變型規則后，通過選擇或輸入各個變型參數，就可以產生新的劍桿織機實例。通過生成的BOM可以瀏覽變型產品的配置情況。

　　圖7 劍桿織機變型實例

　　6 結束語

　　本文以Solid Edge為設計環境，研究了復雜產品3維變型設計的原理和方法，給出了復雜產品的變型實現方法。通過對參數化計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)系統Solid Edge的二次開發，并結合OLE技術，在產品建模結構和參數傳遞關系樹的基礎上，實現了對復雜產品的變型設計。目前，筆者正對復雜產品變型實現方法進行進一步優化，并結合產品數據管理(Product Data Management，PDM)系統實現基于產品主模型的變型產品集成數據管理系統。