基于Solid-Works的木材封边机快速建模系统

　　引言

　　产品快速建模是企业实施快速响应策略的重要内容， 它是在产品的结构设计阶段， 充分利用企业已有的设计资源， 基于企业 CAD 平台和相关设计知识， 快速定制产品的设计方案。 快速建模的实现通常要求设计人员以企业的 CAD 系统为基础并结合二次开发技术， 建立适用于系列化产品的快速建模系统。 本文以东莞某木工机械企业的 MFB60 系列封边机为设计对象， 通过分析其结构特点， 提出了产品快速建模系统的开发方案，研究了系统实现的关键技术， 最终开发了基于 Solid-Works 的封边机快速建模系统。

　　1 系统开发方案

　　1.1 设计对象的结构特点
　　MFB60 系列包含了 13 种 型号的封边机实例 ， 这些不同型号的封边机是由不同的功能模块配置而成的组合式机构， 其结构的配置通常由客户需求的加工功能所决定。 可将封边机的结构划分为三大模块， 分别是基本、高级以及辅助模块。 基本模块包括送带、 贴紧、 齐头机构； 高级模块包括预铣、 粗修、 精修、 刮边、 抛光机构； 辅助模块包括： 机架、 压料梁、 输送带电机、 压料梁罩盖组件、 长导轨支撑块、 左右立柱等。 基本模块和高级模块通过螺栓联接于机架板的相应孔位。

　　由于各个功能模块在 MFB60 系列不同型号产品之间具有通用性， 这些不同型号之间的区别仅仅在于功能机构的配置组合不同， 或者是它们在机架板上的安装位置以及安装孔的尺寸参数不同。 也就是说， 其余 12 种型号的产品实例可以看成是拥有全部功能的 MFB60CY的一部分。 因此， 可以通过这些功能机构不同的配置，以及它们在机架板的安装孔位进行参数化设计， 快速生成具有不同功能机构组合的封边机整机模型。

　　1.2 系统功能需求
　　系统的功能需求包含： ①可针对所需功能模块在机架板上的孔位参数进行参数化设计， 其余非参数化零部件能基于约束规则自动与之匹配， 最后快速生成完整的封边机整机模型； ②系统最终的集成模式以独立执行程序的（*.exe）形式呈现， 用户可以方便地调用相关功能。
　　
　　1.3 开发工具与系统体系架构
　　根据功能需求， 系统采用 VS2010 作为集成开发环境， 通过 VB.NET 对 SolidWorks 进行二次开发。 系统的体系架构包含： 用户层、 应用层与数据层。 其体系架构见图 1 所示。【图1】

　　
　　户层包含两部分：一是系统的功能界面， 即人机交互； 二是 Solid-Works 应 用环境 ，它负责显示系统的运行结果。

　　（2） 应用层。应用层是将设计需求转化为设计结果的过程， 包括参数化建模、 尺寸推理以及参数管理。 参数化建模是通过所编写的程序调用 SolidWorks 的 API， 控制数据层中的参数化模板， 对模板的参数化尺寸进行赋值并更新模板文件， 快速生成所需的产品模型。 尺寸推理主要是在程序运行时， 根据人机交互推理出关联尺寸， 这些关联尺寸主要是机架组件、 机架底座以及辅助机构中受机架板尺寸所约束的尺寸。 参数管理决定了整个系统的初始数据或默认缺省的数据， 并管理数据的读取操作。

　　（3）数据层。 数据层是负责管理本系统所需的所有数据， 包括模板库和产品尺寸设计规则。 模板库存放的是MFB60CY 的 整机模型 ， 重点是参数化模型 。 尺寸设计规则库主要包含封边机的设计知识。

　　2 系统实现的关键技术

　　2.1 开发流程
　　系统的具体开发流程如下： ①创建具有完整功能机构的模板模型即 MFB60CY 的三维模型； ②由于参数化设计的核心在于尺寸约束与尺寸驱动技术。 因此， 需要分析 MFB60CY 中哪些零件可以参数化， 对于非参数化的零部件需要明确它们的约束规则。 对于可参数化的零件， 需要建立特征参数表， 明确零件中的驱动尺寸和从动尺寸， 以及尺寸所受的约束； ③对模型文件的所有尺寸进行重命名， 方便后续编程时对尺寸的赋值与计算；④设计程序界面， 明确程序运行的流程； ⑤创建 XML文档， 将所有重命名后的尺寸按产品结构树的形式存储在 XML 的各级节点中， 编写读取和写入 XML 节点数据的函数； ⑥编写实现 SolidWorks 参数化建模的函数以及保存 SolidWorks 文件至指定路径的函数。 第七步： 系统调试完毕后， 交给企业用户进行测试， 直到满足预定功能并且不产生干涉。
　　
　　2.2 系统的具体开发
　　（1）确定特征参数。 确定特征参数是用来明确可参数化零件的驱动尺寸、 从动尺寸以及尺寸所受的约束。 其前提是先明确需要参数化的零部件。
　　
　　由于 MFB60 系列中， 基本模块和高级模块属于通用件， 除电气部分外， MFB60 系列的零部件可分类为外购件、 外协件、 以及自制件， 系统只需对自制件进行是否需要参数化的分析。 分析 MFB60CY 的结构， 自制件中需要参数化的零件为机架板、 机架组件以及机架底座。

　　以机架板为例， 说明机架板特征参数的建立。 机架板的所有尺寸可分类为： ①各功能机构在机架板的安装孔的位置和大小尺寸； ②机架板的总长、 总宽以及厚度。 机架板所受的尺寸约束包括： ①机架板的总长、 总宽、 厚度的尺寸范围； ②各机构在机架板的安装孔的大小应一致； ③机架板的尺寸决定了机架组件、 机架底座以及辅助机构的尺寸， 对机架板参数化后， 需要及时更新与之关联的尺寸.

    （2）建立约束规则。 约束规则是指封边机的尺寸推理 、尺寸之间的关联关系以及模块和零部件之间的装配关系。 以机架底座为例， 可在 SolidWorks 菜单栏下 “工具|方程式” 中设定约束规则， 如图 2 所示。 其余机构的约束规则均照此法完成。

    （3）功能函数与应用界面开发。 需要开发的功能函数包括： 参数化建模以及 XML 节点数据的读取与写入。【图2.略】

　　参数化建模函数由程序调用相关的 SolidWorks API 函数来修改模板的尺寸， 并重建和更新模型。 建模的代码步骤为打开模型文件、 更新尺寸、 重建模型、 保存文件。

　　部分代码如表 1 所示。 应用界面采用 MDI 多文档界面方式， 主窗体为 MFB60 系列参数化主界面、 其菜单栏为用户所选择的功能机构， 系统的参数化流程按照菜单栏的顺序进行参数输入， 单击每一个菜单栏选项， 可对该机构在机架板的安装孔位进行参数化设计并及时单击“保存” 按钮， 将设计后的参数更新至 XML 相应的节点。【表1】

　　（4）建立 XML 数据文档。 本系统运用的数据管理工具为 XML。 首 先， 在 VS2010 中 创建 XML 文 件 ， 然后将 MFB60CY 所有的尺寸以 “参数名=参数值” 的形式记录， 作为整个系统的尺寸参数存取模板。 图 3 为系统中刮边机构在 XML 文档中的表示， 其中 d1 表示刮边机构孔系的基准孔在机架板的直径， d2 表示 2 号孔直径，fx12， fy12 分别表示刮边机构 2 号孔相对于基准孔 （1号孔）的 x 和 y 方向的增量。 通过这种方式，就建立了刮边机构孔系的大小和位置参数的数字模型， 其余机构据此法类推即可。
　　
　　3 系统运行实例
　　
　　系统执行流程如图 4 所示， 图 5 为程序界面和运行结果。 系统运行时， 首先选择所需的功能机构， 并确定好每一个机构在机架的安装孔系的大小和位置参数， 某机构是否存在于最终的模型中根据该机构是否需要而调整， 即某机构若需要， 则在模板模型中保留该机构， 反之则将该机构所包含的特征、 草图全部删除。 在该机构被删除后， 后续的机构必须向前移动被删除机构所占用的横向长度。 由于系统使用的模板文件是包含所有机构的 MFB60CY， 因此系统程序代码自动按 “预铣—溶胶—送带—贴紧—齐头—粗修—精修—刮边—抛光” 的顺序去判断某机构是否需要而自动更新该机构的状态。【图4.图5略】

　　因此， 系统的参数化建模流程为： 基于所需的功能机构， 先完成机架板的参数化； 然后完成与机架板相关联的机架组件和机架底座的参数化； 最后根据所选中机构配置组合去更新参数化模板（MFB60CY）， 进而完成整机的参数化建模。

　　假设客户的需求是送带、 贴紧轮、 齐头以及精修机构。 系统运行流程为： ①打开 SolidWorks， 进入系统初始界面； ②根据客户要求选择需要的功能机构； ③进入详细参数化界面对选中的机构进行参数化设计， 依次输入所需机构在机架板的孔位参数及占用长度； ④进入机架及总装界面： 依次对机架部分通用件和非标件进行参数化设计； ⑤设置模型存放路径并单击建模按钮即可生成所需模型。

　　4 结论

　　（1）经实例测试与企业的试运行，木材封边机快速建模系统能切实有效地实现封边机整机的参数化建模， 能快速生成不同功能机构配置组合的 MFB60 系列封边机，所建的模型并未出现干涉现象。

　　（2）本系统所基于的知识和规则仅仅是某一系列的产品， 可通过建立产品知识库， 结合企业更丰富的设计知识和资源， 进而实现产品的智能设计。

　　参考文献：

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