面向產(chǎn)品造型的人機(jī)交互系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

趙 靜

(西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123)

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面向產(chǎn)品造型的人機(jī)交互系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

趙 靜

(西京學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710123)

考慮到用戶的設(shè)計(jì)體驗(yàn)和定制化需求，將人機(jī)交互技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。以漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪為研究實(shí)例，利用CREO工具的特征建模、參數(shù)化功能及二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，在Visual Studio編譯環(huán)境下開(kāi)發(fā)了齒輪產(chǎn)品的參數(shù)化交互設(shè)計(jì)界面，不僅方便、快捷地實(shí)現(xiàn)了齒輪幾何模型的編輯、修改與重建，而且有效改進(jìn)了齒輪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率及可塑性。通過(guò)探索齒輪產(chǎn)品人機(jī)交互運(yùn)行模式的實(shí)現(xiàn)流程，驗(yàn)證了基于CREO平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，為工業(yè)產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)提供了重要的技術(shù)參考與支持。

交互界面；產(chǎn)品設(shè)計(jì)；編譯；二次開(kāi)發(fā)；關(guān)鍵技術(shù)；造型

在工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，良好的人機(jī)交互系統(tǒng)會(huì)大大提高用戶的滿意度和舒適度。界面友好、實(shí)用性強(qiáng)的交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量至關(guān)重要[1]，通過(guò)人機(jī)交互技術(shù)，用戶可以方便、快捷地實(shí)現(xiàn)自己的設(shè)計(jì)或使用意圖，從而有效提升用戶體驗(yàn)、增強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的可塑性。

齒輪是食品機(jī)械中最常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳動(dòng)件，大多數(shù)食品制造機(jī)械和輸送裝置都涉及到齒輪傳動(dòng)，如錐形攪拌器、食品加工自動(dòng)化流水線等[2-3]。齒輪產(chǎn)品種類(lèi)和型號(hào)多樣，除了標(biāo)準(zhǔn)齒輪外，在很多食品機(jī)械裝備中往往還需要一些非標(biāo)齒輪傳動(dòng)，這對(duì)齒輪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可塑性與定制化生產(chǎn)提出了更高要求。本研究擬以三維CAD設(shè)計(jì)工具CREO為平臺(tái)，通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)與二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，開(kāi)發(fā)以結(jié)構(gòu)功能為主的齒輪產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)，旨在為食品機(jī)械裝備中的齒輪選型和定制化設(shè)計(jì)，以及一般工業(yè)產(chǎn)品的人機(jī)交互設(shè)計(jì)提供借鑒和技術(shù)支持。

1 基本思路

1.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)

隨著現(xiàn)代CAD技術(shù)的快速發(fā)展，以用戶需求為導(dǎo)向的產(chǎn)品可視化開(kāi)發(fā)和交互設(shè)計(jì)技術(shù)已經(jīng)日益成熟[4]。當(dāng)前，市場(chǎng)上有多款享譽(yù)業(yè)界的主流三維CAD設(shè)計(jì)工具，如CREO、SolidWorks、CATIA及UG等，其中，CREO是美國(guó)PTC公司最新推出的新型CAD設(shè)計(jì)軟件包，不同于其他CAD解決方案，CREO旨在解決目前CAD系統(tǒng)難用及數(shù)據(jù)共享等重大問(wèn)題[4]，如基本的易用性、互操作性及裝配管理等。

CREO不僅具有強(qiáng)大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)功能，同時(shí)還具有多種二次開(kāi)發(fā)技術(shù)，如Program、UDF、VB API、ProToolkit及J-Link等，其中ProToolkit 是 CREO系統(tǒng)基于C語(yǔ)言的二次開(kāi)發(fā)工具，它提供了大量的C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)和可集成的外部應(yīng)用程序，利用 ProToolkit 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)的過(guò)程最為復(fù)雜，但也是實(shí)現(xiàn)功能最多的一種開(kāi)發(fā)技術(shù)。

1.2 實(shí)現(xiàn)流程

相對(duì)于以往的設(shè)計(jì)理念與技術(shù)手段，交互設(shè)計(jì)能夠更好地表現(xiàn)設(shè)計(jì)人員和用戶的意愿?；贑AD平臺(tái)的產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程見(jiàn)圖1。首先需要確定工業(yè)產(chǎn)品概念造型，然后通過(guò)三維實(shí)體軟件(如CREO、SOLIDWORKS、UG等)設(shè)計(jì)其CAD幾何模型，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，最后綜合利用二次開(kāi)發(fā)技術(shù)和第三方編程語(yǔ)言進(jìn)行程序編譯(如VC++、JAVA、.NET等)，開(kāi)發(fā)出用戶所需的人機(jī)交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面。

圖1 產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

2 產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 三維CAD模型

在Creo/Parametric環(huán)境下設(shè)計(jì)直齒圓柱齒輪的三維幾何模型見(jiàn)圖2。首先在草繪模式下創(chuàng)建一個(gè)工字型封閉截面，然后利用旋轉(zhuǎn)特征命令使其繞齒輪中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)360o形成基體圓柱，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)齒輪輪廓形狀，并通過(guò)圓周陣列使齒廓在圓柱體表面均勻分布。

圖2 齒輪CAD幾何建模

2.2 漸開(kāi)線設(shè)計(jì)

直齒圓柱齒輪多采用漸開(kāi)線齒廓，在Creo/Parametric環(huán)境下定義漸開(kāi)線齒廓方程(見(jiàn)圖3)，漸開(kāi)線方程采用笛卡爾直角坐標(biāo)系[5]，其中y向坐標(biāo)設(shè)置為0，故系統(tǒng)在xoz平面內(nèi)生成一條漸開(kāi)線，并通過(guò)鏡像命令創(chuàng)建另一側(cè)的對(duì)稱齒廓。兩條相交的漸開(kāi)線由齒頂圓截去一部分，剩下的便為漸開(kāi)線齒廓廓線，最后通過(guò)陣列特征創(chuàng)建直齒圓柱齒輪的其余表面齒廓(見(jiàn)圖4)。

3 參數(shù)化設(shè)計(jì)

實(shí)際當(dāng)中，齒輪的型式、規(guī)格及參數(shù)多樣，不利于用戶方便、快捷地設(shè)計(jì)和選用齒輪。相對(duì)于以往不可逆的齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式，現(xiàn)代CAD參數(shù)化建模技術(shù)在很大程度上提高了齒輪設(shè)計(jì)的效率及質(zhì)量，對(duì)于實(shí)現(xiàn)齒輪產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化及互換性具有重要意義[6]。Creo具有強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，它提供了以單一數(shù)據(jù)庫(kù)為支撐的數(shù)據(jù)傳遞平臺(tái)，使參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)更為方便和快捷，大大提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率及質(zhì)量。

圖3 定義漸開(kāi)線方程

圖4 創(chuàng)建漸開(kāi)線齒廓

以直齒圓柱齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，在“參數(shù)”對(duì)話框中設(shè)置各參數(shù)的初始值(見(jiàn)圖5)，然后根據(jù)機(jī)械原理相關(guān)知識(shí)，通過(guò)“關(guān)系”選項(xiàng)定義齒輪結(jié)構(gòu)各參數(shù)之間的關(guān)系式(見(jiàn)圖6)。實(shí)現(xiàn)齒輪結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，不僅有利于齒輪產(chǎn)品的市場(chǎng)轉(zhuǎn)型和系列化設(shè)計(jì)，而且為其用戶化定制設(shè)計(jì)及二次開(kāi)發(fā)提供了重要的基礎(chǔ)平臺(tái)。

4 二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)

4.1 Visual Studio編譯平臺(tái)

Visual Studio(簡(jiǎn)稱VS)是美國(guó)微軟公司推出的開(kāi)發(fā)工具包系列產(chǎn)品，也是目前最流行的Windows平臺(tái)應(yīng)用程序集成開(kāi)發(fā)環(huán)境[7]。VS包括了整個(gè)軟件生命周期中所需的大部分開(kāi)發(fā)工具，如UML工具、代碼管控工具、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)等。Visual Studio系統(tǒng)初始化界面如圖7所示，在VS平臺(tái)上編譯的目標(biāo)代碼適用于微軟支持的所有平臺(tái)，并且可以開(kāi)發(fā)多種基于Windows的軟件項(xiàng)目，包括Windows應(yīng)用程序與服務(wù)、Web服務(wù)、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)、網(wǎng)頁(yè)開(kāi)發(fā)、Office集成開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)庫(kù)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)等。

圖5 定義設(shè)計(jì)參數(shù)

圖6 定義約束關(guān)系

圖7 Visual Studio初始界面

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

4.2.1 設(shè)置開(kāi)發(fā)環(huán)境 以Visual Studio 2010為編譯環(huán)境，通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接模式對(duì)漸開(kāi)線直齒齒輪進(jìn)行交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，其中很關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)是設(shè)置Creo/Parametric平臺(tái)的開(kāi)發(fā)環(huán)境[8]。首先新建一個(gè)DLL項(xiàng)目類(lèi)型，并通過(guò)共享MFC DLL模板指定DLL規(guī)則，然后在“工具”菜單的“選項(xiàng)”中配置VC++目錄，并添加二次開(kāi)發(fā)所需的頭文件。

另外，還需要設(shè)置項(xiàng)目屬性和設(shè)置庫(kù)文件(見(jiàn)圖8)，通過(guò)Pro/Toolkit屬性頁(yè)對(duì)話框中的“鏈接器”節(jié)點(diǎn)輸入“附加依賴項(xiàng)”，即二次開(kāi)發(fā)環(huán)境所需的一系列庫(kù)文件，如netapi32.lib、wsock32.lib、mpr.lib、psapi.lib及protk_dllmd.lib等。

4.2.2 定義關(guān)鍵函數(shù) 為了實(shí)現(xiàn)CREO的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和菜單管理，Pro/TOOLKIT提供了一系列菜單操作函數(shù)。user_initialize()是Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序二次開(kāi)發(fā)過(guò)程中的初始化函數(shù)，主要用來(lái)對(duì)同步模式下的函數(shù)進(jìn)行初始化，CREO系統(tǒng)中加載的任何同步模式下的應(yīng)用程序都必須包含該函數(shù)[8]，其定義格式為：

extern "C" int user initialize ()

{

ProError status;

//用戶添加的接口程序部分

……

return status;

}

為了終止同步模式下的Pro/TOOLKIT應(yīng)用程序， CREO系統(tǒng)在二次開(kāi)發(fā)過(guò)程中還需調(diào)用結(jié)束函數(shù)user_terminate()，該函數(shù)由用戶根據(jù)具體情況進(jìn)行定義，其格式為：

extern "C" void user_terminate ()

{

//用戶添加的終止代碼

}

圖8 設(shè)置項(xiàng)目屬性與庫(kù)文件

4.2.3 菜單欄開(kāi)發(fā) 通過(guò)菜單欄開(kāi)發(fā)可以將齒輪產(chǎn)品的交互設(shè)計(jì)功能集成至CREO/Parametric系統(tǒng)，見(jiàn)圖9。齒輪設(shè)計(jì)系統(tǒng)的菜單按鈕及其調(diào)用由Pro/TOOLKIT函數(shù)和相應(yīng)的消息文件(Message File)共同完成，其中，消息文件主要是用來(lái)定義菜單項(xiàng)和相關(guān)提示等信息。

圖9 菜單欄開(kāi)發(fā)

不同于以往功能獨(dú)立的產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)，利用操作菜單能夠在CREO環(huán)境下方便、快捷地對(duì)齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行編輯與修改，實(shí)現(xiàn)了齒輪CAD模型數(shù)據(jù)的無(wú)縫集成與傳遞，同時(shí)有效提高了齒輪產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，這也是本系統(tǒng)的創(chuàng)新及優(yōu)勢(shì)所在。

5 交互系統(tǒng)界面

采用同步鏈接模式開(kāi)發(fā)齒輪的交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面。將齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)以控件形式添加到對(duì)話框界面上，如圖像控件、靜態(tài)文本控件、編輯控件及人機(jī)交互所需的相關(guān)命令按鈕等，如圖10所示的齒輪模數(shù)m的控件設(shè)置，首先定義m的變量類(lèi)型(int)和取值范圍(1～10 mm)，由于m為標(biāo)準(zhǔn)值，故還需要在數(shù)據(jù)屬性欄中添加齒輪模數(shù)的國(guó)標(biāo)值，以方便用戶選定所需參數(shù)來(lái)創(chuàng)建標(biāo)準(zhǔn)齒輪。

圖10 設(shè)置控件屬性

依次定義和設(shè)計(jì)齒輪其它變量參數(shù)的控件，如齒數(shù)、壓力角等，并通過(guò)編譯和數(shù)據(jù)鏈接使這些控件與齒輪參數(shù)化CAD模型相關(guān)聯(lián)，這樣就可借助控件來(lái)實(shí)現(xiàn)齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)用、輸入與編輯，如圖11所示的齒輪產(chǎn)品人機(jī)交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面。通過(guò)人機(jī)交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)，用戶可根據(jù)實(shí)際需求對(duì)齒輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速修改和編輯，用戶設(shè)計(jì)齒輪時(shí)只要輸入想要的變量參數(shù)(如齒數(shù)、模數(shù)、壓力角等)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)對(duì)齒輪參數(shù)化模型進(jìn)行重建與更新，直至生成新的齒輪三維CAD模型。實(shí)踐運(yùn)行表明，這種基于CREO后臺(tái)的人機(jī)交互系統(tǒng)，不僅使齒輪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更為靈活，而且運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定、響應(yīng)速度快，有效增強(qiáng)了用戶的設(shè)計(jì)體驗(yàn)和定制化需求。

圖11 齒輪產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)界面

6 結(jié)語(yǔ)

利用人機(jī)交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)，用戶可方便、快捷地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品CAD模型的修改與重建。通過(guò)CAD環(huán)境下的人機(jī)交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，驗(yàn)證了齒輪產(chǎn)品交互設(shè)計(jì)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)流程和可行性，有利于提高食品機(jī)械用齒輪的設(shè)計(jì)效率和可塑性，為實(shí)現(xiàn)食品機(jī)械裝備中的齒輪產(chǎn)品系列化、互換性及定制化設(shè)計(jì)提供了重要技術(shù)支持與參考。

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Development of man-machine interaction system for product modeling

ZHAO Jing

(College of Mechanical Engineering, XIJING University, Xi’an, Shannxi 710123, China)

In view of designing experience and customization demand for the consumer, the man-machine interaction technology is applied in industrial product design and system development. With involute spur gears as a research example, parametric interaction design interface of gear product is developed which utilizing feature modeling, parametric function and secondary development technique of CREO tool. In the Visual Studio compile environment, can not only realized the editing, modification and reconstruction of the gear’s geometry model conveniently and quickly, but also improve the design efficiency and plasticity of the gear product. Through implement process exploring of the gear product’s operational mode of man-machine interaction, the key technology of secondary development on CREO platform is proved, thus then some important reference and support are provided for interaction design of industrial product.

interaction interface; product design; compile; secondary development; key technology; modeling

趙靜(1979-)，女，西京學(xué)院講師，碩士。

E-mail:79814832@qq.com

2016—03—01