參數(shù)化功率超聲珩磨裝置工程圖智能生成研究*

張 穎,祝錫晶,崔學(xué)良,馬 臻

(中北大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院,太原 030051)

0 引言

現(xiàn)代制造企業(yè)為了提高產(chǎn)品設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，在設(shè)計過程中依托CAD軟件對產(chǎn)品進行參數(shù)化設(shè)計，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速優(yōu)化設(shè)計，一定程度上提高了企業(yè)的競爭力[1-3]。由于技術(shù)的限制，現(xiàn)階段工程圖仍是產(chǎn)品生產(chǎn)加工的重要參考，是具有指導(dǎo)性作用的重要技術(shù)文檔。因此在工程實踐中，模型進行參數(shù)化設(shè)計后，其工程圖是必不可少的，必須按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行定制，使其標(biāo)準(zhǔn)化、模板化[4-6]。盡管許多三維CAD軟件都提供了導(dǎo)出二維工程圖的功能，但都只提供了一個面向所有用戶的通用平臺，難以滿足本地化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求，用戶需反復(fù)進行修改，圖紙設(shè)計時間長，出圖效率低[7]。

功率超聲珩磨裝置是一套超聲振動輔助磨削系統(tǒng)，具有磨削溫度低，珩磨力小，被加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點，主要用于加工各種型號的汽車、坦克發(fā)動機缸套[8-9]。針對不同型號的缸套，需要研制與其相匹配的超聲珩磨裝置，由于不同直徑的超聲珩磨裝置幾何拓撲關(guān)系相似，為避免重復(fù)設(shè)計，可建立裝置的參數(shù)化模型，從而提高設(shè)計效率。為此本文把參數(shù)化設(shè)計技術(shù)及UG二次開發(fā)技術(shù)結(jié)合使用，開發(fā)出基于UG平臺、以Visual Studio 2012為開發(fā)環(huán)境的參數(shù)化功率超聲珩磨裝置智能輔助制圖系統(tǒng)。此系統(tǒng)實現(xiàn)了自定義圖紙模板的自動調(diào)用、視圖生成及尺寸自動標(biāo)注、標(biāo)題欄及明細欄內(nèi)容自動填寫以及技術(shù)要求的自動讀寫。用戶只需選擇圖紙尺寸及比例、需要出圖的零部件名稱，點擊按鈕便可自動實現(xiàn)工程圖的生成。當(dāng)零部件尺寸大小需要改變時，用戶在人機交互界面修改模型的主參數(shù)，即可實現(xiàn)零部件三維模型和二維工程圖的自動更新。

1 功率超聲珩磨裝置參數(shù)化設(shè)計

功率超聲珩磨裝置是一整套功率超聲珩磨系統(tǒng)，通過引入超聲振動系統(tǒng)，使得油石座在磨削時產(chǎn)生縱向振動，并達到需要的振幅，而且保證機床旋轉(zhuǎn)磨削時能產(chǎn)生自動加壓，達到超聲珩磨的效果。功率超聲珩磨裝置的機構(gòu)示意圖如圖1所示。

1.擋圈 2.珩磨頭體 3.油石 4.油石座 5.撓性桿 6.定心圓盤 7.振動圓盤 8.連接體 9.接線柱 10.集流環(huán)與碳刷 11.提手 12.換能器外套筒 13.換能器 14.變幅桿 15.珩磨桿 16.中心頂桿 17.漲芯軸 18.導(dǎo)向條

圖1功率超聲珩磨裝置的機構(gòu)示意圖

通過對功率超聲珩磨裝置的各零部件進行功能和結(jié)構(gòu)分析，將此裝置劃分為四大模塊，如圖2所示。整體裝置按照模塊劃分的結(jié)果以及設(shè)計的先后順序，最終得出主要參數(shù)和次要參數(shù)，以及各參數(shù)之間的關(guān)系。聲振系統(tǒng)與珩磨頭加工部分是珩磨裝置的核心，這兩模塊中的零部件尺寸為主要參數(shù)，其他模塊的零部件根據(jù)這兩個模塊的零部件進行設(shè)計，其參數(shù)為次要參數(shù)。

圖2 功率超聲珩磨裝置模塊劃分

功率超聲珩磨裝置裝配關(guān)系復(fù)雜，要實現(xiàn)其參數(shù)化設(shè)計，除對裝置進行模塊劃分外，還需對其進行控制系統(tǒng)的設(shè)計，即建立一些與主要參數(shù)有關(guān)的基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)線，這些基準(zhǔn)能決定零部件的尺寸范圍或零件間裝配關(guān)系[10-11]。以聲振系統(tǒng)和珩磨頭加工部分的設(shè)計為例，如圖3a所示，設(shè)計時先按照設(shè)計順序以及零部件主要參數(shù)建立相應(yīng)的控制基準(zhǔn)面，基準(zhǔn)面的相應(yīng)位置即零部件尺寸范圍?？刂葡到y(tǒng)建立好之后，根據(jù)裝配關(guān)系，在各模塊下建立各部件的空文件模型，搭建起整體裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)。然后激活各模塊下的組件或零件，鏈接控制系統(tǒng)的基準(zhǔn)，利用表達式，UG/WAVE等技術(shù)進行詳細設(shè)計，圖3b為利用控制系統(tǒng)中的基準(zhǔn)面在相應(yīng)位置設(shè)計的聲振系統(tǒng)和頭體加工部分的模型。在此設(shè)計過程中，表達式控制全局參數(shù)和關(guān)鍵參數(shù)，全局參數(shù)驅(qū)動控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對整個模型進行更改和更新。UG/WAVE則通過鏈接控制系統(tǒng)的基準(zhǔn)、其他零件部的幾何(如點、線、面、體等)，進行部件間建模，實現(xiàn)產(chǎn)品總體設(shè)計和子部件設(shè)計的有機結(jié)合，而且各零部件間參數(shù)關(guān)聯(lián)性極強。關(guān)鍵參數(shù)通過控制系統(tǒng)與UG/WAVE技術(shù)實現(xiàn)對整個產(chǎn)品模型的控制。

參數(shù)化模型需要人機交互界面與其配合，這樣操作起來直觀方便、可視化強。PTS是UG提供的專門用于參數(shù)化產(chǎn)品交互界面設(shè)計的模塊，無需編程，穩(wěn)定性強,知識重用度高，可提高系列化產(chǎn)品開發(fā)效率[12-14]。在PTS中打開功率超聲珩磨裝置的參數(shù)化模型，利用PTS制作可視化界面，如圖4所示為在交互界面中對撓性桿、加工直徑以及油石座數(shù)量的參數(shù)進行更改后整個裝置進行了更新。

(a) 建基準(zhǔn)面 (b)建模型圖3 聲振系統(tǒng)和頭體加工模塊的控制系統(tǒng)應(yīng)用實例

圖4 功率超聲珩磨裝置參數(shù)化模型運行實例

2 輔助制圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)工程圖所表達的內(nèi)容，所設(shè)計開發(fā)的智能輔助制圖系統(tǒng)包括4個部分：①加載自定義圖紙模板及制圖標(biāo)準(zhǔn)；②視圖生成；③自動標(biāo)注；④圖紙生成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 輔助制圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖幅設(shè)置：設(shè)置工程圖圖幅類型(零件圖或裝配圖)、大小、比例，其中工程圖紙模板是自定義的國標(biāo)化模板，非UG系統(tǒng)自帶模板。

加載制圖標(biāo)準(zhǔn)：UG默認制圖設(shè)置不符合國標(biāo)，根據(jù)制圖相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定制制圖標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計工程圖時加載此標(biāo)準(zhǔn)，避免了每次出圖時的重復(fù)設(shè)置。

創(chuàng)建視圖：創(chuàng)建表達功率超聲珩磨裝置各零部件結(jié)構(gòu)所需的各視圖。

自動標(biāo)注：標(biāo)注零件基本尺寸、尺寸公差、表面粗糙度。

技術(shù)要求庫：調(diào)用功率超聲珩磨裝置各零部件的技術(shù)要求數(shù)據(jù)庫，選擇零部件名稱，自動讀取對應(yīng)的技術(shù)要求文本內(nèi)容。

標(biāo)題欄和明細欄內(nèi)容自動填寫：通過三維模型與二維圖紙之間的屬性映射關(guān)系，自動填寫標(biāo)題欄和明細欄內(nèi)容。

3 輔助制圖系統(tǒng)功能設(shè)計與開發(fā)

3.1 圖紙設(shè)置及制圖標(biāo)準(zhǔn)的加載

UG自帶圖紙模板及制圖默認設(shè)置不符合國標(biāo)、行標(biāo)、廠標(biāo)。為避免每次出圖時，都要對制圖模板、字體、標(biāo)注樣式等進行手動調(diào)節(jié)，本文按照國標(biāo)定制工程圖模板、制圖標(biāo)準(zhǔn)，出圖時自動調(diào)用國標(biāo)化的工程圖模板并加載定制的制圖標(biāo)準(zhǔn)[15]。

3.1.1 自定義圖紙模板的調(diào)用

利用模板技術(shù)制作A0～A4圖幅的零件圖和裝配圖模板，用戶在圖6所示的界面中選擇圖紙類型、大小、比例時，程序通過獲取UI界面中所選擇的圖紙類型和大小的值，通過drawingSheetBuil der1->SetMetricSheetTemplateLocation()調(diào)用相應(yīng)的圖紙模板，利用UF_DRAW_set_drawing_info()對該圖紙設(shè)置比例，為三維模型加載適合的圖紙模板。

圖6 圖紙設(shè)置

3.1.2 加載制圖標(biāo)準(zhǔn)

UG軟件自帶“GB”制圖標(biāo)準(zhǔn)，但其中很多設(shè)置不符合國標(biāo)，在“GB”標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)國標(biāo)要求對制圖設(shè)置進行更改，定制新的制圖標(biāo)準(zhǔn)“National Standard”，之后在設(shè)計工程圖時，只需加載此標(biāo)準(zhǔn)即可，避免了每次出圖時的重復(fù)設(shè)置。

3.2 視圖生成

基本視圖包括主視圖、俯視圖、左視圖、右視圖、仰視圖、后視圖，設(shè)計的視圖投影界面如圖7所示。利用函數(shù)UF_DRAW_import_view()來創(chuàng)建基本視圖，且必須用UF_DRAW_update_one_view()對創(chuàng)建的視圖進行更新。

圖7 視圖生成

3.3 工程圖的標(biāo)注

3.3.1 基本尺寸及尺寸公差標(biāo)注

工程圖中的標(biāo)注主要有基本尺寸、尺寸公差、粗糙度以及文字說明等的標(biāo)注，采用UG/Open API進行自動標(biāo)注的相關(guān)函數(shù)見表1。

表1 工程圖標(biāo)注應(yīng)用的函數(shù)及對應(yīng)功能

功率超聲珩磨裝置的零件大多為回轉(zhuǎn)體，需要標(biāo)注的尺寸主要為水平尺寸、豎直尺寸、徑向尺寸以及孔的尺寸。以豎直尺寸的標(biāo)注為例，在建模環(huán)境中將進行尺寸標(biāo)注的兩條邊命名為edge1、edge2，在程序中利用UF_OBJ_cycle_by_name()函數(shù)通過名字遍歷得到edge1與edge2這兩條邊的TAG值，最后利用UF_DRF_create_vertical_dim()函數(shù)對edge1與edge2之間的豎直尺寸進行標(biāo)注。其他尺寸的標(biāo)注方法與豎直尺寸類似。

以同一基準(zhǔn)標(biāo)注的尺寸按等距離排布。對于水平尺寸和豎直尺寸，采用不同方向等差加8mm進行尺寸排布；對于同一視圖上存在的多個徑向尺寸，在豎直方向按20mm間隔進行排布。

3.3.2 新版粗糙度自動標(biāo)注

目前直到UG最新版本UG11.0中，軟件中關(guān)于粗糙度的標(biāo)準(zhǔn)只有GB131-93版本，且UG自帶粗糙度的標(biāo)注操作繁瑣，所以結(jié)合MFC采用編程的方式設(shè)計GB131-2006版本的粗糙度標(biāo)注方法，將指定點標(biāo)注、標(biāo)注在輪廓線上、標(biāo)注在延長線上、帶指引線標(biāo)注4種標(biāo)注方式集成在一起，對去除材料的粗糙度標(biāo)注進行設(shè)計開發(fā)。

編程實現(xiàn)思路為：根據(jù)用戶在交互界面選擇的粗糙度標(biāo)注類型、粗糙度值，由程序通過計算繪制出表面粗糙度符號、計算粗糙度值的放置位置，然后利用UF_DRF_create_note()函數(shù)創(chuàng)建粗糙度值。粗糙度標(biāo)注界面如圖8所示。

圖8 粗糙度標(biāo)注

粗糙度標(biāo)注的實現(xiàn)步驟為：

(1)選擇粗糙度標(biāo)注方式，輸入粗糙度數(shù)值，設(shè)置粗糙度符號及數(shù)值的字高；

(2)指定要標(biāo)注的點或輪廓線，確定粗糙度符號的插入位置及方向；

(3)程序自動計算粗糙度各定位點的坐標(biāo)，并利用UF_CURVE_create_line()函數(shù)繪制粗糙度符號；

(4)利用UF_DRF_create_note()函數(shù)進行粗糙度數(shù)值的標(biāo)注。

3.4 功率超聲珩磨裝置技術(shù)要求庫

技術(shù)要求的標(biāo)注對于一幅完整的工程圖紙是必不可少的。UG軟件的GC工具箱雖提供了技術(shù)要求庫，但其大多為通用性技術(shù)要求，且添加時用戶需逐條查找再進行標(biāo)注，效率較低。為此開發(fā)了功率超聲珩磨裝置技術(shù)要求庫，分別將裝置各零部件的技術(shù)要求存儲在文本文檔中，建立超聲珩磨裝置的技術(shù)要求數(shù)據(jù)庫，當(dāng)用戶在設(shè)計的界面中選擇零部件名稱時，自動讀取數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)文本文檔的內(nèi)容，并進行標(biāo)注，界面如圖9所示。

圖9 超聲珩磨裝置技術(shù)要求庫

此技術(shù)要求庫擴展性強，既可在本地技術(shù)要求數(shù)據(jù)庫中增減文本文檔、對文檔中內(nèi)容進行編輯；也可直接在界面的文本編輯框中直接進行修改。編程思路為：①打開技術(shù)要求數(shù)據(jù)庫文件夾，讀取數(shù)據(jù)庫中文件名稱，將文件名寫入選擇列表框；②在列表框中選擇文件名時，通過uc4514a()函數(shù)讀取其文本文檔內(nèi)容，并將內(nèi)容寫入文本編輯框；③獲取用戶所指定的放置點坐標(biāo)，通過UF_DRF_create_note()函數(shù)將技術(shù)要求標(biāo)注在指定位置。

3.5 標(biāo)題欄和明細欄的自動填寫

基于UG自帶的屬性功能，在標(biāo)題欄、明細欄相應(yīng)的單元格中輸入格式的字符串，將單元格內(nèi)容與零部件屬性進行關(guān)聯(lián)，形成屬性映射[16]。比如在設(shè)計人的單元格中輸入，將設(shè)計人與DESIGNER這個屬性進行關(guān)聯(lián)，創(chuàng)建屬性映射關(guān)系，調(diào)用工程圖模板時，系統(tǒng)會自動讀取DESIGNER屬性值，并將其映射到設(shè)計人對應(yīng)的單元格中，實現(xiàn)設(shè)計人的自動填寫。為方便對三維模型的屬性賦值，設(shè)計了屬性填寫工具，界面如圖10所示，用戶只需在屬性值下拉列表中選擇合適的值即可。三維模型的屬性值更改時，標(biāo)題欄和明細欄內(nèi)容也會自動更新。

圖10 屬性填寫工具

4 輔助制圖系統(tǒng)運行及結(jié)果

啟動UG，打開功率超聲珩磨裝置參數(shù)化模型，在頂部菜單可以看到設(shè)計開發(fā)的“功率超聲珩磨裝置智能輔助制圖系統(tǒng)”菜單欄，如圖11所示，點擊下拉菜單，在下拉菜單對話框中設(shè)置所需的參數(shù)，從而獲得相應(yīng)的二維工程圖。

圖11 輔助制圖系統(tǒng)菜單界面

以裝置總體裝配圖和變幅桿零件圖的設(shè)計為例，將要出圖的部件設(shè)為顯示部件，在菜單欄中點擊“屬性填寫”設(shè)置部件屬性，為標(biāo)題欄和明細欄自動填寫奠定基礎(chǔ)；點擊“圖紙設(shè)置”調(diào)用自定義模板，如果是裝配圖則進入制圖環(huán)境后明細欄會自動填寫；加載制圖標(biāo)準(zhǔn)；對部件進行創(chuàng)建視圖、尺寸及公差標(biāo)注、粗糙度標(biāo)注、技術(shù)要求標(biāo)注；最后利用GC工具箱的“屬性同步”命令，實現(xiàn)標(biāo)題欄的自動填寫。功率超聲珩磨裝置總體裝配體圖如圖12所示，變幅桿在不同參數(shù)下的零件圖如圖13所示。功率超聲珩磨裝置進行參數(shù)化驅(qū)動后，裝置三維模型會自動更新，且之前設(shè)計的二維圖紙也會相應(yīng)自動更新。

5 結(jié)束語

本文基于設(shè)計的功率超聲珩磨參數(shù)化裝置，提出了一種針對參數(shù)化產(chǎn)品的工程圖智能生成方法，開發(fā)了功率超聲珩磨裝置智能輔助制圖系統(tǒng)，能夠從超聲珩磨裝置的三維模型快速得到其二維工程圖。本系統(tǒng)的設(shè)計思想和方法不僅適合于功率超聲珩磨裝置，還可為其他類似裝置的輔助制圖工具設(shè)計提供參考。不足之處在于需重復(fù)調(diào)用屬性填寫工具對零部件進行屬性賦值，在未來的研究中可進一步將裝置屬性填寫集成在一起，實現(xiàn)屬性的批量設(shè)置。

圖12 超聲珩磨裝置總體裝配圖

圖13 變幅桿零件圖

[1] 孟祥旭，徐延寧. 參數(shù)化設(shè)計研究[J]. 計算機輔助設(shè)計與圖形學(xué)學(xué)報, 2002, 14(11):1086-1090.

[2] 陳志英，張向強. 基于UG零件庫的建立[J]. 機械設(shè)計，2001,18(8):51-53.

[3] 史麗媛，祝錫晶，馬繼召. 基于UG參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)的研究[J]. 圖學(xué)學(xué)報，2013,34(2):108-112.

[4] 朱學(xué)敏，王宗彥，楊芬，等. 基于免疫遺傳算法的工程圖自動調(diào)優(yōu)技術(shù)[J]. 圖學(xué)學(xué)報，2013,34(2):83-88.

[5] 龔潔暉，張慧. 基于工程圖的三維重建研究[J]. 軟件學(xué)報，2008,19(7):1794-1805.

[6] 龐雨花，劉志更，吳淑芳，等. 由三維參數(shù)化模型生成工程圖的自動調(diào)整技術(shù)[J]. 圖學(xué)學(xué)報，2008，29(3):156-160.

[7] 陳樂. 基于SolidWorks的工程圖快速生成技術(shù)研究[D]. 寧夏:寧夏大學(xué)，2015.

[8] 祝錫晶，王愛玲，辛志杰，等. 超聲珩磨在發(fā)動機缸套光整加工中的應(yīng)用研究[J]. 兵工學(xué)報，2003，24(1):142-144.

[9] Zhu X J, Lu Z M, Sun X D, et al. Test Research on Grinding Performance of the New Grinding Fluid in Power Ultrasonic Honing[C]. Advanced Materials Research, 2009, 69:238-242.

[10] 張樂林，祝錫晶，成全. UG環(huán)境下功率超聲珩磨裝置的參數(shù)化設(shè)計方法研究[J]. 制造技術(shù)與機床，2016(3):45-49.

[11] 張樂林. NX環(huán)境下功率超聲珩磨裝置的參數(shù)化設(shè)計[D]. 太原:中北大學(xué), 2016.

[12] 譚彬，仝雷強，任家駿. 基于UG NX的礦用挖掘機可重用設(shè)計系統(tǒng)研發(fā)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)，2015，43(8):112-115.

[13] 譚開兵，吳鳳林，譚彬，等. WK-75型礦用挖掘機回轉(zhuǎn)平臺的參數(shù)化設(shè)計[J]. 煤炭工程, 2016，48(2):139-141.

[14] 高飛，張鵬，倪驍驊，等. 基于NX/PTS的產(chǎn)品變形設(shè)計研究[J].組合機床與自動化加工技術(shù), 2016(10):48-50.

[15] 陳友東，李建友，游瑋.基于模板的工程圖生成[J]. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2016,42(5):927-933.

[16] 閆崇京，宋燕. 基于產(chǎn)品信息模型的圖框標(biāo)題欄快速生成[J]. 機械制造與自動化，2005,34(2):85-87.