三维标准件库（共7篇）
三维标准件库 篇1
0 引言
标准件是航天产品的重要组成部分，它的使用能减少产品设计中的重复性工作，提高产品开发效率，降低研制成本[1]。在以二维工程图为中心的传统研制过程中，设计师不需要对标准件进行任何设计工作，只需要根据国家或行业标准查找合适的产品代号选用即可。但在三维数字化研制过程中，除了开展产品本身三维建模设计外，为表现产品的真实细节，还需要设计合适的方案构建和管理三维标准件模型库，供设计师在数字样机虚拟装配过程中使用[2]。
如果没有通用的三维标准件模型库，会使得标准件模型在使用中存在以下问题：
(1）三维标准件模型的设计规则不统一，会给协作单位间的标准件传递带来严重障碍，同时给自动明细表的生成制造不少麻烦。
(2）三维标准件模型不能及时更新，给设计师在三维设计时的标准件选型带来很多麻烦，甚至影响设计和审查的顺利进行。
(3）标准件模型库的管理、维护不统一，导致三维标准件模型各自为政，管理混乱。
因此，三维标准件模型库的创建，不仅可以避免大量的重复建模工作，还有利于三维设计的规范性和一致性，提高发动机的设计效率，为设计和生产带来便利[3]。
1 三维标准件库的构建与管理方案设计
1.1 三维标准件库建库方案与流程设计
三维标准件不仅数量众多，且在构建时需要频繁查询各种设计手册和标准，因此它的构建费时费力；同时，随着网络信息技术的发展，标准件库的共享和权限控制也是各企业在管理时需要面临的难题[4]。
Pro/E的族表技术能在一个三维零件的基础模型上，不须编程仅通过族表参数驱动就能生成所有规格的实例模型，所以基于这种方式构建三维标准件简单而方便。Intralink平台是一个与Pro/E紧密结合的产品数据管理工具，能提供设计数据的集中管理，使设计者可以在并行工程开发的环境中共享和管理数据[5]。将三维标准件纳入到Intralink平台进行统一管理并及时更新，就能确保三维标准件的惟一性和正确性。因此基于Pro/E族表技术和Intralink平台的方案来建立三维标准件模型库[6]，工作量相对较小，无需编程经验，是一种快速可靠的建库方案。
三维标准件库的构建与管理可包括从制定标准件规范到标准件的构建、审查、管理和使用的整个生命周期过程[6]。它大致可分为4个阶段：
(1）制定构建和管理的标准化规范；
(2）构建三维标准件；
(3）审查并入库；
(4）管理和使用三维标准件库。
三维标准件库构建与管理流程图如图1所示。
1.2 三维标准件库构建与管理的规范制定
基于Intralink平台创建三维标准件库时，首先需要制定三维标准件设计的规范，在规范中确定符合企业标准的标准件建模原则、标准件命名规则以及标准件库分类等方针。
(1）建模方式和原则
三维标准件模型采用基础模型加族表实例模型的方式构建。基础模型按照各类标准的要求利用特征造型技术进行构建，同一基础模型中按照尺寸（规格）、工艺要求的不同通过族表工具驱动生成不同的实例模型。
因为三维标准件只用于虚拟装配示意，而不用于生产加工；而且三维标准件中的某些细节特征即便忽略也不影响整体的质量计算，比如小倒角、螺纹等，所以标准件的建模原则是尽量用最少的尺寸和特征来清楚地表达模型。
(2）模型文件命名规定
各类零件的标准对模型文件的命名有严格要求，而在Pro/E和Intralink中，对文件的命名又有很多限制，因此模型文件的命名必须有统一规定，否则极易引起混乱。标准件基础模型的文件名称一般统一由标准代号、型式、材料和扩展名（即.prt）组成，而实例模型的文件名称是基础模型名称的扩展，具体形式为“基础模型名称+规格”。
1.3 三维标准件库的构建
按照设计的三维标准件库建库流程，具体的构建步骤如下：
(1）首先在Pro/E中创建符合标准的基础模型。
(2）然后按相关要求修改模型的属性，包括：
(1)基础模型的特征之间有函数关联的，应创建关系式来驱动；
(2)根据标准中的定义需要对模型尺寸名称进行重命名；
(3)对于在不同装配条件下具有明显不同状态的标准件，如O型橡胶密封圈、弹簧等，需要设置模型的挠性；
(4)此外，再在模型的“参数”表中设置其他参数属性。
(3）配置完模型属性后，接着通过Pro/E自带的族表编辑器定义族表参数来驱动生成族表实例模型。
(4）三维标准件模型创建完成后，需要企业组织相关人员对模型的正确性进行审查，修改并评审通过后，将基础模型和实例模型都检入到Intralink中对应的文件夹下。
1.4 三维标准件库的管理
按照之前设计的三维标准件库建库流程，在Intralink平台中，要事先制定好标准件库的五类管理措施，以便控制和管理标准件的入库、维护和使用。
(1）配置标准件库角色和人员权限
需要给Intralink标准件库分配两个角色：标准件管理员和访客。标准件管理员负责Intralink上标准件库的管理和维护；访客只能浏览和引用装配Intralink中的标准件，而不能修改。
(2）定义标准件生命周期
标准件管理员需要在Intralink的“生命周期管理器”中定义标准件生命周期的4个阶段：设计、正在审阅、已发行、废弃，用来控制和管理标准件的状态。
(3）定义标准件模型属性
标准件管理员需要在Intralink的“类型和属性管理器”中定义模型属性，用来与Pro/E中的模型属性对应，以便于能在浏览器里查看和修改库中对象的属性值。
(4）创建标准件库文件夹
标准件管理员还需要按标准件所属标准和类型的不同进行分类，在Intralink标准件库中建立相应的文件夹树。标准件入库时，管理员才能将标准件检入到对应组织结构下，进行管理。
(5）引用标准件
Intralink的访客角色进行虚拟装配需要使用标准件时，可以在Pro/E的“组件”模型中，通过“装配零件”来引用标准件模型。
2 三维标准件库的构建与管理应用实践
2.1 应用背景
大推力液氧煤油发动机是我国未来载人航天的主动力，为了加快研制进度，提高产品研发效率，该发动机采用了全三维数字化研制模式。而三维标准件设计是发动机数字化设计过程中重要的基础工作，三维标准件库的创建可以大大提高发动机的设计效率，为此开展了三维标准件库建设工作。
2.2 应用过程
标准件三维模型的基础模型按照标准件代号、型式和材料来构建，不同尺寸（规格）、颜色、工艺要求的实例模型基于基础模型通过参数驱动生成，驱动实例模型的参数用族表进行创建和管理，如图2所示。
模型创建完成后，组织相关设计人员对该模型的正确性进行审查，经过多轮修改并评审通过后，由标准件管理员将其检入到Intralink平台对应的文件夹中进行归档，如图3所示。
2.3 应用结果
在测试阶段，首先完成了O型橡胶密封圈、台阶形导管连接件等四类本企业标准三维标准件模型的构建、审查、修改和Intralink入库工作，并从中发现了问题，然后持续改进。当三维标准件测试库稳定使用了半年后，又陆续对包括螺栓、螺母、垫圈在内的近1 000个基础模型，6万个实例模型进行了审查、修改和入库，最终建立了较为完备的基于Pro/E和Intralink的三维标准件库，此举有助于提高产品设计效率，缩短发动机研制周期。
3 结论
三维标准件库的使用能减少三维数字化设计中的重复性工作，从而提高开发效率，降低研制成本。针对其在构建和管理上的难点，以及本单位使用三维标准件时存在的问题，本文通过基于Pro/E族表技术和Intralink平台设计的解决方案构建与管理三维标准件库，并进行应用实施。实践证明，使用该方案创建的标准件库不仅简单可靠，而且不需要专业的编程经验，因此有利于后期的维护和扩展，为科研、生产的进一步发展提供了技术保障。
参考文献
[1]吴娜.基于Pro/E的注塑模标准件库与模架库的开发[D].太原:太原理工大学,2012.
[2]吴文锋,刘子建.基于Pro/Intralink的标准件库的建立和管理[J].机械设计与制造,2005,31(3):110-111.
[3]李延锋,赵韩,董玉德.应用Pro/Intralink建立产品数据管理系统的研究[J].机械与电子,2006,20(12):66-69.
[4]周重辉.基于Pro/E标准件库的开发[D].株洲:中南林业科技大学,2007.
[5]邹志峰,闫峰,李鲲.基于Pro/E和Pro/Intralink的标准零部件模型库的建立与管理[J].舰船光学,2008,44(1):41-45.
[6]王芳,高竞.基于Pro/E机床夹具三维标准件库的研究与实现[J].西安工业学院学报,2005,25(4):349-352.
三维标准件库 篇2
1 系统总体方案设计
三维化工设备常用件标准库的开发目标是:给用户以良好的交互界面,系统操作步骤简单,图形绘制速度快、质量高且符合国家标准的要求,化工设备常用件数据库易于维护。
系统使用VB编程语言编写所有应用程序,采用Access数据库建立国家标准的化工设备常用标准件数据库存储图形几何数据。通过AutoCAD ActiveX Automation对象操控AutoCAD的行为[2],把用户输入或选择的数据和Automation对象方法中的参数进行交互,从而实现化工设备常用标准件的参数化绘图。
用户在交互界面中选择三维化工设备常用标准件的类型和型号,通过VB启动AutoCAD软件,再选择数据库中的参数或输入参数,然后把参数传递给VB编写的程序,进而操控AutoCAD直接生成所需图形,具体流程如图1所示。
2 VB与AutoCAD通信机制的建立
要实现VB对AutoCAD的操控,必须把VB与AutoCAD的通信建立起来,需要在VB中启动并引用AutoCAD对象。具体方法为:
a. 在VB编程环境中选择“工程”/“引用”命令,打开“引用”对话框,选择AutoCAD 2007 Type Library选项,确定后就引用成功了;
b. 用VB编写应用程序代码[3],创建AutoCAD对象,把其变量设置为全局变量,启动运行AutoCAD后,就可以利用AutoCAD对象及其下级对象的方法和属性在AutoCAD环境中进行绘制及编辑图形等操作。
3 数据库的建立和调用方法
3.1 数据库的建立
系统直接利用Access设计了化工设备常用标准件数据库并建立了数据表存储相应图形的有关数据,然后将数据库保存在系统应用程序的文件夹下。图2为一个EHB椭圆形封头数据表。
3.2 数据库的调用
利用ADO控件连接数据库[4],使用DataGrid控件和TextBox控件显示数据,将TextBox控件中的参数传递给应用程序以完成图形的绘制。ADO控件和DataGrid控件都是ActiveX控件,需要把它们添加到工具箱中。在VB环境中选择“工程”/“部件”命令,打开“部件”对话框,选择Microsoft ADO Data Control 6.0(SP4) (OLEDB)和Microsoft DataGrid Control 6.0(SP5)(OLEDB)选项,单击“确定”按钮,即可将其添加到工具箱中。使用ADO控件Adodc调用数据库,然后绑定DataGrid和TextBox控件,就可以实现相应参数赋值了。用户可以从DataGrid控件中选择参数,也可以在TextBox控件中输入参数,无论用哪种方法,最终参数都会显示在TextBox控件中。
参数赋值的具体方法为:通过ADO控件的ConnectionString属性来连接数据库,使用控件的RecordSource属性连接指定的记录源。在DataGrid控件的DataSource属性下拉列表框中选择相应ADO控件Adodc,并在DataGrid控件上右击,在弹出的快捷菜单中选择“检索字段”命令,即可赋值成功。在TextBox控件DataSource属性下拉列表框中选择相应ADO控件Adodc,在DataField属性下拉列表框中选择数据表中的相应字段,即可完成赋值。
4 化工设备常用标准件参数化设计方法
参数化设计方法是指采用独立参数预定义的方法建立图形的集合约束集,指定一组尺寸作为参数使其与几何约束集相关联,并将所有的关联式融入应用程序,然后通过对话框以人机交互方式修改参数尺寸,最终由程序根据这些参数及其变化顺序地执行表达式来实现设计的方法[5]。
采用VB参数化建模的具体方法为:首先根据要开发的对象,借助化工设备设计手册查找到带有尺寸的参数表和二维结构图[6]。在AutoCAD环境下用人机交互式绘图方法将其绘制成三维图形;然后用Access建立数据库,把相关的参数存放到数据库中相应的数据表中;再利用VB根据图形结构的尺寸关系写出创建实体所需各个点的坐标和相应的角度关系,并分别赋给相应的参数, 从而实现化工设备常用标准件的参数化绘图。
以EHB型号的椭圆形封头为例,通过查国家标准得到其主要参数有公称直径、总深度、直边高和名义厚度。VB编程思路和部分主要代码如下:
' 设定视图方向
obj_Doc.ActiveViewport.Direction = NewDirection
' 根据当前坐标和有关参数绘制截面
Set L1 = obj_ModelSpace.AddLine(Point1, Point2)
Set L2 = obj_ModelSpace.AddLine(Point1, Point3)
Set L3 = obj_ModelSpace.AddLine(Point2, Point4)
Set L4 = obj_ModelSpace.AddLine(Point5, Point6)
Set E1 = obj_ModelSpace.AddEllipse(Center2, MajorAxis1, RadRatio1)
Set E2 = obj_ModelSpace.AddEllipse(Center2, MajorAxis2, RadRatio2)
' 做面域
obj_Region = obj_ModelSpace.AddRegion(Curvers)
' 通过旋转截面得到三维椭圆形封头
Set ProFlie = obj_Region(0)
Set obj_RevolvedSolid = obj_ModelSpace.AddRevolvedSolid(ProFlie, Point5, Direction, 2 * PI)
5 系统界面设计和实例
为了使系统界面便于用户使用并且有良好的交互性能,系统采用MDI窗体作为主窗体。子窗体的选择和切换采用菜单完成,将化工设备常用标注件类型分别作为一个大的菜单,其型号属于相应菜单的子菜单。大的菜单包括筒体、封头、法兰、法兰盖、手孔、支座、人孔、补强圈、视镜和接管。这样条理清楚,操作也很方便。以一个EHB型号的椭圆形封头为例,首先在系统主界面上选择“封头”/“凸形封头”/“椭圆形封头”/“EHB”,进入椭圆形封头EHB参数选择界面(图3)。然后在参数选择界面中选定或输入参数,点击确定按钮,可自动绘制出三维椭圆形封头(图4)。
6 结束语
三维化工设备常用标准件库设计思路清晰,做到了功能模块化,使程序设计、调试及维护等操作简单。系统设计了全新友善的交互界面,为实际工作中快速生成相应三维化工设备常用标准件提供了可能,实现了化工设备的快速装配。
摘要：系统使用VB对AutoCAD进行二次开发,根据化工设备的特点,结合Access数据库技术,实现了三维化工设备常用标准件库的开发。以EHB型号椭圆形封头为例,介绍了用VB编程语言开发三维化工设备常用标准件库的方法。
关键词：化工设备,常用标准件,三维,参数化,开发
参考文献
[1]白彦,林大钧,热岛.基于Pro/Engineer Wildfire的化工设备三维设计技术[J].工程图学学报,2005,26(3):148～151.
[2]张虎,王玉珍,霍建伟.基于ActiveX Automation的AutoCAD二次开发及应用实例[J].光盘技术,2008,(6):16～18.
[3]刘国栋,张美云,梁巧萍,等.基于Visual Basic与AutoCAD的包装纸盒参数化设计系统开发[J].中国印刷与包装研究,2011,3(3):33～36.
[4]黄振华,罗德荣.基于ADO技术的车库管理系统开发[J].电脑编程技巧与维护,2011,(7):45～48.
[5]齐从谦,崔琼瑶.基于参数化技术的设计方法研究[J].机械设计与研究,2002,18(2):13～16.
三维标准件库 篇3
塑料模具的设计具有一定的程序化、机械化, 从模架的选取、三维设计模型的建立、到二维CAD图纸的完成, 尤其是模架部分, 重复性工作比较多, 浪费了很多时间。模架作为设计和制造塑料注射模的基本部件, 在我国已经有了一套完整的标准。设计人员如果能从CAD系统中获得满足设计要求的标准模架, 则可大大减少重复劳动, 提高设计效率, 从而缩短新产品的研制周期。在设计过程中, 如果缺少标准模架库, 在调用每一个标准模架时, 就需要像别的非标准零件一样, 重新建模。而标准件的频繁调用, 大大降低了装配效率, 造成了时间和精力上的浪费[1,2]。本论文通过利用在三维建模软件Pro/Engineer中利用二次开发工具Pro/Toolkit对标准注塑模架库的开发定制, 建立统一的参数输入对话框、菜单并与Pro/Engineer软件集成来提高设计效率。用户只需要在对话框中输入所需的模架系列以及相应的参数, 即可生成所需的已装配好的三维标准模架的几何模型, 然后在三维模架中插入所设计的其他的模具零部件如型腔、型芯等即可设计出三维注塑模具, 避免了在模具设计过程中的大量重复性工作。
1 标准注塑模三维参数化模架库的建立
1.1 模架建库方案的确定
模具标准化对提高模具设计与制造水平、提高模具质量、缩短模具制造周期、降低模具成本、节约材料等均具有重要意义。在进行模具设计的过程中, 模具设计者尽量都会采用标准模架来降低模具的制造成本。在对标准模架进行参数化设计时, 首先是根据我国注塑模模架国家标准, 分析模架的结构特点, 确定模架建库方案如图1所示。
1.2 三维参数化模架库的实现
1) 原始模板的建立建立参数化模架库的思路是将同一模架系列的标准零件只需建立一个实体模型, 然后通过输入不同尺寸值来驱动尺寸, 从而得到所需要的实体模型。因此对于每一个模架系列, 只需要利用Pro/Engineer的实体造型模块建立一块参数化的模板, 然后根据每个系列模板的结构特点加入相应的辅助特征如导柱孔、复位杆孔、定杆孔、螺钉孔等得到对应的模板。
2) 原始模架装配模型的建立在Pro/Engineer的装配模块下, 将所建立的各种模板根据相互之间的关系装配在一起。
3) 原始模架装配模型的参数化由于模架系列很多, 为了减少参数和关系式的输入, 根据注塑模模架的特点, 模架中各模板之间的长、宽尺寸具有一定的关系, 故除定模板外的其他模板类零件的设计可采用在装配件中进行组件设计的办法, 在剖面绘制时使用或偏移定模板的各边来使组件的长、宽与定模板的长、宽相等或成一定的关系。确定好参数化方案后, 利用Program模块的程序设计来实现模架库的参数化。点击菜单Tool/Program/Edit Design, 在INPUT和END INPUT之间输入下列自己设计的模架参数语句[3]:
INPUT
SERIES NUMBER
"请选择模架的系列"
L:2 NUMBER
"请输入定模板的长度L:"
HA:4 NUMBER
"请输入定模板的高度HA:"
HB:8 NUMBER
"请输入动模板的高度HB:"
HC:12 NUMBER
"请输入垫块的高度HC:"
END INPUT
在RELATIONS和END RELATIONS之间输入各模架系列装配零件之间的尺寸关系式和函数关系式。利用if和end if语句控制各系列不同模板之间的螺孔个数即可完成模架装配模型的参数化。
2 标准注塑模三维参数化模架库开发的关键技术
2.1 基于Pro/ENGINEER注塑模架菜单的定制
在注塑模模架库参数化系统中, 为了方便用户调用模型, 修改参数, 提高使用效率, 必须向菜单栏中增加自定义菜单, 以激活各种功能。Pro Toolkit提供了一系列菜单操作函数, 允许应用程序创建和管理菜单[4,5]。菜单栏创建步骤是:1) 创建一个消息文件;2) 在菜单栏中创建新菜单;3) 设置菜单按钮的动作函数;4) 在菜单中添加按钮或者子菜单。
消息文件是Pro/Toolkit应用程序的信息资源文件, 用来定义应用程序的各种消息, 此文件应该放在Pro/Toolkit应用程序注册文件text_dir所指定的text目录下。在Pro/ENGINEER系统中直接调用Pro Menuebar Menu Add () 函数及Pro Mneubarmenu Pushbutton Add () 可向Pro ENGINEER添加所需要的菜单及菜单按钮, 建立新建菜单的消息文件。参数化模架系统的菜单条及菜单按钮的创建函数语句分别为:
status=Pro Menubar Menu Add ("User Menu", "USER-User Menu",
"U t i l i t i e s", P R O_B_T R U E, User Msg) ;
status=Pro Menubarmenu Pushbutton Add ("User Menu", "Main Btn1", "USER-Main Btn1",
"USER New Button help", "NULL", PRO_B_TRUE, cmd_id, User Msg) ;
s t a t u s=P r o M e n u b a r m e n u P u s h bu t t o n A d d ("User Menu", "Main Btn2", "USER-Main Btn2",
"USER New Button help", NULL, PRO_B_TRUE, cmd_id, User Msg) ;
将菜单函数和动作函数联系起来的是函数Pro Cmd Action Add () , 参数化模架系统的按钮动作函数语句为:
status=Pro Cmd Action Add ("My Cmd", (ui Cmd Cmd Act Fn) mold, ui Proe2nd Immediate,
Test Access Default, PRO_B_TRUE, PRO_B_TRUE, &cmd_id) ;
status=Pro Cmd Action Add ("My Cmd1", (ui CmdCmd Act Fn) mold, ui Proe2nd Immediate,
Test Access Default, PRO_B_TRUE, PRO_B_TRUE, &cmd_id) ;
2.2 UI对话框的制作
对话框是设计者与用户沟通的重要渠道, 因而对话框的建立能够大大提高系统的可用性和易用性。本文是通过Pro/TOOLKIT提供的用户界面对话框 (User Interface Dialog Boxes, 简称UI对话框) 进行设计。UI对话框主要由对话框资源文件和相应的程序控制两大部分构成, 因此UI对话框的设计主要包括两个方面:一是按界面的布局编写资源文件;二是针对UI对话框的功能编写相应的控制程序[4,5]。对话框资源文件定义了对话框的组成、外观和属性。程序控制用C或C++语言编写, 用来在Pro/E环境中装入对话框资源、显示对话框、设置动作和退出对话框等。
1) 对话框资源文件在Pro/TOOLKIT应用程序开发中, 对话框资源文件必须以dialog-name.res的形式命名, 且须存放在“ (text-dir) resource”目录下供系统调用, 其中, dialog-name指所创建的对话框名称, text-dir指注册文件中“text-dir”所指定的路径[6]。
2) 对话框的控制程序对话框编制完成后, 要想实现对话框调用, 必须读取对话框资源文件, 所用到的函数是Pro UIDialog Create () , 作用是将对话框资源文件调入内存, 但并不显示出对话框[7]。函数语句为:
Pro UIDialog Create ("mold", "mold") ;
为对话框各控件指定行为函数, 修改对话框及控件属性。函数语句为:
Pro UIPushbutton Activate Action Set ("mold", "Ok", mold OK, NULL) ;
Pro UIPushbutton Activate Action Set ("mold", "Can cel", Usr Cancel Action, NULL) ;
显示对话框, 接受用户交互。所用到的函数是Pro UIDialog Active (char*dialog_name, int*status) [5,7]。参数化模架系统的显示对话框函数语句为:Pro UIDialog Activate ("mold", &status1) ;
2.3 Pro/TOOLKIT应用程序与Pro/E系统集成
为了在Pro/E系统中实现菜单及对话框功能, 需要编写相应的控制程序, 将注塑模模架参数化设计菜单及对话框与Pro/E系统集成。该程序的作用包括对象的获取和显示、对象的更新修改、模型的再生, 开发流程如图2所示。
2.3.1 模型对象的获取与初始化
调用函数Pro Mdl Retrieve () 将模型导入内存, 并用函数Pro Mdl Id Get () 获得模型的标识号, 然后用函数Pro Mdl Display () 显示模型, 最后用函数Pro Modelitem Init () 进行模型特征的初始化。
2.3.2 参数值的初始化与修改
要实现模型特征和参数的初始化, 首先必须得到指向该参数对象的指针, 本系统通过调用Pro Parameter Init () 直接获得该参数名对应的参数指针。参数初始化之后, 调用Pro UIInputpanel Double Get () 获得用户输入的参数, 然后将新的参数值赋给中间变量value, 最后将value的值传递给参数设置函数Pro Parameter Value-Set () [6]。
2.3.3 生成新的实体模型
调用函数Pro Solid Regenerate () 即可实现参数化实体模型的再生。
3 注塑模参数化模架系统的运行及演示实例
3.1 注塑模参数化模架系统的运行
为了在Pro/E系统中运行注塑模参数化模架菜单资源文件、UI对话框资源文件及Pro/TOOLKIT程序, 必须完成Pro/TOOLKIT开发环境的设置、连接、注册和卸载。首先在Visual C++6.0开发环境中设置Pro/TOOLKIT头文件所在的三个文件夹的位置以及库文件所在的两个文件夹的位置。然后在Pro/ENGINEER系统的界面上选择“工具/辅助应用程序”菜单项, 选择“注册”按钮手动注册Pro/TOOLKIT应用程序。注册成功后选择“启动”按钮运行Pro/TOOLKIT应用程序。
3.2 注塑模参数化模架系统的演示实例
下面以中小型模架设计为例演示注塑模参数化模架系统的稳定性和正确性。打开Pro/E软件, 注册并运行Pro/TOOLKIT程序, 加载成功后就会出现如图3所示的菜单。该系统可以进行各种标准模架的选择。
选择“中小型模架设计”菜单, 弹出中小型模架设计界面对话框, 如图4所示。输入再生模架的尺寸, 点击“Regenerate”按钮, 则生成所需的三维模架模型, 如图5所示。
4 结论
1) 利用Pro/ENGINEER Wildfire的Program模块建立了注塑模标准模架库三维参数化模型, 用户只需输入所设计的模架的尺寸参数, 即可得到所需的模架三维几何模型。
2) 在Visual C++6.0开发环境中, 利用Pro ENGINEER Wildfire的二次开发工具Pro/TOOLKIT开发了三维参数化注塑模架库模块。通过实例验证可知, 该三维参数化模架库界面简单, 易于操作, 运行可靠。可应用于企业的注塑模具设计中来提高模具设计效率。
摘要：本文利用Pro/ENGINEER Wildfire的Program模块建立了三维参数化的注塑模标准模架库;研究了基于Pro/TOOLKIT的注塑模标准模架库三维参数化程序设计系统的二次开发技术。在Visual C++6.0开发环境下, 利用Pro/Toolkit应用程序在Pro/ENGINEER系统上添加了用户菜单以及相关的动作函数, 编制了对话框, 实现了标准模架参数化程序设计系统的集成, 并调试、运行多次, 确保了系统的稳定性。用户只需要在对话框中输入模架参数即可生成所需三维模架, 避免了在模具设计过程中的大量重复性工作。
关键词：注塑模,三维参数化标准模架库,二次开发,Pro/TOOLKIT
参考文献
[1]潘风文, 焦敬品.模具行业发展的研究[J].清华大学学报 (自然科学版) , 2000 (5) :4-6.
[2]罗继相.浅析我国模具行业现状及发展趋势和对策[J].模具技术, 2001 (3) :3-5.
[3]林清安.Pro/ENGINERE 2001件设计高级篇[M].北京:清华大学出版社, 2003.85-86.
[4]张红旗, 曹文钢.开发PRO/E用户化菜单的技术与实践[J].合肥工业大学学报, 2001, 24 (2) :240-243
[5]张继春.Pro/ENGINEER二次开发实用教程[M].北京:北京大学出版社, 2003.54-56.
[6]Parametric Technology Corporation.Toolkit User's Guide[M].USA:PTC公司出版, 1998.
三维机械虚拟模型库的研究 篇4
关键词：三维模型库,虚拟现实,Web,X3D
1. 引言
工程制图学是工科类院校一门重要的专业基础课程,但该门课学习起来比较抽象、难度大,并且工程制图学中的机械零部件结构复杂,给学生的学习造成了很大的困难。现今高校使用的多媒体教学,多采用三维动画的方式来表达机械模型的内部结构关系,该种方式只是简单的动画播放,动画文件大,不利于在网络中上传和下载,不能建立起用户和模型之间的交互操作,从而不能达到学生对机械零件的深刻理解。因此建立一个基于网络的、可实施用户和模型之间实时交互功能的三维模型库意义重大。
现代的网络已经步入Web2.0时代,互联网从Web1.0发展至今已成为一个更加开放、交互性更强、由用户决定内容并参与共同建设的可读写网络阶段。虚拟现实技术作为计算机的核心语言已被广泛应用于社会的各个领域,从最初的VRML1.0、VRML2.0和VRML97发展到第二代三维立体网络程序设计语言(X3D),虚拟现实技术已成为21世纪计算机的最前沿技术。计算机网络和虚拟现实技术的飞速发展为建立基于网络的三维机械虚拟模型库提供了强大的技术支持。
2. 三维模型库系统的总体设计思路
三维机械虚拟模型库是以网络技术为平台,模型库开发涉及到三维建模技术、网络技术、数据库技术及虚拟现实技术四大方面。模型库以《工程制图》中的机械零件为原型,首先使用三维建模软件进行三维模型的创建,确定模型所包含的信息和数据结构;其次进行模型管理、设计关系型数据库;然后通过网页制作软件及ASP技术制作动态可交互的三维模型网站;最后利用虚拟现实建模语言实现用户对三维模型的在线交互操作。本系统结构采用网络浏览器-服务器(B/S)体系结构,包含了客户端部分和服务器端部分,系统结构如图1所示。客户端部分是指用户使用Web浏览器查看三维模型,由于模型是基于虚拟现实的,在客户端用户需下载安装虚拟现实浏览器(BS Contact);服务器端部分是通过TCP/IP协议与客户端相连,它包括Web服务器和数据库服务器,通过它可以完成客户端和服务器端的信息交流,还可以完成客户端与数据库服务器端的数据通信。
3. 采用的关键技术
3.1 三维建模技术
模型是设计的基础,三维模型有三种基本构建方法。一种是用记事本或VRMLPAD/X3DEidt(VRML/X3D编辑器)直接进行虚拟现实文件的书写。这种方法建模只适合构建简单的模型,对于复杂的模型,建模效率非常低,不适用于大型机械零件建模。第二种是3ds MAX/MAYA,这是一类集成建模、动画和渲染于一体的三维动画制作软件,主要应用与制作室外景效果图、建筑漫游动画、电影游戏和3D游戏等领域。最后一种是利用三维构型软件Pro/E、Solidworks、UG等直接构建三维实体模型。POR/E是专业的机械零件建模软件,操作简单,构型能力强,高效省时。论文采用Pro/E建模,Pro/E具有拉伸、旋转、扫描等特征,绘制二维草图后,可直接使用这些特征建立机械零件。零件绘制完成可以直接保存为*.wrl格式,转化为vrml文件后,Vrml浏览器BS Contact将默认新导入的Pro/E模型颜色为白色。为了增强模型表现力,需用3DMAX对其进行渲染,再利用Vrml Pad/X3DEdit中的Background节点的sky Color域设置场景的背景颜色,场景背景颜色设置如下:
3.2 数据库技术
3.2.1 二维关系表设计
三维模型数据库的设计是系统设计的关键。数据库设计的主流产品有My SQL、Access、SQL Server,本系统采用SQL Server 2000进行数据库设计。SQL Server 2000支持C/S架构和B/S架构、Transact-SQL语言及视图索引等。数据库的设计重点在于二维表的设计,根据模型的数据信息,每个零件应包含以下信息:零件三视图、零件立体图、零件图地址、零件材料、国标代码字段名称等。为了便于查询和灵活检索,应制作存储零件信息的表,零件图库索引表和用户表,其中用户表应包括:用户ID、用户名、密码、真实姓名、电子邮件等字段名称。
3.2.2 数据的访问设计
ADO是较通用的数据访问基础部件,它支持COM组件,ADO是基于数据存储的标准;ADO是OLEBD数据接口为访问多种数据库类型而设计的,是一种可扩展的程序模型,使用它可以建立起和SQL Server完美的连接。
3.3 网页制作技术
HTML是一种网站建设语言,使用HTML可建立静态网页。这种网页不包含任何服务器端脚本,要建立具有交互功能的动态网页可以使用ASP服务器应用程序开发技术,它可以将HTML语言、脚本语言和Active控件组合在一起,产生动态、交互且高效率的基于Web的应用程序。HTML语言在记事本中就可以编辑静态网页,所有网页上的元素均需使用程序设计,操作性差。Dreamweaver是专业的网页设计软件,具备方便实用、可视化操作特点,其界面分为代码区和设计区,可随时查看页面设计的效果和代码编写进度。论文网页使用Dreamweaver+ASP来制作动态交互三维模型库网页。三维机械模型库网页分为用户登陆模块、二维视图模块、三维视图模块、上传下载模块四大部分。
3.4 VRML/X3D技术
X3D(Extensible 3D)是互联网3D图形国际通用软件表准,定义了如何在多媒体中整合基于网络传播的动态交互三维立体效果。在网络上创建逼真的立体场景,发开与设计三维立体网站和网页程序,可以通过运行X3D程序直接进入Internet,从而改变目前网络与用户交互的三维平面局限性,使用户在网络立体场景中实现动态交互感知和交流,体验身临其境的感觉。节点是X3D文件中的基础,X3D通过大量的节点来实现2D、3D图形、动画和影视的制作。X3D使用Shape节点来直接制作三维模型,也可导入由三维软件制作的模型,导入X3D后的三维模型通过BS Contact浏览器直接查看,可实现旋转、平移,放大及缩小全方位地观看。
4. 结束语
论文通过计算机网络技术和虚拟现实技术实现了三维虚拟模型库的建立,学生通过使用模型库,增加了学习《工程制图》课程的兴趣。通过查看模型详细了解模型的内部结构,提高了学生对模型的空间想象能力。本模型库的建立方法亦可用于工科类其它课程中,如建筑学中的模型建造等,建库技术可随着计算机软件的发展不断更新提高。
参考文献
[1]张金钊等.三维立体网页立体设计[M].北京:中国水利水电出版社,2009.
[2]陈益才,李睦芳.DreamweaverCS+ASP[M].北京:机械工业出版社,2008.
[3]王启美,王玲.工程制图多媒体网络教学系统若干问题的探讨[J].工程图学学报,2005(3):179—183.
网络三维交互式虚拟模型库的构建 篇5
关键词：交互,动态,虚拟模型库,CAD软件
0引言
机械制图是工科类各专业的一门重要的技术基础课,为了扩展学生的思维,教学中普遍采用多媒体课件授课[1],但课件中的动画演示过程不能随心所欲地按照授课者或学习者的要求控制,无法实现交互操作,限制了动画的演示效果。另外,一般的动画格式文件占用的空间较大,网上传输较慢,不便于浏览,而网络化教学在教改中势在必行[2]。
针对以上问题,笔者以Cult3D网络虚拟软件为平台,借助其他三维建模软件和动画制作软件,创建网络虚拟模型库,从而实现了网络化教学。通过Cult3dDesigner软件完成操作者与动画间的交互,使学习者通过控制浏览器可以从任意角度观察模型的外形,也可以利用动画的剖切和拆卸模型,观察其内部结构及部件的装配关系,从而达到类似真实模型的使用效果[3,4]。
1虚拟模型库的创建
1.1 虚拟模型库的设计
利用Cult3D平台制作的交互动画模型库包括了机械制图学习的所有模型,其组织结构如图1所示。
1.2 虚拟模型的创建
Cult3D本身不具有三维建模的功能,需要利用其他三维设计软件完成建模。通过了解,3DMax是目前使用较多的三维建模和动画制作软件,软件安装有对应的Cult3D插件,可以完成3DMax 模型与Cult3D 模型文件的数据交换,因此,我们主要采用3DMax作为模型创建和格式转化的工具。
通过对课程内容的分析,将需要完成的模型分为两大类:简单模型和复杂模型。
(1) 简单模型的制作:
对于此类模型,可以利用3DMax直接建模,如内容中的投影法、点线面和投影变换等。
(2) 复杂模型的制作:
此类模型,直接利用3DMax建模比较困难。可以首先利用其他三维设计软件(如AutoCAD、SolidWorks和Pro/Engineer)建模,然后利用3DMax软件进行数据转化[5]。如内容中的机件表达方法、零件图和装配图部分的模型。
1.3 动画仿真的制作方法
模型的动画制作包括简单的基本体、通过叠加和切割构成的组合体、表现机件的外形和内部结构的表达方法以及部件的装配关系。
基本体的动画制作比较简单,只要把建好的模型导入Cult3dDesigner软件,利用事件、对象、行为和动作等表达模型,实现模型的旋转、移动和缩放效果。
对于组合体和表达方法部分的模型,需要演示切割、组合和隐藏等效果。未切割时的基本形体如图2所示,实现最终的模型要切去的部分比较多,如果在Cult3dDesigner中制作,按照实际一步一步地来进行切割和产生动画比较困难。我们可以在制作动画时,先在其他三维建模软件中完成所有模型的建模(包括切割去的部分),然后利用3DMax完成数据转换,在3DMax的动画场景中,将所有模型无缝拼接在一起,从外观看上去像一个整体,如图3所示。接下来,通过设定关键帧完成所需要的动画设置,如在制作切除效果时便可以移动被切去的模型或利用隐藏完成切割,实现视觉上的效果,这样制作比较方便。
2动态与交互功能的设计与实现
2.1 Cult3D三维模型场景的制作
一个完整的三维场景包括几何体模型结构、材质、纹理贴图、灯光、摄像机和动画。利用Cult3D的事件、对象、行为、表达式和动作等来分层表达模型关系,从而实现当鼠标点击模型后出现各种效果。制作流程如图4所示。
将模型导入Cult3D后,对其进行动画设置,从而实现旋转、移动和缩放等交互操作动作。对于不能直接完成的一些交互设计,可以利用Java语言编译,生成class文件,在Cult3D 里添加Java程序完成交互设计[6]。
2.2 机件表达方法的交互设计
图5演示了全剖的形成过程,源状态如图左边所示,利用鼠标点击模型上的触发点,剖切平面动态由上而下将模型剖开,并且动态隐藏前半部分。图6是半剖的动态演示过程,与全剖类似,只是动态隐藏了上边右半部分或右前半部分。
2.3 标准件和常用件的交互设计
齿轮是机械传动中广泛使用的传动零件,它可以用来传递动力,改变转速和方向。图7演示了圆柱齿轮、锥齿轮和蜗轮蜗杆的传动过程。利用鼠标点击模型上的触发点,即可演示各自的传动特点。
2.4 装配图的动态拆装设计
通过部件拆装过程的动画演示,可使我们了解部件的功能、性能、工作运动情况、结构特点、零件间的装配关系和拆装方法等。部件的整个拆装过程不仅要具有动态性、交互性和逻辑控制性,而且要符合实际的工艺要求。因而在动作设计中要进行相应处理,具体的动画设计思想是,用激活事件或解除激活事件控制每一个模型的拆卸或安装,用时间线控制动作的先后次序,用视点切换控制最佳的观察方位。通过预设视点列表实现视点的自动切换,在需要切换视点时,将视点列表中的相应视点与当前视点绑定(设定摄像机的参数为列表中的相应视点)[7]。图8为球阀工作原理动画截图,图9为球阀的拆装效果截图。
3利用网页搭建动态交互模型库平台
为了便于虚拟模型库的管理和浏览,虚拟模型库的主页以模型的轴测图展示。首先在3DMax软件中显示出要展示的模型最终效果,然后调整模型显示的轴测图位置,用截图软件截取模型图片,要求所有截图的格式和大小一致,以便于调整。
利用Dreamweaver软件进行主界面编辑,在网页上构建虚拟展厅。对上面截取的模型图片进行整理,将Cult3dDesigner中制作的CO文件插入到网页中。利用Dreamweaver设计模型库的导航界面,当鼠标点击相应的内容时即可进入模型缩略图展示页面,再次点击相应的鼠标,由于缩略图链接到相应虚拟模型文件,即可打开虚拟模型。由于在IE中浏览文件需要安装Cult3D_IE相关插件,因此网页中要设置提醒浏览者安装插件的提示文字,并提供所需的插件。图10为模型库的主界面。
4结论
基于网络的交互式虚拟模型库,以动态、交互的形式演示空间模型,使教授者和学习者可以根据主观要求控制和操作浏览器,使用者与动画间完成交互,实现了从任意角度观察模型的外形,也可以动态地展示模型的剖切和拆装,达到了真实模型的使用效果。激发了学生的学习兴趣,提高了教学质量,推进了网络教学的发展。
参考文献
[1]冯桂珍,池建斌.基于Web的虚拟现实模型创建工具[J].工程图学学报,2004,25(3):30-34.
[2]袁保国,冯桂珍.基于Cult3D的机械制图虚拟模型库的构建[J].河北省科学院学报,2008,25(3):11-13.
[3]赵国霞.工程图学虚拟模型库系统的开发与研究[D].兰州:兰州理工大学,2006:20-25.
[4]冯桂珍,池建斌,王大鸣,等.基于Web的机械制图虚拟模型库的构建[J].工程图学学报,2008(6):149-154.
[5]游万里,范富才,姚涵珍.工程制图网络虚拟模型库[J].天津科技大学学报,2006,21(2):77-81.
[6]王玲.基于网络的工程制图虚拟现实模型库的实现技术[J].计算机与现代化,2004(8):125-127.
三维标准件库 篇6
变电站是电力系统的重要组成部分。变电站内的故障或误操作,既可能损坏站内设备,也可能给电力系统造成严重后果。为减少因人为因素造成的事故,需要对运行人员进行培训[1,2],提高运行操作和事故处理的技能。
目前国内变电站培训系统大体上可以分为硬件盘台式仿真和软件仿真2类。相比而言,软件模式虽然真实性较差,但是扩充性好,造价比较低,组成灵活,能根据实际需要实现分布式或网络教室配置,可同时接受多人培训,并可对所有培训结果进行记录存档,量化分析培训效果,帮助提高培训效率。
随着三维图形技术的发展,应用三维技术和虚拟现实技术[3,4]可以大大提高软件仿真系统的真实性,使软件仿真能同时兼顾经济性、灵活性、可扩展性和感观的真实性。
本文介绍一种借鉴面向对象技术[5,6]复用思想和数据库技术[7,8]实现变电站一次系统三维仿真平台的方法。
1 三维仿真平台功能
变电站仿真培训系统的主要功能围绕变电站运行人员的日常工作进行设计。其功能有:
1)变电站各种设备的操作培训,如开关的倒闸操作、互感器投切、变压器有载调压开关操作、挡位调节等。
2)仿真误操作的严重后果,减少学员实际操作过程中的误操作率。
3)变电站主要一次设备的巡视。常见设备巡视点包括:变压器的油温、油位、油色、吸湿剂颜色异常,引线接头是否发热,有无漏油,冷却系统异常,中性点放电间隙折弯、瓷质破坏、积污、放电等;开关的机构位置异常、SF6压力偏低、油位偏低(漏油)等;地线是否松脱、接头过热等。
4)变电站典型事故的处理。仿真变电站典型事故的处理流程,培训值班人员正确判断、排除各种事故的应变能力,积累事故处理的经验。
本文实现的变电站仿真培训系统由三维仿真平台和二维仿真平台构成。三维仿真平台满足一次设备巡视和现场操作培训需求,而二维仿真平台主要实现变电站监控“五防”仿真以及事故仿真等。
2 设计方案
2.1 方案的提出
现实中的变电站具有形式多种多样、分散性强、容量大小不一的特点,传统的仿真系统设计一般采用针对某个具体的变电站的设计方案,建立相应的数据结构,通过算法编程实现仿真功能。其缺点是:变电站对象改变以后,例如添加新的电力设备,或者引入具有新功能、新特性的电力设备,或者淘汰原有电力设备,所有相关的设计都要进行修改。由于这种仿真系统结构和功能的相对固定性,导致程序必须根据新的仿真对象结构和功能进行彻底修改,代码移植能力大幅降低,设计工作量大幅提高,系统维护和更新也变得很困难。随着电力系统自动化水平的不断提高和电力系统规模的不断扩大,原有的面向过程的设计方案逐渐不能适应这一变化。
2.2 解决方案
2.2.1 可交互的分布式培训系统
为实现三维仿真平台对象的有效组织,建立三维仿真平台与二维仿真平台之间的交互,有必要在三维仿真平台与培训系统之间建立联系。
图1所示是培训系统交互的原理图。系统采用客户/服务器的模式,通过以太网实现网络连接,三维仿真平台以数据库为桥梁实现与二维仿真平台信息交互。服务器端包括三维仿真平台和二维仿真平台,二维仿真平台具备电力系统仿真功能、监控系统仿真功能和教员功能。电力系统仿真通过专门的仿真软件为仿真培训提供一个“仿真的”电力系统;监控系统仿真模拟变电站综合自动化系统后台的人机界面功能;教员功能用于设置设备异常和闭锁或解锁设备操作。
2.2.2 三维仿真平台对象库的设计
就各种变电站对象而言,可以分为有动作特性或电气特性的对象和一般的对象2类。前者一般指变电站内的各种电力设备,包括变压器、断路器、隔离开关等一次设备以及互感器、机构箱、操作箱等辅助设备等;后者主要指变电站地理环境,如变电站内各种建筑以及杆塔、地面等。
基于此,本文提出一种可扩展对象库的设计方法,把三维仿真对象抽象为由三维模型类、动作特性类、电气特性类、数据接口类元素构成的对象。动作特性类元素用于描述设备动作,如开关的开合、小车的推入拉出等;电气特性类元素用于描述设备异常,如变压器漏油、绝缘子瓷瓶破裂、开关冒烟等;数据接口类元素提供仿真对象和系统交互的数据接口。由于变电站的很多电力设备在模型和功能上很相似,可以把模型和功能分别作为元素描述,再由元素复合成新的对象。为了便于叙述,本文把对象库中的动作特性类、电气特性类、数据接口类元素统称为功能类元素。
图2所示是三维仿真平台原理图。三维仿真平台由三维仿真系统对象构成,对象通过复用对象库元素组成各种电力设备和变电站场景。各种设备通过其数据接口与三维平台数据库交互,再通过系统数据库和二维仿真平台实现交互。
3 具体开发
3.1 开发工具介绍
本系统采用虚拟现实软件VIRTOOLS Dev(以下简称VT)开发平台。它提供所见即所得的图形开发界面,内嵌的行为交互模块(BB——building blocks)是一种可视化的程序接口,利用BB可实现对开发环境中的对象(Object)或虚拟角色(Character)交互脚本设计。它拥有超过450个以上的BB,组合使用这些BB可以组成实现某项功能的交互模块,模块可另存为*.nms格式文件。模块的方便复用和编辑后复用是它的优良特性之一。作为优秀的三维虚拟现实开发平台,VT对3DS Max以及Maya建立的三维模型有很好的兼容性。
3.2 三维仿真平台对象元素的建立
三维模型类元素采用3DS Max建模。依据实际的图片资料和尺寸按照一定的比例建立各种仿真对象的模型,文件以*.Max格式保存,可依据实际需要修改、复用已有模型的图元形成各种新模型。动作特性类元素和电气特性类元素通过在VT中编写脚本实现。
图3所示流程图说明了三维仿真平台对象的建模过程,以及怎样建立三维模型库和功能对象库。首先,通过复用基本三维图元库的元素建立仿真对象的三维模型,在3DS Max环境下,用VT插件把文件导出为*.nmo格式文件,把文件导入VT,定义VT内的三维模型为对象的三维模型类元素并添加到三维模型库。拖曳BB编写脚本描述三维模型类元素的动作特性类元素、电气特性类元素和数据接口类元素,建立的功能类元素在VT内以脚本(*.nms格式文件)、VT对象(*.CMO格式文件)和Array(VT环境下二维数据表)等形式存在。由三维模型库元素和功能对象库元素生成各种三维仿真平台对象(*.nmo格式文件)。
图4所示是以隔离开关为例在VT环境下各类元素的描述。
图4(a)是隔离开关三维模型类元素;图4(b)描述电气特性类元素中的冒烟异常特性(采用带脚本的粒子系统实现,以*.cmo格式文件形式放入功能库,可复用);图4(c)是描述隔离开关开合的动作特性类元素(采用脚本描述,以*.nms格式文件形式放入功能库,可复用);图4(d)是隔离开关数据接口类元素,当有相应操作时,对应的值发生变化,通过数据库接口程序上传到系统数据库。
3.3 平台间交互
为了实现三维仿真平台与二维仿真平台的交互控制和信息交换,引入数据库作为各平台间信息交互的桥梁。按照三维仿真的要求,把三维仿真平台仿真所涉及的信息,如设备的电压等级、设备名、设备异常状态、设备状态和设备的操作权限等数值,用关系型数据表格表述,形成三维仿真平台数据库。
本系统采用Microsoft Access描述这些数据,通过数据库接口程序和VT的网络服务器模块(VIRTOOLS Server),监控仿真中的设备状态和教员模块的设备异常状况等数据会动态刷新到三维仿真平台数据库。
以图5所示的部分三维仿真平台的数据库为例说明平台之间的数据交互。通过数据接口程序,三维仿真平台数据库中的字段数据如开合状态、是否带电与监控系统仿真数据库字段数据是实时对应的。数据库中的设备类型字段用于枚举不同类型的电力设备;异常状态字段用于配合教员模块设置设备异常状态,训练运行人员发现设备运行异常和处理故障的能力;操作标志字段用于控制操作权限,防止不同平台间数据写冲突,当操作标志置位时,三维仿真平台有优先权,反之,监控系统仿真有优先权。
就不同平台的交互而言,在二维仿真平台上操作时,三维仿真平台的对应设备有相应操作或异常显示,当二维仿真平台给予三维操作权限时,二维仿真平台被锁定,在三维仿真平台对设备操作的相关数据从VT数据库Array上传到Access库,再通过数据库接口程序更新到二维仿真平台数据库,完成以数据库为桥梁的交互过程。
4 三维仿真平台扩展
三维仿真平台扩展分为设备数量扩展和设备功能扩展。数量扩展采用添加或删除Access数据库记录动态扩展的办法实现,设备功能扩展采用在Virtools环境下修改设备库设备的功能,这些设计过程都是以对象为单位的,真正体现了扩展性强的设计优点:①电力设备模型与动作行为或电气特性分离、电力设备与场景分离,模型和操作可复用,大大减小代码和数据的冗余度;②设计过程不再受特定变电站结构和设备功能的束缚,可灵活、方便扩展。
图6是平台扩展的流程。当平台以编辑模式运行时,在三维仿真数据库添加对象记录,以数据库中设备名为关键字到三维对象库中搜索相关三维对象或到功能对象库中搜索功能对象,如果没有,则建立对象并添加到对象库,载入设备和场景生成三维仿真平台,按照电气主接线图,结合变电站布局,根据“分区分块分层”的原则, 分区主要指建筑区和设备区,分块分层指以间隔为单位把设备区分块分层,拖曳设置好对象的位置后,把位置以三维坐标的形式保存到地理信息表,退出编辑模式,完成平台扩展。
以扩展变压器的漏油异常现象和复用功能隔离开关的冒烟异常为例说明扩展过程。首先进入编辑模式,由于不需要在数量上扩展,新建变压器三维模型并添加到模型库,进入功能扩展,由于在功能库中没有描述漏油的对象,在VT环境下,建立描述漏油状态的脚本(*.nms格式文件),把这个脚本添加到功能对象库,完成漏油异常扩展;从功能库中载入图4所示的冒烟的功能对象(*.nms),设置好对象位置,完成冒烟功能对象的复用,退出编辑模式,完成扩展。
5 结语
变电站仿真培训对于提高电力系统安全运行水平、为社会经济发展提供优质的电力有着不可替代的作用。本文介绍的基于可扩展对象库和数据库技术建立三维仿真平台的办法,克服了传统的面向过程的变电站仿真系统设计的缺点,把变电站的对象抽象为由三维模型、动作特性、电气特性、数据接口等元素组成的对象,以数据库为桥梁实现三维仿真平台与二维仿真平台之间的交互。可根据现实需要灵活增减设备和修改设备的功能,使得对已有的仿真平台进行较少的改动就能满足新要求的设计理念成为现实。
摘要：变电站三维仿真目前仍然存在建模周期长、模型难以复用等困难。文中介绍一种基于可扩展对象库建立三维仿真平台的方法。该对象库由三维模型类、动作特性类、电气特性类和数据接口类等不同类型的元素构成,变电站的各种仿真对象都能通过复用对象库中的元素完成建模。以Access数据库为桥梁,实现了三维仿真平台与培训系统的二维仿真平台交互。基于该变电站三维仿真平台,可以在对象层级通过灵活地增减设备或修改设备功能,仅做较小改动就能满足新的需求,从而大大缩短了三维建模周期。
关键词：变电站仿真培训,三维仿真平台,可扩展对象库,分布式系统
参考文献
[1]韩念杭,王苏,张惠刚,等.面向维护人员的变电站自动化技术培训系统.电力系统自动化,2007,31(2):88-90.HAN Nianhang,WANG Su,ZHANG Huigang,et al.Maintainers oriented substation automation technique training system.Automation of Electric Power Systems,2007,31(2):88-90.
[2]芳舒燕.变电站培训仿真系统的应用与发展.高电压技术,2005,31(4):79-81.FANG Shuyan.Application and development of substation training simulation system.High Voltage Engineering,2005,31(4):79-81.
[3]龚庆武,姜芳芳,陈义飞.基于虚拟现实技术的变电站仿真培训系统.电网技术,2005,29(24):74-77.GONG Qingwu,JI ANG Fangfang,CHEN Yifei.Virtual reality technique based substation training simulator.Power System Technology,2005,29(24):74-77.
[4]MATSUBARA Y,YAMASAKI T.VR-based interactive learning environment for power plant operator//Proceedings of the International Conference on Computersin Education:Vol2,December3-6,2002,Auckland,New Zealand.Los Alamitos,CA,USA:IEEE Computer Society,2002:922-923.
[5]曾祥辉.面向对象的电力系统图形软件的研究与开发[D].保定:华北电力大学,2004.
[6]项丽.面向对象的图形建模技术及其在DTS中的应用研究[D].保定:华北电力大学,2006.
[7]杨春,李昌国,张晓林,等.基于3D和Virtools技术的虚拟实验的实验数据分析研究.计算机工程与设计,2007,28(11):2589-2591.YANG Chun,LI Changguo,ZHANG Xiaolin,et al.Research on experimentation data analysis of virtual experiment based on3D and Virtools technologies.Computer Engineering and Design,2007,28(11):2589-2591.
三维标准件库 篇7
随着现代科技的迅猛发展，各类大型工业设备规模持续增大，其制造工艺也越来越复杂，传统的二维图纸及二维工艺已不能满足现代制造业的迫切需求，基于三维产品设计模型的3DCAPP系统以其数字化设计与制造、管理模式对制造信息化和综合制造能力的提升起到了关键的推动作用，逐渐成为现代工业数字化制造的新趋势。夹具作为机械设备制造阶段重要的基础工艺装备，很大程度上影响工艺路线安排与工艺规程制定。在3DCAPP系统的加工仿真过程中，需工艺人员对夹具手工建模、手动装夹，在零件机加工工艺路线设计的过程中需要反复操作，但由于零件大小对夹具型号需求不同，使得夹具模型复用率很低。国内的一些学者已对三维夹具库做过一些研究。如刘爽等人开发出基于UG的机床夹具标准件库[1]，李铁刚做过UG工装标准件库的理论研究[2]，杨华甫等做过集成环境下CAFD系统框架及体系结构研究[3]，翁剑成等基于Pro/E建立组合夹具三维标准件库[4]，这些研究大多是针对孤立的三维夹具库，而对3DCAPP系统中的夹具库系统的研究较少。本文旨在利用主流CAD软件建立集成于三维机加工工艺规划系统的通用夹具库系统，以机加工工艺规划效率。
1 通用夹具库系统设计
1.1 夹具库系统设计的业务流程
通用夹具库系统，旨在为工艺设计人员提供各种型号的通用夹具、模式化的装夹方式，以减少手动操作，提高工艺设计的效率。
图1是通用夹具库系统在集成环境下的业务流程。其中，夹具库系统由快速建模技术、快速装配技术、知识工程技术作支撑，由三维CAD提供二次开发接口和用户交互界面。夹具库系统的输入部分，是由CAPP系统传入的工艺路线及其内容（主要是各个工序内容），各个工序信息经过夹具库系统解析之后，生成对应的工装夹具夹持状态下工序模型集合。
1.2 夹具设计流程
3D-CAPP系统将工序模型信息、加工工艺信息（包括加工面、加工方法）传入夹具库系统，夹具库系统提供通用夹具，并按用户意图夹持工序模型，最后将夹具夹持下的工序模型传入CAM仿真系统。实现此通用夹具库系统的关键技术主要包括两点：
1）快速建模技术：实现夹具模板的参数化驱动，生成不同型号的夹具元件模型；
2）快速装配技术：实现夹具位置和姿态的变化。
2 夹具设计系统关键技术研究
2.1 夹具模型快速生成技术
夹具模型快速生成技术的关键是模型参数化驱动，参数化驱动就是利用三维CAD环境下的参数化设计系统，通过图形驱动（或尺寸驱动）方式在设计绘图状态下修改图形。利用参数化技术，可以实现夹具模板的尺寸驱动，满足我们对不同型号夹具的需求。
2.1.1 模型参数化驱动技术研究
常用的模型参数化驱动方法主要有：用户自定义特征、部件族、表达式等。
1）用户自定义特征（User Defined Featrue）：即UDF技术，用户可以根据特定的需求，自定义特征，建立常用特征库。建立模型时，只要将所需特征加载到基本几何体上即可。
2）部件族（Part Families）：通过创建族表，可以根据零件标准规格开发各种尺寸的零件，整个族表通过电子表格存储数据。
3）表达式（Expressions）：表达式法将零件特征参数用表达式控制，通过修改表达式的参数值来建立其它相类似的零件模型。
在上述方法中，用户自定义特征技术每次调用均需建立一个新零件和查找数据，自动化程度低；零件族方法是建立UG标准件库的常用方法，需要对零件进行详细的分类，对于分类困难的标准件，管理和使用都很繁琐且操作界面不直观[5]。
表达式法只对模板大小的改造，不涉及新零件的创建，相对操作简单，而且表达式法适合由几个元件组成的夹具，不同夹具元件的表达式可以互相关联，即一个夹具元件中的某一表达式可以引用其他夹具元件中的表达式，当被引用的夹具元件的表达式更新时，引用它的夹具元件中相应表达式的值也会实时更新。
表达式法参数化是常用CAD系统提供的参数化方法，使用此方法前，需做一些准备工作。首先，建立夹具模板知识库，用来存储各类型夹具的模板和夹具型号参数表。这是夹具模型参数化驱动的基础和前提，即对各类型的夹具的某一型号进行手工建模并建立该类型夹具的标准参数数据库，用来供此类型的夹具利用数据库数据驱动生成其他型号的夹具。
2.1.2 夹具系统支撑知识库的构建
夹具模板知识库为夹具模型参数化驱动提供支撑，参数化驱动又为夹具快速装夹过程服务。为方便夹具快速装夹过程的实现，在对夹具模板建模时，需遵循一些原则：
中心基准原则：模板建立时应有一个中心基准，可以是坐标原点、基准轴、基准面。
最少特征数原则：将特征参数分为主要参数和次要参数，尽量用主要参数约束和控制次要参数[6]。
部件关联原则：对于由多个部件装配而成的装配体，需注意多个装配件之间参数的链接关系。
因此，为了快速装配系统方便快捷的实现，我们应该尽量遵循上述原则。通用夹具元件，大部分都是对称的，建立模板时，我们应该尽量将模型的对称中心建立在坐标原点，模板姿态也应尽量符合装配习惯，这样可为快速装配提供方便。其次，把控制夹具元件主要特征的尺寸作为主要参数，其余一些对夹具形状、大小影响较小的特征尺寸作为次要参数，然后用主要参数表示次要参数，尽量减少控制夹具模板的参数数目。另外，对于多个夹具元件组合而成的夹具体，在建立各个夹具元件模板时，要注意各夹具元件之间参数的链接关系，如一些有配合关系的尺寸，可以在夹具元件之间以某种关系式引用，当被引用参数化修改时，其他元件的关联尺寸就会跟随变化。表1列出几个通用夹具需要建立的模板元件：
夹具模板建模完成后需建立夹具型号参考表。为每种类型的夹具模板创建一个XML文件，然后查询夹具手册，按某一固定顺序记录夹具各主要参数的数值，为参数化过程提供数据支撑。夹具型号参考表允许用户自定义夹具型号，按照已有的格式添加满足自己需求的夹具型号参数即可。
2.1.3 通用夹具模板构建实例
平口钳夹具模板构建实例：
平口钳夹具模板构建：首先对平口钳各部件（固定钳身、固定钳口、活动钳口）建模，建模过程中要始终遵循建立模板的原则。固定钳身、固定钳口都为对称元件，将模型对称中心建立在各自模板文件的坐标原点，并使固定钳身、固定钳口的三个坐标轴正向一一对应；对活动钳口的模板建模则与固定钳口不同，但也要考虑到与钳身和固定钳口的配合方便。如图3所示，固定钳口建模时使左侧面与底面交线的中点位于坐标原点，考虑到固定钳口与固定钳身的装配关系，将固定钳身左侧面与工作台面交线的中心放置在坐标原点，并使两个元件的坐标系三个轴向一一对应，这样在快速装配过程中，对于夹具各元件定位点和方向矢量的确定就会比较方便，因为两个元件的定位信息相同，获取其一即可。
图4及图5分别是固定钳口、活动钳口的表达式重命名以及表达式公式。固定钳口和活动钳口两个元件是关于被夹持工件对称的，大小、形状完全一致，因此对应的主要参数数值也是一致的。这时就可以以固定钳口的主要参数为基准，供活动钳口的参数一一对应引用。在参数化过程中，只需修改固定钳口的参数，活动钳口的参数就会自动更新。
三爪卡盘、四爪卡盘夹具模板也遵循同样的方法建模：卡盘建模时，卡盘中心建在坐标系原点；卡爪建模时，卡爪夹紧面建在坐标系原点。
顶尖模板建立时，顶尖头放到坐标系远点，顶尖轴线方向与坐标系Z轴重合。
2.2 夹具快速装配技术
夹具快速装配就是在装配环境下调整夹具各元件的方位和姿态，实现夹具元件位置变化。
在三维空间，一个零件的方位和姿态可以由一个4×4的方位矩阵表示。在装配图中，A的方位和姿态就可以用方位矩阵AXYZ＿P表示[7]:
方位矩阵中，XDi、YDi、ZDi是装配件绝对坐标系相对于装配坐标系的方向矢量，(P1,P2,P3)装配件坐标原点在装配坐标系的位置点。
夹具快速装配的关键是得到夹具各个元件在装配坐标系中的放置点以及各夹具元件坐标系三个轴线正向在装配坐标系中对应的方向矢量。利用模型几何信息、用户输入信息（用户指定的夹持面）联立解算可以得到所需参数。针对不同的夹具需要不同的方式解算，图6为各种夹具装夹示意图。
1）平口钳：由用户指定的夹持面（A、B）、底面C，获取相应的矢量，以模型最小包围盒最小点建立局部坐标系CSYS＿temp（以底面C法矢的反向为局部坐标系Z轴，以夹持面B的法矢为局部坐标系X轴，叉乘得到Y轴）。求解底面C的最小包围盒，计算得到底面C中点P,P向夹持面A投影得到投影点就是固定钳口的定位点。CSYS＿temp的三个坐标轴矢量就是固定钳口在装配坐标系对应的方向矢量。
2）三爪卡盘：由用户指定的底面，以其法矢的反向为Z轴，以垂直于Z轴的平面中呈90°夹角的两个矢量分别为X、Y轴（X矢量叉乘Y矢量为Z轴方向），以夹持柱面轴线在底面上的投影点P'为坐标原点建立局部坐标系CSYS＿temp。坐标原点沿X轴移动圆柱面半径的距离，求得的点就是卡爪定位点。CSYS＿temp的三个坐标轴矢量就是固定钳口在装配坐标系对应的方向矢量。
3）四爪卡盘：四爪卡盘定位与三爪卡盘定位相似，但由于四爪卡盘多用来夹持块状、不规则状模型，根据用户指定的底面、夹持面建立局部坐标系CSYS＿temp后，需要确定另外三个夹持面的形状、位置。求解方法是，从底面中心发出X、Y、-X、-Y方向的射线，求得四条射线与模型相交的距离底面中心最远的面，并记录底面中心与四个面的距离，底面中心分别沿着四条射线移动求得的距离，就是四爪卡盘卡爪的定位点。四个卡爪的定位方向各不相同，只要保证卡爪夹紧面与夹持面接触，很容易计算出每个卡爪坐标系轴线对应的方向矢量。
4）顶尖：用户指定的夹持面可能是中心孔锥面，也可能是中心孔所在地端面。若用户指定的是中心孔倒角，计算锥角大小，很容易求得锥角顶点的坐标，这就是新建局部坐标系的原点，锥面轴线方向可作为局部坐标系的Z轴，X、Y轴为垂直于Z轴的平面上呈90°夹角的两个方向矢量（X、Y叉乘等于Z）。此时顶尖定位点就是局部坐标系原点，CSYS＿temp的Z轴与顶尖方向平行，很容易求得顶尖另外两个方向矢量。
3 通用夹具库系统的实现
三维CAD种类很多，均提供了二次开发技术，考虑到三维绘图领域中UG应用面广、用户群多的特点，本通用夹具库基于UG平台，使用了C++语言结合UG二次开发接口实现夹具库功能。UGNX提供了UG/OPEN MenuScript、UG/OPEN UIStyler和UG/OPEN API等二次开发模块。其中UG/OPEN API是UG/OPEN最常用的开发工具，它提供了UGNX软件的几乎全部编程接口，这些接口实质上是UGNX提供的一系列函数与过程的集合。UG/Open API封装了近2000个UGNX操作函数，本系统使用其中的函数来实现夹具模板的参数化驱动[1]。
3.1 夹具部件模板参数化驱动主要函数实现
在实现参数化驱动的代码中，用到的函数主要有：UF＿PART＿ask＿part＿tag()用于获取模板文件的唯一标识号；UF＿PART＿open＿quiet()后台打开模板文件；UF＿MODL＿edit＿exp()用户修改表达式参数，也是参数化驱动的核心API;UF＿MODL＿update()刷新模板文件，此时可以看到参数化驱动的过程；UF＿PART＿save()保存模板文件即可。
3.2 快速装夹技术的函数实现
通过交互界面获取用户输入信息，然后解析输入信息，获取到用户指定的装夹面，UF＿MODL＿ask＿face＿data()用于获取装夹面的信息，利用这些面信息建立局部坐标系，通过计算工序模型和装夹面的最小包围盒计算夹具定位点，由此得到部件最终的位置矩阵；UF＿ASSEM＿add＿part＿to＿assembly()将夹具部件载入装配图时会产生一个对象事件(instance);UF＿ASSEM＿reposition＿instance()利用位置矩阵将装配部件重新定位；UF＿MODEL＿update()更新模型，装配完毕。
4 应用实例
以三爪卡盘为例进行操作说明。以KM3DCAPP-M（武汉开目软件公司研发的三维机械加工工艺规划软件）为操作平台，加工零件为航天设备中常用的轴类零件。用户使用KM3DCAPP-M系统自动对零件进行分析，自动识别加工特征、自动生成毛坯、制定工序、自动生成工序模型之后，点击KM3DCAPP-M软件“选择工装夹具”按钮，夹具库系统根据模型形状和加工处理的工艺信息（加工面、加工方法）自动推荐夹具类型和型号，若用户不满意，“删除工装夹具”，重新添加即可自主选择夹具种类和型号。弹出交互界面后，用户指定卡爪类型和夹持方式，选择夹持面，预览，满足要求则点击“确定”，若不满足需求，重新选择夹持面，即可重新装夹。点击“确定”，则保存装配图，装配完成。
5 结论
参照夹具手册，利用C++和UG二次开发技术建立的通用夹具库系统，能够根据用户交互信息对工序模型进行准确的夹持。夹具模板参数化，满足了用户对同一系列夹具不同尺寸规格的要求；快速装配技术，大大提高了用户的工作效率。现在此模块已经与KM3DCAPP-M软件集成，提高零件生成工艺规划的效率的70%以上。
摘要：在利用三维机械加工工艺规划系统(3DCAPP系统)进行数字化工艺设计过程中,夹具设计是其重要环节,其中通用夹具应用非常广泛,利用快速建模技术(模型参数化驱动)及快速装配技术,建立三维通用夹具设计系统(3D-Fixture System)并与三维机加工工艺设计系统集成,极大地提高了工艺卡片的生成效率。
关键词：三维机械加工工艺规划系统,三维通用夹具库设计系统,参数化驱动,快速装配
参考文献
[1]刘爽.基于UGNX的机床夹具标准件库的开发[J].中国制造业信息化,2011.
[2]李铁钢.基于UG的工装标准件库开发[J].组合机床与自动化加工技术,2009.
[3]杨华甫,唐耀红,邓唯一.集成环境下CAFD系统框架及体系结构研究[J].计算机应用,2005.
[4]翁剑成,张赟.基于Pro/E的组合夹具三维标准件库的建立[J].制造业自动化,2011.
[5]高申存,黄翔,李迎光.基于知识熔接的标准件库的研究与实现[J].机械制造与研究,2006.
[6]石苏庆.基于UG的三维标准件库的建立原则和方法[J].机械工人,2005.