基于知識(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)智能CAD系統(tǒng)的研究與開發(fā)

姚春玲 劉錕

摘 要：基于知識(shí)的機(jī)械設(shè)計(jì)智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）系統(tǒng)的開發(fā)，以機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)研究的內(nèi)容為載體，構(gòu)建案例庫(kù);以UG二次開發(fā)為設(shè)計(jì)平臺(tái)，以Visual Studio為開發(fā)語言，以機(jī)構(gòu)板塊、齒輪、軸以及減速器等為知識(shí)體現(xiàn)的載體，構(gòu)建機(jī)械設(shè)計(jì)CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)界面友好、提示充分、視窗風(fēng)格的操作方式方便直觀，可為“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的課堂教學(xué)提供便利，使晦澀難懂的知識(shí)得以簡(jiǎn)單呈現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì);計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）;UGNX/Open

中圖分類號(hào)：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2021）28-00-03

Abstract： This topic is the development of mechanical design intelligent CAD system based on knowledge. First of all， build a case base with the content of mechanical design foundation research as the carrier， then build a set of mechanical design CAD system with UG secondary development as the design platform， with Visual Studio as the development language， with the mechanism plate， gear， shaft， reducer as knowledge embodiment. The system has a certain practical significance， friendly interface， full hints， window-style menu operation which is convenient and intuitive， meanwhile it will provide great convenience for the teaching of “Mechanical Design Foundation” course， and will be presented simply for the knowledge of usually not easy to speak and understand.

Keywords： machine design;Computer Aided design（CAD）;UGNX/Open

基于知識(shí)的智能計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）系統(tǒng)開發(fā)綜合性比較強(qiáng)，知識(shí)化和智能化是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品協(xié)同發(fā)展的重要保障[1]。高職院校“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程涉及各種常用機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)、軸、鏈傳動(dòng)以及帶傳動(dòng)等機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)[2]，設(shè)計(jì)過程復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員需要有大量的知識(shí)儲(chǔ)備，同時(shí)需要有一定的計(jì)算能力。從設(shè)計(jì)到出圖，整個(gè)計(jì)算過程煩瑣，常常占用設(shè)計(jì)人員很多時(shí)間和精力，且設(shè)計(jì)中有很大一部分工作是重復(fù)的。開發(fā)此款智能CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)，將計(jì)算過程嵌入軟件內(nèi)部，無須大量復(fù)雜計(jì)算就能得出結(jié)果，降低了設(shè)計(jì)難度，提高了設(shè)計(jì)效率。

1 平臺(tái)開發(fā)的關(guān)鍵支持技術(shù)

1.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)

UG NX是Unigraphics Solutions公司主要的CAD/CAM/CAE產(chǎn)品，是為機(jī)械制造企業(yè)提供從設(shè)計(jì)、分析到制造應(yīng)用的高端軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械、船舶以及其他高科技領(lǐng)域。1990年引入我國(guó)市場(chǎng)，自引入以來憑借其先進(jìn)的理論、完善的功能、友好的操作界面在我國(guó)得到了廣泛應(yīng)用。

參數(shù)化設(shè)計(jì)是UG非常關(guān)鍵的設(shè)計(jì)理念。它通過修改模型中的尺寸或者修改已經(jīng)定義好的參數(shù)來修改模型的尺寸和形狀，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的驅(qū)動(dòng)。它的一大特點(diǎn)在于設(shè)計(jì)意圖的修改可以通過參數(shù)的修改實(shí)現(xiàn)[3]。目前，基于UG的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)在制造領(lǐng)域的應(yīng)用比較廣泛。

本課題在UG軟件中現(xiàn)有的模型基礎(chǔ)上修改模型的幾何尺寸參數(shù)，依次驅(qū)動(dòng)尺寸生成新的三維模型，以達(dá)到參數(shù)化設(shè)計(jì)建模的目的。通過參數(shù)化建模的方法構(gòu)建齒輪的基本結(jié)構(gòu)，借助該工具輸入基本數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)齒輪的生成與校核，實(shí)現(xiàn)了基于UG NX平臺(tái)的齒輪類零件的設(shè)計(jì)。齒輪校核是一個(gè)復(fù)雜煩瑣的計(jì)算過程，通過編程將計(jì)算嵌入軟件內(nèi)部，簡(jiǎn)化了齒輪的計(jì)算校核過程，節(jié)省了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了工作效率。

基于UG NX參數(shù)化建模的具體開發(fā)步驟為“設(shè)置開發(fā)環(huán)境→創(chuàng)建零件模板→通過UG/Open MenuScript定制菜單→通過UG/Open UIStyle設(shè)計(jì)對(duì)話框→創(chuàng)建程序框架→通過UG/Open API編寫修改程序”[4]，建模流程如圖1所示。

1.2 UG NX二次開發(fā)技術(shù)

UGNX/Open也稱UG NX二次開發(fā)，可以通過對(duì)軟件添加新的功能將通用化的軟件按照用戶的要求本地化，開發(fā)出符合企業(yè)實(shí)際應(yīng)用的功能來實(shí)現(xiàn)特定的功能。

UGNX/Open包括4個(gè)部分：UGNX/Open MenuScript界面菜單編輯語言，可以對(duì)UGNX軟件中的菜單、工具條進(jìn)行用戶化開發(fā);UGNX/Open UIStyle是用戶界面制作工具;UGNX/Open Grip是UG提供給用戶的圖形交互語言，具有完整的語法規(guī)則和程序結(jié)構(gòu);UGNX/Open API是應(yīng)用程序接口，使用UGNX/Open開發(fā)的應(yīng)用程序可以實(shí)現(xiàn)與UGNX的無縫連接，可以通過借助第三方編譯環(huán)境（C語言、VC++、VB等）進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)開發(fā)系統(tǒng)與UGNX的無縫對(duì)接[5]。

通過UGNX/Open MenuScript創(chuàng)建用戶自定義菜單和工具欄，通過UGNX/OpenBlock UI Style設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面。菜單設(shè)置如圖2所示。

2 平臺(tái)搭建

搭建一個(gè)實(shí)例庫(kù)完備、界面簡(jiǎn)單友好的機(jī)械設(shè)計(jì)智能CAD系統(tǒng)。該系統(tǒng)的功能模塊主要有界面層管理模塊、功能層管理模塊、數(shù)據(jù)層管理模塊和支撐層管理模塊4部分。以包含案例庫(kù)、零件庫(kù)以及機(jī)構(gòu)資源庫(kù)等在內(nèi)的資源集成平臺(tái)為核心，以交互式界面操作方式為基礎(chǔ)，采用專家系統(tǒng)和智能化的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出機(jī)械設(shè)計(jì)智能化CAD系統(tǒng)，體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.1 案例庫(kù)的搭建

通過對(duì)UG NX二次開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)的學(xué)習(xí)，初步掌握平臺(tái)框架的搭建方法，同時(shí)篩選出有代表性的載體，以便后期進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)仿真。完成對(duì)案例庫(kù)中載體的建模和運(yùn)動(dòng)仿真，實(shí)現(xiàn)實(shí)例的靜態(tài)過程動(dòng)態(tài)化和拆卸過程可視化，如圖4所示。

2.2 機(jī)械設(shè)計(jì)智能CAD系統(tǒng)的搭建

該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械設(shè)計(jì)中案例的整合，構(gòu)建了資源庫(kù)，同時(shí)完成齒輪、軸等零件的CAD輔助設(shè)計(jì)。齒輪的建模及校核過程如圖5所示。

3 創(chuàng)新和突破

①實(shí)現(xiàn)了UGNX/Open環(huán)境下機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)庫(kù)、用戶自定義菜單、用戶設(shè)計(jì)界面和VC++的無縫集成。利用VC++編程語言以及參數(shù)化的設(shè)計(jì)思想，以機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)中的理論知識(shí)為載體，開發(fā)實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、模型檢索等功能。

②借用信息化手段，在平臺(tái)中引入可視化的仿真實(shí)驗(yàn)，采用虛擬技術(shù)使二維圖片立體化、靜態(tài)過程動(dòng)態(tài)化、拆卸過程可視化、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)虛擬化，大大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)能力。

③該平臺(tái)的搭建為“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”課程的實(shí)際教學(xué)提供了新的思路，特別是齒輪校核部分。以前的校核部分需要用到大量計(jì)算，而運(yùn)用此平臺(tái)可以省去煩瑣的計(jì)算，只需填寫必要的參數(shù)，平臺(tái)即可自動(dòng)運(yùn)行出結(jié)果。

4 結(jié)論

①系統(tǒng)主要使用的平臺(tái)是UG 10.0版本，平臺(tái)界面開發(fā)使用的是“NX6.0之前版本UI樣式編輯器”，可以使用新版本“塊UI樣式編輯器”來進(jìn)行界面的搭建，使其更漂亮美觀，也能更好地匹配UGNX 10.0版本的界面形式。

②在進(jìn)行齒輪類零件的設(shè)計(jì)時(shí)，各個(gè)參數(shù)的選取要到教材中特定的表格中查詢，然后根據(jù)查詢結(jié)果手動(dòng)輸入?？梢詫?duì)每一種參數(shù)建立一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)類型自動(dòng)選擇數(shù)值，這樣有助于設(shè)計(jì)者更快地完成設(shè)計(jì)任務(wù)，但是也會(huì)在一定程度上降低學(xué)生查表查手冊(cè)的動(dòng)手能力。

③平臺(tái)中對(duì)于各個(gè)模塊的三維模型和仿真動(dòng)畫的數(shù)量不足，沒有涵蓋機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)中的所有內(nèi)容，今后可以擴(kuò)充零件庫(kù)及案例庫(kù)，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)課程內(nèi)容的全覆蓋。

參考文獻(xiàn)：

[1]李曙光.基于實(shí)例的機(jī)械傳動(dòng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2005：14.

[2]閔小琪，萬純芬.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015：45.

[3]郭宇航.基于AutoCAD的深溝球軸承套圈的參數(shù)化設(shè)計(jì)[J].哈爾濱軸承，2017（2）：42-44.

[4]姚春玲.基于混合推理的汽車焊裝夾具支持技術(shù)的研究[D].煙臺(tái)：煙臺(tái)大學(xué)，2010：36-37.

[5]黃勇.UG NX/Open API、MFC和COM開發(fā)實(shí)例精解[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2009：119.

3347500338223