海 浩，周秋忠
(沈阳理工大学汽车与交通学院，沈阳 110159)
目前，机械产品设计过程中设计计算与三维建模相互独立，影响产品的设计效率和研发周期。为解决该问题，部分研究人员针对特定产品设计，提出了设计计算与三维造型集成的方法。
朱凤芹等[1]开发了设计行星轮减速器的三维参数化CAD 系统，通过设计计算程序驱动参数化模型实现了行星轮减速器的自动生成；
赵韩等[2]在SolidWorks 中集成了齿轮强度及三维建模的设计系统，缩短了产品的研发周期，面向后期装配，能提供相关的零部件，适应装配设计及运动仿真的需求。
羊柳等[3]提出一种基于知识重用的火炮设计技术，生成针对火炮产品设计的知识模板。Sandor[4]展示了一种正齿轮副和变位正齿轮副的计算机辅助设计过程。
以上方法虽然提高了产品的设计效率，但具有较强的领域属性，只针对单一系列的产品。
当处理不同类型的零件或协同不同CAD 平台时通用性受限，无法做到不同系列零件或CAD 平台在同一系统中的集成。
同时，上述文献中模型的构建多采用参数化设计方法，参数化模型各特征之间的拓扑关系在创建前便已固定，只能进行简单的结构变形，对于结构变化差异大的模型无法参数关联。
针对上述问题，本文提出一种集设计计算与特征造型于一体的特征单元组合技术。
从产品结构角度出发，以最基本的结构特征为单位，将模型分解成多个基本特征单元。
利用CAD 软件提供的API 接口进行程序设计，将特征单元的构建过程转换成计算机可以识别的程序代码，将数个特征单元程序代码封装到动态链接库(Dynamic Link Library，DLL)中。
采用可视化流程图框表达不同类型的设计知识，在知识驱动的流程定制设计系统上定制产品设计知识流程，并以此为基础进行设计知识推理。
在输出关键参数的流程节点处链接特征单元程序组件，结合知识表达、知识推理、写值驱动、特征组合等技术完成产品从设计计算到三维造型的一体化过程。
图1 为特征单元组合技术构成要素。
图1 特征单元组合技术构成要素
由图1 可见，特征单元组合技术由三部分构成。
第一部分为特征程序的编辑及封装过程:以CATIA 模型为例，在程序设计工具中引用CATIA软件的类型库，建立程序设计工具与CATIA 函数库之间的链接[5]；
分析特征单元的构建逻辑，调用CATIA Automation API 编写特征构建程序；
封装特征代码并将代码传递给第二部分。
第二部分为产品设计知识和模型知识的处理过程:首先，将第一部分中封装过的特征构建代码注册到知识驱动的流程定制设计系统内，并储存到特征程序库中；
然后，通过相关资料获取多种类型的产品设计知识[6]，用可视化流程图对产品的设计计算和特征加载过程进行知识表达，将知识流程储存到设计知识流程库中；
最后，在对特定产品设计时，知识驱动的流程定制设计系统调用设计知识流程，并以此为推理依据获得特征驱动参数和特征组合顺序。
第三部分为三维CAD 系统中实例化过程:根据第二部分的设计知识流程，加载符合要求的特征单元程序，将知识推理获得的参数写入特征单元程序，在三维CAD 系统内进行特征构建、特征组合后生成实例化模型。
2.1 特征单元程序设计与实例化
本文使用CATIA Automation、DLL、人机交互等技术实现特征单元的程序设计和实例化。
特征单元程序设计与实例化流程如图2 所示。
图2 特征单元程序设计与实例化流程
特征单元程序设计步骤如下。
第一步，对产品的结构特征进行分析，确定其构建逻辑，在CATIA 环境下绘制特征模型，运用宏录制功能记录特征的建模过程。
此时绘制模型的操作历史已储存到CATIA 文档中，在CATIA内嵌的VB 编辑器中调试录制的脚本代码[7]。
如果运行宏代码无法生成特征模型，则优化特征单元的构建过程，重新录制宏代码；
如果运行宏代码可以生成特征模型，则将宏代码导入程序设计工具，进行特征单元构建程序的功能扩充。
第二步，调用Automation API 接口对宏代码进行修改，根据写入参数和定位信息的变化进行数值变量计算和对象变更，为特征单元的自动化构建创造前提条件。
在程序设计工具中调试特征单元构建程序，确保程序正常运行。
完成以上步骤后将各特征单元代码封装成支持COM 调用的DLL 文件。
DLL 是函数和过程的集合体，在创建对象的过程中调入内存，对象创建结束后会从内存空间中释放，同时多个程序可以共享同一个DLL[8]。
因此，在重用特征类型过多的情况下不会因占用过多的系统内存空间而影响特征加载速度。
第三步，将DLL 文件注册入知识驱动的流程定制设计系统并储存到特征程序库中。
由于特征库中封装有同一特征族下的多个不同类型特征(如圆孔特征、扇形孔特征、三角孔特征等)，特征单元程序实例化时，首先调用特征的类以确定要加载的特征类型，再调用特征的方法选择特征单元的参数写入方式，最后选择参数类型，确定参数来源。
第四步，对特征单元程序进行写值驱动，实现特征程序的变量计算和对象变更，完成特征程序在三维CAD 系统中的实例化。
同理，对其他特征进行特征构建后组合各特征单元，生成产品的三维造型。
2.2 知识驱动的流程定制设计系统原理
在产品设计过程中，各结构设计参数均依据一定的设计原理、准则、规范和经验进行选取[9]。为将典型结构的设计流程、设计准则和设计经验等隐性知识转化为显性知识，并应用于产品设计过程中[10]，可采用知识工程(KBE)方案解决，该方案需建立一种知识表达方法及以此为基础的知识推理机制[11]。
洞身塌方控制措施包括：（1）加强辅助施工措施，超前预支护、锁脚锚杆等关键辅助施工工法需到位；
（2）做好超前地质预报，及时掌握地质动态，为下一步施工提供参考，同时现场量测要紧跟掌子面施工进度，及时反馈信息；
（3）采用合理的施工工法，严格采取“短进尺、多循环、弱爆破”的施工方法，尽量减少对围岩扰动；
（4）施工过程中，初期支护暴露时间过长很容易引发塌方事故，因此，初期支护及时封闭、二衬及时紧跟以分担初期支护荷载极为重要。
本文应用知识驱动的流程定制设计系统实现产品的知识表达和知识推理，该系统使用不同形状的可视化图框表达不同意义的设计知识。
用户根据产品的设计原理有序组合可视化图框定制产品设计知识流程，系统的推理决策机制能根据设计知识流程自动规划知识运行轨迹。
通过与三维CAD 系统的集成，知识驱动的流程定制设计系统可以访问和传递CAD 系统的功能函数和操作对象，将不同工程意义的特征单元程序统一到特征程序库中实现集中管理。
该系统具有设计流程定制、设计流程管理、设计知识推理、设计系统集成、特征程序管理、DLL 文件管理、三维模型管理等功能，其原理如图3 所示[11]。
图3 知识驱动的流程定制设计系统原理
3.1 圆柱齿轮特征分析
本文通过圆柱齿轮传动系统实例验证特征单元组合技术的可行性。
圆柱齿轮传动系统的三维造型由多种不同功能的基本特征单元组成，由于不同特征单元在三维造型上所表达的工程信息不同，所以每个基本特征单元要有专属的输入条件，包括决定特征单元空间位置的定位参数和控制特征几何大小的尺寸参数。
圆柱齿轮特征分类如图4 所示。
图4 中将圆柱齿轮模型分解为控制齿轮齿廓几何形状的齿槽特征、控制齿轮尺寸大小的基本特征以及控制齿轮附加结构类型的附加特征[12]。其中附加特征附加到基本特征上并用于修饰基本特征(如各种孔、倒角等)[13]。
齿轮附加结构特征作为高层组合特征由多种基本特征单元拼接组合而成，同时不同附加结构间存在共用特征，如腹板式结构和轮辐式结构共用轴毂、轴孔、键槽等特征单元。
决定圆柱齿轮模型的特征单元尺寸大小和空间位置的输入条件如图4 中括号内所示。
图4 圆柱齿轮特征分类
3.2 圆柱齿轮传动系统实例化
本文以圆柱齿轮传动系统中的轮辐式齿轮为例，详细介绍基于知识的特征单元组合技术在齿轮设计中的应用。
首先，绘制集轮辐式齿轮设计计算与特征构建为一体的设计知识流程；
其次，以该流程为设计导航，判断特征加载、组合的先后顺序，同时写入经过系统前期处理后的尺寸参数和定位参数；
最后，特征单元根据写入参数和定位参数完成数值变量计算和对象变更，实现轮辐式齿轮的特征单元组合。
轮辐式齿轮的特征组合过程如图5 所示，图中符号及含义如表1 所示。
表1 图5 符号及其含义
图5 轮辐式齿轮的特征组合过程
具体设计步骤如下。
1)将P、n、i、γ、th等用户参数输入轮体尺寸参数计算模块，获得齿坯尺寸参数da、B；
提取模型中的轴线、中心对称面的定位信息存入系统；
加载齿坯特征单元并写入da、B的参数值、轴线和中心对称面的定位信息后生成齿坯特征。
2)与步骤(1)同样的方式，加载齿槽特征单元轮体尺寸参数计算模块，获得齿槽特征参数(m、z、α、β、x、B)的参数值；
齿坯轴线和中心对称面的定位信息写入齿槽特征单元，并以齿坯特征为母体生成齿槽特征。
经过齿坯和齿槽的特征拼接组合，完成齿轮轮体结构的特征造型。
3)将用户参数P、n和齿轮的分度圆半径r等输入齿轮轴段计算模块，获得齿轮轴段直径d；
因为轴孔特征与齿轮轴段相配合，且轴孔特征和轴毂特征的尺寸参数与齿轮轴段尺寸参数存在关联关系，所以齿轮轴段直径参数d输入轴毂尺寸计算模块和轴孔尺寸计算模块，获得轴毂尺寸参数D1、L和轴孔尺寸参数D、L；
加载轴毂和轴孔特征单元，写入D、D1、L的参数值和齿坯轴线、中心对称面的定位信息，生成轴毂特征和轴孔特征。
4)根据轴段直径d和轴毂长度L，按照连接键的选型规则确定连接键的尺寸参数，计算与连接键配合的轴毂键槽的尺寸参数b、t1、L；
加载键槽特征单元，同时写入b、t1、L的参数值和键槽特征的定位参数，在轴毂上生成键槽特征。
以上特征构建完成后，系统将通过齿轮结构变换的边界条件对齿轮附加结构的类型进行逻辑判断，从而确定接下来特征单元的加载类型和次序。
以轮辐式附加结构为例，将参数D1、rf、B、N输入附加结构特征尺寸参数计算模块，获得板槽尺寸参数(R1、r1、t2)、阵列位置参数(Rm、N)、扇形孔尺寸参数(R2、r2、θ1、t3)和三角孔尺寸参数(l1、r3、θ2、t4)的参数值。
5)加载板槽特征单元，写入R1、r1、t2的参数值和齿坯端面及轴线的定位信息，并在齿坯上生成板槽特征。
6)同理加载阵列特征单元，写入Rm、N的参数值和定位参数，生成阵列特征，为接下来的特征单元组合提供位置参考。
7)加载扇形孔特征单元，写入扇形孔R2、r2、θ1、t3的参数值以及板槽底面和圆周阵列辅助基准线的定位信息，生成扇形孔特征。
8)加载三角孔特征单元，写入三角孔l1、r3、θ2、t4的参数值及扇形孔底面和圆周阵列辅助基准线的定位信息，生成三角孔特征。
以上实例中，参数和特征单元的处理需要以知识驱动的流程定制设计系统为基础。
图6 为齿轮参数计算及特征构建知识流程。
图6 齿轮参数计算及特征构建知识流程
同理，在系统中调用其他特征单元的设计知识流程和特征构建程序，最终完成齿轮传动系统的实例化，如图7 所示。
图7 齿轮传动系统实例化
以圆柱齿轮传动系统为例，详细阐述了产品从用户参数输入到三维模型输出的自动化设计过程。
通过定制特定产品的可视化知识流程并以此为基础进行知识推理的方法，实时监控参数传递轨迹，方便设计人员及时发现设计过程中的问题并修改。
利用特征程序编辑、定位信息读取、特征写值驱动等方法，达到控制特征单元输入条件的目的，调节特征单元间的组合层次，可以生成适用于不同产品的零件模型，提高了建模效率，减少了模型资源的浪费。
此外，该技术还具有较强的扩展性，不仅适用于不同CAD 系统的集成，也适用于不同领域、不同系列产品的设计研发，极大地提高了产品的研发效率。
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