基于SolidWorks的结构移植单元信息模型建立方法研究*

姚 孔，杨 波，于 良，周 闯，梁 文

(济南大学 机械工程学院，济南 250022)

基于SolidWorks的结构移植单元信息模型建立方法研究*

姚 孔，杨 波，于 良，周 闯，梁 文

(济南大学 机械工程学院，济南 250022)

基于现有的零件变异设计方法，从CAD模型基于特征的造型基准角度，以实现基于单元移植替换的零件变异设计为目的，为实现单元的快速移植变异，建立单元信息模型。对单元模型所包含的几何信息、关联信息、非几何信息进行详细分析，利用Solidworks2010API和.NET4.0开发平台，通过程序自动提取单元模型信息，将信息自动存储于数据表中，建立单元信息模型并给予实例验证。

结构移植单元；信息模型；Solidworks；几何信息；非几何信息

0 引言

在产品创新设计过程中，前后出现了产品重用设计技术，变型设计技术及变异设计技术，其中，产品变异设计方法目前研究人员主要从参数化设计、点集化处理、结构替换等方面做了大量研究。陈德人[1]通过参数化设计方法驱动模型的生成，对生成的模型进行局部修改和设计；Lerios等[2]提出对三维模型体素做变形扭曲，对公共的变形区域进行混合处理，达到模型变异的目的；Lin等[3]通过增删模型面与面之间的顶点来达到模型形状变化；刘雄伟等[4]将构成模型的特征与特征草图结合，在操作过程中，保持特征的定位基准不变，实现参数化驱动结构拓扑变化的变异设计；周佳立等[5]提出释放模型的结构拓扑约束，同时对结构中间的拓扑约束关系进行重构，实现产品拓扑结构的改变；杨波等[6]将生物中基因的概念映射到产品进化过程中，提出产品基因划分和重构方法；赵秀燕等[7]提出用反向神经网络查找快速变异点的方法；邹纯稳等[8]将构成模型的结构进行细分，获取变异基结构，对变异基结构用外部结构进行替换，实现产品的变异设计。现有这些方法从产品的配置约束关系，零件的参数化信息、功能信息，到对构成产品最底层结构进行移植替换，进行了大量的科学研究，提高了产品的研发效率。

在特征单元的移植替换过程中，为实现对构成零件模型的特征单元本体及特征单元之间关系信息的清晰表达，同时完整地表达单元移植替换过程信息，建立有效的单元及其关联信息模型是非常重要的。

1 单元移植替换变异方法

将已有单元移植替换到需要进行变异的零件模型上，实现零件几何参数和拓扑特征的改变，称作单元移植替换变异[9]。

图1 单元移植替换的基本操作过程

图1支架零件P的底板需要安装在一个固定支撑结构上面，根据支撑结构上连接孔的布置形式不同，要求底板结构形式发生相应变化，即支架零件P的变异需求为对底板进行移植替换。其基本操作过程如图1所示，根据零件P变异需求，对组成P的特征单元A、B、C、D进行分割，获取变异特征单元D并将其移除，从外部移植特征单元库中检索到与变异特征单元相似的移植特征单元E，完成移植特征单元E与零件模型P的匹配搭接，实现单元的移植替换变异。

在模型P的变异设计过程中，包含四项关键技术：变异零件P信息模型的建立；模型P所包含特征单元A、B、C、D的分割；与变异特征单元D相似的移植特征单元E的检索；移植特征单元E与模型P的拓扑约束搭接。在特征单元的分割、移植替换、搭接等操作过程中，分割单元要从被分割单元上继承、派生和传递单元信息，如分割单元从被分割模型P上继承部分几何属性信息，派生语义信息，传递单元定位信息等，单元与单元之间进行匹配搭接时，单元信息之间又要进行组合，剔除冗余信息，导致零件模型P的外观几何形状信息和拓扑特征信息都发生相应变化，为管理、维护和记录变化信息以及清晰表达变异设计过程信息，需建立变异零件P的信息模型。

零件P信息模型变异前，由单元A、B、C、D的信息模型以及模型P自身的几何、功能、语义信息组成；变异后，由单元A、B、C、E的信息模型以及模型P自身相关信息组成。因此，为建立变异零件P的信息模型，必须建立单元A、B、C、D、E的信息模型及其关联信息模型。

2 单元信息模型的属性分析

零件变异前后，其外观几何形状和拓扑结构都发生变化，映射到构成零件的部分单元，其局部几何形状和拓扑结构也将发生相应变化。为记录这些变化信息，清晰表达零件变异设计过程信息，需构建变异零件信息模型；同时，为对移植单元做模糊查询或相似性检索，需提取表征单元几何形状和拓扑特征的信息。因此，单元信息模型应包含几何、非几何、关联、功能以及语义等信息。

所建立的单元信息模型如图2所示，包括单元基本编号Ubn、基本信息Ubi、几何信息Ugi、关联信息Uai、非几何信息Uug、功能信息Ufi、语义信息Usi七个部分。表示为七元组：

UIM=[Ubn，Ubi，Ugi，Uai，Uug，Ufi，Usi]。

图2 单元信息模型

其中，基本编号Ubn描述零件模型中单元排列序号；基本信息Ubi描述单元物理属性信息包括单元存储路径及名称、材料、质量、密度、图样名称、图样存储路径；功能信息Ufi描述单元在零件模型中所实现的物理功能；语义信息Usi描述单元模型中几何要素的参考信息；下面具体阐述单元的几何信息、关联信息、非几何信息。

2.1 几何信息

几何信息Ugi描述单元的外观几何形状信息及所包含的基本几何要素之间的拓扑关系信息。其中几何形状信息包括体素类型、正负特性、表面积、体积、体长、面长、形比、紧凑比、外形尺寸、质心坐标；拓扑关系信息包括单元包含的特征数目、特征类型、面的数目、面的类型、边的数目、边的类型、顶点数目。

体素类型：立方体、圆柱体、圆锥体、球体、圆环体、楔形体；正负特性：单元空为负，实为正；模型的体长等于体积的1/3次方；面长等于面积的1/2次方；形比等于体积除以面积；紧凑比等于体积的2次方除以面积的3次方；外形尺寸为单元长、宽、高三个方向的基本尺寸；特征类型为实体特征；面的类型：平面、圆柱面、圆锥面、球面、圆环面；边的类型：外环、内环。

2.2 关联信息

关联信息Uai包括定位关联信息和尺寸驱动关联信息。

2.2.1 定位关联信息

定位关联信息描述单元内部几何要素之间的定位关系信息及单元与单元之间的定位关系信息。单元定位关联信息Uli包含五个部分：定位类型Ult、定位要素Ule、参考要素Uri、定位单元Ulu、参考单元Uri，单元定位关联信息模型表示为五元组：

Uli=[Ult，Ule，Uri，Ulu，Uri]。

通过参考要素定位的几何要素为定位要素；定位几何要素时参考的几何要素为参考要素；定位要素所在的单元为定位单元；参考要素所在的单元为参考单元。构成单元的几何要素之间的定位类型如表1所示。

2.2.2 尺寸驱动关联信息

尺寸驱动关联信息包括尺寸驱动信息和尺寸关联信息。

尺寸驱动信息Ddi描述标定几何要素之间几何关系的量值驱动单元模型生成的过程信息。包括三要素：单元编号Di、驱动尺寸参数Pi、驱动尺寸值Vi。尺寸驱动模型表示为三元组：Ddi=[Di，Pi，Vi]。其中Pi与Vi之间存在一一对应关系，一组Pi参数值对应一组Vi尺寸值。

尺寸关联信息Dri描述同一单元包含的尺寸之间或者两个单元尺寸之间存在函数关系f(x)↔x。包括四要素：目标单元Ut、目标尺寸Dt、参考单元Ur、参考尺寸Dr。尺寸关联信息模型表示为四元组：

Dri=[Ut，Dt，Ur，Dr]。

其中目标单元上的尺寸为目标尺寸，参考单元上的尺寸为参考尺寸，目标尺寸y与参考尺寸x之间存在某种对应关系y=f(x)。

2.3 非几何信息

非几何信息Uug描述单元模型工艺信息，包括DimXPert(几何体)特征、尺寸公差、形位公差、表面粗糙度(如图3所示)。

图3 工艺信息

2.3.1 DimXPert特征

DimXpert特征信息FIM包括特征编号Fnu、特征名称Fna、特征类型Fty、面的IDFid四个部分。表示为四元组：

FIM=[Fnu，Fna，Fty，Fid]。

2.3.2 尺寸公差

尺寸公差信息TDI包括尺寸名Tdn、基本尺寸Tbd、上偏差Tud、下偏差Tld及公差Ttt。表示为五元组：

TDI=[Tdn，Tbd，Tud，Tld，Ttt]。

2.3.3 形位公差

形位公差信息TSP包括公差类型Tty、公差值Tvu、包容原则Ttp以及基准要素Tda。表示为四元组：

TSP=[Tty，Tvu，Ttp，Tda]。

2.3.4 表面粗糙度

表面粗糙度信息RIM包括所属特征名称Rfn、粗糙度值Ra、粗糙度值所属面的IDRid。表示为三元组：

RIM=[Rfn，Ra，Rid]。

3 单元信息模型建立

3.1 信息单元的体素特征关系分析

在SolidWorks软件中，零件模型采用边界表示法。其“特征”是零件模型构建的基础，一个特征可以由多个简单几何体素构成，几何体素又由点、线、面等基本几何要素对象构成，即SolidWorks模型文件由点、线、面、体对象构成，其API模型对象层次关系如图4所示。

图4 API模型对象层次关系

3.2 单元信息提取

根据本文第2部分单元信息理论分析，提取单元模型的各项属性信息。

单元信息提取过程：第一步，在零件设计环境下，一个单元模型代表一个模型对象，激活单元模型对象，获取单元模型中特征数目N，将包含的所有特征进行循环遍历，通过特征对象包含的属性和方法，获取每一个特征j(0≤j

图5 程序设计流程图

3.3 信息模型的建立

通过上述单元信息的自动提取，将提取的单元模型信息存储于access数据库中的若干张表中，通过数据表与数据表之间的关联关系，建立数据表之间的联动，实现单元信息模型的建立。此处，将提取的单元信息融合于一张表中，建立单元信息模型如表2所示。

4 实例验证

支架零件变异前后如图6所示，此零件由两个基本单元构成，变异前，为支架单元A与底板单元B，变异后，为支架单元C与底板单元B，单元A为变异单元，单元C为移植单元。其零件信息模型，变异前，由单元A、B信息模型、几何信息、非几何信息、功能信息、语义信息组成；变异后，由单元C、B的相关信息组成。建立单元A信息模型如表3所示，通过变异前后支架单元信息模型的变化，以及与变异零件信息模型之间信息的剔除与融合来体现单元移植替换过程信息。

单元A由2个实体特征(拉伸凸台、拉伸切除圆柱体)组成，3个体素特征：半圆柱体(正特征)、圆柱体(负特征)、长方体(正特征)；切除圆柱体直径20mm，半圆柱体直径是切除圆柱体直径的2倍；长方体拉伸高度40mm，半圆柱体和圆柱体拉伸深度20mm；切除圆柱体直径尺寸公差值为0.5；长方体表面的平面度公差值为0.05；切除圆柱体的位置度公差值为0.5，基准要素为A、B；单元A底面以单元B上表面为参考切合定位，单元A侧面以单元B侧面为参考平行定位。

图6 变异零件模型

图7 单元信息模型

在变异过程中，通过平面分割特征，解除单元A与单元B之间的拓扑关系，从零件信息模型中移除单元A参考单元B的定位信息和参考基准信息；单元C与单元B拓扑搭接之后，将单元C参考单元B的定位信息和参考基准信息添加于单元C信息模型中，以及将单元C信息模型融合于零件信息模型中，实现零件信息模型的重构。单元A、C信息模型如图7所示。

变异后，生成新的零件模型，零件信息模型也发生相应变化，通过模型信息的提取记录了模型变化信息，通过信息的剔除与融合，建立新的零件信息模型，实现零件的变异设计。

5 结论

在单元移植替换技术基础之上，对移植单元的信息属性进行了分析，借助于SolidWorks2010二次开发技术，提出了单元模型信息的自动提取过程与方法，建立了单元信息模型并给予了实例验证。该方法可有效记录单元移植替换过程中，变异零件几何形状信息与拓扑特征信息的变化以及各种几何运算与操作信息，为实现特征单元的快速移植替换变异提供了有效的信息基础。

[1] 陈德人. 参数化设计模型与方法[J]. 浙江大学学报(自然科学版)，1995,29(2)：170-182.

[2] Lerios A, Garfinkle C D, Levoy M. Feature -based volume metamorphosis[C].Proceedings of the 22nd annual conference on computer graphics and interactive techniques, 1995,449-456.

[3] Lin C H, Lee T Y. Metamorphosis of 3D polyhedral models using progressive connectivity transformation[J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics,2005,11(1):2-12.

[4] 刘雄伟，郑海波，屠晓明. 参数化特征造型中拓扑结构变异的一种解决方法[J].计算机辅助设计与图形学学报， 2001,13(3)：469-475.

[5] 周佳立，张树有. 基于拓扑约束释放与重构的变结构设计技术研究[J]. 中国机械工程，2007,18(16)：1943-1949.

[6] 杨波，昃向博，黄克正. 基于产品基因分解重构的生长型设计[J]. 中国机械工程，2005,16(9)：770-774.

[7] 赵秀燕，赵婷婷. 基于反向传播神经网络的变型设计变异点快速定位[J]. 计算机集成制造系统，2009,15(8)：1463-1467.

[8] 邹纯稳，张树有，裘乐淼. 面向结构移植变异设计的零件可变异模型与再生技术[J]. 计算机集成制造系统，2009,11(15)：2081-2089.

[9] 邹纯稳. 基于结构移植的零件变异设计若干关键技术研究及应用[D]. 杭州：浙江大学机械系，2010.

(编辑 李秀敏)

Research on the Method of Establishing the Structure Transplantation Unit Information Model Based on the SolidWorks

YAO Kong，YANG Bo，YU Liang，ZHOU Chuang，LIANG Wen

(School of Mechanical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022, China)

Based on the existing methods of parts variant design, for the purpose of achieving parts variant design based on unit transplantation and replacement, from the modeling benchmark angle based on feature of the CAD model, establishing unit information model to rapidly achieve unit transplantation and variation. The geometry information, related information and non geometric information included in the unit model are analyzed in detail, which using Solidworks2010API and .NET4.0 development platform, extracting automatically the information of the unit model through the program, Information is automatically stored in the database, the unit information model are established and the examples are given.

unit information model; Solidworks2010API; geometric information; non geometric information; automatic extraction and storage

1001-2265(2014)05-0014-05

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.004

2013-10-14;

2013-11-18

国家自然科学基金项目(50975124)；山东省高等学校科技计划项目(J09LD07)

姚孔(1986—)，男，甘肃会宁人，济南大学硕士研究生，研究领域为现代设计方法与理论，(E-mail)yaokongemail@163.com；通讯作者：杨波(1968—)，女，黑龙江牡丹江人，济南大学教授，博士，硕士生导师，研究领域为现代设计方法与理论、协同设计等，(E-mail)me_yangb@ujn.edu.cn。

TH166;TG65

A