1 課題的來源、目的、意義

　　1.1 來源

　　本課題來源于模具技術國家重點實驗室與深圳比亞迪股份有限公司的合作項目“基于UG的注塑模具設計系統模塊開發”。該公司是目前國內規模較大的塑料模具公司，主要產品范圍覆蓋塑料管材管件、各類汽車及電器塑料件等。

　　1.2 目的

　　該項目的目的是，定制開發基于UG平臺智能化注塑模CAD專用模塊，實現手機等小型模具的快速設計，以提高設計效率，縮短模具設計周期，并以數字化設計方法提高模具設計質量。通過運用實驗室的相關技術成果，全面提高公司的模具三維CAD/CAM/CAE技術水平，滿足企業模具產品打入國際市場的現實需求，提高企業的面向經濟全球化趨勢下的長遠市場競爭力。本項目的開發、測試及實施期限為一年。

　　1.3 意義

　　在實際生產設計過程中，對于復雜的機械產品零件的某一部分，其結構是完全相同的或大體相同，只是在不同的應用中，尺寸不同而已。因此把這些常用的結構特征存儲起來，在零件的設計過程中，當遇到類似的結構時，把存儲的結構作為一個整體即一個特征調進來，像機器的裝配過程一樣，按照實際需要的尺寸及約束條件把它同零件原有的部分進行布爾運算(交、并、差)得到設計師需要的結果。而當前Mold Wizard 提供的標準件平臺是通過裝配方式調入的，采用固有的配合方式。這種方式缺乏靈活性，而且會產生冗余的裝配結構，增加用戶使用的難度。該項目通過類似標準件的建庫方案為用戶定義特征提供一個開放性的平臺，只需把已定義特征在數據庫中注冊，然后通過該平臺進行調用，系統自動根據輸入參數自動生成相應的特征。因此，基于UG進行用戶自定義特征(User Defined Feature)庫的二次開發，能夠更好地滿足企業的個性化設計要求，并充分融合企業的設計經驗和設計知識，對企業實現注塑模的快速、智能化設計有著十分重要的意義。

　　2 研究內容

　　2.1 參數與配合方式

　　根據調研結果和系統設計要求，分類整理企業專用設計系統中所需的注塑模具UDF特征的參數和配合特征。在基于特征的參數化建模系統中，定義特征的過程是一個由造型步驟所組成的順序歷史，每一步都包含了建模的操作、定義參數和屬性，即用戶自定義特征的設計過程構成了用戶自定義特征的設計歷史，在這個設計歷史中包含著大量的設計者的設計意圖。如果能夠提供有效的方式對用戶自定義特征的設計歷史進行有效的維護從而能夠很好地維護這些設計意圖，則在設計新的產品時，只要給定尺寸值和該產品生命周期各階段環境對它的約束，就能夠在任何時候通過所存儲的歷史記錄來自動重建用戶自定義特征，產生用戶自定義特征的設計變體。

　　2.2 約束方式

　　一個產品的設計過程，實際上就是一個約束指定和約束滿足的過程，它們不斷循環求精，直到所有的要求都得到滿足。對于不同的零件，即使它們的某一部分的結構是相同的，但是這部分相同的結構在零件中的位置卻是不盡相同的。因此，當調入用戶自定義特征時，不能把該特征每次都放在同一位置，而應該按照不同的設計要求，根據設計者的意圖來確定該特征的位置。因此，在設計中提出了基于約束的設計。約束滿足問題可以通過一個有限集以及作用在這個有限集合上的一組關系來滿足。在產品的設計過程中，讓設計者確定用戶自定義特征與零件體之間的相對位置關系，如共面，線面夾角等，直到該特征被完全定位。將用戶自定義特征的多個約束類型的對象組合在一起形成該用戶自定義特征的約束關系鏈表。系統提供有效的方式對用戶自定義特征的約束關系鏈表進行有效的維護。在重構時，系統能夠按照該特征的約束關系鏈表，準確無誤地重新定位該特征，使設計者的設計意圖得到保證。

　　2.3 參數化建模

　　用戶定義特征的參數化建模涉及以下內容：(1)參數化造型技術，物體的幾何外形是由受約束的數學關系式來定義的，其技術特點在于：基于特征，全尺寸約束，尺寸驅動設計修改。(2)變量關聯，在分屬不同參數集的變量間建立映射關系，以便對某個變量修改后，與之對應的變量能自動修改。(3)特征的命名規則、圖層設置與管理。(4)表達式的建立，參數化造型的重要基礎是表達式的應用，表達式作為造型參數，可以使模型具備參數驅動的能力。另外，可利用表達式建立零件間的關聯。因此表達式必須依照產品圖冊和產品的二維圖形文件進行命名，自定義表達式也應有一定的含義。

　　2.4 系統結構設計

　　研究內容包括系統按照功能應劃分為多少模塊，各個模塊的功能如何定義，模塊之間如何關聯聯系、相互通信等。系統應包含界面，組件描述數據庫，組件數據庫，三維模型庫等。用戶自定義特征的數據文件不但要包含其參數值，更重要的是必須包含其用于配合關系中的所具有信息。因而，數據文件中既要對特征的各種屬性信息進行描述，還要將接口變量包含其中，以實現具有配合關系的零件間的關聯。

　　2.5 特征調入

　　當用戶通過用戶界面指定若干特征的關鍵參數后，用戶特征管理系統會據此搜索到相應的屬性描述文件，利用關鍵字匹配的方法找到所有用于驅動特征的參數，再將這些參數賦值給幾何模型中的尺寸變量，從而驅動幾何模型按預期的方式進行形狀更新和定位。

　　3 技術方案

　　3.1 UG二次開發技術

　　UG/open二次開發模塊為UG軟件的二次開發工具集，便于用戶進行二次開發工作，利用該模塊可對UG系統進行用戶化剪裁和開發，滿足用戶的開發需求。UG/open包括以下幾個部分：UG/Open Menuscript開發工具，對UG軟件操作界面進行用戶化開發，無須編程即可對UG標準菜單進行添加、重組、剪裁或在UG軟件中集成用戶自己開發的軟件功能，UG/open Uistyler開發工具是一個可視化編輯器，用于創建類似UG的交互界面，利用該工具，用戶可為UG/Open應用程序開發獨立于硬件平臺的交互界面。UG/open API開發工具提供UG軟件直接編程接口，支持C、C++、Fortran和Java等主要高級語。 UG/open API也叫UG Function(簡稱UF)，分為內部UF和外部UF。內部UF是運行在UG系統平臺內部的API程序(通過動態鏈接庫技術與UG系統平臺發生關系)，特點是能夠直接控制UG系統的行為，也能夠通過UG用戶界面和用戶發生交互。外部UF是獨立于UG系統之外的C程序(也就是*.exe可執行程序)，通過UG系統平臺的運行庫調用API的功能。特點是調用靈活，用途廣泛。但是無法利用UG的交互界面，因此無法和UG系統內部發生作用。

　　3.2 特征定義與實例化

　　UDF 實際上是對造型系統中已有的形狀特征和造型方式的封裝。通過封裝，UDF 屏蔽了對設計人員而言沒有工程意義的繁瑣的何造型操作，而將具有工程意義的參考幾何元素、約束和尺寸以接口的形式暴露給設計人員。這些具有工程意義的參數和幾何元素由設計人員在對UDF進行實例化時確定。UDF 的定義過程包括幾何定義、屬性定義和約束定義三步。幾何定義就是使用特征造型系統進行造型的過程，幾何定義的過程則表現為用戶從特征歷史樹上選取子特征的過程，被選取的子特征構成UDF所包含的內部特征集合。屬性定義的過程是定義UDF所包含的描述信息的過程。約束的定義分為兩步，首先用戶選擇具有工程意義的尺寸和參數，而后用戶建立個參數之間的約束方程。UDF 的實例化過程包括UDF 定位、參數賦值、約束檢查和內部特征重構四步。通過對屬性和參數重新賦值, 進而驅動UDF 模型得到不同的實例。

　　3.3 系統概念模型

　　該平臺的整體設計模型如下圖1，其中擁護模型庫是指用來存放用戶自定義特征的特征集合。運用用戶自定義特征(UDF)這種機制可建立用戶自定義特征和專用特征庫，設計者只要在設計過程的用戶界面中輸入相關參數值和約束值，就可將用戶自定義特征無縫集成到設計過程當中，滿足用戶的特定要求，體現了設計者的靈活性和創造性，提高了設計效率。設計人員可以將經常使用的特征經過定義以后存于用戶自定義特征庫(UDF LIBRARY)中，當此類特征積累到一定數量時，這些特征就成為設計的標準特征數據庫，后續設計中遇到同樣的問題時，只需要從數據庫中選用所需的UDF 特征，既節省時間又能使設計滿足標準化模塊化的要求。用戶自定義特征庫系統主要由圖庫與外界的接口模塊、特征部件注冊表、用戶自定義特征尺寸信息數據庫以及建庫工具組成。界面設計模塊是聯系用戶和系統的橋梁，通過圖形界面用戶可完成自定義特征的調用及后續操作，所有特征模型是參數化的，用戶選擇特征的參數通過注冊模塊已存入數據庫,系統根據選擇類型在數據庫中搜索相應記錄，驅動相應模型生成特征。

　　3.4 系統結構管理

　　用戶注冊模塊對特征進行分類管理，在注冊文件中把特征按照類別不同加入到不同的注冊表項中，方便用戶迅速索引到所需類型的特征。 注冊文件分為兩部分，第一個為數據庫路徑注冊文件，負責提供數據文件路徑。第二個是模型數據注冊文件,根據不同的模型,用戶輸入相應的關鍵尺寸。數據庫的管理分為外部管理和內部管理，其中外部管理的主要工作是，當用戶選擇某一特征名稱時，在界面上顯示特征的關鍵尺寸參數和二維圖形。一旦用戶確定采用某一規格的特征時，特征管理系統就會根據其名稱到特征幾何模型庫搜索相應的模型。同時，根據特征名稱到庫中搜索相應的數據文件。最后，用這些參數值對標準件模型進行驅動，得到用戶指定的特征。數據的內部管理主要通過系統注冊文件和零件間的索引關系來實現，在建庫時通過文件名實現特征在庫內部的關聯。數據庫采用Microsoft Excel，利用ODBC訪問數據庫。采用Excel作為存儲介質能讓用戶方便地對標準件數據進行修改，相比其他數據庫，沒有數據庫設計基礎的用戶也能輕松操作，因此具有良好的操作性和擴展性。

　　4 小結

　　隨著市場全球化競爭的日趨激烈，傳統的產品開發手段由于其研制周期長，技術手段落后、產品壽命短和費用高等缺點，己經不能適應市場競爭的需要。作者的研究工作表明，采用參數化設計和關聯設計的方法建立定制化的用戶工具平臺對提高注塑模設計效率，保證設計質量，具有重要意義。同時有效的實現了用戶特征庫的系列化、模塊化以及定制化，并在實際中獲得認可，取得良好得效果。