单元移植技术在快速设计系统构建中的应用

第 10期2013年 10月机械设计与制造Machinery Design & Manufacture 213单元移植技术在快速设计系统构建中的应用姚 孔，杨 波，王兴祖，王继宇，高常青(济南大学 机械工程学院，山东 济南 250022)摘 要：以基于结构重用实现产品快速变异设计为目标，在前人研究成果的基础上，提出了基于特征单元移植的结构变异设计系统的构建模型，对其体系结构及其实现的关键技术进行了探讨。详细阐述了特征单元建模技术中特征单元信息模型、特征单元库的建立方法，并根据箱体类零件的功能和结构特点构建了箱体类零件的特征单元库；分析了组成变异零件基型的特征单元之间的布尔运算类型以及特征单元的具体分割操作过程；描述了通过切合面类型的判断，实现变异零件基型与移植特征单元的拓扑搭接操作过程。最后，通过一个箱体类零件结构变异的实例，说明了该系统实现零件结构变异设计的基本过程。

关键词：特征单元；变异设计；信息模型；拓扑搭接中图分类号：TH16 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)10—0213—04The Application of Rapid Design System Construction in the Transplantation of the UnitYAO Kong，YANG Bo，WANG Xing-zu，WANG Ji-yu，GAO Chang-qing(School of Mechanical Engineering，University of Jinan，Shandong Ji’nan 250022，China)Abstract：In order to quickly variant design a product based on the structure reuse，it constructs the variant design systemmodelfor the structure．This model is based on the achievement ofothers．and it makes。clear analysis about the model’Sstructure and key technologies．h gives out the methods ofconstructing the information model offeature unit andfeature unitlibrary and then gives out the box bodics’feature unit library through the analysis oftheirfunction and characterizes；besidesthe study it also analyzes the segment process of the based model of the variant units between the ature units and theBoolean type and then suit sugCace the based mo del ofthe variant units and the transplantedfeature units by the analysis ofthefayingSu~Cace．Finally，it illustrates a variant design ofboJy box to elucidate the system’Sfunctior~Key W ords：Feature Unit；Variant Design；System M odel；Topology Faying1引言在产品创新设计过程中，有效的利用原有产品的设计经验、设计结果，采用产品重用设计技术，变型设计技术以及变异设计技术 ，对原有产品进行功能、结构的重用，可以极大地提高设计效率，缩短产品的设计周期。产品重用设计技术是在产品的创新设计过程中，对现有设计经验及设计资源重新利用，实现新产品快速研发的一种设计技术；产品结构变型设计是在保持产品基本原理和总体结构基本不变的条件下，为满足特定的功能要求或用户个性化需求，对产品的某些局部结构形式、结构要素或尺寸进行调整、变更 ；产品变异设计技术是在产品已有基型基础上，为了满足客户的多样化以及个『生化需求而进行的一种变结构 、变拓扑的结构设计方法，该方法可以快速开发出满足用户需求的产品，对于快速响应市场需求，提高产品设计效率以及优化产品设计质量具有重要意义田。其中，结构移植技术是近几年提出的一种有效的变异设计技术。在结构变移植技术方面，浙江大学做了许多有益的尝试。如文献嚷 出了零件基结构的细分与重组方法，移植结构与零件变异基型的映射拓扑搭接方法以及桥接拓扑搭接方法 ，并通过开发的原型系统给出应用实例。文献【 通过对零件结构变异过程的深入研究，提出了基于语义相似的自动化拓扑重构技术，建立了结构变异设计过程模型。为实现产品的快速设计，在借鉴前人关于结构移植技术研究工作的基础上，从基于结构移植技术进行产品快速设计系统建模方面进行了一些尝试，提出了从构成零件模型的结构特征层次对机械零件产品局部结构特征进行变异设计的系统模型的构建方法，给出了基于结构移植的零件变异设计的关键技术。

2基于单元移植的快速设计系统体系结构基于特征单元移植的结构变异设计系统的体系结构，如图 1所示。系统主要包括三个功能模块：(1)特征单元信息模型建立与特征单元库建立模块：根据构成零件的结构特征的功能和特点，将特征单元基本信息划分为六个部分，建立每一部分所描述的特征单元信息，根据各个部分所描述信息的相互关联关系，建立特征单元信息模型。根据构成变异零件基型的结构特征，提取出构成零件的最基本的特征单元，建立零件特征单元库，作为的移植特征单元库。(2)特征单元分割模块，该模块的主要功能是根据零来稿日期：2012—12—14基金项目：国家自然科学基金项 目(50975124，50905074)；山东省高等学校科技计划项 目(J09LD07)作者简介：姚 孔，(1986一)，男，甘肃会宁人，在读硕士，主要研究方向：现代设计方法与理论；杨 波，(1968一)，女，黑龙江牡丹江人，教授，博士，硕士生导师，主要研究方向：现代设计方法与理论、协同设计等214 姚 孔等：单元移植技术在快速设计系统构建中的应用 第1b期件结构变异需求 ，通过分割特征对变异零件基型进行分割，获得零件变异特征单元。(3)特征单元拓扑搭接模块，通过对零件变异基型与移植特征单元的切合面的确定，完成搭接类型的判定，从而完成拓扑搭接，满足变异需求，实现零件的结构变异设计。

图 1基于特征单元移植的快速设计系统的体系结构Fig．1 The Structure of the Rapid Design SystemBased on the Transplantation of the Unit3基于特征单元移植的快速设计关键技术3．1特征单元建模技术3．1．1特征单元信息描述模型的建立特征单元信息模型，如图 2所示。主要包括六个部分：特征单元ID编号 、特征类型 、关联信息 、几何信息 、功能信息、语义信息 。可用一个六元组表示为：FIM=l ， ，Fr， ， ， j。

特征单元 ID编号描述特征单元在变异零件基型中的排列序号；特征类型 用于描述特征单元的造型方式，主要分为拉伸特征、旋转特征、扫描特征、放样特征等四种基本类型；几何信息描述特征单元的外观几何形状信息以及所包含的体素(点、线、面、体)之间的拓扑关系信息；功能信息 描述特征单元在变异零件基型中所实现的物理功能信息；语义信息 描述一些如在变异设计中所涉及的一些参照对象(中心线、轴线、基准面等)的信息。

关联信息 描述此特征单元模型与其它特征单元模型之间的相互约束信息，主要包括两种类型：尺寸驱动关联，定位关联。

特征单元信息模型I窜 囱囱[图2特征单元信息模型Fig．2 Information Model of Feature Unit(1)尺寸驱动关联描述两个特征单元的结构尺寸之问符合某种函数y ( )约束关系，即一个特征单元的某个尺寸 随着另一个特征单元的某个尺寸 的变化而变化。 所在特征单元称为参考特征单元；所在特征单元称为目标特征单元。相应地 称为参考尺寸；称为目标尺寸。

(2)定位关联描述特征单元之间的一些参考元素(点、线、面)存在相互定位的信息。需要通过约束元素约束进行固定的特征称为被约束特征，用于被约束特征进行固定时参照的特征称为约束特征。被约束特征上的参考元素称为被约束元素，约束特征上的参考元素称为约束元素。零件特征单元之间的定位类型，如图3所示。

压平面匹配 I l轴线重合 l l中心重合 l l角度约束窍 蒜 l平面一平面I l 要黻 l l平面一平面I l线，面一线，面溯 l I I I I 说明 I平行，同向或l和参照轴l? ll画之间的 异向一定偏距线重合 I夹角为定值
图3特征单元l司的定位类型Fig．3 Localization of Type Between Feature Units3．1．2特征单元库的建立建立箱体类零件的特征单元数据库模型，如图4(a)所示。数据库中主要存储移植特征单元的三维几何模型信息和参数信息，其中，参数信息主要包括名称、材料、工艺、参数表等，如图4(b)所示(a) (b)图4箱体类零件的特征单元库模型及单元存储信息Fig．4 Box Bodies’Feature Unit Library and Feature Uints’Information3．2特征单元分割技术3．2．1特征单元的布尔操作运算组成变异零件基型的特征单元之间要通过布尔运算来生成变异零件几何模型，特征运算操作定义了当前零件特征单元在变异零件模型生成过程中，所参与的布尔运算类型。布尔运算类型共有三种：“加”、“减”、“交”。其结构参与运算时的布尔运算值BCS取值规律，如表 1所示。

在基于单元的变异设计过程中，通过各单元的信息模型及属性定义，可以确定变异零件基型的特征单元的组成，根据特征之间的尺寸驱动关联、定位关联，可建立基型零件P的基于布尔操作符的几何描述模型： ? ，其中：“ 代表特征单元之间的布尔运算类型，即“+”、“一”、?X’。

NO．100ct-20l3 机 械 设 计 与制 造 215表 1布尔运算类型Tab．1 Boolean TypeCF一1 布尔减运算操作( 1 市尔加运算操作BC,=2 布尔交运锋操作3．2．2特征单元的分割特征单元的分荆操作主要是通过分割特征来分割变异零件基型或零件基本特征单元实现 ，基本的分割特征有平面与圆柱而， 此其分割类 十日应地也分为平面分割 ‘j网柱面分割。一个特征 ’通过分割特 被分割为两个特征 ，记作 ： ( ，)。特 单元的分割类型．如表 2所示。其中，平面分割中以平面为分割特征，将一个特征分割成平面两侧的两个分割特征。圆柱面分割中以网柱面为分割特征，将特征分割为圆柱面内外两侧的两个分割特征。根据被分割特征与分割圆柱的相对尺寸和空间位置状态 ，网柱面分割分为并分割和差分割。

表 2特征的分割类型，运算模式与实例Tab．2 The Type of the Segment of theFeature，Operation Mode and Case3．3特征单元的拓扑搭接技术本的拓扑搭接流程，如同 5所示。

图5拓扑搭接流程Fig．5 The Process of the Topology Faying根据切合丽的类型将移植结构的拓扑搭接分为规则曲面搭接(平面搭接、网柱面搭接、平面一规则曲面搭接)和自由曲面搭接 。拓扑搭接的搭接类型和各种搭接的实现步骤，如表 3所示。

表 3拓扑搭接类型和搭接步骤Tab．3 Topology Faying Type and theSteps of the Topology Faying下面以平面搭接为例说明拓扑搭接过程。此时设 日标切合面和参照切合阿都为平面，设两平面的法向量分别为el( Y )和e 2(％y2 )，两平面的中心点坐标分别为，)．( Y 。)和p 2(y ，。：)，其搭接步骤如下：(1)法向对齐：汁算搭接过程中旋转时的旋转向量e和旋转角度0，并旋转，使其法向埘齐。

e=：elxe2=(ylz2-y~1，x?y1 I
．
y2， lY2 1)州 叫 J+兀= arecos( 鲁 ／ 一 1+竹 厂— — — ， ， l1T
＼、／ V ： ：?(2)巾心对齐：计算平移向量P ：，J， =( ：一。， ．，。 )由平移变换矩阵可以得到平移搭接变换坐标为：『1 0 0 0]( ， )=(xo,yo,zo,1)·{0 01 0l 0}【 ，— 。ly -y z，— 1 J从i『l『使目标切合面和参照切合面中心对齐。

(3)径向对齐：通过以对齐中心为旋转矢量的始点使它们径向对齐或角度对齐。

4基于单元移植的变异设计过程模型基于特征单元移植的结构变异设计是从组成零件的结构特征层次考虑，将已有的零件特征单元移植到需要变异的零件基型上，与变异零件基型完成拓扑搭接，实现零件形状结构以及拓扑的改变，其基本结构关系和流程，如图6所示。

图6单兀移植变异没if‘过程模型Fig．6 The Basic Relationship of Structure andProcession and 1"1ansplantation of the Unit5系统设计实例5．1零件的特征单元信息模型陔箱体类零件主要 底腾、饥架、轴孔等部分组成．其零件模型 P可以分解为 ， ， ，?， 共 6个最基本的特征单元，如7所示。各特征单元的关联火系，如表4所示。

罔 7输体零件的特征 元分解Fig．7 Box Bodies’Feature Unit’ Segments，S-、／ 2l6 机 械 设 计与 制造No．1O0ct．20l3表4箱体类零件特征单元关联关系Tab．4 Box Bodies’Feature Unit’s Incidence Relation根据以上箱体类零件的变异零件基型与零件特征单元之间的拓扑关系，可以获得各个零件特征单元的信息模型，特征单元ID编号 、特 类型 、关联信息 、几何信息 、功能信息 语义信息。 如表 5所示。根据此箱体类零件各个零件特征单元的信息模型，可以获得零件几何信息的生成规则：G (FI— )+5-2零件的变异特征单元箱体类零件的变异需求 ，如图 8所示。图8(a)和图8(b)分别为变异前的原零件和 目标零件的几何模型，即需对图8 Ca)图的箱体零件的底座进行特征单元移植。通过图8箱体零件的特征单元分解，可知，此次变异可以通过对零件特征单元 进行特征单元移植替换实现，因此零件的变异特征单元为 。

表 5箱体类零件的特征单元信息模型Tab．5 Information Model of Feature Unit of the Box Bodies特征类型 尺寸 关联 几何信息 功能信息 功能信息(a)变异前 (b)变异前图8箱体类零件的变异需求Fig．8 The Demand of the Variation of the Box Parts5．3移植特征单元的拓扑搭接(c)中心对齐 (d)切合面贴合图9移植特征单元的拓扑搭接Fig．9 Topology Faying of the Transplantation of the Unit将新的底座作为移植特征单元，如图9所示。以机架 与零件变异特征单元相接触的面为参照切合面，移植特征单元的上平面为目标切合面，由于目标切合面与参照切合面都是平面，并且其形状和拓扑性质相一致，因此，系统运用平面搭接方式完成拓扑搭接。首先，通过法线对齐变换操作，使切合面对的法线对齐，如图 9(b)所示 ；其次，通过中心对齐变换操作 ．使切合面对的中心对齐，如图9(c)所示；再次，根据切合面对的性质，使它们面面切合，如图 9(d)所示。通过利用平面对齐方式以及平面与平面的切合关系，实现了移植特征单元的定位以及与零件变异基型间的拓扑搭接，从而完成零件的结构变异设计。

6结论在借鉴前人工作的基础上，提出了基于结构移植技术的、从构成零件模型的结构特征层次对机械零件产品局部结构特征进行变异设计的系统模型的构建方法，给出了基于结构移植的零件变异设计的关键技术。该方法是针对同一类零件进行的快速变异设计即产品的再次设计。在设计过程中，对某一给定的零件，利用分析软件进行分析，如果局部的某一结构特征的强度达不到要求，该系统只需要从移植特征库中检索 与变异结构特征单元相似的特征结构单元，对局部结构特征单元进行快速替换，根据切合面类型完成拓扑搭接 ，实现产品的再次设计，而无需对零件的每个结构特征重新设计，并考虑结构特征之间的约束关系。因此，提高了产品的设计效率，实现了产品的快速设计。然而，该系统只能对一些拓扑结构比较简单的零件完成变异设计，对拓扑结构比较复杂的零件，其特征单元的分割操作还有待进步一步的研究，希望在以后的工作中加以改进。

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