CN112906082B - 一种线缆组件的mbd模型的自动生成方法 - Google Patents
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Abstract
一种线缆组件的MBD模型的自动生成方法，其特征是：根据线缆组件的特点，构建其MBD模型，并基于线缆组件的拓扑信息对其他信息进行组织与存储，形成线缆组件的MBD信息模型，读取线缆布局结果XML文件后，借助CAD的二次开发接口进行线缆自动建模，然后基于MBD信息模型获取零件的标注信息和标注对象，自动进行信息的三维标注，完成线缆组件的MBD模型的自动生成。本发明实现了一种线缆组件的MBD模型的计算机辅助设计方法，在全三维的环境中自动进行线缆组件的设计建模，可以有效提高产品设计效率，减少产品的研发周期。尤其解决了基于模型定义的产品数字化样机中线缆组件的MBD模型设计困难的问题。
Description
技术领域
本发明属于计算机辅助设计领域，尤其是一种将线缆组件的各种信息基于拓扑信息进行组织，并存储在计算机内存中，然后根据标注集的定义，获取各零件的标注集内容，实现信息自动三维标注的方法，具体地说是一种线缆组件的MBD模型及其自动建模方法。
背景技术
线缆是机电产品的重要零件，主要用于电能或信号的传输，在航空航天、船舶、车辆等复杂机电产品中大量使用。随着机电一体化技术的发展，机电产品中用到的线缆数量也越来越多，处于同一区域或负责同一功能模块的线缆会进行捆扎，然后在线缆端部安装连接器，形成线缆组件，通常以线缆组件为整体进行线缆的设计。
随着MBD(Model Based Definition，基于模型的定义)技术的发展，众多三维CAD软件均提出了MBD解决方案，如：CATIA中的FTA模块可以对零件进行三维尺寸、公差标注，编写三维注释等；UG中的PMI模块可以在三维环境下进行制造工艺信息的创建、查询等，并且有很多学者基于这些平台，对MBD技术的应用展开了研究。田富君等引入工序MBD模型的概念，提出了以工序模型作为工艺设计的基本单位和信息载体，几何信息与工艺信息依托与加工特征，建立了面向工艺的MBD模型(详见文献：田富君,田锡天,耿俊浩,张振明.基于模型定义的工艺信息建模及应用[J].计算机集成制造系统,2012,18(05):913-919.)。RuiHuang等基于目前MBD模型由于缺少特征数据模型而无法很好地应用于制造领域，着眼于加工零件的模型重用，提出了一种基于加工特征的多层次MBD结构化模型，并利用几个航空结构件验证了该模型的有效性(详见文献：Rui Huang,ShushengZhang,XiaoliangBai,Changhong Xu.Multi-level structuralized model-based definition model based onmachining features for manufacturing reuse of mechanical parts[J].TheInternational Journal of Advanced Manufacturing Technology,2014,75(5-8).)。王峻峰等提出了装配MBD数据集的概念，将装配数据集划分成了产品信息、过程信息和资源信息三个部分，给出了这些信息的来源，并研究了信息的可视化方法，通过三维标注表达几何类装配信息，通过三维注释表达属性类装配信息(详见文献：王峻峰,鲁明上,李世其,刘翊.产品装配MBD数据集及其应用研究[J].制造业自动化,2013,35(02):78-82.)。
而目前，MBD技术在线缆类产品中的应用还较少。北京理工大学的王春阳基于MBD技术的思想，根据线束产品的特点，提出了涵盖线束设计、工艺、制造阶段信息的三维全信息模型，以物料表作为数据的组织形式，根据各个阶段的信息需求情况完成了物料表的演化，并对三维环境下各类信息的表达方法进行了研究，实现信息的三维标注，进而实现对制造过程的辅助(详见文献：王春阳.航空线束产品三维全信息模型定义与应用研究[D].北京理工大学,2017.)。
MBD技术在线缆类产品中的应用与研究较少，根据线缆的特点，构建其MBD模型，实现线束的全三维设计，是未来的发展趋势。为此，本发明提出了一种线缆组件的MBD模型自动建模方法，基于拓扑信息，对所提线缆组件的MBD模型中的其他信息进行组织，并将其存储形成信息模型，从信息模型中获取标注信息与标注对象后，计算各零件的视图平面，根据定义的信息表达方法进行自动三维标注。
发明内容
本发明的目的是针对机电产品线缆组件的MBD建模问题，设计了一种线缆组件的MBD模型，并通过对MBD模型中的信息进行组织和存储，利用CATIA的二次开发接口CAA进行线缆组件几何模型的自动创建以及信息自动标注，从而自动构建线缆组件的MBD模型。
本发明的技术方案之一是：
一种线缆组件的MBD模型，其特征为该模型定义了线缆组件在三维环境下的所有设计信息，内容包括以下六类信息及其组织：坐标系、几何信息、拓扑信息、电气信息、标注集和其他信息，其中，其他信息包括设计人员、版本号等。以拓扑信息为骨架，组织MBD模型中的其他信息，并构建若干类，对MBD模型进行存储。
所述的坐标系为组成线缆组件的各个零件的坐标系；所述的几何信息为各零件的几何模型以及几何尺寸和公差；所述的拓扑信息为线缆分支之间的关联关系以及线缆与其他零件间的关联关系；所述的电气信息为导线层面上各个端口的电气连接关系；所述的标注集包括几何尺寸、公差、零件属性、电气连接关系、物料明细等，其中零件属性为零件的规格、型号、颜色等信息；所述的其他信息包括设计人员、版本信息等。
所述的以拓扑信息为骨架的信息组织方法，是将拓扑信息用图模型表达，其他5类信息分别根据线缆组件的结构特点关联到拓扑图中的相应元素上。具体为将线缆组件中的连接器、线缆分支点表达成拓扑图中的顶点元素，将各个线缆分支表达成拓扑图中的边元素。与所述的顶点元素关联的信息有：连接器的几何模型、坐标系、零件属性、针脚的电气连接关系等；与所述边元素关联的信息有：线缆分支长度、线缆直径、线缆最小弯曲半径、线缆始末端连接器、线缆上的附件信息、导线规格、导线颜色、导线截面积等。
所述的线缆组件的MBD模型，其数据结构由线缆组件的MBD信息模型类、连接器类、线缆分支类、线缆类、导线类、附件类、标注集类组成，其中附件类的子类为保护套管类和捆扎固定件类，标注集类的子类为连接器标注集类、线缆标注集类和物料标注集类；每个连接器实例、线缆分支实例都与拓扑图中的元素对应，并依据拓扑图建立这些实例之间的关联；线缆分支实例记录该分支的几何模型、路径点、长度、附件情况、包含的线缆集合，线缆实例记录线缆编号、直径、最小弯曲半径、长度及公差，连接器实例记录其几何模型、坐标系、型号、附件实例记录附件编号、几何模型、坐标系、附件类别，标注集实例记录标注信息、标对对象、视图平面；每个连接器实例与导线实例、标注集实例关联，每个线缆分支实例与附件实例、线缆实例关联，每个线缆实例与导线实例、标注集实例关联，线缆组件的MBD信息模型实例与连接器实例、线缆分支实例、标注集实例关联。
本发明的技术方案之二是：
一种线缆组件的MBD模型的自动生成方法，其特征是根据线缆组件的特点，构建其MBD模型，并基于线缆组件的拓扑信息对其他信息进行组织与存储，形成线缆组件的MBD信息模型，读取线缆布局结果XML文件后，借助CAD的二次开发接口进行线缆自动建模，然后基于MBD信息模型获取零件的标注信息和标注对象，自动进行信息的三维标注，完成线缆组件的MBD模型的自动生成。步骤如下：
(1)根据线缆组件的MBD模型中几何信息、拓扑信息、电气信息自动生成线缆组件CAD的三维几何模型。
(2)在线缆组件的几何模型上对标注集信息进行自动三维标注。
所述的自动生成线缆组件的CAD三维模型包含以下步骤：
(1)读取XML格式的线缆布局设计结果的接口文件，分别建立线缆组件的MBD信息模型内容中的六类信息，其中拓扑信息根据线缆组件端点、分支点之间的邻接关系构建拓扑图，在拓扑图中按照接线关系进行端口到端口的路径搜索，求出每根线缆的具体路径，从而计算出线缆组件捆扎段的直径和最小弯曲半径等几何信息。
(2)获取每个线缆捆扎段的路径和几何信息后，利用CAD二次开发接口对每个线缆分支进行几何建模。
(3)给建立好的线缆分支几何模型添加切线方向，具体方法为：根据所求的线缆路径，对组成同一根线缆的线缆分支，每次获取两个相邻线缆分支的路径点，它们的公共路径点为点P，可将其中一个线缆分支的中心线作为切线方向的参考添加在另一个线缆分支的点P处。添加完成后需要检查两个线缆分支的中心线矢量方向是否一致，当两个线缆分支的起点或终点相同时，它们的中心线矢量方向不一致，需要对所添加的切线方向进行反转操作。切线方向的添加和反转操作都通过CAD二次开发接口实现。
所述的线缆组件信息自动三维标注方法括以下步骤：
(1)从线缆组件的MBD信息模型中获取标注信息与标注对象；
(2)计算不同标注信息的视图平面；
(3)根据信息的表达方法生成三维标注信息。
步骤(1)中所述的标注信息包括：线缆信息、连接器信息和物料信息，线缆信息主要为：编号、长度及公差、直径、最小弯曲半径、线缆上的附件、始末端连接器以及内部包含的导线信息；连接器信息主要为：型号、针脚连接情况；物料信息为线缆组件的物料使用情况。标注对象包括：线缆、连接器。
步骤(1)中所述的线缆标注信息与标注对象的获取方法为：从线缆的实例中能够获取到线缆的几何尺寸、属性信息、内部导线信息以及始末端连接器，根据始末端连接器，在拓扑图指定起点与终点进行搜索，求出组成该线缆的所有线缆分支，这些分支的长度之和就为线缆的长度，分支上的所有附件，就为线缆上的附件情况，线缆信息的标注对象为内部线缆数量为1的线缆分支模型；连接器标注信息和标注对象的获取方法为：遍历拓扑图中的顶点元素集合，获取所有的连接器实例，从每个实例中即可获取连接器的标注信息和标注对象；物料信息的获取方法为：在获取电缆信息和连接器信息时，已经完成了线束组件拓扑图的遍历，可获得线束组件的物料信息，经过处理后形成物料清单，物料信息与整个线缆组件相关，可以与线束组件上的任意零件进行关联。
步骤(2)中所述的视图平面分为线缆信息视图平面和连接器信息视图平面，把物料信息加入到线缆信息的视图中。线缆信息的视图平面用一系列路径点拟合而成，用公式评判线缆组件中捆扎段的长度占比，若捆扎段长度占比超过50％，则用捆扎段的路径点拟合平面，作为线缆信息的视图平面；否则，用线缆的所有路径点拟合平面，作为线缆信息的视图平面。连接器信息的视图平面用所有线缆的端点拟合而成。
步骤(3)所述的信息表达方法可分为文字注释和表格表达。线缆自身的几何尺寸、属性等信息可用文字注释的形式逐条表达；线缆内部包含的导线可能数量较多，需要表达每根导线的属性信息，可用表格的形式对导线信息进行组织。连接器的编号和型号可用文字注释的形式进行表达，连接器引脚与导线的连接关系可用表格的形式表达。物料信息通常用表格的形式表达。标注时，线缆和连接器的标注信息需要通过引导线与对应的标注对象关联，而标注物料信息与整个线束组件相关，标注时不使用引导线。此外，可将组成单根线缆的线缆分支进行高亮显示，表达出拓扑信息。
本发明的有益效果是：
本发明实现了一种线缆组件的MBD模型的计算机辅助设计方法，在全三维的环境中自动进行线缆组件的设计建模，可以有效提高产品设计效率，减少产品的研发周期。尤其解决了基于模型定义的产品数字化样机中线缆组件的MBD模型设计困难的问题。
附图说明
图1是线缆组件的MBD模型。
图2是线缆组件对应的拓扑图。
图3与拓扑图中元素关联的信息。
图4是线缆组件的MBD模型UML类图。
图5线缆布局设计的XML文件。
图6机电产品模型与线缆组件模型。
图7线缆信息视图平面。
图8连接器信息视图平面。
图9线缆信息的标注结果。
图10连接器信息的标注结果。
具体实施方式
下面结合附图和某机电产品线缆组件的MBD模型实例对本发明作进一步说明。
如图1-10。
一种根据线缆组件的特点构建的线缆组件的MBD模型如图1所示，它由坐标系、几何信息、拓扑信息、电气信息、标注集和其他信息组成，其中，标注集包括几何尺寸、零件属性、电气连接关系、物料明细等等。其中，坐标系为组成线缆组件的各个零件的坐标系；几何信息为各零件的几何模型以及几何尺寸和公差；拓扑信息为线缆分支之间的关联关系以及线缆与其他零件间的关联关系；电气信息为导线层面的电气连通关系；零件属性为零件的规格、型号、颜色等信息；其他信息包括设计人员、版本信息等。基于拓扑信息将其他五类信息关联起来，实现MBD模型数据的检索和存储。
以拓扑信息为骨架的信息组织方法为：将线缆组件中的连接器、线缆分支点抽象成顶点元素，将线缆分支抽象成边元素，建立元素之间的关联，使其形成一张拓扑图(图2)，将线缆组件的MBD模型中的各种信息与拓扑图中的元素关联，从而进行信息的组织。与所述的顶点元素关联的信息有：连接器的几何模型、坐标系、零件属性、针脚连接关系等；与所述边元素关联的信息有：线缆分支长度、线缆直径、线缆最小弯曲半径、线缆始末端连接器、线缆上的附件信息、导线规格、导线颜色、导线截面积等。MBD模型中的信息与拓扑图中元素的关联情况如图3所示。
线缆MBD模型的数据结构由缆组件MBD信息模型类、连接器类、线缆分支类、线缆类、导线类、附件类、标注集类组成，其中附件类的子类为保护套管类和捆扎固定件类，标注集类的子类为连接器标注集类、线缆标注集类和物料标注集类；每个连接器实例、线缆分支实例都与拓扑图中的元素对应，并依据拓扑图建立这些实例之间的关联；线缆分支实例记录该分支的几何模型、路径点、长度、附件情况、包含的线缆集合，线缆实例记录线缆编号、直径、最小弯曲半径、长度及公差，连接器实例记录其几何模型、坐标系、型号、附件实例记录附件编号、几何模型、坐标系、附件类别，标注集实例记录标注信息、标对对象、视图平面；每个连接器实例与导线实例、标注集实例关联，每个线缆分支实例与附件实例、线缆实例关联，每个线缆实例与导线实例、标注集实例关联，线缆组件的MBD信息模型实例与连接器实例、线缆分支实例、标注集实例关联。以上所有信息组成了线缆组件的MBD信息模型，其UML类图如图4所示。
线缆组件的MBD模型的自动生成包括以下步骤：
(1)根据线缆组件的MBD模型中几何信息、拓扑信息、电气信息自动生成线缆组件CAD的三维几何模型。
(2)在线缆组件的几何模型上对标注集信息进行自动三维标注。
在本实例中，使用的CAD软件为CATIA，步骤(1)的具体过程如下：
第一步：读取XML格式的线缆布局设计结果的接口文件(图5)，分别建立线缆组件的MBD信息模型内容中的六类信息，其中拓扑信息根据线缆组件端点、分支点之间的邻接关系构建拓扑图，按照接线关系用Dijkstra算法求出每根线缆的具体路径，从而求解出每个捆扎段中包含了哪些线缆，用内部线缆最小弯曲半径的最大值作为捆扎段的最小弯曲半径，根据内部线缆的数量与直径，用公式计算捆扎段的直径，直径计算中，C为间隔因子，其值为1.154，N为捆扎段中的线缆数量，di为线缆直径。
第二步：获取每个线缆分支的路径和几何信息后，用CATIA的二次开发接口创建出线缆的几何模型。先使用CreateMultiBranchable函数创建一个多分支线缆零件，根据线缆分支的各种信息用AddBranchable函数添加线缆分支，用SetBundleSegmentAttributes函数设置每个线缆分支的路径和几何信息，最后用ComputeBundleSegment函数生成所有线缆分支的几何模型。
第三步：根据所求的线缆路径，对组成同一根线缆的线缆分支，每次获取两个相邻线缆分支的路径点，使用SetCurveConstraint函数将线缆分支A的中心线作为约束添加在线缆分支B的终点上，使用SetCurveConstraintType设定约束类型为相切；若线缆分支A与线缆分支B具有相同的起点或终点，则添加切线方向后还需使用InvertDirection函数对该切线方向进行反转操作。
打开机电产品的装配体后，用该方法生成线缆几何模型的结果如图6所示。
步骤(2)进行信息自动三维标注的过程如下：
第一步：从线缆组件的MBD信息模型中获取标注信息与标注对象。线缆标注信息与标注对象的获取方法为：从线缆的实例中能够获取到线缆的几何尺寸、属性信息、内部导线信息以及始末端连接器，根据始末端连接器，在拓扑图指定起点与终点进行搜索，求出组成该线缆的所有线缆分支，这些分支的长度之和就为线缆的长度，分支上的所有附件，就为线缆上的附件情况，线缆信息的标注对象为内部线缆数量为1的线缆分支模型；连接器标注信息和标注对象的获取方法为：遍历拓扑图中的顶点元素集合，获取所有的连接器实例，从每个实例中即可获取连接器的标注信息和标注对象；物料信息的获取方法为：在获取电缆信息和连接器信息时，已经完成了线束组件拓扑图的遍历，可获得线束组件的物料信息，经过处理后形成物料清单，物料信息与整个线缆组件相关，可以与线束组件上的任意零件进行关联。
第二步：计算不同标注信息的视图平面。视图平面分为线缆信息视图平面和连接器信息视图平面，把物料信息加入到线缆信息的视图中。线缆信息的视图平面用一系列路径点拟合而成，用公式评判线缆组件中捆扎段的长度占比，公式中Ni为捆扎段的数量，N为线缆的数量，Lbi为捆扎段的长度，Lci为线缆的长度。
若捆扎段长度占比超过50％，则用捆扎段的路径点拟合平面，作为线缆信息的视图平面；否则，用线缆的所有路径点拟合平面，作为线缆信息的视图平面。图7为该模型线缆信息的视图平面。连接器信息的视图平面用所有线缆的端点拟合而成，图8为该模型连接器信息的视图平面。
第三步：根据信息的表达方法生成三维标注信息。信息的标注方法如表1所示，根据表中的信息表达要求创建三维标注信息，图9为线缆信息的标注结果，图10为连接器信息的标注结果。
表1信息的标注方法:
表1线束组件信息表达方法
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种线缆组件的MBD模型的自动生成方法，其特征是它包括以下步骤：
1)根据线缆组件的MBD信息模型中的几何信息、拓扑信息、电气信息自动生成线缆组件的CAD三维几何模型；
2)在线缆组件的几何模型上对标注集信息进行自动三维标注；
所述的CAD三维几何模型的自动生成方法包括以下步骤：
(1)读取XML格式的线缆布局设计结果的接口文件，分别建立线缆组件的MBD信息模型内容中的六类信息，其中拓扑信息根据线缆组件端点、分支点之间的邻接关系构建拓扑图，在拓扑图中按照接线关系进行端口到端口的路径搜索，求出每根线缆的具体路径，从而计算出线缆组件捆扎段的直径和最小弯曲半径；六类信息为坐标系、几何信息、拓扑信息、电气信息、标注集和其他信息，其中，其他信息包括设计人员、版本信息；
(2)获取每个线缆捆扎段的路径和几何信息后，利用CAD二次开发接口对每个线缆分支进行几何建模；
(3)给建立好的线缆分支几何模型添加切线方向，具体方法为：根据所求的线缆路径，对组成同一根线缆的线缆分支，每次获取两个相邻线缆分支的路径点，它们的公共路径点为点P，将其中一个线缆分支的中心线作为切线方向的参考添加在另一个线缆分支的点P处；添加完成后检查两个线缆分支的中心线矢量方向是否一致，如果两个线缆分支的起点或终点相同，且它们的中心线矢量方向不一致时，对所添加的切线方向进行反向操作；
所述的对标注集信息进行自动三维标注包括以下步骤：
(1)从线缆组件的MBD信息模型中获取标注信息与标注对象；
(2)计算不同标注信息的视图平面；
(3)根据信息的表达方法生成三维标注信息；
所述的信息表达方法分为文字注释和表格表达；线缆自身的几何尺寸、属性信息用文字注释的形式逐条表达；线缆内部包含的导线属性信息用表格形式进行组织；连接器的编号和型号用文字注释的形式进行表达，连接器引脚与导线的连接关系用表格的形式表达；物料信息用表格的形式表达；标注时，线缆和连接器的标注信息通过引导线与对应的标注对象关联，而标注物料信息与整个线束组件相关，标注时不使用引导线；此外，将组成单根线缆的线缆分支进行高亮显示，表达出几何和拓扑信息。
2.根据权利要求1所述的线缆组件的MBD模型的自动生成方法，其特征是：所述的标注信息包括：线缆信息、连接器信息、物料信息，标注对象包括：线缆、连接器；线缆信息为：编号、长度、直径、最小弯曲半径、线缆上的附件、始末端连接器以及内部包含的导线信息；连接器信息为：型号、针脚连接情况；物料信息为线缆组件的物料使用情况；标注信息与标注对象的获取方法如下：
(1)线缆标注信息与标注对象的获取：从线缆的实例中能够获取到线缆的几何尺寸、属性信息、内部导线信息以及始末端连接器，根据始末端连接器，在拓扑图指定起点与终点进行搜索，求出组成该线缆的所有线缆分支，这些分支的长度之和就为线缆的长度，分支上的所有附件，就为线缆上的附件情况；线缆信息的标注对象为内部线缆数量为1的线缆分支模型，而线缆信息所关联的对象包括组成该线缆的所有线缆分支；
(2)连接器标注信息和标注对象的获取：遍历拓扑图中的顶点元素集合，获取所有的连接器实例，从每个实例中即可获取连接器的标注信息和标注对象；
(3)在获取电缆信息和连接器信息时，完成线束组件拓扑图的遍历，获得线束组件的物料信息，经过处理后形成物料清单；物料信息与线束组件上的任意模型进行关联。
3.根据权利要求1所述的线缆组件的MBD模型的自动生成方法，其特征是：步骤(2)中所述的视图平面分为线缆信息视图平面和连接器信息视图平面，把物料信息加入到线缆信息的视图中；视图平面的计算方法如下：
(1)线缆信息视图平面的计算方法：用公式评判线缆组件中捆扎段的长度占比，若捆扎段长度占比超过50％，则用捆扎段的路径点拟合平面，作为线缆信息的视图平面；否则，用线缆的所有路径点拟合平面，作为线缆信息的视图平面；
所述公式为：
公式中Ni为捆扎段的数量，N为线缆的数量，Lbi为捆扎段的长度，Lci为线缆的长度；若捆扎段长度占比超过50％，则用捆扎段的路径点拟合平面，作为线缆信息的视图平面；否则，用线缆的所有路径点拟合平面，作为线缆信息的视图平面；
(2)连接器信息视图平面的计算方法：连接器安装在线缆的端部，用所有线缆的端点拟合平面，作为连接器信息的视图平面。
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|---|---|---|---|---|
| CN105956220A (zh) * | 2016-04-18 | 2016-09-21 | 南京航空航天大学 | 一种线缆组件参数化模型及几何建模方法 |
| CN111027134A (zh) * | 2019-11-14 | 2020-04-17 | 中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所 | 一种实现基于mbd的航空复杂结构件的检验方法 |
| CN111274757A (zh) * | 2020-01-19 | 2020-06-12 | 南京航空航天大学 | 一种基于多目标优化的机电产品多分支线缆组件自动布局的实现方法 |
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2021
- 2021-02-07 CN CN202110174648.0A patent/CN112906082B/zh active Active
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