摘 要： 為了保證機械產品質量，提高產品生產效率，滿足不同客戶的特殊需求，對SolidWorks做二次仿真開發，并在此基礎上進一步做協同開發，實現協同、仿真合二為一；同時，對后臺大量仿真數據采用自動管理和人工管理兩種方式，確保前臺協同仿真設計系統的高效性、實用性。
關鍵詞： 機械產品；協同仿真設計；SolidWorks；自動管理；人工管理；齒輪
現今機械產品設計呈現多元化、實用化、信息化的特點，需要提供新的工作環境來滿足這種變化；傳統的機械產品生產從設計到原型生產、測試需要花費很多時間，開發周期長，而且各個環節之間缺乏信息溝通，常導致設計人員之間的合作不協調。隨著計算機技術、網絡技術、信息技術的發展，產品協同仿真設計應運而生。協同仿真設計改變了傳統的生產模式，適應當今紛繁多變的市場需求及團隊合作研發[1-2]。
1 協同仿真設計
1.1 協同仿真設計的必然性
現今的機械設計已經演變為一個多學科、多技術的綜合研究領域，機械產品設計的復雜度越來越高，設計活動越來越強調基于知識資源的協同設計，從而克服時間、空間、計算機軟硬件等限制，形成一個便于群體相互交流和合作的“虛擬同地”的共同設計空間，由于協同設計人員分布于不同的單位及機構，使研發資金分散開來，降低了各部門的研發開支。協同設計可以充分利用機械產品研發中的不同知識資源，避免大量“知識孤島”的形成，提高知識共享和重用效率，加快創新速度。
另一方面，為了改變原始的工人原型生產弊端，在機械產品的研發設計階段可以采用仿真設計。仿真設計充分利用各種有效資源實現產品數字模擬、性能仿真分析，方便、安全地找出產品的錯誤設計，及時改正，保證產品的安全性；研發過程充分匯集了工程實用信息、產品最新理念信息及其他相關信息，確保產品的實用性和創新性。為了最大限度地提高產品研發進程，將協同設計和仿真設計合二為一，協同仿真設計是目前制造業的重要應用技術[3]。
1.2 協同仿真設計的工作原理
分布在不同地點的設計人員通過網絡進行產品協同仿真設計，生成產品數字原型，在虛擬環境中做相關實驗、測試，確保生產進度并保證產品質量。協同工作模式在時間段上可以是同步或異步，在整個協同設計過程中，用戶可以根據實際情況選擇使用。
例如，設計者A邀請設計者B對他的設計目標進行操作時，二者可以共同設計目標產品，同時可以進行信息交流，操作過程中需要滿足仿真數據與模型顯示同步，所以傳輸數據應盡可能少，這里利用VS C#中的ADO.NET和XML的緊密集成、顯示統一作為網絡編程接口的基礎，實現協同仿真設計開發，如圖1所示。
產品設計過程中產生的大量仿真數據，需要優化管理，否則占用的存儲空間較大，通常在幾百兆至上千兆之間。協同仿真設計在數據管理方面可以采用自動管理和人工管理兩種方式，前者獲取多人設計的最優仿真數據替換原始數據，避免數據冗余；后者由多人設計組組長來確定是替換原始數據還是產生新數據，確保關鍵數據不會丟失。通常情況下，可以采用前者，重要設計時應該指定組長來主控。
2 機械產品的協同仿真設計
2.1 SolidWorks做二次開發的先決條件
SolidWorks是一種全新的三維機械仿真軟件，以PDM為平臺，集成CAD/CAE/CAPP/CAM等CAX軟件，提供全參數化三維實體造型設計；并提供了幾百個API函數，為二次開發提供了充分空間。基于SolidWorks的二次開發創建網絡支持的協同仿真設計系統，可以充分利用異地資源，大大提高設計效率，減少設計成本，具有重要的現實意義。
SolidWorks二次開發可以采用OLE技術或COM技術。利用OLE技術可以開發獨立的可執行程序(*．exe)，用戶可以使用來自兩個或多個Windows應用程序的資源來解決復雜的應用課題；基于COM的技術可以使用最多的SolidWorks API函數，生成*．dll格式的文件，加載到主架構應用系統中，形成二次開發軟件系統的一個插件。一般情況下，在執行SolidWorks中的大部分操作時，模塊內的DLL比模塊外的EXE運行速度快許多，因此采用COM技術開發方式比較多。
2.2 SolidWorks協同仿真組件的二次開發
SolidWorks同其他CAD軟件一樣，是針對整個制造業所設計的通用軟件，而非為某個具體行業和企業量身訂制，因此不能最大程度地滿足具體用戶的特殊要求，常常要對SolidWorks進行二次開發，實現三維CAD系統的專業化和本土化。Microsoft推出的Visual C#是一個純面向對象程序設計語言，其編譯系統提供了與其他軟件系統良好的接口，很適合對SolidWorks進行二次仿真開發，這里采用COM技術對SolidWorks做二次開發。
2.2.1 仿真組件二次開發
首先，SolidWorks API需要導入Visual C#編譯系統，即執行“選擇工具箱項”命令，切換到“COM組件”選項卡導入SLDWorks類庫；接著，在“解決方案資源管理器”中引入命名空間SldWorks，即實現SolidWorks API函數庫的導入；最后，利用導入的函數庫資源進行程序編碼，代碼經過編譯生成零件仿真組件PartsDLL.dll，將組件PartsDLL再嵌入仿真應用系統，則此系統便可以在需要的地方創建PartsDLL中類的對象并進行對象行為的執行，由此完成SolidWorks仿真組件二次開發，實現SolidWorks的專業化、本土化。
2.2.2 基于仿真組件的協同設計開發
在專業化、本土化的SolidWorks仿真組件基礎上再做協同設計開發，這里協同模式包括自動管理和人工管理兩種方式。協同設計過程中要求傳輸數據量應盡可能少，這里提出XML增量數據傳輸。如設計者A在數據模型上做參數修改，建立與參數模型相對應的中間變量。此中間變量中包括原標識碼、新標識碼及其他參數，并將此中間變量中機械產品的修改參數替換數據庫中對應記錄的相應參數。設計者B做協同設計時，可以讀取設計者A的數據庫中記錄的變動元素信息，轉換成XML增量文件做數據傳輸，接收到本機后從XML增量文件中抽取增量信息，利用原標識碼在數據庫中檢索此記錄，若此次是自動管理協同設計，則將抽取到的增量信息替換檢索記錄中的對應字段；若此次協同設計很重要，采用人工管理方式，由組長確定是替換原記錄還是產生新記錄[4-6]。然后調用DLL仿真組件來繪制出三維仿真數據模型，并實現產品模型在設計者A與設計者B之間的同步顯示，完成協同設計的任務，具體實現如圖2所示。
將生成的多個DLL仿真組件及一個DLL協同設計組件嵌入到仿真應用系統中，實現協同仿真設計開發，如圖3所示。
2.3 齒輪的協同仿真設計
齒輪傳動的設計參數不僅對齒輪的壽命和強度產生影響，而且對齒輪組在嚙合的傳動性能也有很大的影響。例如齒輪模數大小的變化對齒輪傳動中齒輪振動、潤滑間隙、齒輪嚙合穩定性會產生影響，從而影響齒輪的強度及壽命；齒輪螺旋角的大小對于齒輪傳動的扭矩和齒輪的強度產生影響；變位齒的變位系數的變化直接產生齒輪根切，影響齒輪的傳動。
這里設計者A和設計者B對齒輪模數做協同仿真設計，設計者A先對產品做模數修改并將修改參數存入數據庫，同時利用仿真組件生成三維仿真數據模型；設計者B實時從數據庫中提取設計者A修改過的參數，生成XML增量文件傳輸到本機，再利用本機仿真組件生成與設計者A相同的三維仿真數據模型，實現顯示同步，如圖4所示。
接著，對齒輪做兩方面的仿真分析：(1)靜態分析。通過調整齒輪的應變、應力、轉矩的參數，找出一組使齒輪具有更好的使用時間和效率的數據；(2)運動分析。施加不同的阻尼來模仿實際中的效果，找出最優阻尼以利于更好地提高齒輪的使用效率。
通常情況下可以采用自動管理方式，若此仿真設計數據最優則中間變量替換原始數據，實現數據最優管理；若原數據是階段性的關鍵數據，則應采用人工管理方式由設計組組長做仿真分析，確定是替換原始數據還是產生新數據，實現關鍵數據管理。
協同仿真設計的引入使設計人員、供應商、制造商和客戶保持緊密聯系，提高溝通效率，及時匯集多方面信息，快速開發新產品。可是遠程協同設計由于剛剛起步，像其他新興技術一樣還不夠完善，隨著CAD技術、計算機網絡技術、數據庫技術及人工智能技術的不斷發展，遠程協同設計的內容必將越來越豐富，功能越來越強大，所提供的服務也將越來越完善。
參考文獻
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