基于基类模型模板的自动武器协同设计系统

收稿日期:2010-12-08;修回日期:2011-02-24。基金项目:国家基础科研项目。

作者简介:楼俐（1982-），浙江杭州人，博士研究生，主要研究方向：现代设计理论、计算机辅助设计、智能化设计； 徐诚（1964-），男，陕西汉中人，教授，博士生导师，主要研究方向：自动武器设计、现代设计理论、智能化设计; 王永娟（1972-），女，江苏盐城人，副教授，主要研究方向：自动武器设计、现代设计理论； 张飞猛（1955-），男，福建福州人，教授，主要研究方向：火炮设计。

文章编号:1001-9081（2011）07-1988-04doi:10.3724/SP.J.1087.2011.01988

（南京理工大学 机械工程学院，南京 210049）

（）

摘 要：分析了现代产品协同设计系统功能模型和体系架构，以面向自动武器工程实际应用为目标，设计了统一的协同设计基类三维模型模板及数据关系模式。在此基础上自主开发的自动武器协同辅助设计系统，包括协同行为预测执行分析、自动武器标准模块库管理等功能模块，实现图层级别的协同到模型级别协同的转化。采用面向对象方法对自动武器协同设计开发项目中的应用程序、模型库、建模工具集等集成化，结合CAD软件底层函数的设计与开发技术及提供通用语言接口支持的网络服务技术，为系统的实施提供了可靠的交互支撑环境。

关键词:机械设计;自动武器;协同设计;模型模板

中图分类号:TP391.72文献标志码:A

Collaborative design system of automatic weapon

based on basic class module template

LOU Li，XU Cheng，WANG Yong-juan，ZHANG Fei-meng

（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210094，China）

Abstract: The functional model and architecture of collaborative design system for automatic weapon were analyzed. A unified module template instance and its information access relationship model of automatic weapon were presented to achieve practical collaborative design. The proposed system includes configuration management, model-lib management, integrated service model, hierarchical collaborative design process model and cooperative behavior prediction and analysis module which assist collaborative design of modularized products. Combining the API functions development technology of CAD software and the supports of Web services technology with common language interface, the system has been implemented in reliable distributed interactive supporting environment.

Key words: mechanical design; automatic weapon; collaborative design; modular template

1 基于基类模型的自动武器协同设计方法

协同设计理念从20世纪90年代提出发展至今，已与并行工程设计、面向用户设计技术以及CAD二次开发、集成化、分布化技术的发展紧密结合。近年来国际上对协同设计的研究方向分为群体协作模式、协作控制机制、群组通信支持、同步技术以及应用共享设计技术研究等［1-3］。总结起来，协同设计经历了从支持二维绘图浏览、协同标注、协同浏览，到以大中型工程数据库为支持，开始实现协同实体造型技术及智能化协同设计阶段［4-7］。

将计算机辅助协同设计思想运用于军事装备领域，需要采用多种技术手段将数据、协同工具、模型、流程等信息结合，建立统一、协调、安全、稳健的面向协同开发软件系统，以支持快速设计。在我国自动武器设计领域协同设计的实践上，主要是期望实现集设计工具、实体模型库和知识管理于一体，有一定智能化冲突协调等协同能力的模型级协同系统。

与基于图层级别的协同设计不同，本文基于模型的自动武器协同设计的基础是系列化、参数化的基类模型模板库，在统一规范的模型模块化、参数化设计的基础上，具备让用户直接参与协作设计的能力，以达到低成本、快速地协作开发和定制用户化产品的目的。首先需要完成：

1）模块化设计。必须为自动武器系列化和基于基类模型的协同设计提供基础。包括模块分类管理、系列化产品库、参数化模块库管理和模块设计计算库支持，建立可以派生出新模型的基类产品的模块化图库，在此库的支持下完成协同快速变形设计。

2）基于模块的三维参数化协同设计及定制。由于协同设计任务复杂度、项目组织的不确定性，将三维参数化设计任务分为本地设计任务和协作任务。

本地任务是在设计成员本地三维实体造型系统Pro/Engineer中完成模块设计基础上的三维参数化设计及模板定制。协作任务是通过服务器支持完成协同参数化设计。在已创建的三维模型基础上，进一步根据零件的设计要求，通过对Pro/Program的类高级语言编程控制系统参数、特征及特征具体尺寸，对模型的设计参数进行编程，根据新的设计参数值生成新的三维模型，结合Pro/Toolkit大量C语言函数库访问Pro/Engineer内部数据和应用程序，控制在协同设计过程中通过关系式集对象的指针和函数对模型或者模型项的关系式进行操作。

3）协同软件系统后台总体管理配置。CAD图形界面像素传输的通信量较大，在分析了协同设计环境下的约束关系和零件的参数化造型方法后，采用基于消息的高层造型语义［3］交换方法实现多个模型的造型同步。客户端组成直接从事协同图形编辑、设计的系统结构。具体功能包括协同会话、协同浏览、三维模型实时协同设计等。重点为三维实时协同的工程实现提供信息交互平台。后台提供用户数据管理、参数化模块库管理、半结构化、非结构化数据管理、共享信息管理、项目管理与冲突协调等。如图1所示。

图1 自动武器协同软件系统总体管理配置

其中，本系统中设计的协同行为预测执行分析器对整个协同设计过程的正确实施起到重要作用。如图2所示。

图2 协同行为预测执行分析器

各协同设计终端发出的有效并发操作原语经转换以散列消息包{a1,a2，…，an}形式传递进入协同预测分析环节，由总控程序读入并按先到先入原则放入预测分析栈，再由总控程序调用预测分析表对每一个并发操作进行分析，通过对优先权链表、执行时间表、接口冲突表、内部约束表的查询检测和计算，按综合分析结果输出到操作执行队列，先入先执行。从而在保证协同设计过程高并发率的同时，保持模型数据的一致性和正确性。预测分析表中内容，即多条协同设计规则，事先以SQL语句方式存于多个相互关联的数据库表触发器中，以方便读取和执行。其中，预测分析主控算法如下：

BEGIN

//预测分析开始符号＄压入S栈

READ（Q1）//从操作输入串Q1中读入操作;

FLAG:TRUE;

WHILE FLAG DO

IF 栈顶元素＄

PUSH（S,ai）//协同操作ai压入分析栈S

ELSE

POP（S）//将栈顶元素aj弹出

//将读入操作ai和栈顶元素aj进行预测分析

IF ai的执行优先级高于aj

将ai输出到操作执行队列Q2，

ELSE

将aj输出到操作执行队列Q2

END OF WHILE;

STOP/*分析成功，过程完毕*/

END

2 协同系统功能模型

2.1 协同过程组织及模型设计

协同产品设计过程中，项目组织和进程，具有不确定性和动态性，同时需要技术支持和管理支持。

本系统中的设计客户端将分别在各自本地三维实体造型系统软件Pro/Engineer的Pro/Toolkit二次开发平台下完成模块设计基础上的三维参数化设计；协作任务通过多服务器支持，在集成设计平台下完成，其中Web服务器实现安全认证、模型数据信息获取和浏览、处理实时协作应用等。文件服务器用于维护平台中的半结构化、非结构化设计数据,通过FTP协议进行网络数据传输。应用程序服务器支持客户端仅通过浏览器处理应用程序图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）和数据。数据库服务器采用大型关系型数据库（如Oracle等），维护平台中的结构化数据。

协同设计过程模型分为多个层次。预处理层工作完成后，用户可登录进入人机交互设计界面层，使用平台所提供的各项技术服务。第三层中最重要的应用服务，提供了模型数据浏览、修改、模型协同设计等应用功能。第四层是基本组件层，包括各种模型数据浏览工具集，如本系统中集成的ProductView Express、CAD/CAE工具集，产品基本信息数据库、模型库等。过程模型如图3所示。

图3 多层协同设计过程模型

2.3 协同化CAD模型库管理及数据关系模式

协同设计过程模型基本组件层中的CAD模型库，是网络化协同三维设计操作的实体基础。

在面向协同的模型库管理系统中，模型可以是相关的，而且模型本身除了代码文件外，还有大量的相关数据需要管理。

由于模型库系统是以文件的形式存储和管理模型的，因此模型本身存储在模型库的文件系统中，与模型相关的数据，包括描述模型的信息（接口、版本、参数等）、模型的结构和其他数据存储在与模型库相关的数据库中。

基于基类模型的自动武器协同设计，是根据模型库中的模型模板参数化建模基础上，进行协同变型设计。首先需要调用Pro/TOOLKIT的特征访问函数（ProSolidFeatVisit）访问实体模型中的特征，通过特征初始化函数（ProFeatureInit）根据实体模型和特征标识，获得特征对象，并利用关系式集访问函数（ProSolidRelsetVisit）访问实体模型内部的关系式，将获得的信息存入数据库中，以支持后续的驱动模型变型操作。

因此参数化特征模型的产品可表示为抽象四元组：

M（MC,F,I,C）（1）

其中:MC为模型实例集合;F为参数化特征;I为标识元素集合,是参数化特征和约束之间的桥梁;C为约束集合（Cin,Cout）－1,Cin表示为模块内部几何元素之间的关系，是驱动模型修改的基础,Cout主要表现为模块与模块间接口约束。

在本系统中，模块实例关系模式数据库字段描述：

MC{mcid,mid,mcpath,mcremark,mcdoc,mccreator,mct1,

mceditor,mct2,mcstate}－1（2）

其中：mcid表示模型实例编码，主键，无重复；mid表示所属模块编码，外键；mcpath表示模型路径；mcremark表示模型实例描述；mcdoc表示详细文档路径；mccreator表示协同创建者；mct1表示创建时间；mceditor表示协同编辑者；mct2表示更新时间；mcstate表示当前状态模块。

接口关系模式描述如下：

MI{miid,mid,miname,milevel,miremark,mistruct,miuniv}－1 （3）

其中：miid表示接口编码，主键，无重复；mid表示所属模块编码；miname表示接口名称；milevel表示接口级别；miremark表示接口描述；mistruct表示接口结构；miuniv表示通用程度。

协同设计过程中，根据不同需求和设计经验可以不断深入地进行细粒度描述，充实和完善满足模型表述内容。模型库中的模型和相关数据库中的数据都受模型库管理系统的管理，只有通过模型库管理系统才能够访问模型和相关数据。

3 基于设计底层函数的数据转换及通信

本系统中模型信息读取和写入通过调用Pro/Toolkit的函数实现。目前包括Pro/Engineer在内的很多大型CAD软件都提供了基于不同高级语言的底层函数库接口，可以非常全面地提供访问模型信息。

在网络化协作模式下，在设计成员本地三

图6 机枪装配体的组件零件A-Frame图

维实体造型系统的Pro/Engineer二次开发交互界面中完成模块设计基础上的参数化设计及模板定制，在用户编辑和修改特征时，将操作的对象、动作等转换为相应的函数和参数，如所显示的特征，在CAD中对应为元素树，包括特征的类型、参照、尺寸信息等，因此在本协同设计系统中将其定义为动态数组：CArray〈ProDimension,ProDimension〉 *） &dimlist。

相应的操作函数，如访问特征尺寸的函数ProFeatureDimensionVisit，以及每一类型特征尺寸的标识号dimlist［i］.id、尺寸的值dimlist［i］.value等将作为消息中的参数写入相应的消息类进行封装。当用户特征操作完成后，将消息多播到设计组中，其他协作者接收到此建模消息后，进行消息解析，识别出完成该特征所要进行的特征造型操作。

特征操作转换的实质是利用Pro/Toolkit提供的函数库，按照定义统一的标准化特征操作原语描述为基础提取和重构模型的特征信息，同时，采用队列方式存储特征信息并进行消息传递，内部数据以物理方式顺序排列，拥有统一的索引，提高了协同设计过程中对特征检索和执行的效率。基于特征操作消息处理的模型数据单向转换流程如图4所示。

图4 基于特征操作消息处理的模型数据转换流程

协同用户A作为源设计者对需要设计的模型文件进行特征编辑或创建，模型操作事件信息，捕获为Pro/Toolkit函数，封装为网络消息发送给目标系统B，目标系统B接收到该消息，并将其转化为特征操作原语，解析后的函数将重新解释并执行，实现模型同步造型操作。

4 协同CAD原型系统实现

服务器启动后打开网络侦听线程，等待网络用户连接。服务器提供协同任务初始化时向客户端转送和装载基类模型操作，以便客户端在此基础上进行变型设计。用户加入设计组后，对当前设计组所负责的零件进行协同设计，零件模型由分布用户共同完成变型设计。如图5，该实例从客户机上正确登录后，通过Web服务在本地打开。

图5 基于Web的协同设计下某型机枪实例

某型机枪装配体的组件结构框架如图6所示，其基类模型模板存储于服务器，需要变型设计时进行一次装载到设计客户端操作。

如果客户需要下载或上传大量文件或多个模型文件，如Pro/Engineer装配体asm模型，装配体是多个零件的有机组合。

在装配体的数据体系中，对照图6的装配树，在每个节点上都具有相应的数据单元，其实质就是上面讨论的重构后的零件控制参数，在接受上层参数信息之后建立零件间的匹配关系，以及驱动生成该模型。

其进一步细化后是一种零件级联的二叉树结构，对应于具体的层次化模型，要传递根节点的总装配体时，就要逐层传递所有的子孙节点的子装配体，直至所有叶子节点的零件模型。

为保证传递后得到正确的模型原文件，在装配顺序上表现为先有零件组装成部件，再参与整机的装配，如图7所示。

图7 装配体层次结构示意图

相应的，Web服务器提供基于IP的虚拟主机服务，装配体映射按其子装配体到零件，回溯后的顺序，模型分块装载到客户端， 如图8所示。

图8 远程三维模型分块装载过程

设有并发操作a1,a2,a3分别由设计成员1（设计权限:枪管模块）、设计成员2（设计权限: 枪管模块）、设计成员3（设计权限: 机匣模块）发起。

a1操作：修改导气管外径为14.5mm。

a2操作：修改活塞体首部内径为13mm。

a3操作：修改机匣上与活塞体接口部直径为14.5mm。

设内部约束表中规则：①活塞体尾部内径首部内径+1mm；②活塞体尾部外径尾部内径+壁厚*2; ③壁厚0.5mm……

外部约束表中规则：①导气管外径活塞体内径；②节套内径枪管尾端外径……

执行时间表：Time1

优先级表：Priority1Priority2>Priority3。

此时，导气管.prt、活塞体.prt、机匣.prt状态根据编辑时间依次被锁定。系统调用利用协同行为预测执行分析器（图2）进行分析：

1）a1操作在本地执行，更改导气管外径后,预测执行分析器调用模块接口约束表，将该更改可能产生与其他模块的接口冲突生成冲突链表，确认是否执行重建，同时将所有冲突做出标记; 同步后该参数化设计函数立即被调用，并在Pro/Toolkit二次开发程序中封装为特征操作消息，后台利用Socket进行消息传递。如图9。

2）a2操作活塞体首部内径更改与a1操作导气管外径更改导致接口冲突；预测执行分析器执行分析，确认执行a1；B端的本地a2操作还原，根据a1操作结果和外部约束，更改活塞体首部接口内径为14.5mm，同时根据零件内部约束表中规则，自动修改活塞体尾部内径为15.5mm，更改尾部外径为16.5mm，并重建模型，发送包含操作函数的消息给服务器。

图9 协同设计者对导气管零部件的修改及重建

3）a3操作进行机匣与活塞体接口部的参数化设计操作，本地重建，选择同步后，发送包含隐式函数的消息给服务器。服务器执行消息解析，调用模块接口冲突检测模块进行分析，检索接口关系链表，搜索机匣.prt与当前正在编辑的锁定部件中存在间接接口约束，存在接口关系链：机匣活塞体，检索优先级链表，根据内部约束表规则，活塞体尾部内径现为15.54mm，尾部外径为16.54mm，同时按接口约束将机匣与活塞体接口部内径自动改为16.5mm，并重建模型，并发送包含操作函数的消息给服务器。执行分析器判断冲突解决，满足内外部约束，结束操作。

该设计系统满足了模块部件内部约束和外部接口约束，协调预测执行分析器充分利用数据库资源，以及已有的设计信息和设计规则，降低了人工参与协调的几率，保证了协同三维模型设计中的一致性和正确性。

5 结语

本文重点实现了基于基类模型模板的自动武器协同设计系统，对三维造型软件底层函数开发及信息交换技术、自动武器模型模块库管理技术、功能模型和服务组件设计以及系统总体配置管理模式等进行了研究，设计了协同设计过程模型和协同行为预测执行分析器，在保证高并发率同时维持模型数据的一致性和准确性。在此基础上构建的协同开发系统及在某所枪械快速开发平台中的实际工程应用均检验了该设计系统具备良好的可行性和有效性。

参考文献:

［1］ 杨国为，曹少中. 和谐智能CACD系统［M］.北京：科学出版社，2006.

［2］ KAMRANI A K. Collaborative design approach in product design and development［M］.Berlin:Springer,2008.

［3］ RAJESH P K，MAGESHBABU B. Web-based collaborative conceptual design: An XML approach［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2008,38（5/6）:433-440.

［4］ 陆的明.支持矢量图形的二维协同、标注技术研究［D］. 西安：西北工业大学,2005.

［5］ 周勋,李洁,何发智,高曙明. 基于Web的同步协同实体建模系统［J］.计算机集成制造系统,2003,9（11）：960-965.

［6］ 彭维.网络化协同CAD系统的关键技术研究［D］. 西安：西北工业大学,2001.

［7］ 郭航,高济，胡斌,等.RPACTI Agent支持的开发式环境下协同设计系统［J］.计算机辅助设计与图形学学报,2009，21（5）:694-697.