基于Rhino的产品形态原型重构系统的开发

第２４卷第１期　２０１１年１月　机电产品开簋与刨新　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ＆Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　Ｖｏ１．２４，Ｎｏ．１　Ｊａｎ．．２０１　１　文章编号：１００２—６６７３（２０１１）０１—０６９—０３　基于Ｒｈｉｎｏ的产品形态原型重构系统的开发　张娟　，高瞩１，２　吉晓民　（１．西安理Ｔ大学，陕西西安７１００５４；２．常州Ｔ学院，江苏常州２１３００２）　摘要：以产品三维模型为基础．利用Ｒｈｉｎｏ　ｓｃｒｉｐｔ对Ｒｈｉｎｏ进行二次开发，提取出产品分形体模型的长方　体、圆柱体、球体三种包围盒，并借助Ｍａｄａｂ所建立的ＧＵＩ界面求取了分体的最适包围盒参数。　采用Ⅶ．ＮＥＴ开发了产品形态原型重构软件．可由产品的ＣＡＤ模型重构出产品的形态原型．并以　充电钻为例验证了该系统的有效性。　关键词：Ｒｈｉｎｏ；二次开发；产品形态原型；ＶＢ　中图分类号：ＴＢ４７　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２—６６７３．２０１１．０１．０２６　Ｔｈｅ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｆｏｒｍ　Ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　Ｒｅｆａｃｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｒｈｉｎｏ　ＺＨＡＮＧ　Ｊｕａｎ　，ＣＡ０　Ｚｈｕ　，，，Ｘｉａｏ一　（１．Ｘｉ　ａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｉ　ａｎ　Ｓｈａａｎｘｉ　７１００４８，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１３００２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　３Ｄ　ｍｏｄｅｌｓ　ｏｆ　ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｒｈｉｎｏ　Ｗａｓ　ｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ｒｈｉｎｏ　ＳＣｒｉｐｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｒｅｅ　ｂｏｕｎｄｉｎｇ　ｂｏｘｅｓ　（ｃｕｂｏｉｄ，ｃｙｆｉｎｄｅｒ　ａｎｄ　ｓｐｈｅｒｅ）ｗｅｒｅ　ｅｘｔｒａｃｔｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｕｂ—ｂｏａｙ　ｍｏｄｅｌｓ．Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｍａｌ　ｂｏｕｎ￣ｎｇ　ｂｏｘ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｗｅｒｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ＧＵＩ　ｉｎｔｅｒｆａｃｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｂｙ　Ｍａｔｌａｂ．Ａ　ｆｏｒｍ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃ￣ｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ＷａＳ　ｗｒｉｔｔｅｎ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｏｆ　ＶＢ．ＮＥＴ．Ａｓ　ａ　ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｏｒｆｍ　ｐｒｏ—　ｔｏｔｙｐｅ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ　ｆｒｏｍ　ｉｔｓ　ＣＡＤ　ｍｏｄｅ１．Ａｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｒｉｌｌ　ｗａｓ　ｔａｋｅｎ　ａＳ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｐｌｅ　ｔＯ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｓｔｙｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｒｈｉｎｏ；ｒｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ；ｐｒｏｄｕｃｔ　ｆｏｒｍ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ；ＶＢ　０引言　产品形态是产品视觉形象中最具传达力的要素之　一格具有一致性，产品造型设计是一个从简单到复杂的过　程，因此．可以由简单几何形体来进行复杂形态产品的　风格评价。本文所述的形态原型即是指由简单几何形体　组成的、能够反映复杂形态风格的三维模型。设计师可　以在形态原型的基础上进行产品形态创新设计以及产品　。也是传达意义的载体。产品的形态设计作为工业设　计的物质表现，其形成应遵行一定的规则．它所反映出　的产品风格是企业品牌形象的象征。对工业品牌产品来　说．产品形态是与其品牌形象融为一体的，消费者在产　品形态和品牌间通过联想会得到认知。设计师通过形态　风格评价，从而指导设计师进行新产品的开发，以确保　品牌风格传承。　来表现产品的机理，传递给消费者产品的信息；而消费　者通过产品的形态来认识产品，从而去使用它。形态是　连接设计师与消费者关系的桥梁。　１产品形态原型的构成及其参数描述　１。１形态原型的构成　原型是指一类客观事物的抽象物，是一类客观事物　所共有的关键性特征闻。任何设计创造实质上都是基于原　简单几何形体的产品形态风格与复杂形体的形态风　收稿日期：２０１０—１２—０８　基金项目：陕西省自然科学基金（２０１０ＪＭ７０１１）　作者简介：张娟（１９８５一），女，陕西成阳人，硕士研究生。研究　方向：产品造型设计理论，已发表论文两篇；高瞩（１９６５一），　型的修改．设计的优劣取决于设计师对于原型的理解和　再创造的程度。产品形态原型是将最贴近产品各分体形　态的简单几何形体，按原有的拓扑关系及其相对关系进　行重构而形成的三维模型［５１，是对一类产品形态特征进行　归纳和抽象而形成的产品形态的通用结构。其中的简单　几何形体指分体的最适包围盒，是同一形体的长方体、　圆柱体、球体中体积最小的包围盒。　男，上海人，博士，副教授。主要研究方向：工业产品ＣＡＤ／　ＣＡＰＰ／ＣＡＭ系统的设计开发，工业产品的反求设计与仿真，　已发表论文二十篇。　６９　・产品与市场・　包同盒技术的基本思想是使用简单的几何体来代替　复杂的几何体［６１。包围盒分为坐标轴的轴向包围盒ＡＡＢＢ、　带方向的包围盒ＯＢＢ、球形包围盒，固定方向凸包ＦＤＨ　进行分块，所选择的分割　位置应设置在产品形态视　ｌ建立产品三维模型｝　觉上有突变之处，要确保　切割后各局部形体的完整　性；分解后分别求各分体　的长方体、圆柱体和球体　ｉ种最小包　盒．提取分　和散方向多面体ｋ－－ＤＯＰ包围盒等类型网，包同盒技术在计　算机图形学、计算机辅助几何设计和计算机动画等应用　领域中都有着非常重要的作用。本文以长方体、圆柱体　及球体包同盒进行分析、研究，构建产品形态原型。主　要思路为：　幸　取分体最小包围盒及拓扑关系信息　ｊ　Ｉ获取分体最适包围盘Ｉ　ｌ　按原有拓扑关系重构形态原型Ｉ　图１系统结构图　Ｆｉｇ．１　Ｓｙｓｔｅｍ　ｄｉａｇｒａｍ　体最小包围盒及拓扑关系　参数信息：基于ｉ种最小　（１）最小长方体包同盒：将形体分别绕Ｘ、Ｙ、Ｚ　轴进行旋转．每旋转一次，运用ＣＡＤ软件求取轴向包　包围盒求出体积最小的包围盒即各分体的最适包围盒．　作为形态原型的基本单元：由最适包围盒按产品原有的　拓扑关系及其相对位置重构成三维模型　该三维模型即　为产品的形态原型。　产品形态原型的重构是把各分体的最适包围盒作为　定义模型的基本构造单元，依据产品原有的拓扑关系将　嗣盒ＡＡＢＢ．从而获取体积为极小值的包围盒。　（２）最小圆柱体包同盒：以最大边与另两边平方和　的乘积值达最小的长方体包嗣盒作为圆柱体基础包嗣盒，　最大边方向作为最小圆柱体包围盒的高度方向，另两个　边所对应的四个面与形体的切点用于确定圆心、半径。　（３）最小球体包嗣盒：以ｊ边尺寸平方和最小及ｊ　其集成的过程。实现形态设计过程中的可视化、量化分　边尺寸最接近的长方体包嗣盒作为球体基础包同盒，包　围盒的六个面与形体的切点用于确定球心和半径。　由产品各分体最适包围盒按照形态原有的拓扑关系及　析。产品形态原型是保持形态整体风格且由独立形态单　元组成的抽象聚类．形态分体的划分只面向产品形态设　计阶段，分体划分过细，则分体数目过大，不便管理；　分体划分过粗，则分体结构复杂，柔性太差　。在形态原　型不变的情况下。对产品进行个性化变型，通过局部形　其最适包围盒参数进行逆向重构，可生成产品的形态原型。　１。２形态原型的参数描述　形态原型的参数包含各分体最适包嗣盒的ｊ维尺寸　态的变化来优化产品设计风格，使新产品具有承上启下　的传承性，客观地分析和总结品牌产品造型风格的沿袭程　信息以及各分体问的空间拓扑关系参数。各分体间的空　间拓扑关系是指满足拓扑几何学原理的产品各分体间的　度，辅助设计师把握创新设计的尺度，从而提升品牌产品　竞争优势，巩固及扩大市场份额。　邻接关系，与产品形态原型的构建过程密切相关嗣。基于　形态原型的构建过程将能清楚地反映出产品各分体间的　邻接关系。　基于Ｒｈｉｎｏ可得到产品各分体的　种最小包同盒，　将各分体的包嗣盒参数用矩阵形式表示．各分体包嗣盒　均有２１个特征参数．每一个分体的２１个参数构成一个　３软件系统开发及应用验证　３．１软件开发　本文基于Ｒｈｉｎｏ进行二次开发，构建了反映产品形　态设计风格的形态原型，支持设计师在传承品牌形象的　基础上进行新产品的仓Ｕ新设计。　行矩阵，即　Ｆ＝ｉｘ　ｘ　…ｘ　］，记录各分体的形体特征，ｉ　为分体号，ｉ＝ｌ，２，…，２ｌ。　形体的最适包嗣盒是指包含该形体的长方休、圆柱　体、球体最小包围盒中体积最小的包围盒。提取各分体　的最适包嗣盒对应的参数行矩阵。构成产品的分体集包　嗣盒参数矩阵Ｆ】＝［ｆ’ｉｉｌｉ＝ｌ，２，…ｎ；ｊ＝ｌ，２，…２１】，ｎ为分体数。　（１）工具开发主要包括两方面内容：①本文的脚本　开发实现了将多个功能进行重组、加工并对分体的三种　最小包围盒参数进行提取的功能；②完成工具条及命令　按钮的制作。实现在Ｒｈｉｎｏ平台利用自定义的按钮对各　分体模型进行包围体参数的提取、存储。　（２）数据处理：由于Ｒｈｉｎｏ软件无法直接提取圆柱　体包围盒和球体包围盒的相关参数，故本文利用Ｍａｔｌａｂ　强大的数值计算功能，将Ｒｈｉｎｏ求解的坐标数据导人　Ｍａｔｌａｂ的ＧＵＩ界面中，通过多元方程组的求解得到并输　上述每个包嗣盒的参数反映了各分形体的几何形状　及其尺度大小，而各个包围盒的定位坐标参数则反映了　各分形体在空问的相对位置和连接关系．即分形体之间　的拓扑关系。在Ｒｈｉｎｏ软件中，利用ＶＢ对其脚本文件　进行开发，可以由提取的参数进行包闱盒的参数化建　模，再将各包围盒进行组装自动形成产品的形态原型。　出分体的最适包围体的参数信息。　（３）生成产品的形态原型：利用ＶＢ．ＮＥＴ建立整体　操作控制界面，在可视化界面交互控制下实现对Ｒｈｉｎｏ　的调用。通过对生成的参数文件的调用，在Ｒｈｉｎｏ中逆　向生成模型ｉ维空间的分体包围盒及形态原型　２产品形态原型的重构方法　软件系统结构如图１所示，对产品形态的ｊ维模型　７０　・产品与市场・　３．２应用实例　本节以图２所示某品牌充电钻产品为对象，验证产品　形态原型重构系统开发方法的有效性。图３为充电电钻的　分解图，　４结束语　本文通过对Ｒｈｉｎｏ进行二次开发构建了一套工业产　品形态原型重构系统。系统通过求取各分体包围盒，按　照原有分形体间的拓扑关系可重构出产品形态原型．利　用ＶＢ．ＮＥＴ编程语言可进行系统的统筹管理。最后通过　实例对产品形态原型的重构方法的可行性进行了验证。　进一步对系统进行开发，将通过建立产品形态原型模型　由钻体、　钻头、手　柄和电池　图２电钻ＣＡＤ模型分体　Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｐａｒｔｓ　ｏｆｄｒｉｌｌ　ＣＡＤｍｏｄｅｌ　图３产品分解图　Ｆｉｇ．３　Ｐｒｏｄｕｃｔ　盒四个分　体组成。　Ｒｈｉ—　库及方案库以及对库存文件的调用，逐步增强软件进行　产品形态创新设计的支持性。　参考文献：　［１１１陈娜．论ＣＡ　ＩＤ与工业设计Ⅲ．包装工程，２００３，３．　［２］潘莉，蒋雯．基于Ｒｈｉｎｏ二次开发的蒂凡尼灯罩建模系统　．计算机　工程与设计，２００７，３．　ｍｏｄｕｌｅ　ｄｉａｇｒａｍ　．　ｎｏ中自定义丁具列．如图４所　示。将编译好的脚本与对应的　自定义按钮进行链接．点击操　图４包围体数据提取按钮作不同按钮即可分别提取分块　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｃｏｌｌｅｃｔｔｉｎｇ　模型长方体包围盒、圆柱包围　ｂｕｔｔｏｎｓ　ｏｆｂｏｕｎｄｉｎｇ　盒、球体包围盒的参数，获取　ｖｏｌｕｍｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　模型的类型、体积、中心点坐　【３】杨恢先，杨穗，王子菡，等．基于ＶＢ平台对Ｒｈｉｎｏ进行二次开发的　技巧们．电脑学习，２００４，３．　【４】梁宁建．当代认知心理学［Ｍ］．上海：上海教育出版社，２００３．　［５】高瞩，吉晓民．基于形态原型的产品形态创新设计方法　．机械科　学与技术．２０１０．８．　［６】谭同德，吴强，赵红领，等．ＯＢＢ层次包围盒构造方法的改进【Ｊｊ．计　算机工程与应用，２００８，５．　标等信息，并将结果保存在文本文件中。　将Ｒｈｉｎｏ中导出的圆柱和球体包围盒的参数信息导　入Ｍａｔｌａｂ进一步求解最小包围体参数。将编辑好的ＧＵＩ　界面打包生成可在任意个人操作平台　运行的．ｅｘｅ文件．即可脱离Ｍａｔｌａｂ软　件环境独立运行，软件实用性较强。　系统在ＶＢ界面中可生成产品各　分体的最适包围体，基于原有拓扑关　■　图Ｓ产品形状原型　ｆｏｒｍｏｆｐｒｏｄｕｃｔ　【７】潘振宽，崔树娟，张继萍．基于层次包围盒的碰撞检测方法叨．青岛　大学学报。２００５，１．　［８］高瞩，吉晓民，张春强．基于广义有向图的产品设计风格描述方法　研究ｆＪ】．西安理工大学学报，２００９，２．　系对充电电钻进行了形态的软件重　构，生成了充电电钻的形态原型，见　图５。　［９】Ｈｅｎｒｉ　Ｊ．Ｔｈｅｖｅｎｏｔ，Ｔｉｍｏｔｈｙ　Ｗ．Ｓｉｍｐｓｏｎ．Ｇｕｉｄｅｌｉｎｅｓ　ｔｏ　ｍｉｎｉｍｉｚｅ　ｖａｒｉ－　ａｒｉａｎ　ｗｈｅｎ　ｅｓｔｉｍａｔｉｎｇ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｌｉｎｅ　ｃｏｍｍｏｎａｌｉｔｙ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｆｉｇ．５　Ｔｈｅｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｆａｍｉｌｙ　ｄｉｓｓｅｃｔｉｏｎ【Ｊ】．Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｔｕｄｉｅｓ，２００７，２８．　（上接第１０２页）　在输人参数后，通过　点击对话框上的静态模拟　曲线模型的基础上。以参数化设计的思想开发了渐开线　直齿轮的计算机辅助设计系统。该系统能够有效地帮助　就可以得到与输入参数相　对应的渐开线齿轮。在此　设计人员缩短设计周期，提高工作效率。本文所设计的　辅助设计系统，可以进一步的完善功能，提高系统的实　用性　用齿数为１７、模数为ｌ０、　压力角为２０、齿顶高系数　为１、顶隙系数为０．２５、变　位系数为０的渐开线齿轮　进行模拟，得到模拟结果。　参考文献：　［１］何茂先，等．基于Ｐｒｏ／Ｅ的渐开线齿轮的参数化建模研究叨．机械与　电子，２００６，３．　【２】周虹，仉毅．基于ＵＧ的渐开线齿轮参数化设计与实现［Ｊ］．机械设　计与制造，２ｏｏ７，２．　３结束语　针对传统齿轮设计方　图４主程序的流程图　【３】鲁永建，武丽梅，任婧．基于ＵＧ／Ｏｐｅｎ的渐开线齿轮参数化设计　［Ｊ］．中国制造业信息化，２０１０，３．　ｆ４】陈贤青，尹辉，戴湘武．基于Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋和ＡＰＤＬ实现渐开线齿　法中存在设计周期长、效　精确的渐开线直齿轮齿廓　轮参数化建模啪．科学技术与工程，２００７，７．　【５】张训福，黄康，陈奇．渐开线齿轮齿根过渡曲线方程的建立及三　维精确建模【Ｊ１．设计与研究，２００８，２．　Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｌｆｏｗ　ｃｈａｒｔ　ｆｍａｉｏｎ率低等问题，本文在建立了　ｐｒｏｇｒａｍ　７１