機械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設計

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目前變型設計的三維CAD模型基本上都采用了參數(shù)化技術，與此同時三維參數(shù)化變型設計的理論和方法已經(jīng)成為當今CAD研究的一個熱點。但當前三維參數(shù)化變型設計中仍存在以下局限：

（1）當前的參數(shù)驅(qū)動技術，實質(zhì)是對三維模型的尺寸變量進行等式約束。重點強調(diào)模型的尺寸驅(qū)動變型設計，但未研究變型設計尺寸參數(shù)的來源（設計計算或設計經(jīng)驗）、模型變型設計后的工程有效性。

（2）當前參數(shù)化設計思想停留在零部件設計層次，沒有充分發(fā)揮三維CAD設計軟件的參數(shù)化優(yōu)勢，也沒有從根本上解決工程師出圖重復、設計效率低、設計周期長的問題，因而不能適應目前重大機械裝備產(chǎn)品設計生產(chǎn)的需求。

（3）2D工程圖仍是國內(nèi)機械產(chǎn)品生產(chǎn)加工的重要參考，目前國內(nèi)外對三維參數(shù)化設計平臺UG、Pro／E、SolidWorks、Solid Edge等進行三維參數(shù)化開發(fā)研究的工作較多，但對三維參數(shù)化模型驅(qū)動后的工程圖自動調(diào)整研究卻很少。因此，導致三維參數(shù)化變型設計技術應用范圍受到限制。

機械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設計應用水平的高低將直接決定企業(yè)設計效率、設計質(zhì)量的高低和企業(yè)核心競爭力的強弱。本文論述了機械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設計的內(nèi)涵、步驟及其關鍵技術。以某型號雙立柱式巷道堆垛機為研究對象，開發(fā)了基于三維設計平臺solidWorks2006的參數(shù)化變型設計系統(tǒng)。

1機械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設計內(nèi)涵與設計步驟

變型設計是關于設計方法和過程的一種分類定義，在保持產(chǎn)品基本功能、原理和總體結構不變的情況下，根據(jù)需求的變化，對產(chǎn)品局部結構、尺寸和約束關系進行調(diào)整或變更，形成新的產(chǎn)品。其關鍵是對已有設計資源的重用。變型設計是在繼承基型產(chǎn)品的核心信息基礎上，利用這些關聯(lián)將變型信息傳遞到子代中，直到零部件詳細設計為止，最終完成變型設計任務。

機械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設計是以拓撲約束、尺寸約束、工程約束驅(qū)動為技術基礎，不僅包括傳統(tǒng)參數(shù)化所包含的對部分特征驅(qū)動尺寸的修改使其他關聯(lián)尺寸得到相應修改而產(chǎn)生結構相同但尺寸不同的零件系列三維模型，而且包括基于三維參數(shù)化模型驅(qū)動后與之相關聯(lián)工程圖的視圖位置、比例、尺寸、注釋、BOM表等相關信息的自動更新，生產(chǎn)制造的下游工裝夾具、工藝規(guī)程規(guī)劃、NC代碼等參數(shù)化關聯(lián)設計等，乃至整個產(chǎn)品生命周期的參數(shù)化設計。本文研究產(chǎn)品設計階段的三維參數(shù)化變型設計技術，設計步驟如圖l所示。

2關鍵技術

2.1機械產(chǎn)品主模型

產(chǎn)品設計建模階段的主要任務是在基于定型產(chǎn)品，分析零件幾何形狀、零件參數(shù)；建立零部件主模型、產(chǎn)品主結構、2D工程圖主模板，為產(chǎn)品變型設計做好技術準備。機械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設計是在零部件主模型和與之相關聯(lián)工程圖主模板的基礎上進行的產(chǎn)品變型設計。

2.1.1參數(shù)分析

參數(shù)分析是在產(chǎn)品模塊化的基礎上，清理產(chǎn)品各組成模塊之間、模塊內(nèi)子裝配體之間、模塊內(nèi)零件之間的尺寸約束關系。參數(shù)分析包括產(chǎn)品總體參數(shù)分析、零部件參數(shù)分析和參數(shù)間關聯(lián)分析。

（1）產(chǎn)品總體參數(shù)分析。總體參數(shù)分析的目的是分析影響整個產(chǎn)品功能、結構的主要性能參數(shù)。如影響雙立柱式巷道堆垛機整體結構尺寸的主要參數(shù)是貨物的長、寬、高、起重量、起升高度、跨度、工作級別等。

（2）零部件參數(shù)分析。零部件參數(shù)分析的目的在于對零部件參數(shù)進行分類，并在零部件參數(shù)中提

取能直接驅(qū)動的參數(shù)。參數(shù)分類遵循的原則是：與多個零部件相關聯(lián)的結構尺寸參數(shù)為全局參數(shù)；決定本零部件結構尺寸參數(shù)為局部參數(shù)；由全局和局部參數(shù)計算出的結構尺寸參數(shù)為輔助參數(shù)；獨立但不影響其它零部件尺寸變化的參數(shù)為無關參數(shù)。合理確定全局參數(shù)是裝配布局草圖能否得以準確表達的關鍵。在雙立柱式巷道堆垛機橫梁的設計中，把控制零部件位置關系的尺寸如跨度，隔板數(shù)目，隔板、底座的定位尺寸定義為全局參數(shù)，其他參數(shù)則直接或間接依賴于全局參數(shù)的變化而變化。門、艙口蓋、底座等自身的結構參數(shù)定義為局部參數(shù)。頭部一些支撐板的尺寸要靠全局參數(shù)和局部參數(shù)計算才能確定的尺寸定義為輔助參數(shù)。而頭部電氣孔、隔板電氣孔、空調(diào)孔等不影響其它零部件尺寸變化的參數(shù)定義為無關參數(shù)。

（3）關聯(lián)分析。關聯(lián)分析的目的是建立參數(shù)問的聯(lián)系，分為零部件之間的參數(shù)關聯(lián)和零件內(nèi)的參數(shù)關聯(lián)兩部分。零部件間的參數(shù)關聯(lián)通過模型本身的裝配來保證，而零件內(nèi)的參數(shù)關聯(lián)可以通過CAD系統(tǒng)的相關功能來保證。

設計計算與零部件主模型之間需要建立數(shù)據(jù)交換機制。參數(shù)化主模型的參數(shù)一部分由產(chǎn)品設計計算得到，一部分由設計人員憑經(jīng)驗根據(jù)零件的具體特點確定。在確定出驅(qū)動尺寸和從動尺寸后需要進一步分析各個尺寸的變化范圍，這個范圍會影響到公差數(shù)值、標準件和某些非標準件的配置。在參數(shù)化時設計人員只需輸人驅(qū)動尺寸的值就可以自動更新從動尺寸、公差、標準件配置等相關因素。貨叉模型的設計計算與數(shù)據(jù)接口界面如圖2所示。

2.1.2建立主模型

（1）裝配布局草圖。裝配布局草圖代表產(chǎn)品模型的主要空間位置和空間形狀，反映構成產(chǎn)品的各個子模塊之間的拓撲關系、以及其主要運動功能；是整個產(chǎn)品自頂向下設計展開過程中的核心，是各個子裝配之間相互聯(lián)系的中間橋梁和紐帶。裝配布局草圖通過不同截面的基準點、線、面；空間的點、線、面來表征產(chǎn)品的三維裝配布置圖。堆垛機載貨臺吊架三維參數(shù)化裝配主模型的裝配草圖如圖3所示。

（2）裝配主模型。機械產(chǎn)品三維模型的設計過程，先是自頂向下完成產(chǎn)品的初步設計，自底向上完成零部件的詳細設計、再以自頂向下的設計方式建立產(chǎn)品模型?？紤]到自頂向下與自底向上設計方式的優(yōu)缺點，并結合雙立柱式巷道堆垛機板件多、焊接多、附屬結構零散分布的特點，堆垛機的裝配設計中采用了自頂向下與自底向上相結合的設計方式。堆垛機的主要部件模塊（貨叉結構、橫梁、立柱）采用自頂向下的設計方式。采用三個基準面和裝配布局草圖的幾何要素（點、線、基準面）來實現(xiàn)他們所有零件定位，控制整個模塊的設計變更。堆垛機載貨臺吊架三維參數(shù)化裝配主模型如圖4所示。

2.2基于三維模型驅(qū)動的工程圖調(diào)整技術

基于三維參數(shù)化技術的機械產(chǎn)品模型，參數(shù)化驅(qū)動后重新生成的工程圖，通常會產(chǎn)生以下5方面的問題：

（1）圖紙比例不合適。

（2）視圖位置發(fā)生交叉、偏離、布局不合理。

（3）剖視圖的剖切位置或局部視圖的放大位置不合理。

（4）尺寸飄移，位置分布不合理。

（5）注解如焊接符號、粗糙度符號、零件序號等布局不合理。

這不符合國家、企業(yè)繪圖標準，不適于直接作為加工參考，因此需對其進行調(diào)整。針對所使用的三維設計軟件提供的工程圖模塊應用接口函數(shù)，建立通用的工程圖自動調(diào)整程序，通過視圖遍歷的方法，對視圖逐一調(diào)整。調(diào)整的內(nèi)容包括：視圖比例、視圖位置、尺寸與注釋、材料明細表等。其中視圖比例和尺寸位置的調(diào)整是基于三維模型驅(qū)動的工程圖調(diào)整技術的難點。

2.2.1視圖比例調(diào)整

零部件變型設計，尺寸驅(qū)動在一定范圍內(nèi)變化，所以不改變圖幅大小來適應視圖的變化。利用三維設計軟件所提供的API接口函數(shù)進行工程圖視圖的比例設置，需要根據(jù)視圖大小來判定采用相應的視圖比例。方法是通過判斷視圖最大外形尺寸與圖框的相應邊在某一方向上需要留下的空白區(qū)域大小來最終確定比例的大小。計算公式為

式中：SWidth、SHeight分別為圖框的寬、高；maxWD-im、maxHDim分別為每個試圖在寬度、高度方向的最大尺寸；VScale為試圖比例；WSpace、HSpace分別為視圖之間或視圖與圖框在寬度、高度方向的空白區(qū)域?qū)挾?；SWidth、SHeight為圖框的寬、高度仿真的空白區(qū)域?qū)挾?；SWidth、SHeight為圖框的寬、高；k，l分別為工程圖寬度和高度。

2.2.2視圖位置調(diào)整

如果部件工程圖中剖視圖、局部剖視圖較多，模型驅(qū)動后生成的工程圖容易出現(xiàn)錯位、剖面視圖不在位或懸空、局部視圖缺失等問題。原因在于剖切位置定位不準確，局部放大范圍不固定。要解決此類問題，首先在工程圖中，建立剖切線與模型之間的約束關系，使剖切線與局部放大框完全定位。然后用程序定義的變量來讀取、記錄每個視圖的中心位置，并做坐標轉換。模型驅(qū)動完成后對工程圖進行位置調(diào)整時。使視圖的新中心位置坐標與原中心位置坐標相重合，這樣就避免了視圖與視圖之間的錯位，并符合了企業(yè)標準。

3雙立柱式巷道堆垛機三維參數(shù)化變型設計系統(tǒng)

本文基于三維機械設計軟件SolidWorks2006，采用機械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設計技術，利用Visual Basic開發(fā)了“雙立柱式巷道堆垛機三維CAD設計系統(tǒng)”。主要功能模塊如下：

（1）整體結構參數(shù)設置模塊。包括堆垛機代號、貨物尺寸、貨物重量、橫量跨度、主要外形結構尺寸、工作級別的設置、參數(shù)管理、存儲路徑的設定。

（2）橫梁設計模塊。包括典型零部件主動輪、從動輪、軸的設計計算，橫梁頭部標準、標準件的選擇，模型驅(qū)動更新。

（3）立柱設計模塊。包括槽鋼設計計算，截面視圖控制參數(shù)的計算與設置，連接板的相關參數(shù)的設置，模型驅(qū)動更新。

（4）貨叉設計模塊。包括鏈設計計算與選擇，貨叉正截面和側截面視圖控制參數(shù)的計算與設置。連接板相關參數(shù)的設置，模型驅(qū)動更新。

（5）提升機構設計模塊。包括典型零部件滑輪、卷筒、緩沖器的設計計算與電機選擇，起升安全校核，模型驅(qū)動更新等。

（6）有限元分析模塊。封裝Cosmosworks分析功能，對橫梁、立柱、貨叉、提升結構模型驅(qū)動更新后進行分析校核。

（7）工程圖調(diào)整模塊。橫梁、立柱、貨叉、提升結構，模型更新，有限元校核分析后，解決與主模型對應的工程圖主模板視圖、視圖位置、比例、尺寸位置、焊接符號等注釋標注數(shù)值、BOM表（材料明細表）自動調(diào)整與更新。

利用雙立柱式巷道堆垛機三維參數(shù)化變型設計系統(tǒng)進行新產(chǎn)品的設計，可分為整體結構參數(shù)設置、計算、典型零部件的設計計算、橫梁設計、立柱設計、貨叉設計、提升結構設計及堆垛機總裝設計5個部分，前5部分既相互獨立又相互聯(lián)系，可以分別進行設計也可以同時進行設計，同時進行設計生成同一代號產(chǎn)品的橫梁、立柱、貨叉、提升結構及其它零部件，通過堆垛機總裝可生成堆垛機的總裝模型和工程圖。

4結論

本文提出了基于三維CAD的機械產(chǎn)品三維參數(shù)化變型設計技術的概念、范疇、設計步驟。研究了產(chǎn)品主模型、基于三維模型驅(qū)動的工程圖自動調(diào)整技術。結合企業(yè)需求，開發(fā)了“雙立柱式巷道堆垛機三維CAD設計系統(tǒng)”。經(jīng)企業(yè)應用證明，該技術可以避免大部分工程圖的重復設計工作，提高設計效率60％以上。此技術加速了三維設計進程，對縮短產(chǎn)品設計周期，提高企業(yè)面對市場的快速響應能力具有重要應用價值。（萬方數(shù)據(jù)）