利用關聯(lián)關系的標準件參數(shù)化設計方法

張學忱， 張啟暉， 范汝祥， 徐 杰

（1. 長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022；2. 長春理工大學0503211班，吉林 長春 130022）

利用關聯(lián)關系的標準件參數(shù)化設計方法

張學忱1， 張啟暉2， 范汝祥2， 徐 杰2

（1. 長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022；2. 長春理工大學0503211班，吉林 長春 130022）

分析了產(chǎn)品幾何建模的參數(shù)化設計方法，提出了一種基于關聯(lián)關系的標準件參數(shù)化設計方法。闡述了參數(shù)化設計方法的原理，即采用關聯(lián)參數(shù)建立多個組件間的關聯(lián)，以實現(xiàn)標準件的參數(shù)化設計。利用CATIA平臺，給出了圓錐滾子軸承基于關聯(lián)關系的參數(shù)化設計過程，證明了該設計方法的可行性。

計算機應用；參數(shù)化設計；關聯(lián)關系；標準件

在現(xiàn)代機械設計領域里，參數(shù)化設計不僅已成為CAD領域中使用最廣泛的設計技術之一，而且它也成為了評價 CAD系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標。目前參數(shù)化設計更加能體現(xiàn)出產(chǎn)品現(xiàn)代CAD中的概念設計以及并行設計思想。通過參數(shù)化設計不僅可以縮短產(chǎn)品的整個開發(fā)周期，并且可以進行形狀相似的系列化產(chǎn)品設計[1]。

標準件是機械工程中常用的零件之一，對標準件的組件間用關聯(lián)參數(shù)進行關聯(lián)，從而對標準件進行參數(shù)化設計，可以縮短標準件的整個開發(fā)周期。該文以圓錐滾子軸承為例，給出了基于關聯(lián)關系的產(chǎn)品參數(shù)化設計實現(xiàn)過程。

1 參數(shù)化設計方法

參數(shù)化設計是一種設計方法，它用圖形幾何約束來表達產(chǎn)品的幾何模型，將模型的一部分或幾部分尺寸約束做為參數(shù)與幾何約束相關聯(lián)，利用尺寸驅(qū)動的功能來改變產(chǎn)品的幾何模型。在參數(shù)化設計中，設計者只需將零件的關鍵尺寸定義為某個參數(shù)，通過參數(shù)的修改就可以實現(xiàn)對產(chǎn)品幾何模型的修改和優(yōu)化。參數(shù)化設計極大改善了產(chǎn)品設計圖形的修改方法，提高了產(chǎn)品設計的柔性。在設計的各個階段，如概念設計，三維結構設計，工程繪圖，裝配設計，工程分析，結構仿真，優(yōu)化設計等階段，參數(shù)化設計以全新的設計方法發(fā)揮著重要的作用[2]。

參數(shù)化設計的關鍵在于用參數(shù)、公式、特征等驅(qū)動產(chǎn)品的幾何模型，通過參數(shù)可以實現(xiàn)幾何模型的改變。在產(chǎn)品參數(shù)化建模時，先分析零件的造型特征并且提取出模型特征參數(shù)，接著就可以定義用戶參數(shù)和公式，進行參數(shù)化建模，最后對模型進行檢驗[3]。

該文運用的機械設計平臺是CATIA。CATIA是法國Dassualt systems 公司推出的微機版專業(yè)CAD/CAM/CAE智能化軟件系統(tǒng)。CATIA不僅提供了大量常用的產(chǎn)品參數(shù)化設計的特征，而且用戶還可以根據(jù)產(chǎn)品的特點和開發(fā)需求，建立起自己的參數(shù)化特征庫。CATIA 同時提供了完備的設計能力：從產(chǎn)品的概念設計到最終產(chǎn)品的形成，可以其精確可靠的解決方案提供完整的2D、3D、參數(shù)化混合建模及數(shù)據(jù)管理手段，從單個零件的設計到最終電子樣機的建立。在標準件的參數(shù)化設計中，正是利用 CATIA的強大功能模塊來實現(xiàn)建立產(chǎn)品的關聯(lián)參數(shù)化設計。

2 基于關聯(lián)關系的參數(shù)化設計

在產(chǎn)品的結構設計過程中，往往會出現(xiàn)因某一局部結構的變化而引起其它相關結構的變化。在如圖1所示的齒輪傳動軸系中，與齒輪連接軸段的直徑變化勢必引起該齒輪輪轂孔直徑的變化、軸承的內(nèi)圈直徑變化勢必引起圓錐滾子軸承外圈直徑的變化。

在三維參數(shù)化設計過程中，將這種存在關聯(lián)關系的零件，按照其關聯(lián)的線性關系進行裝配設計的方法叫基于關聯(lián)關系的參數(shù)化設計方法。該設計方法在裝配環(huán)境中實現(xiàn)，并與“自底而上”、“自頂而下”兩種方法結合應用，完全地支持產(chǎn)品開發(fā)的三維設計。

基于關聯(lián)關系的參數(shù)化設計的關鍵在于提取產(chǎn)品相關聯(lián)的特征參數(shù)，建立全面有效的產(chǎn)品參數(shù)，通過定義體現(xiàn)產(chǎn)品的特征間的依附關系和約束關系，形成以關聯(lián)驅(qū)動為基礎的參數(shù)化約束模型。

在 CATIA環(huán)境下基于關聯(lián)關系的參數(shù)化設計過程為：

圖1 齒輪傳動軸系

2.1 提取關聯(lián)參數(shù)

在裝配環(huán)境下進行基于關聯(lián)關系的裝配造型時，裝配體模型中的參數(shù)大致有三類：

（1） 關聯(lián)參數(shù) 指在裝配環(huán)境中發(fā)布的參數(shù)。用這些參數(shù)可以構成某一裝配層次中零件之間的參數(shù)關聯(lián)。在確定這些參數(shù)時，往往需要根據(jù)裝配體的功能特征，提取出由此帶來的零件間結構的關聯(lián)變化特征。例如：選用圓錐滾子軸承時，外載荷不同，軸承的型號就不同，帶來的特征變化就是軸承內(nèi)圈、外圈、滾子、保持架四個零件相應的尺寸參數(shù)的變化。這些相應的尺寸參數(shù)就構成圓錐滾子軸承的關聯(lián)參數(shù)。

（2） 外部參數(shù) 指構成裝配體的零部件在造型過程中，引用了裝配環(huán)境下發(fā)布的參數(shù)。由于彼此引用了這些參數(shù)，因而形成了零件間的參數(shù)關聯(lián)。

（3） 內(nèi)部參數(shù) 指構成裝配體的零部件在造型過程中應用了與自身外部無關的參數(shù)，不具有關聯(lián)關系，僅僅與零部件自身的尺寸有關。

基于關聯(lián)關系的參數(shù)，反映了產(chǎn)品零部件之間有效的組合關系，包括了產(chǎn)品零件約束、零件間尺寸關聯(lián)、特征關聯(lián)等。因而，在操作過程中要正確地提取關聯(lián)參數(shù)。

2.2 定義關聯(lián)關系

根據(jù)零件在裝配體中的作用，對零件經(jīng)過造型特征分析后，可以先定義所有影響功能作用的工程參數(shù)，形成以數(shù)學公式、函數(shù)關系形式表達的工程規(guī)則。然后通過規(guī)則編輯，產(chǎn)生關聯(lián)，進而實現(xiàn)基于關聯(lián)關系的參數(shù)驅(qū)動。

2.3 實現(xiàn)幾何造型

幾何造型可在定義關聯(lián)關系之前進行，造型后，再進行參數(shù)關聯(lián)；也可以邊幾何造型邊即時定義關聯(lián)參數(shù)。設計完成后，只要在特征樹下發(fā)布的關聯(lián)參數(shù)中修改變量值，即可實現(xiàn)包含所有零件的關聯(lián)尺寸和特征的修改，并且可以通過設計表優(yōu)化產(chǎn)品。

由于構成裝配體的零件往往個數(shù)多，結構復雜，這樣就會給參數(shù)關聯(lián)帶來困難，為了更有效地實現(xiàn)產(chǎn)品的建模，要注意以下的問題：發(fā)布中的變量要適用、且數(shù)目不宜太多。在產(chǎn)品設計中選擇那些對產(chǎn)品結構形狀和裝配位置等起決定作用的尺寸定義為變量，且數(shù)目不可過多。定義變量后，產(chǎn)品的其他尺寸就可以由它和其他相關的參數(shù)之間的關系通過發(fā)布確定出來。這樣當修改一些變量時，系統(tǒng)立即自動根據(jù)與他們相關函數(shù)公式計算出相應的尺寸值并修改設計[4]。

3 實例操作

軸承是機械領域是使用得很廣泛的標準件，型號多，而且種類全，如果能建立一個參數(shù)化模型庫，在實際產(chǎn)品中根據(jù)要求從庫中調(diào)用合適的軸承，直接導入到產(chǎn)品的裝配中，必將大大的加快設計速度，降低設計成本。在本文中，將以圓錐滾子軸承為例說明CATIA V5 R17環(huán)境下的基于關聯(lián)關系的參數(shù)化造型方法的具體應用。

參照設計手冊選取圓錐滾子軸承的型號為33006，建立此軸承的三維實體參數(shù)模型庫。

3.1 建立參數(shù)

根據(jù)《機械設計手冊》的數(shù)據(jù)可在 CATIA的Product工作臺建立如下類型的關聯(lián)參數(shù)：Type（軸承牌號）；d（軸承內(nèi)徑）；D（軸承外徑）；T；B；C；角度；圓錐滾子數(shù)目；保持架兩端伸出長度；保持架厚度；上端伸出長度；圓錐長度；圓錐折中距離；圓錐大端半徑（見圖2）。

圖2 建立圓錐滾子軸承的關聯(lián)參數(shù)

3.2 發(fā)布參數(shù)

在裝配體下建立的參數(shù)，貫穿于產(chǎn)品的整個參數(shù)化造型設計過程，因此要將參數(shù)發(fā)布于裝配Product。發(fā)布后如圖3所示。

圖3 發(fā)布參數(shù)

3.3 建立模型

接著就可以建立圓錐滾子軸承的模型了，在Product下建立各個主要的零部件，內(nèi)圓環(huán)(Inner-ring);外 圓 環(huán) (Outer-ring);保 持 架(Hold-frame)；滾子(Taper-roller)，其各主要的零部件的參數(shù)就引用關聯(lián)參數(shù)，這樣對于其零部件自身來說就是外部參數(shù)，并且同時建立起了零件與裝配體參數(shù)的連接，模型建立之后如圖4所示。

圖4 建立模型

3.4 生成設計表

設計表就是整個通過圓錐滾子軸承庫的索引，將《機械設計手冊》上的各種型號的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)表中，通過選擇設計表中的某一種型號的圓錐滾子軸承，設計者就可以得到相應的圓錐滾子軸承的標準件。如圖5所示，圖5(a)為型號為330006的圓錐滾子軸承，圖5(b)為型號為330007的圓錐滾子軸承。由此例可以看出通過 CATIA平臺的Product下發(fā)布的參數(shù)可以統(tǒng)一控制裝配體下各個零件的尺寸和位置。

圖5 兩種型號的軸承模型

4 結 論

該文提出了基于關聯(lián)關系的標準件參數(shù)化設計方法。通過圓錐滾子軸承的實例給出了基于關聯(lián)關系的參數(shù)化設計方法的具體過程。在具體的三維設計平臺上實現(xiàn)了產(chǎn)品的參數(shù)化設計，證明了這一參數(shù)化設計方法是有效的。同時也說明在實際的工程應用中，這種成熟化的三維設計平臺及設計方法，必將給企業(yè)的產(chǎn)品設計帶來更廣闊的前景。

[1] 童秉樞, 李學志, 吳志軍, 等. 機械 CAD技術基礎(第 2版)[M]. 北京: 清華大學出版社, 2003. 256-267.

[2] 羅海玉. 參數(shù)化設計及其關鍵技術[J]. 甘肅科技縱橫, 2003, 12(5): 19-20.

[3] 張 冶, 陳志英. 基于裝配約束關系的零部件參數(shù)化設計[J]. 機械科學與技術, 2003, 12: 10-12.

[4] 陳靖芯, 徐 晶, 陸國民, 等. 基于 CATIA的三維參數(shù)化建模方法及其應用[J]. 機械設計, 2003, 20(8): 48-50.

Parametric Design for Standard Parts Based on Correlation Relations

ZHANG Xue-chen1, ZHANG Qi-hui2, FAN Ru-xiang2, XU Jie2
( 1. School of Electromechanical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun Jilin 130022, China; 2. Class 0503211, Changchun University of Science and Technology, Changchun Jilin 130022, China )

Parametric design methods of geometric modeling are investigated. A method of parametric design for standard parts based on correlation relations is proposed. In order to achieve parametric design of standard parts, correlation among components is built using association parameters. A parametric design process of tapered roller bearing is given based on CATIA, which verifies the feasibility of the method.

computer application; parametric design; correlation; standard parts

TP 391.72

A

：1003-0158(2010)01-0181-04

2009-01-15

張學忱（1963-），女，吉林長春人，副教授，碩士，主要研究方向為工程圖學，機械現(xiàn)代設計技術與方法，激光微加工技術。