機(jī)械參數(shù)化設(shè)計(jì)方法概述

摘?要：首先介紹了參數(shù)化的發(fā)展及技術(shù)現(xiàn)狀，然后分別介紹了零件參數(shù)化和部件參數(shù)化的基本方法，零件參數(shù)化主要是尺寸驅(qū)動和程序驅(qū)動兩種方法，部件參數(shù)化主要是自頂向下和自底向上兩種設(shè)計(jì)方法，并且介紹了各種力法的優(yōu)缺點(diǎn)，為機(jī)械參數(shù)化設(shè)計(jì)打下理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：參數(shù)化設(shè)計(jì);零件參數(shù)化;方法

參數(shù)化方法的本質(zhì)即是基于約束的產(chǎn)品描述力法，這是由于產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)過程就是約束規(guī)定，約束變換求解以及約束評估的逐步求精過程、因此與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)力法的最大區(qū)別在于，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法通過基于約束的產(chǎn)品描述方法實(shí)際上存儲了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程，因而它設(shè)計(jì)出一族而小是某個(gè)單一的產(chǎn)品、另外參數(shù)化設(shè)計(jì)能夠使工程設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期無需考慮具體細(xì)節(jié)而能夠盡快草擬零件形狀和輪廓草圖，并可以通過局部修改和變動某些約束參數(shù)而不必對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。目前，參數(shù)化技術(shù)大致可以分為直接式和非直接式兩種、非直接式參數(shù)化技術(shù)有：編程法和基于三維參數(shù)化的形體投影法、直接式參數(shù)化技術(shù)則是指設(shè)計(jì)者通過用戶界面直接對圖形進(jìn)行操作，而不必理會計(jì)算機(jī)內(nèi)部的處理力式，這是當(dāng)前使用最為廣泛的一種力法，也稱人機(jī)交互法。

人機(jī)交互法參數(shù)化設(shè)計(jì)是目前參數(shù)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域發(fā)展得較快的一個(gè)方向，也是應(yīng)用最為廣泛的一種方法、這種力法已經(jīng)成為目前參數(shù)化設(shè)計(jì)的主要技術(shù)路線。

從實(shí)現(xiàn)參數(shù)化的原理上分，人機(jī)交方法主要有：①基于幾何約束的變量幾何法，這是一種基于約束的數(shù)學(xué)力法，它將圖形的兒何模型分解為一系列特征點(diǎn)，以特征點(diǎn)坐標(biāo)為變量形成了一個(gè)非線性力程組，當(dāng)約束發(fā)生變化時(shí)，利用Newton-Raphson法迭代求解方程組，就可以求出這此特征點(diǎn)的新坐標(biāo)，從而形成了新的圖形;②基于幾何推理的人工智能法，這種力法是用幕于規(guī)則的推理力法來確定用一組約束描述的幾何模型、在推理過程中，利用專家系統(tǒng)將幾何形體的約束關(guān)系用一階邏輯謂詞描述，存入事實(shí)庫中。推理機(jī)把從規(guī)則庫中提取出來的規(guī)則用于當(dāng)前的事實(shí)集中，然后推理出幾何形體的細(xì)}兄推理過程輸出的是山一系列推理出的規(guī)則組成的一個(gè)幾何形體的構(gòu)造計(jì)劃，參數(shù)化的模型也因此由在構(gòu)造計(jì)劃中順序算出的規(guī)則所決定;③基于構(gòu)造過程方法，這種方法在交互造型過程中的每一步操作，采用了一種稱為“參數(shù)化履歷”的機(jī)制，在設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)自動記錄造型操作過程的程序化描述，將記錄的定量信息作為變量化參數(shù)，當(dāng)賦予參數(shù)小同的值時(shí)，更新模型生成歷程，就會得到不同大小或形狀的幾何模型。這種方法較適用于結(jié)構(gòu)相同而尺寸不同的零件設(shè)計(jì)，但由于需要嚴(yán)格遵循某種構(gòu)圖順序，改柔性和靈活性較差;④基于輔助線的方法，這種方法是讓所有的幾何圖形的輪廓線都建立在輔助線的基礎(chǔ)上，輔助線的求解條件在作圖過程中已明確規(guī)定，由輔助線來管理圖形的幾何約束和結(jié)構(gòu)約束，由輔助線來直接定義圖形的約束集，這樣就省去了在圖中遍歷搜索和檢查求解條件是否充分的工作，使約束的表達(dá)得以簡化，減小了約束力程的求解規(guī)模。

1.零件參數(shù)化設(shè)計(jì)

尺寸驅(qū)動法。它只考慮幾何寸及拓?fù)浼s束，不考慮工程約束、它采用預(yù)定義的辦法建立圖形的幾何約束集，并指定一組尺寸作為參數(shù)與幾何約束集相聯(lián)系、因此，改變尺寸值就能改變圖形、尺寸驅(qū)動的幾何模型由幾何元素，尺寸約束與拓?fù)浼s束三部分組成、此種方法，有兩個(gè)前提：模型己經(jīng)存在：模型尺寸已經(jīng)完成定義。

程序驅(qū)動，其實(shí)就是通過程序按照模型建模順序，驅(qū)動CAD軟件建模、它不僅考慮了尺寸約束及拓?fù)浼s束，還考慮了工程約束、它對設(shè)計(jì)人員的編程能力要求較高，需要對CAD二次開發(fā)和編程語言掌握到一定程度、與前者相比較，程序驅(qū)動對用戶CAD軟件使用能力較低，能提供友好的交互界面，三維建模不受參數(shù)輸入順序影響、但是它也有不足之處，在實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，程序一般過于復(fù)雜，執(zhí)行速度明顯小如尺寸驅(qū)動，對軟硬件要求較高、因此，我們建議采用第三種力法一二者的結(jié)合。

尺寸驅(qū)動與程序驅(qū)動結(jié)合。?該方法綜合了前面兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，能提供友好的人機(jī)交互界面，不受參數(shù)設(shè)置順序限制，響應(yīng)速度快，目前的主流微機(jī)配置都能滿足、因此，此種力法在CAD二次開發(fā)得到了廣泛的應(yīng)用。

2.部件參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.1自底向上

該過程模仿實(shí)際機(jī)器的裝配，即把事先制造好的零件裝配成部件，再把零部件裝配成機(jī)器、自底向上設(shè)計(jì)過程也是這樣，先構(gòu)造好所有的零件模型，再把零件模型裝配成子部件，然后再裝配成機(jī)器，產(chǎn)生最終的裝配模型、在自底向上的設(shè)計(jì)過程中，如果在裝配時(shí)發(fā)現(xiàn)某此零件不符合要求，諸如零件與零件之間產(chǎn)生干涉，某一零件根本無法進(jìn)行安裝等，就要對零件進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，重新裝配，再發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行修改。從上述過程中可以看出，自底向上設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是思路簡單，操作快捷、方便，容易被大多數(shù)設(shè)計(jì)人員所理解和接受、但底向上設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)在于事先缺少一個(gè)很好的規(guī)劃和個(gè)局的考慮，設(shè)計(jì)階段的重復(fù)工作較多，會造成時(shí)間和人力資源的浪費(fèi)，工作效率較低。

2.2自頂向下

自頂向下的設(shè)計(jì)過程是模仿實(shí)際產(chǎn)品的開發(fā)過程、首先進(jìn)行功能分解，通過設(shè)計(jì)計(jì)算將總功能分解成一系列的子功能，確定每個(gè)子功能的參數(shù);其次進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)總的功能及各個(gè)子功能的要求，設(shè)計(jì)出總體結(jié)構(gòu)及確定各個(gè)子部件之間的位置關(guān)系，連接關(guān)系，配合關(guān)系，而各種關(guān)系及其參數(shù)通過幾何約束或功能的參數(shù)約束求解確定;然后分別對每個(gè)部件進(jìn)行功能分解和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。直到分解至零件、當(dāng)各零件設(shè)計(jì)完成時(shí)，由于裝配模型約束求解機(jī)制的作用，整個(gè)機(jī)器的設(shè)計(jì)也就基本完成。自頂向下與自底向上兩種設(shè)計(jì)方法各有特點(diǎn)，分別適用于不同的場合。

3.結(jié)論

機(jī)械壓力機(jī)的生產(chǎn)屬于單件小批量生產(chǎn)，每位客戶根據(jù)自己企業(yè)需求的不同，對于每一臺鍛壓機(jī)都有自己的要求，因此對于每臺鍛壓機(jī)都必須重新設(shè)計(jì)。長期以來，這個(gè)工作有人工完成，浪費(fèi)了大量的時(shí)間和人力、考慮到鍛壓機(jī)某些典型零件具有相似性，可以對這此零件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到加速設(shè)計(jì)。

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作者簡介：竇瑋，男，碩士，廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。