機械產(chǎn)品三維變型設(shè)計研究及其應(yīng)用

焦湘婷

（浙江農(nóng)林大學(xué)，杭州 311300）

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機械產(chǎn)品三維變型設(shè)計研究及其應(yīng)用

焦湘婷

（浙江農(nóng)林大學(xué)，杭州 311300）

摘 要：本文主要闡述機械產(chǎn)品的三維變型設(shè)計原理及具體設(shè)計要點，深入研究特征、零件、部件以及產(chǎn)品四個方面的機械產(chǎn)品三維變型設(shè)計。此外，以起重機械金屬結(jié)構(gòu)的特征為研究重點，順利完成了選型系列產(chǎn)品的個性設(shè)計，更好地滿足了企業(yè)的生產(chǎn)需求，有效提高了該類產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和效率，從而更好地推廣和應(yīng)用了三維變型設(shè)計技術(shù)。

關(guān)鍵詞：機械產(chǎn)品 變型設(shè)計 主模型 結(jié)構(gòu)草圖 工程圖

目前，模塊化和參數(shù)化的變型設(shè)計理念已應(yīng)用于各類機械加工中，也在一定程度上解決了機械產(chǎn)品變形設(shè)計中存在的問題，并使其達到了規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

1 設(shè)計原理

機械產(chǎn)品的三維變型設(shè)計體系結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)品的主模型是產(chǎn)品零件信息的集合，主要是對產(chǎn)品信息進行描述。利用產(chǎn)品主模型能夠設(shè)計多種產(chǎn)品或零件的變形，從而派生出對各類零件的具體描述信息。其中，需要考慮該零件的實際荷載能力及特征、材料本身的特殊性質(zhì)、受力能力和功能的配套設(shè)施以及運動參數(shù)對結(jié)構(gòu)的影響，將產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強度、功能數(shù)據(jù)以及運動參數(shù)等作為設(shè)計的目標(biāo)，再由這些參數(shù)將設(shè)計的目標(biāo)移交給結(jié)構(gòu)的具體模塊。總的來說，創(chuàng)建主模型以及主模版主要是對產(chǎn)品及其零部件的相關(guān)功能和作用、幾何的具體形狀以及參數(shù)的變形空間域進行深入的分析和處理，從而建立機械產(chǎn)品的零件以及產(chǎn)品的三維主模型、工程用圖主模板以及產(chǎn)品的主內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而為整個機械產(chǎn)品的三維變型設(shè)計奠定完備的技術(shù)基礎(chǔ)。

機械產(chǎn)品中，裝配結(jié)構(gòu)變型主要是由于相關(guān)零件進行連接時發(fā)生了相應(yīng)的改變或者變異等現(xiàn)象所引起。整個結(jié)構(gòu)體系由特征層、零件層、部件層以及產(chǎn)品層幾個方面組成。通過利用產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)控制，由上到下將裝配的理念、數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)以及知識重用的理念進行有機統(tǒng)一，并建立健全完備的驅(qū)動機制，將上述四個層次進行組合，從而形成一個封閉式的循環(huán)系統(tǒng)。在對機械產(chǎn)品進行設(shè)計時，要按照一定的要求對產(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)進行有效提取，并對主模型的模塊賦值，在整個模型框架內(nèi)獲得實例化的模塊，然后將這些模塊有機結(jié)合，從而快速完成整個起重機的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計流程體系。

2 機械產(chǎn)品變型設(shè)計

產(chǎn)品變型設(shè)計主要是基于對產(chǎn)品本身的功能、原理以及大體框架結(jié)構(gòu)保持基本不變的情況，根據(jù)現(xiàn)有需求的變化對機械產(chǎn)品的局部進行變形，呈現(xiàn)出擁有新功能的另一種產(chǎn)品來滿足不同工作要求。起重機金屬結(jié)構(gòu)的三維變型設(shè)計主要包括在零部件的主模型、主文檔以及產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)之上，通過對產(chǎn)品形狀、特征、零件主模型的有機結(jié)合進行交互式建模，再進行資源的有效配置和組合，從而完成設(shè)計。機械產(chǎn)品變型設(shè)計共有四個層次，下面將對此做出具體的分析和總結(jié)。

2.1 特征層次的變型設(shè)計

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，幾何形狀作為最小的組成部分，其變形出的產(chǎn)品是整個產(chǎn)品變形設(shè)計的前提和基礎(chǔ)。通常，特征層次的變型設(shè)計主要是利用對幾何形狀的改變，使零件與部件之間的匹配接口進行改變。利用幾何形狀的具體特征，采取相關(guān)的變形設(shè)計手段，在幾何圖形中利用尺寸驅(qū)動的特征模擬出設(shè)計草圖，并對特征定義及參數(shù)進行調(diào)整和改變，并實現(xiàn)壓縮與釋放等三維特征操作，從而對幾何的特征進行變換。雙立柱式堆垛機的下橫梁作為整個機器的承載力，在其上面設(shè)置配套的附屬結(jié)構(gòu)移動式的通訊器、測距儀器以及限位裝置等，有利于機器限速、供電以及安全等作用。附屬結(jié)構(gòu)主要在下橫梁上，安裝于關(guān)鍵零件矩形管的側(cè)面。其中，安裝孔需要根據(jù)具體情況進行大小、形狀以及間距等設(shè)計。具體設(shè)計中，需要按照普遍安裝的位置確定好建立孔特征的位置，并由人機交互的設(shè)計界面操作驅(qū)動特征草圖的尺寸，同時修改其相關(guān)特征的定義參數(shù)以及壓縮與釋放特征，設(shè)計具有差異性的安裝孔，從而有效實現(xiàn)下橫梁附屬結(jié)構(gòu)接口處的變形設(shè)計方案。

2.2 零件層次的變型設(shè)計

幾何形狀的特征是組成零件的基本要素。其中，構(gòu)成形狀特征的幾何圖素之間存在不變的拓撲關(guān)系，而變形設(shè)計則主要是通過對特征賦予不同的參數(shù)值進行設(shè)計和實現(xiàn)。零件的變型設(shè)計主要是對組成零件的相關(guān)幾何特征進行改變，即通過壓縮和釋放等操作，對相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)進行調(diào)整和修改，而不需要對幾何圖素的位置進行改變，從而大大簡化零件的設(shè)計流程，提高整個設(shè)計工作的效率和設(shè)計水平。在金屬結(jié)構(gòu)中，各個鈑金的零部件主要是焊接而成。零件作為最基礎(chǔ)的元素，在整個造型過程中主要運用特征對模型和設(shè)計圖進行構(gòu)建和表現(xiàn)。利用對零部件的分析和研究，將具有相同特征的零部件進行集合。在掌握零部件具體情況的基礎(chǔ)上，在眾多零部件中選取最符合標(biāo)準(zhǔn)的零件模塊，以滿足機械產(chǎn)品的功能需求和個性化要求，從而為零件的變形設(shè)計提供相應(yīng)的設(shè)計基礎(chǔ)。具體如圖1和圖2所示，其中圖1為堆垛機螺栓聯(lián)接板標(biāo)準(zhǔn)模塊，圖2為螺栓聯(lián)接板標(biāo)準(zhǔn)模塊的變型設(shè)計。

圖1 螺栓聯(lián)接板圖

2 螺栓聯(lián)接板標(biāo)準(zhǔn)模塊的變型設(shè)計

2.3 裝配體層次的變型設(shè)計

這一層面的變型設(shè)計主要是利用綜合應(yīng)用的主模型、事物特性表以及相關(guān)匹配的控制草圖技術(shù)，對產(chǎn)品進行變形設(shè)計。具體地，首先要提前創(chuàng)建好相應(yīng)模塊的主模型以及事物特性表，后由相關(guān)的技術(shù)設(shè)計人員或者用戶將產(chǎn)品的具體參數(shù)輸入，由變形設(shè)計系統(tǒng)利用事物特性表對主模型進行驅(qū)動，從而以高效率的速度設(shè)計出滿足永續(xù)個性需求的產(chǎn)品模型。結(jié)構(gòu)控制草圖能夠?qū)a(chǎn)品中的結(jié)構(gòu)進行按層分解，并形成各種零部件。根據(jù)零件的屬性，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)平面以及空間位置和方向利用軸進行表示。信息數(shù)據(jù)順利創(chuàng)建后，被各個零部件引用，從而使產(chǎn)品內(nèi)部的零件有機結(jié)合，實現(xiàn)對整個模型的全面把控。圖3和圖4分別為前、后截面結(jié)構(gòu)控制草圖，圖5為堆垛機載貨臺吊架的三維變型設(shè)計主模型。

圖3 前截面結(jié)構(gòu)控制草圖

圖4 后截面結(jié)構(gòu)控制草圖

圖5 堆垛機載貨臺吊架三維參數(shù)化裝配主模型

2.4 產(chǎn)品層次的變型設(shè)計

依據(jù)產(chǎn)品系列的分布情況以及相互覆蓋的形式，模塊化產(chǎn)品主要可以分為橫系列、縱系列以及跨系列三種變型設(shè)計。

橫系列的變型設(shè)計主要基于同一個規(guī)格特征的基礎(chǔ)之上。通過變形、增減特定模塊等方式，形成一個新的變形產(chǎn)品。該設(shè)計方式的特征就是不改變基礎(chǔ)產(chǎn)品的主體參數(shù)，只是針對產(chǎn)品的功能特性、組織結(jié)構(gòu)、布局位置以及控制操作方式進行改進和調(diào)整。該手段在產(chǎn)品變形設(shè)計中最容易實現(xiàn)?？v系列的變型設(shè)計主要是基于同一類型的產(chǎn)品對不同的規(guī)格和結(jié)構(gòu)展開模塊式設(shè)計。其中，規(guī)格的差異主要體現(xiàn)在工程存在約束性、相關(guān)操作的性能不同，一定程度上對結(jié)構(gòu)樣式以及尺寸大小造成影響?？缦盗械淖冃驮O(shè)計則是交叉運用橫系列和縱系列的變形設(shè)計，從而形成一種橫系列與縱系列共同作用下的變型設(shè)計。

一般來說，產(chǎn)品的變型設(shè)計主要采用從上到下和從下到上相結(jié)合的設(shè)計模式。在對產(chǎn)品進行變型設(shè)計的過程中，主要有以下三種操作手段。一是搭配。一個最終的產(chǎn)品可以與不同的零件或者模塊進行搭配，并形成配套的接口，從而形成一個統(tǒng)一的整體產(chǎn)品。二是互換。主要是將一些功能相同、當(dāng)時存在性能不同的模塊進行替換。三是參數(shù)化變型。該操作手段主要依據(jù)客戶的個性化需求，在零部件的庫存無法檢索到相應(yīng)的零件搭配以及互換來滿足需求時，需要將產(chǎn)品構(gòu)建的事物屬性以及工程約束進行三維數(shù)據(jù)化變形操作，從而滿足客戶的具體化要求。

3 機械產(chǎn)品三維變型設(shè)計的應(yīng)用

機械產(chǎn)品三維變型設(shè)計需要結(jié)合企業(yè)的具體情況以及市場上的多元化需求，將橋式和門式的起重機橋架、堆垛機金屬結(jié)構(gòu)作為產(chǎn)品的研究對象，設(shè)計開發(fā)起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)的變型設(shè)計系統(tǒng)。利用基于產(chǎn)品特征的四個層次的產(chǎn)品變形設(shè)計技術(shù)，結(jié)合相關(guān)的零件形狀特征以及主模型的交互式建模和配置手段進行有機組合，從而有效完成起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)的三維變型設(shè)計。設(shè)計中，三維設(shè)計系統(tǒng)主要以機械結(jié)構(gòu)的模塊作為整個設(shè)計的根本。設(shè)計人員要根據(jù)設(shè)計需求對金屬結(jié)構(gòu)的整體進行調(diào)整，并進行合理布局和設(shè)計，從而形成一套完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)控制表。此外，需要調(diào)用模型的驅(qū)動模塊進行，利用技術(shù)結(jié)構(gòu)中的三維主模型實現(xiàn)驅(qū)動。在此基礎(chǔ)上，利用金屬結(jié)構(gòu)的三維主模型，采用從上到下和從下到上相結(jié)合的設(shè)計模式，對產(chǎn)品進行優(yōu)化配置和設(shè)計。一旦發(fā)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計結(jié)構(gòu)不符合標(biāo)準(zhǔn)或相應(yīng)的要求，可以在此返回至最初的參數(shù)頁面，對相關(guān)參數(shù)進行重新修改和調(diào)整，以進一步實現(xiàn)對金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。如果金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計符合各個方面的標(biāo)準(zhǔn)和要求，則需要調(diào)用相關(guān)的工程圖對整個模塊進行調(diào)整和更新。

4 結(jié)論

研究機械產(chǎn)品的三維變型設(shè)計及其應(yīng)用，利用四個層次的變形設(shè)計，有效實現(xiàn)了起重機械裝備產(chǎn)品以及相關(guān)零部件的三維模型變型設(shè)計。與傳統(tǒng)的變形設(shè)計相比，大大提高了整個設(shè)計的效率和速度，滿足了企業(yè)的個性化和快速設(shè)計的需求，確保企業(yè)在激烈的市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢，從而更好地推廣和應(yīng)用三維變型設(shè)計技術(shù)。

參考文獻

[1]黃鐵群，徐新勝.基于活動定義的機械產(chǎn)品變型設(shè)計過程研究及其應(yīng)用[J].中國機械工程，2011，（23）：2784-2790.

[2]張強，仲梁維.集成知識工程和實例推理技術(shù)的產(chǎn)品變型設(shè)計研究[J].現(xiàn)代制造工程，2013，（4）：126-130.

[3]秦慧斌，王宗彥，呂明，孫衛(wèi)東.堆垛機金屬結(jié)構(gòu)三維變型設(shè)計研究與實現(xiàn)[J].機械設(shè)計與研究，2011，（2）：102-106.

Research and Application of Three Dimensional Variant Design for Mechanical Products

JIAO Xiangting
(Zhejiang Agricultural and Forestry University,Hangzhou 311300)

Abstract:This paper mainly expounds the design principle and the s pecific des ign of the 3D variant des ign of mechanical products, and further studies the 3D variant design of mechanical products i n four aspects:characteristics, c omponents, parts a nd products. In addi tion, with the c haracteristics of heavy metal structure as the research focus, the successful completion of the selection of series product design, better meet the production needs of enterprises, effe ctively improve the design quality and efficiency of the product, and the technology is widely spread and application.

Key words:Mechanical Products,variant design,mas ter model,structure sketch, engineering drawing automatic adjustment