產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計方法研究

李 鴻

（淮安蘇減金象機(jī)械制造有限公司，江蘇 淮安 223002）

參數(shù)化設(shè)計是指參數(shù)化模型的尺寸用對應(yīng)關(guān)系表示，而不需用確定的數(shù)值，變化一個參數(shù)，將自動改變與它相關(guān)的尺寸。參數(shù)化設(shè)計是提高設(shè)計效率一種方法，基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化設(shè)計[1]，其原理是修改原始幾何模型的尺寸參數(shù)來滿足當(dāng)前設(shè)計要求，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)相似、尺寸不同的系列產(chǎn)品。本文提出了基于鏈狀結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解，并通過構(gòu)建參數(shù)傳輸矩陣方程來確定參數(shù)化關(guān)系。

1 產(chǎn)品參數(shù)化

產(chǎn)品參數(shù)化的一般過程可分為三個步驟：第一，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)分解，分析產(chǎn)品各個零部件之間的尺寸關(guān)系，建立零件、子裝配體、總裝配體之間的參數(shù)拓?fù)潢P(guān)系；第二，產(chǎn)品的參數(shù)化建模，確定驅(qū)動尺寸和從動尺寸的參數(shù)關(guān)系；第三，修改驅(qū)動尺寸，與之關(guān)聯(lián)的從動尺寸按建立的拓?fù)潢P(guān)系隨之改變，以達(dá)到設(shè)計的要求。

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分解

圖1 鏈狀結(jié)構(gòu)

（1）鏈狀結(jié)構(gòu)。從零件或子裝配體的驅(qū)動尺寸P1開始，按一定的參數(shù)關(guān)系推演出與之相關(guān)的從動尺寸，然后以這一從動尺寸為驅(qū)動尺寸，用相同方法推演出下一個從動尺寸，直至完成所有從動尺寸的推演，如圖1 所示。這種參數(shù)化關(guān)系是建立在零件基礎(chǔ)上的“鏈狀”關(guān)系，零件的參數(shù)化尺寸是“鏈”的一個節(jié)點。其缺陷在于尺寸關(guān)系比較凌亂，并且只要鏈中的一個節(jié)點出現(xiàn)異常將影響整個參數(shù)關(guān)系。

（2）星型結(jié)構(gòu)。星型結(jié)構(gòu)如圖2 所示，把裝配體Assembly分解成子裝配體B0、B1、B2…Bm，每個子裝配體中含有若干個零件。采用星型結(jié)構(gòu)建立子裝配體零件之間的關(guān)系，以圖中B1為例確定核心零件集合P10（包含B1中所有驅(qū)動尺寸），其余B1中的其它零件都與P10建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，即P10中的尺寸為驅(qū)動尺寸決定其它的從動尺寸。同樣在建立子裝配體之間的關(guān)系時，先確定核心的子裝配體集合B0，再把其它的子裝配體的接口尺寸與B0相關(guān)尺寸關(guān)聯(lián)。

圖2 星型結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是層次清楚、參數(shù)關(guān)系明確，當(dāng)需要添加或刪除子裝配體時只需建立或刪除與核心子裝配體的關(guān)聯(lián)關(guān)系即可。

（3）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其與星型結(jié)構(gòu)的區(qū)別是每個子裝配體之間是并列關(guān)系，而不是星型結(jié)構(gòu)中的核心子裝配體集合；子裝配中的零件也是并列的。它們的關(guān)系是雙向的，任何一個都可作驅(qū)動尺寸也可以作從動尺寸。

圖3 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)

2 參數(shù)關(guān)系確定與參數(shù)傳輸

對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解后，需要確定參數(shù)的傳輸路徑和方式，從而確定各級之間的參數(shù)化關(guān)系，即確定驅(qū)動尺寸與從動尺寸之間的參數(shù)關(guān)系。以星型結(jié)構(gòu)中B0,B1為例分析參數(shù)的傳輸路徑。首先，設(shè)計者需要輸入核心子裝配體集合B0的驅(qū)動尺寸，通過參數(shù)關(guān)系得到B0的從動尺寸B1。同樣也可以得到其它子裝配體的從動尺寸，從而完成參數(shù)化的過程，并可得到原始產(chǎn)品的一個系列產(chǎn)品。參數(shù)關(guān)系是由比例因子k和關(guān)系常數(shù)C決定的參數(shù)傳輸矩陣方程來確定。

Λm是由比例因子kmn組成的對角陣，D是由驅(qū)動尺寸dn組成的矩陣，D＇是由從動尺寸組成的矩陣，C是由常數(shù)因子cn組成的矩陣。

3 產(chǎn)品參數(shù)化的應(yīng)用

根據(jù)產(chǎn)品的分解和參數(shù)化關(guān)系的建立，產(chǎn)品被分解為有確定關(guān)系的三級即總裝配體級、子裝配體級和零件級。在三維CAD軟件上，按上述思想建立三維參數(shù)化模型。設(shè)計者通過改變驅(qū)動尺寸，進(jìn)行參數(shù)化，生成系列產(chǎn)品。

施密特望遠(yuǎn)鏡的系列化。首先，對施密特望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解，把施密特望遠(yuǎn)鏡鏡筒分解為六個部分，見圖4 。

圖4 施密特望遠(yuǎn)鏡鏡筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)是由它的光學(xué)參數(shù)和機(jī)械尺寸決定的，設(shè)定主鏡的焦距、直徑、厚度以及改正鏡的厚度、直徑、改正鏡到主鏡距離為驅(qū)動尺寸。根據(jù)上述產(chǎn)品分解思想把主鏡室和改正鏡組確定為核心子裝配體，見圖5 。

圖5 以主鏡室和改正鏡組為核心零件

確立驅(qū)動尺寸和從動尺寸之間的關(guān)系，以建立三葉架中的三葉片高度H與主鏡直徑Z_D的參數(shù)關(guān)系為例闡述驅(qū)動尺寸和從動尺寸之間參數(shù)關(guān)系的確立。圖6 中，三葉片中T_D為從動尺寸，Y_D1、t為不變尺寸，T_D與主鏡直徑Z_D關(guān)聯(lián)。而在三葉架子裝配體內(nèi)部T_D為驅(qū)動尺寸，H為從動尺寸。經(jīng)分析有：T_D=1*Z_D,H=0.5*T_D－(0.5*t+0.5*Y_D1)，

所以式(1)中的i=2,

對角陣中的比例因子k11＝1,k21=0.5,

關(guān)系常數(shù)c1=－(0.5*t+0.5*Y_D1)，其余的尺寸同樣可以形成式(1)的形式。

圖6 確定三葉片高H的參數(shù)關(guān)系

選用Solidworks作為三維建模環(huán)境，建立施密特望遠(yuǎn)鏡模型。用上述方法對各零件、子裝配體添加參數(shù)關(guān)系，得到施密特望遠(yuǎn)鏡的一個系列。

4 結(jié)語

參數(shù)化方法在施密特望遠(yuǎn)鏡系列化中得到了很好的應(yīng)用。提出基于星型結(jié)構(gòu)與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)對產(chǎn)品進(jìn)行分解，可以刪除、添加零部件而不影響其它結(jié)構(gòu)關(guān)系；通過構(gòu)建參數(shù)傳輸矩陣方程確定參數(shù)化關(guān)系，兩者結(jié)合提高了產(chǎn)品的可擴(kuò)展性，方便產(chǎn)品的再設(shè)計。實踐證明，通過該方法進(jìn)行產(chǎn)品的系列化設(shè)計，能快速響應(yīng)市場、縮短設(shè)計周期、降低開發(fā)成本而且可擴(kuò)展性好。

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