基于參數(shù)化思想的電動玩具設(shè)計方法研究

程歡，高矚，吉曉民

(西安理工大學(xué)藝術(shù)與設(shè)計學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

當(dāng)前，中國作為世界上最大的玩具生產(chǎn)出口國，生產(chǎn)企業(yè)達2萬多家，產(chǎn)量占全球的1/3，玩具產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為我國出口導(dǎo)向型產(chǎn)業(yè)。［1］其中，電動玩具正成為整個玩具行業(yè)的主流產(chǎn)品。隨著電動玩具市場的日益規(guī)范，玩具設(shè)計開始趨向于功能整合，生產(chǎn)企業(yè)紛紛推出系列化、品牌化產(chǎn)品，而基于參數(shù)化設(shè)計思想進行電動玩具創(chuàng)新設(shè)計正是這種設(shè)計需求的最佳選擇。

隨著CAD技術(shù)的不斷發(fā)展與優(yōu)化，參數(shù)化設(shè)計為方案的重復(fù)利用、結(jié)構(gòu)的重組及并行與集合提供了有效方法。對于有共同特征的設(shè)計對象可以用一組尺寸參數(shù)來約束和控制模型，通過改變零件的部分尺寸，而產(chǎn)生新的對象，快速實現(xiàn)產(chǎn)品系列化設(shè)計。文章提出將參數(shù)化設(shè)計思想應(yīng)用到電動玩具設(shè)計中，利用其結(jié)構(gòu)部分的相似性，通過尺寸和參數(shù)來驅(qū)動零件模型，實現(xiàn)系列零件的自動生成，通過零件的互換與裝配，產(chǎn)生一系列具有相似特征的電動玩具，完成產(chǎn)品的系列化設(shè)計。

1 參數(shù)化設(shè)計思想

參數(shù)化設(shè)計是用對應(yīng)關(guān)系來表示產(chǎn)品的參數(shù)化模型，當(dāng)改變一個參數(shù)尺寸，系統(tǒng)就會自動改變與之相對應(yīng)的其他尺寸，生成新的產(chǎn)品模型。參數(shù)化設(shè)計是一種提高效率的設(shè)計方法，基于尺寸驅(qū)動的參數(shù)化設(shè)計，通過修改最初已確定的幾何模型尺寸參數(shù)來適應(yīng)當(dāng)前設(shè)計需求，從而生成結(jié)構(gòu)類似、尺寸不同的系列產(chǎn)品。

本文采用尺寸驅(qū)動法［2］將玩具結(jié)構(gòu)分成若干零部件，以其中之一作為主要驅(qū)動尺寸，根據(jù)其裝配關(guān)系與約束條件來確定從動零件的尺寸，如圖1所示。本方法必須滿足兩個條件，即零件模型存在并且模型尺寸必須完全被定義。

圖1 尺寸驅(qū)動圖

2 基于Pro/E的電動玩具參數(shù)化設(shè)計

美國PTC公司推出的Pro/E軟件是一款具有參數(shù)化設(shè)計特點，且具有強大三維實體造型功能的軟件。該軟件的參數(shù)化模塊自帶一個具有二次開發(fā)功能的程序設(shè)計模塊，通過運行程序控制系統(tǒng)參數(shù)，判斷特征出現(xiàn)與否，及驅(qū)動具體特征尺寸，即可實現(xiàn)模型的人機交互式參數(shù)化設(shè)計，進行模型的重繪。［3］

2.1 產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計

Pro/E作為基于參數(shù)化設(shè)計思想的大型CAD/CAM/CAE軟件，改變模型的一個特征尺寸，系統(tǒng)根據(jù)拓?fù)潢P(guān)系將對模型進行重新生成，隨之與其相關(guān)聯(lián)的特征也會發(fā)生相應(yīng)的改變，最終獲取新的模型。Pro/E提供了一套從最初的設(shè)計到產(chǎn)品建模、模型修改直至系列零件產(chǎn)生的完整方案，實現(xiàn)面向系列化產(chǎn)品的動態(tài)設(shè)計。［4］如圖2所示，柱子的三部分按照約束關(guān)系建立模型，任意改變其中一個尺寸，相應(yīng)的其他兩部分隨之發(fā)生改變。

Pro/E參數(shù)化建模的步驟如下:

1)進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及零件間關(guān)系的分析，根據(jù)零件間拓?fù)潢P(guān)系確定各零件的尺寸。

圖2 模型尺寸參數(shù)的改變重組圖

2)使用Pro/E對產(chǎn)品進行參數(shù)化建模，確定尺寸間參數(shù)關(guān)系，生成基型產(chǎn)品。

3)根據(jù)產(chǎn)品需求，修改驅(qū)動尺寸，隨著與之相連的從動尺寸的對應(yīng)改變，生成新的產(chǎn)品。

將參數(shù)化思想引用到電動玩具設(shè)計中，玩具的基本結(jié)構(gòu)形式保持不變，對相似的外觀，為了保持內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)不變，只需改變齒輪傳動比和輸出方式。變中有不變，各個部件可以隨意調(diào)換，幾種設(shè)計樣式可以進行多種組合，達到以最少的成本設(shè)計出最多樣式的產(chǎn)品。

2.2 產(chǎn)品系列化設(shè)計

對產(chǎn)品進行系列化設(shè)計，首先要設(shè)計確定一個基型產(chǎn)品，基于基型產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)關(guān)系對其進行橫向或縱向擴展，可生成一系列結(jié)構(gòu)相似的產(chǎn)品。［5］任何一件產(chǎn)品，其外形與內(nèi)部結(jié)構(gòu)都不是單一的整體，可以將其細分并通過裝配生成具體產(chǎn)品。對于系列化產(chǎn)品，其外觀與內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征具有相似性，通過參數(shù)化設(shè)計，在基型產(chǎn)品生成后，改變零件的尺寸變量，可得到一系列不同規(guī)格的相似產(chǎn)品;將類型相同的產(chǎn)品參數(shù)按一定數(shù)列進行合理的設(shè)計、規(guī)劃和排列，并對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和形式進行統(tǒng)一和規(guī)定，有目的地指導(dǎo)同類產(chǎn)品發(fā)展。［6］產(chǎn)品的系列化設(shè)計必須在設(shè)計之前認(rèn)真分析產(chǎn)品特點和演變規(guī)律，確定基型產(chǎn)品的基本參數(shù)，在系列產(chǎn)品的設(shè)計過程中加入通用設(shè)計理念，設(shè)計不僅要使其形狀得以衍變，而且兩產(chǎn)品之間還可以互換部件，對于其可以互換的部分要進行必要的尺寸約束和空間定位，直至生成一系列具有相似特征又有所區(qū)別的產(chǎn)品族，如圖3所示。

圖3 系列化產(chǎn)品圖

3 應(yīng)用實踐

以人偶電動玩具設(shè)計為例，詳細介紹利用Pro/E進行參數(shù)化建模的過程，及實現(xiàn)電動玩具系列化設(shè)計的應(yīng)用方法。

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

人偶電動玩具主要結(jié)構(gòu)包括電機、減速器、傳動機構(gòu)、外殼等。玩具中馬達的選用主要依據(jù)馬達標(biāo)準(zhǔn)中的空載轉(zhuǎn)速，行走類玩具的轉(zhuǎn)速比一般在80～150之間。人偶電動玩具不屬于精密機械，它可以通過調(diào)節(jié)齒輪的傳動得出實際需要的傳動比。減速器作為人偶電動玩具重要的組成部分，主要起到驅(qū)動作用，是整個玩具參數(shù)建模的核心，如圖4所示，首先確定減速箱的尺寸，并以滿足齒輪的嚙合為目標(biāo)建立起齒輪參數(shù)的關(guān)系式，如表1所示。

圖4 傳動方案

表1 齒輪參數(shù)關(guān)系式

設(shè)計先確定一組傳動數(shù)值，在確保嚙合齒輪模數(shù)、中心距、齒數(shù)總和不變的情況下，通過改變每個齒輪的齒數(shù)以及分度圓的大小，設(shè)計出不同傳動比和輸出速度的人偶電動玩具。玩具的傳動機構(gòu)采用皮帶傳動，運轉(zhuǎn)穩(wěn)、噪音低，自身通過帶打滑起到過載保護作用，結(jié)構(gòu)比較簡單，且設(shè)計精度要求不高，可滿足玩具多個動作的要求，如圖5所示。玩具的外殼以人偶為主，圖6中3個外殼結(jié)構(gòu)相似，參數(shù)化建模時只需修改少量尺寸，增加或減少一些特征結(jié)構(gòu)即可得到新的造型。

圖5 皮帶傳動

圖6 外觀造型圖

3.2 零部件生成

零部件生成主要是在Pro/E中基于特征進行建模，建模步驟如下:

1)二維手繪零件的形狀以及大體尺寸。

2)分析各零件的特征以及各零件之間的關(guān)系，根據(jù)裝配關(guān)系修改尺寸，達到裝配要求。

3)在Pro/E中進行參數(shù)化二維草繪并生成三維特征。

4)通過布爾運算添加或減缺特征。

5)細節(jié)處理，滿足制造要求，如倒角、拔模角度等。

6)檢查生成的零件，如需修改，直接在Pro/E左邊的特征樹上完成。

利用Pro/E對零件進行參數(shù)化設(shè)計的主要特點是可修改性和重復(fù)利用性。在實際建模中，若遇到相同或類似的形狀，無需重新設(shè)計，只要修改其相應(yīng)的參數(shù)就可以進行模型的再生成。必須指出的是每一特征尺寸都要建立起相應(yīng)的關(guān)系式與參數(shù)，以實現(xiàn)通用性和提高設(shè)計效率。人偶電動玩具零件所建模型如圖7所示。

圖7 人偶電動玩具零件模型

3.3 裝配

將已建立的人偶電動玩具零件模型進行分類并放入各模型庫，供裝配時任意調(diào)用。玩具組裝的依據(jù)是各零部件間的配合，要充分考慮到裝配的合理性，電動玩具的裝配過程如圖8所示，本文列舉了人偶電動玩具的3種外觀造型，由于玩具上身與裙擺的不同搭配可變換出不同的造型，其外觀造型達9種(圖9)，最終效果圖如圖10所示。如果考慮人偶電動玩具有三組齒輪傳動方案，有車輪和底盤產(chǎn)生的直走和搖擺行走方式，3種裙擺外觀，3種上身外觀，裝配時可任意組合，可搭配組成3×2×3×3=54種形式。

圖8 人偶電動玩具裝配

圖9 外觀搭配圖

圖10 最終效果圖

4 結(jié)論

利用Pro/E對電動玩具進行三維參數(shù)化設(shè)計，對于有共同特征的設(shè)計對象可以用一組尺寸參數(shù)來約束和控制模型，通過改變零件的部分尺寸，產(chǎn)生新的對象，使其建模過程簡單方便，設(shè)計的質(zhì)量和效率得以提高，修改零部件尺寸方便，實現(xiàn)了以較少參數(shù)構(gòu)建電動玩具造型變化，快速呈現(xiàn)出三維造型的設(shè)計效果，為企業(yè)敏捷地跟進市場需求，縮短產(chǎn)品設(shè)計與制造周期，實現(xiàn)產(chǎn)品系列化設(shè)計提供了可借鑒的應(yīng)用方法。

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