機(jī)械產(chǎn)品三維變型設(shè)計(jì)研究及其應(yīng)用

侯繼超

摘 要：隨著軟件工業(yè)的發(fā)展，我國(guó)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程開發(fā)技術(shù)逐漸成熟。使用CAD/CAM/CAE等三維建模技術(shù)，開展機(jī)械產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有利于提高我國(guó)產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的機(jī)械使用壽命。我國(guó)目前正在走“資源節(jié)約型”和“環(huán)境友好型”的能源發(fā)展道路，推行高性能機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的研究，有利于提高機(jī)械的生產(chǎn)效率，促進(jìn)節(jié)能減排活動(dòng)工業(yè)創(chuàng)新模式的開展。

關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品；三維變型；設(shè)計(jì)研究；應(yīng)用

一、設(shè)計(jì)原理

機(jī)械產(chǎn)品的三維變型設(shè)計(jì)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(duì)產(chǎn)品信息進(jìn)行描述。利用產(chǎn)品主模型能夠設(shè)計(jì)多種產(chǎn)品或零件的變形，從而派生出對(duì)各類零件的具體描述信息。其中，需要考慮該零件的實(shí)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(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，將產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、功能數(shù)據(jù)以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)等作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)，再由這些參數(shù)將設(shè)計(jì)的目標(biāo)移交給結(jié)構(gòu)的具體模塊?？偟膩?lái)說(shuō)，創(chuàng)建主模型以及主模版主要是對(duì)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(jìn)行深入的分析和處理，從而建立機(jī)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(gè)機(jī)械產(chǎn)品的三維變型設(shè)計(jì)奠定完備的技術(shù)基礎(chǔ)。機(jī)械產(chǎn)品中，裝配結(jié)構(gòu)變型主要是由于相關(guān)零件進(jìn)行連接時(shí)發(fā)生了相應(yīng)的改變或者變異等現(xiàn)象所引起。整個(gè)結(jié)構(gòu)體系由特征層、零件層、部件層以及產(chǎn)品層幾個(gè)方面組成。通過(guò)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(shí)重用的理念進(jìn)行有機(jī)統(tǒng)一，并建立健全完備的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，將上述四個(gè)層次進(jìn)行組合，從而形成一個(gè)封閉式的循環(huán)系統(tǒng)。在對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要按照一定的要求對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效提取，并對(duì)主模型的模塊賦值，在整個(gè)模型框架內(nèi)獲得實(shí)例化的模塊，然后將這些模塊有機(jī)結(jié)合，從而快速完成整個(gè)起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程體系。

二、開展機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)三維建模技術(shù)開發(fā)的基本原則

基于三維建模技術(shù)運(yùn)用中的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)活動(dòng)，不僅僅是針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的某一個(gè)零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是應(yīng)該立足于全局機(jī)械產(chǎn)品整體使用功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與創(chuàng)新活動(dòng)，我們應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行創(chuàng)新性思考，盡可能采用新技術(shù)來(lái)開展機(jī)械制造的活動(dòng)。同時(shí)，工作人員還應(yīng)該重視機(jī)械產(chǎn)品的理論性研究，在基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，提高機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的技能水平。在概念設(shè)計(jì)的過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該從工業(yè)設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，使用三維技術(shù)對(duì)零部件參數(shù)進(jìn)行多次調(diào)整，從而找到最佳的設(shè)計(jì)方案。從結(jié)構(gòu)分析的角度入手，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該從新型的建模技術(shù)中找到動(dòng)態(tài)仿真中的關(guān)鍵細(xì)節(jié)特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)中不足的部分進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)。使用新技術(shù)和新材料，對(duì)機(jī)械零件的安裝與調(diào)配方法進(jìn)行改進(jìn)。

三、產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)

按照模塊化產(chǎn)品在產(chǎn)品系列中的分布規(guī)律和覆蓋形式，可以把產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)為橫系列變型設(shè)計(jì)，縱系列變型設(shè)計(jì)和跨系列變型設(shè)計(jì)。橫系列變型設(shè)計(jì)是指在同一規(guī)格的基礎(chǔ)上，通過(guò)變更、增加或減少某些特定模塊而形成變型產(chǎn)品，其特點(diǎn)是不改變基型產(chǎn)品的主要參數(shù)，只在產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、布局、控制系統(tǒng)或操縱方式等方面進(jìn)行調(diào)整；橫系列變型設(shè)計(jì)是產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)中最易實(shí)現(xiàn)的一種；縱系列變型設(shè)計(jì)是在同一類型中對(duì)不同規(guī)格的基型產(chǎn)品進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。規(guī)格不同主要體現(xiàn)為工程約束，使用性能不同，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)型式或尺寸的不同。在橫系列變型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上兼顧縱系列變型設(shè)計(jì)或在縱系列變型設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上兼顧橫系列變型設(shè)計(jì)，形成既有橫系列又有縱系列的變型設(shè)計(jì)，稱為跨系列變型設(shè)計(jì)。產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)采用自頂向下和自底向上相結(jié)合的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法。產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)過(guò)程中存在以下三種操作。

（一）搭配。某個(gè)最終產(chǎn)品可由不同的可搭配模塊搭配而成，通過(guò)與父構(gòu)件相配的接口，執(zhí)行特定的功能的特定模塊搭配到父件上。

（二）互換。主要執(zhí)行功能相同而性能不同引起的模塊更換。

（三）參數(shù)化變型。依據(jù)客戶需求，在零部件庫(kù)中不能通過(guò)檢索到的零部件實(shí)例搭配、互換來(lái)滿足功能要求，則需要根據(jù)構(gòu)件的事物屬性、工程約束進(jìn)行三維參數(shù)化變型，得到符合功能要求的零部件實(shí)例。

四、機(jī)械產(chǎn)品三維變型設(shè)計(jì)的應(yīng)用

機(jī)械產(chǎn)品三維變型設(shè)計(jì)需要結(jié)合企業(yè)的具體情況以及市場(chǎng)上的多元化需求，將橋式和門式的起重機(jī)橋架、堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)作為產(chǎn)品的研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開發(fā)起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)的變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。利用基于產(chǎn)品特征的四個(gè)層次的產(chǎn)品變形設(shè)計(jì)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(jìn)行有機(jī)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(jì)。設(shè)計(jì)中，三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要以機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊作為整個(gè)設(shè)計(jì)的根本。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)設(shè)計(jì)需求對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的整體進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行合理布局和設(shè)計(jì)，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(dòng)模塊進(jìn)行，利用技術(shù)結(jié)構(gòu)中的三維主模型實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。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(jì)模式，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化配置和設(shè)計(jì)。一旦發(fā)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(yè)面，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行重新修改和調(diào)整，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合各個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn)和要求，則需要調(diào)用相關(guān)的工程圖對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)整和更新。

五、結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)的變形設(shè)計(jì)相比，大大提高了整個(gè)設(shè)計(jì)的效率和速度，滿足了企業(yè)的個(gè)性化和快速設(shè)計(jì)的需求，確保企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，從而更好地推廣和應(yīng)用三維變型設(shè)計(jì)技術(shù)。

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