機械產(chǎn)品三維變型設計研究及應用

張悅

摘 要：隨著CAD等三維建模技術的發(fā)展與應用，機械產(chǎn)品的設計開發(fā)技術逐漸成熟。本文梳理了機械產(chǎn)品三維變型設計的研究背景，并分析了其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。接下來對機械產(chǎn)品三維變型設計原理進行分析，并闡述了其基于三維裝配模型的設計原則。此外，該設計技術能高效地滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求，應用前景十分可觀。

關鍵詞：變型設計；機械產(chǎn)品；主模型；裝配；三維

1 研究背景

變型設計是關于設計方法和過程的一種分類定義，通常是指提取已存在的設計根據(jù)不同用戶的不同要求，做相應的修改以產(chǎn)生一個和原設計相似但又能夠滿足用戶個性化需求的新產(chǎn)品。這種修改保持了原設計的基本原理和總體結構特征，是一種參數(shù)的修改或結構的局部調(diào)整或兩者兼而有之，可以幫助生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)市場需求變化快速地生產(chǎn)新產(chǎn)品，而且可以生產(chǎn)成本、增加收益，使企業(yè)競爭力大大提高。在實際的設計工作中，由于變型設計具有上述一系列優(yōu)點，使得其應用十分廣泛，并且多數(shù)企業(yè)對變型設計體系結構具有迫切需求，因此吸引了眾多研究學者的密切關注和深入研究。

2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

就目前來說，變型設計的研究主要分為產(chǎn)品縱向結構變型設計和產(chǎn)品橫向結構變型設計兩個方向，國內(nèi)外已有大量研究人員和學者對此進行了深入研究[1]。基于模塊化的變型設計是以功能分析為基礎，通過功能相同而性能用途不同的各模塊的互聯(lián)組合而實現(xiàn)各種基型產(chǎn)品和變型產(chǎn)品，一般來說，不能隨意改變模塊的劃分方式，而且模塊之間的裝配關系通常也是預先確定的，通常情況下不能隨意改變，因此限制了其使用范圍?；谘b配模型的變型設計方法是從零件的三維建模入手，以完成零部件的拼裝從而形成完整的機械結構為最終目標，不僅可以表達零件的幾何參數(shù)，而且可以通過零部件之間的裝配關系反映整個產(chǎn)品的功能要求和設計者的設計意圖。基于裝配模型的智能變型設計框架則為解決變型設計中大量問題提供了一種有效的途徑，這種框架使產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理和設計過程密切結合起來，使企業(yè)原有設計資源的重用成為可能，這方面的研究目前正在深入進行。

3 機械產(chǎn)品三維變型設計原理

機械產(chǎn)品的三維變形設計體系結構中，產(chǎn)品的主模型是產(chǎn)品所有零件信息的總和，通常也是由主模型來描述產(chǎn)品的各類參數(shù)信息[2]。在不破壞原設計的基本原理和基本結構特征的情況下，利用產(chǎn)品主模型，可以設計多種產(chǎn)品、部件乃至零件的變形，從而派生出零部件的具體描述信息。這類設計需要考慮該部件或者零件的實際荷載能力及結構特征、材料本身的性能、受力性質(zhì)和相關的配套設施以及運動參數(shù)對該機械系統(tǒng)的影響，需要將產(chǎn)品內(nèi)部具體結構的剛度、強度、功能數(shù)據(jù)以及運動參數(shù)等作為設計的基本要求，再由這些綜合參數(shù)將設計目標劃分并分別移交給結構的具體模塊[3]?？偟膩碚f，設立主模型或者說主模版主要是對產(chǎn)品及其零部件的相關功能和作用、幾何結構以及運動參數(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)品的零部件以及產(chǎn)品的三維主模型、工程圖紙主模板以及產(chǎn)品的主結構，從而為整個機械產(chǎn)品的三維變型設計奠定完備的技術基礎。目前的CAD系統(tǒng)通常是建立產(chǎn)品的完整幾何模型，這種建模方法是從零件的建模開始的，以完成零件的拼裝來最終實現(xiàn)整個產(chǎn)品的幾何設計。通過基于產(chǎn)品的內(nèi)部結構控制，由上到下地將裝配理念、關聯(lián)數(shù)據(jù)以及知識重用的理念統(tǒng)一起來，并建立起合理的驅(qū)動及控制系統(tǒng)，從而便形成一個可靠的機械系統(tǒng)。在對機械產(chǎn)品進行設計時，按照預定要求對產(chǎn)品的設計數(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組合，這樣就能快速、高質(zhì)量、低成本地生產(chǎn)新產(chǎn)品以滿足不斷變化的市場的要求。

4 基于機械產(chǎn)品三維裝配模型的變型設計原則

基于三維建模及裝配技術的機械產(chǎn)品設計工作，不僅僅是針對機械產(chǎn)品的某一個零部件進行設計，并且是立足于機械產(chǎn)品整體使用功能的優(yōu)化設計。因此，針對機械產(chǎn)品的設計與創(chuàng)新活動，設計人員應該對原設計圖紙進行具有創(chuàng)新性的思考，并且可以考慮采用新技術來制造機械產(chǎn)品。在進行一個機械產(chǎn)品的變型設計工作時，設計人員應該首先從工業(yè)設計的角度出發(fā)，使用三維建模技術對零部件參數(shù)進行多次計算和調(diào)整，綜合考慮各種因素從而找到最佳的設計方案，然后從結構分析的角度入手，設計人員應該利用三維裝配技術進行運動仿真找到機械產(chǎn)品仿真運動中的關鍵細節(jié)特點，對傳統(tǒng)機械設計中不足的地方做出針對性的改進，最后還應該考慮機械零部件的安裝與調(diào)配方法的改進。此外，相關工作人員還應該持續(xù)關注機械產(chǎn)品的變型設計理論研究成果，在基礎理論的指導下，提高自己的機械設計制造技能水平。

5 機械產(chǎn)品三維變型設計的應用

機械產(chǎn)品三維變型設計首先需要結合企業(yè)的具體情況，并根據(jù)消費市場上的多元化的需求，將相應的基本機械產(chǎn)品原型作為研究對象，設計開發(fā)新的變型設計系統(tǒng)。開展具體的機械設計工作時，三維設計系統(tǒng)主要以產(chǎn)品的機械結構模塊作為整個設計的基礎，然后根據(jù)設計需求對相應模塊進行調(diào)整，并進行合理布局，從而形成一套完整的結構參數(shù)控制表。接下來，在三維建模環(huán)境下，可以進行設計驅(qū)動方案進行運動仿真，一旦發(fā)現(xiàn)設計結構不符合標準或相應的要求，可以在此返回至最初的參數(shù)頁面，對相關參數(shù)進行重新修改和調(diào)整，以進一步優(yōu)化機械結構。

6 結語

與傳統(tǒng)的機械設計方法相比，三維變型設計大大提高了設計工作的效率和速度，滿足了企業(yè)的快速和個性化設計的需求。因此，推廣和應用三維變型設計技術，可以確保企業(yè)在激烈的市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢。

參考文獻

[1] 鄧偉剛，面向?qū)ο蟮呐渲卯a(chǎn)品變型設計方法研究與實現(xiàn)[D].武漢理工大學，2010.

[2] 秦慧斌，呂明，王宗彥，吳淑芳.機械產(chǎn)品三維變型設計研究與應用[J].中北大學學報，2010，31（5）：453-457.

[3] 朱龍根，機械系統(tǒng)設計[M].中國機械工業(yè)出版社，2001.5.

（作者單位：西華大學）