面向裝配級變型設計的產(chǎn)品建模方法研究

汪永輝

上汽大眾汽車有限公司 上海 201800

1 研究背景

隨著市場競爭的日益加劇和客戶需求的多樣化，企業(yè)在成本、開發(fā)周期等方面面臨巨大壓力。以基型產(chǎn)品為基礎的變型設計能夠快速響應市場，縮短設計周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。建模是變型設計的必要手段，好的建模方法可以有效表達產(chǎn)品的設計知識和變型知識，進而在模型中無阻礙地傳遞?？梢姡a(chǎn)品的模型不僅能反映產(chǎn)品的設計結(jié)果，而且能描述產(chǎn)品的設計知識和意圖［1］。

產(chǎn)品的變型知識在產(chǎn)品、子裝配體、零件之間傳遞的準確性和速度決定了產(chǎn)品變型設計的效率，如何準確、快速地傳遞變型設計中的信息，是當前企業(yè)所面臨的主要問題。

2 產(chǎn)品變型設計分析

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次

一個裝配體可以分解為若干不同層次的子裝配體，子裝配體又可以分解為若干更下層的子裝配體和零件，表現(xiàn)為一定的層次性。裝配體、子裝配體、零件之間的這種層次關(guān)系可以直觀地表示成一個裝配層次結(jié)構(gòu)［2-4］，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品裝配層次結(jié)構(gòu)

2.2 產(chǎn)品變型設計分類

從圖1中可以看出，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可以由橫向和縱向來分別描述，將橫向定為X軸，縱向定為Y軸，那么產(chǎn)品零件在坐標系中呈離散分布狀態(tài)［5］?？梢?，產(chǎn)品變型設計可以定義為兩種類型：縱向變型設計和橫向變型設計。

X軸方向在某一范圍內(nèi)保持不變，產(chǎn)品設計沿Y軸方向變型，稱為產(chǎn)品的縱向變型設計?？v向變型設計指產(chǎn)品主要功能參數(shù)發(fā)生變化，隨之裝配結(jié)構(gòu)及裝配體之間的關(guān)系也發(fā)生變化，主要由不同零件的重新配合后產(chǎn)生。

Y軸方向在某一范圍內(nèi)保持不變，在X軸方向上進行產(chǎn)品的變型設計，稱為橫向變型設計。橫向變型設計指產(chǎn)品橫向單元的擴充，以及輔助功能的增加。

在產(chǎn)品的橫向和縱向變型設計中，又可以分為零件級變型設計和裝配級變型設計。

在變型設計中，當X軸、Y軸在某一值上確定時，定位為特定的零件，即零件級變型設計。在這種情況下，變型設計過程相對簡單，所牽涉到的關(guān)系也比較單一。

當X軸、Y軸在某一較大范圍內(nèi)變化時，表現(xiàn)為特定的裝配體，即裝配級變型設計。在裝配級變型設計中，設計過程相對復雜，涉及的關(guān)系較多。產(chǎn)品裝配層次結(jié)構(gòu)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品裝配層次結(jié)構(gòu)關(guān)系

3 變型設計主要內(nèi)容

通過總結(jié)大量的設計實例［6］，結(jié)合上述定義，可將變型設計主要內(nèi)容歸納為以下幾個方面。

（1）數(shù)量變化。機械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中零件的輪廓線、輪廓面、工作面，甚至是整個零件均可認為是變型元素，通過改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中變型元素的數(shù)量，以實現(xiàn)產(chǎn)品局部結(jié)構(gòu)的變化。

（2）形狀變化。通過改變結(jié)構(gòu)零件的輪廓形狀、表面形狀、整體形狀，以及改變零件的類型和規(guī)格，都可以產(chǎn)生不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

（3）位置變化。通過改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中變型元素之間的布置位置，或者產(chǎn)品模塊的空間位置，可以得到結(jié)構(gòu)的變型方案。

（4）連接變化。連接變化有兩層含義：一是連接方式，有螺紋連接、焊接、鉚接及過盈連接等；二是對于每一種連接方式，都有多種連接結(jié)構(gòu)。通過改變連接方式和連接結(jié)構(gòu)，可以得到不同的結(jié)構(gòu)。

（5）尺寸變化。尺寸包括長度、距離和角度等，通過改變零部件及構(gòu)件的尺寸，可以改變產(chǎn)品的局部結(jié)構(gòu)。

以上五種變化是相互關(guān)聯(lián)的，一個產(chǎn)品的變型通常包括其中幾種變化，因此單純采用參數(shù)化技術(shù)顯然很難實現(xiàn)［7-8］。針對上述五種變化內(nèi)容，提出產(chǎn)品控制模型（PCM）。

4 PCM概述

4.1 PCM定義

在產(chǎn)品建模過程中，用關(guān)鍵工程設計準則和全局設計參數(shù)驅(qū)動草圖、基準，以及產(chǎn)品的關(guān)鍵點、輪廓線、輪廓面，由這些草圖、基準，以及產(chǎn)品的關(guān)鍵點、輪廓線、輪廓面組成的產(chǎn)品三維布局結(jié)構(gòu)，稱之為PCM。通過幾何元素的復制，將與自身關(guān)聯(lián)的信息傳遞到子裝配體中，把它們作為子裝配體的主要參數(shù)。同時可以在子裝配體中添加參數(shù)，層層下發(fā)傳遞信息。在構(gòu)建PCM時，注重最初的產(chǎn)品總體布局，捕獲和抽取各個子裝配體和零件間的基本特征，以及相互關(guān)聯(lián)性，這是PCM的真正內(nèi)涵。

4.2 表達關(guān)系

PCM中的所有幾何關(guān)系、拓撲關(guān)系及裝配關(guān)系都能夠為下一級享用，不僅可以控制子裝配體空間位置的分布和大小，還可以表達具有配合、約束關(guān)系的零部件間幾何信息和拓撲關(guān)系。與此同時，通過預留模塊接口的方式，PCM為模塊間的銜接提供了有利保障。

（1）幾何關(guān)系。PCM主要由基準點、線、面，以及草圖和產(chǎn)品的關(guān)鍵點、輪廓線、輪廓面所組成。進行自頂向下的設計時，模型將為產(chǎn)品裝配體、子裝配體及具體零件提供統(tǒng)一的基準和坐標。這些基本組成元素是產(chǎn)品詳細設計的基礎，同時也是產(chǎn)品概念設計的核心［9］。通過編輯基本元素，可以對產(chǎn)品中重要的幾何關(guān)系進行修改［10］。

（2）拓撲關(guān)系。在產(chǎn)品初始設計階段，為產(chǎn)品中的各個子裝配體及零件分配準確的空間位置及大小是至關(guān)重要的。在PCM中，不但要考慮零件間的定位關(guān)系和相互之間的配合、約束關(guān)系，而且要充分考慮子裝配體的位置分布、相互接口等問題。PCM可以看作產(chǎn)品三維布置圖，從產(chǎn)品的最頂層到零件詳細設計，都能夠充分反映產(chǎn)品的拓撲關(guān)系，如圖3所示。

（3）裝配關(guān)系。PCM為產(chǎn)品中的關(guān)鍵零部件分配空間位置。進行裝配時，采用原坐標系絕對定位，可以確定關(guān)鍵部件在產(chǎn)品中的位置及規(guī)定的空間區(qū)域，非關(guān)鍵部件進行貼合、平行、對齊、對中等裝配操作。當PCM中控制位置的關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生變化時，關(guān)鍵零部件位置也發(fā)生變化，其它相關(guān)聯(lián)的零件受裝配約束的影響而自動調(diào)整。

圖3 PCM拓撲關(guān)系

4.3 PCM的應用

（1）產(chǎn)品布局變化。產(chǎn)品中各個子裝配體及零件在空間位置分配、大小范圍的確定，是產(chǎn)品概念設計中的一個重要環(huán)節(jié)。PCM通過相關(guān)參數(shù)化技術(shù)，利用產(chǎn)品整體參數(shù)驅(qū)動基準、產(chǎn)品草圖，以及關(guān)鍵點、輪廓線、輪廓面，在三維空間中構(gòu)建產(chǎn)品整體布局。當布局變化時，通過對產(chǎn)品整體控制參數(shù)進行變更，能有效解決布局變化問題。

（2）裝配體之間與零件之間的關(guān)系協(xié)調(diào)。在變型設計中，某一子裝配體發(fā)生變化時，其它零部件及裝配體也會相應發(fā)生變化。PCM在未進行詳細建模前，預先將裝配體之間、零件之間的關(guān)系抽取出來，在其父層中分配這些關(guān)系，然后通過相關(guān)幾何拷貝將關(guān)系傳遞到下一級。當沖突發(fā)生時，可以在父層中進行協(xié)調(diào)。

（3）零件形狀和尺寸變型。純參數(shù)化變型設計能很好地對產(chǎn)品的尺寸大小進行調(diào)整，而對于零件結(jié)構(gòu)形狀的變化卻很難處理。PCM從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中進行抽取，能夠控制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化。在PCM最底層，零件擁有從產(chǎn)品性能參數(shù)傳遞下來的設計參數(shù)，只要對其進行調(diào)整和修改，便能解決零件的結(jié)構(gòu)形狀變型問題。

通過上述三個不同層次的應用，能夠?qū)崿F(xiàn)變型設計中的五大變化，包括從產(chǎn)品布局到零件詳細設計的變化。PCM應用示意圖如圖4所示。

圖4 PCM應用示意圖

4.4 PCM建模方法

（1）搭建控制模型頂層。在概念設計過程中，按照產(chǎn)品的主要功能和要求，用關(guān)鍵工程準則、全局設計參數(shù)、設計者自身經(jīng)驗，驅(qū)動基準點、線、面、草圖，以及產(chǎn)品關(guān)鍵點、輪廓線、輪廓面，建立一個產(chǎn)品的三維布局框架。

（2）完善模型底層。在頂層控制模型基礎上，按照產(chǎn)品各個子裝配體的功能，復制相關(guān)的幾何元素和基準到自身部件中，形成控制模型的層次結(jié)構(gòu)。模型層次結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品裝配層次結(jié)構(gòu)一一對應，產(chǎn)品中復雜的層次關(guān)系通過變型元素和基準的相關(guān)性復制表達，避免了復雜的參數(shù)引用。在子裝配體中，設計者添加輔助的幾何元素和基準，層層向下傳遞直到零件的詳細設計為止。

（3）零件詳細設計與產(chǎn)品裝配。進行零件詳細設計時，擁有從頂層或者父層傳遞來的設計參數(shù)，并基于這些參數(shù)完成設計建模。最后按照絕對坐標系對零件進行裝配，完成產(chǎn)品的建模。

5 變型設計實例

水平定向鉆進是一種新型的非開挖技術(shù)，從石油鉆井領(lǐng)域發(fā)展演變而來，它將水平定向鉆機作為施工設備，以可控鉆孔軌跡的方式，在地下不同地層和深度進行鉆進，并通過專用的控向儀使鉆孔沿設計軌跡前進，最后抵達指定位置，然后進行回擴、回拖，從而達到鋪設地下管線的目的［11］。水平定向鉆機的主要動力由動力頭提供，根據(jù)動力頭提供動力的不同，類型也不同。水平定向鉆機中動力頭的變型設計系統(tǒng)基于PCM建立，通過動力頭的幾何關(guān)系、拓撲關(guān)系及裝配關(guān)系建立模型，能實現(xiàn)對主要參數(shù)進行修改，從而實現(xiàn)快速更新，然后再基于模型對三維設計軟件進行二次開發(fā)。

圖5所示為基于PCM的傳動部分設計截圖，可以通過改變局部參數(shù)、系統(tǒng)內(nèi)部自帶公式計算及幾何尺寸關(guān)聯(lián)，使整個傳動系統(tǒng)設計方案得到更新。圖6所示為動力頭箱體部分設計截圖，此部分參數(shù)引用動力傳動部分，傳動部分的更新能驅(qū)動箱體部分結(jié)構(gòu)尺寸，如箱體孔位的變化等。如果更新尺寸超出原有箱體的極限值，則需要手動輸入?yún)?shù)，從而實現(xiàn)箱體尺寸更新，并符合箱體尺寸設計要求。這一系統(tǒng)能夠完成從產(chǎn)品的布局到零件的詳細設計三個不同層次的PCM應用。通過修改箱體關(guān)鍵參數(shù)，以及模型內(nèi)部的幾何形狀關(guān)聯(lián)，最終實現(xiàn)幾何形狀的變化，如圖7所示。

圖5 傳動部分設計截圖

6 結(jié)論

筆者分析了產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)，指出產(chǎn)品變型設計的兩個方向：橫向變型設計、縱向變型設計。區(qū)分了單個零件、裝配體中變型設計的差別。

圖6 箱體部分設計截圖

筆者同時提出了產(chǎn)品變型設計中的主要內(nèi)容：數(shù)量變化、形狀變化、位置變化、連接變化和尺寸變化，對每項內(nèi)容進行了詳細解釋。

圖7 幾何形狀變化比較

將上述變化內(nèi)容分成三個層次，利用相關(guān)參數(shù)化和幾何元素相關(guān)性，建立PCM來控制產(chǎn)品零件和裝配體的空間位置及相關(guān)特征，建立產(chǎn)品的總體布局及子裝配體結(jié)構(gòu)模型。PCM能夠?qū)崿F(xiàn)裝配建模過程中產(chǎn)品設計知識的共享、傳遞、變更及重用。