鄧小林，韋衡冰

（梧州學(xué)院 計(jì)算機(jī)與電子信息工程系，梧州 543002）

0 引言

隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，如何在最短時(shí)間內(nèi)，以最好的質(zhì)量、最低的成本，生產(chǎn)出滿(mǎn)足用戶(hù)個(gè)性化需求的產(chǎn)品，已成為企業(yè)生存、發(fā)展的關(guān)鍵。變型設(shè)計(jì)很好地順應(yīng)了這種市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要，它的基本原理是指根據(jù)客戶(hù)需求和概念設(shè)計(jì)，確定定制產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)信息，通過(guò)修改產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)主模型的參數(shù)值和尺寸關(guān)系，生成相似的產(chǎn)品或零部件。產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)方法能夠快速設(shè)計(jì)產(chǎn)品原型，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)成本，從而以大批量生產(chǎn)的效率和成本生產(chǎn)出個(gè)性化的產(chǎn)品[1]。

目前關(guān)于變型設(shè)計(jì)的研究很多，如：魯玉軍[2]等人提出的基于事物特性表的產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)研究、吳偉偉[3]等人提出的基于參數(shù)化的機(jī)械產(chǎn)品尺寸變型設(shè)計(jì)研究與實(shí)現(xiàn)、楊青[5]等人提出的基于Pro/Engineer的三維零件模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)、李世國(guó)[6]等人提出的基于Pro/E零件模型的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)研究等等。這些研究主要針對(duì)單個(gè)零件或某類(lèi)零件的再設(shè)計(jì)上，而針對(duì)裝配件的變型設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)研究的并不多。而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，企業(yè)對(duì)裝配件的變型設(shè)計(jì)需求更為強(qiáng)烈，因此，研究裝配件的變型設(shè)計(jì)方法具有重要的意義。

本文在上述研究的基礎(chǔ)上，對(duì)裝配件的變型設(shè)計(jì)方法和過(guò)程進(jìn)行了研究，提出了一種基于參數(shù)化技術(shù)的裝配件變型設(shè)計(jì)方法，利用Pro/TOOLKIT對(duì)Pro/ENGINEER進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)出了參數(shù)化變型設(shè)計(jì)模塊，并用齒輪與軸的裝配件模型對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 裝配件變型設(shè)計(jì)原理

裝配件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及的對(duì)象不再是單個(gè)零件，而是由多個(gè)零件裝配而成的裝配件?；趨?shù)化技術(shù)的裝配件變型設(shè)計(jì)原理具體內(nèi)容如下：首先通過(guò)對(duì)零部件的事物特性分析，確定好各個(gè)零件的可變參數(shù)；然后利用Pro/ENGINEER提供的裝配功能對(duì)裝配件進(jìn)行裝配，同時(shí)對(duì)配合尺寸參數(shù)進(jìn)行分析，建立好裝配件各個(gè)零部件之間的配合尺寸參數(shù)的關(guān)系式，確定好裝配件的可變尺寸參數(shù)并將組件的用戶(hù)自定義參數(shù)和裝配件的可變尺寸參數(shù)關(guān)聯(lián)；最后利用Pro/TOOLKIT對(duì)Pro/ENGINEER進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)所得的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)模塊提取組件的用戶(hù)自定義參數(shù)，通過(guò)人機(jī)交互界面對(duì)用戶(hù)自定義參數(shù)的修改驅(qū)動(dòng)模型變型。其主要流程如圖1所示，步驟如下：

1）針對(duì)特定產(chǎn)品，將客戶(hù)需求轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)計(jì)需求。

2）利用CAD系統(tǒng)建立各個(gè)零部件的三維模型，分析零件的不變尺寸參數(shù)、可變尺寸參數(shù)、導(dǎo)出尺寸參數(shù)以及配合尺寸參數(shù)，從而構(gòu)建零件的參數(shù)信息模型。

3）利用CAD系統(tǒng)提供的裝配功能對(duì)裝配件進(jìn)行裝配。建立裝配件各個(gè)零部件之間的配合尺寸參數(shù)的尺寸關(guān)系式，從而構(gòu)建參數(shù)化裝配件主模型。

4）利用Pro/ENGINEER“工具”菜單下的“參數(shù)”功能建立自定義參數(shù)，并將裝配件主模型的可變尺寸參數(shù)與自定義參數(shù)關(guān)聯(lián)；

5）利用開(kāi)發(fā)的自定義參數(shù)提取模塊，對(duì)提取的裝配件主模型的變型設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修改，即可驅(qū)動(dòng)裝配件模型變型。

圖1 裝配件變型設(shè)計(jì)過(guò)程

2 裝配件零部件尺寸參數(shù)分析

2.1 零件事物特性分析

零件的基本事物特性是指表征零件的功能、幾何、制造等事物特性。零件事物特性分析的好壞將直接影響到部件變型成功與否。要分析零件的事物特性，首先需要對(duì)零件進(jìn)行尺寸參數(shù)分析。零件的尺寸參數(shù)有多種類(lèi)型，通常，可以將尺寸參數(shù)分為不變參數(shù)、可變參數(shù)、導(dǎo)出參數(shù)三種類(lèi)型。不變參數(shù)是指在零件的各種變型中始終保持不變的參數(shù)；可變參數(shù)是指在零件的各種變型中可以改變的參數(shù)；導(dǎo)出參數(shù)是指由其他參數(shù)計(jì)算出來(lái)的參數(shù)。如圖2所示為齒輪與軸的裝配件簡(jiǎn)圖。該裝配件主要由齒輪、軸及鍵組成。

圖2 齒輪與軸裝配簡(jiǎn)圖

該裝配件的軸零件的尺寸參數(shù)分析如圖3所示，齒輪零件的尺寸參數(shù)分析如圖4所示，鍵零件的尺寸參數(shù)分析如圖5所示。

圖3 軸尺寸參數(shù)分析

圖4 齒輪尺寸參數(shù)分析

圖5 鍵尺寸參數(shù)分析

在如圖3所示的軸零件，共有15個(gè)主要的尺寸參數(shù)。為簡(jiǎn)化分析，這里只對(duì)各個(gè)零件的主要尺寸參數(shù)進(jìn)行分析，忽略了一些次要的尺寸參數(shù)，如倒角尺寸，部分過(guò)渡圓弧的圓角半徑等。經(jīng)過(guò)分析，將尺寸R01、L05、L07歸為固定尺寸，將D04、L01、L02、L03、L04、L06、L08、L09歸為可變尺寸，將D01、D02、D03、D05歸為導(dǎo)出尺寸。同理，對(duì)齒輪的尺寸參數(shù)進(jìn)行分析。參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，可知齒輪主要由模數(shù)（M）、齒數(shù)（Z）、壓力角（ALPHA）、螺旋角（BETA）、齒厚（B）、齒頂高（HA）、齒根高（HF）、齒頂高系數(shù)（HAX）、齒頂隙系數(shù)（CX）、變位系數(shù)（X）以及齒輪孔徑（D11）、鍵槽寬（L11）、鍵槽深（L12）組成。這里可將尺寸M、Z、ALPHA、BETA、B、HAX、CX、X、D11、L11、L12歸為可變尺寸，將HA、HF歸為導(dǎo)出尺寸。鍵的齒數(shù)參數(shù)比較簡(jiǎn)單，它主要由l、b、h三個(gè)可變尺寸參數(shù)組成，這里不作過(guò)多闡述。

對(duì)零件尺寸參數(shù)進(jìn)行分析后，接下來(lái)的工作就是分析零件尺寸參數(shù)之間的約束關(guān)系。對(duì)齒輪來(lái)說(shuō)，參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，可知齒頂高HA=（HAX+X）*M，其中HAX是齒頂高系數(shù)，該值一般為1，將其加上變位系數(shù)X，就可以用來(lái)決定直齒輪的類(lèi)型。例如：HA=M為標(biāo)準(zhǔn)齒、HA=0.8M為短齒、HA=1.2M為細(xì)齒。HF=(HAX+CX-X)*M，其中CX是頂隙高，其值一般約為0.25。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)中的定義，HF的值一般可在1.175M至2.5M之間，如果HF=M，即為短齒。對(duì)軸來(lái)說(shuō)，導(dǎo)出尺寸D01、D02、D03、D05皆可由可變尺寸參數(shù)D04進(jìn)行導(dǎo)出。例如：可設(shè)D01=5*D04/8-0.5，D02=5*D04/8，D03=5*D04/8，D05=5*D04/8+0.5。

2.2 裝配件配合尺寸參數(shù)分析

裝配件中每個(gè)零件與其它零件參與裝配部分的尺寸參數(shù)稱(chēng)為零件的配合尺寸參數(shù)[6]。我們通過(guò)建立不同零部件之間的配合部分的配合尺寸參數(shù)關(guān)系式，從而將不同零部件之間的尺寸參數(shù)關(guān)聯(lián)。當(dāng)產(chǎn)品中的某些零件的部分尺寸發(fā)生改變以后，其他零部件將通過(guò)配合尺寸參數(shù)做出快速準(zhǔn)確的相應(yīng)修改。因此，配合尺寸參數(shù)起著在不同零件之間傳遞變型參數(shù)，驅(qū)動(dòng)與之裝配的其他模型變型的作用。

在該裝配體中，裝配部分主要是軸和齒輪孔相配合，鍵與鍵槽及齒輪孔槽配合。在該裝配體中，軸的配合尺寸參數(shù)為可變尺寸參數(shù)D04、L08、L06、L09，齒輪的可變尺寸參數(shù)D11、L11、L12，鍵的可變尺寸參數(shù)l、b、h等。我們可以通過(guò)建立他們之間的尺寸關(guān)聯(lián)，從而可以通過(guò)修改軸的軸徑D04、鍵槽尺寸參數(shù)L08、L06、L09驅(qū)動(dòng)鍵以及齒輪的內(nèi)徑的變型。齒輪的其他部分以及軸的其他需要變型部分則通過(guò)其各自的相應(yīng)可變參數(shù)進(jìn)行控制。根據(jù)上述定義和分析，齒輪與軸的裝配件中配合尺寸信息結(jié)構(gòu)表如表1所示，其中符號(hào)“＜=”表示該符號(hào)的二側(cè)尺寸參數(shù)存在關(guān)系式，且由右邊的尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)左邊的尺寸參數(shù)。

表1 齒輪與軸的裝配件配合尺寸信息結(jié)構(gòu)

3 裝配件變型設(shè)計(jì)方法和過(guò)程

由于裝配件本身固有的復(fù)雜性，現(xiàn)以圖2所示的齒輪與軸的裝配體為例，研究基于參數(shù)化技術(shù)的裝配件變型設(shè)計(jì)的方法和過(guò)程。根據(jù)本文變型設(shè)計(jì)原理思想，將整個(gè)過(guò)程分為產(chǎn)品主模型建立過(guò)程和產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)過(guò)程兩部分。

3.1 產(chǎn)品主模型建立過(guò)程

首先利用CAD系統(tǒng)Pro/ENGINEER設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的所有零件，并根據(jù)零件的事物特性分析，建立好零件的尺寸關(guān)系式，確定好零件的可變參數(shù)，從而確定好零件的變型設(shè)計(jì)參數(shù)。然后利用Pro/ENGINEER提供的裝配功能對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行裝配，同時(shí)對(duì)配合尺寸參數(shù)進(jìn)行分析，建立好裝配件內(nèi)的各個(gè)零部件之間的配合尺寸參數(shù)的關(guān)系式，確定好裝配件的可變尺寸參數(shù)，根據(jù)裝配件的可變尺寸參數(shù)建立好裝配件的用戶(hù)自定義參數(shù)。由于自定義參數(shù)標(biāo)識(shí)符只能由字母、數(shù)字和下劃線三種字符組成，且第一個(gè)字母必須為字母或下劃線，為了“見(jiàn)名知意”，在這里用下劃線將相應(yīng)零件的特性尺寸參數(shù)和零件序號(hào)隔開(kāi)。最后將組件的用戶(hù)自定義參數(shù)和裝配件的可變尺寸參數(shù)關(guān)聯(lián)。例如：我們通過(guò)關(guān)系式D04:0=D_4，將自定義參數(shù)D_4與軸的可變尺寸參數(shù)D04進(jìn)行關(guān)聯(lián)（注：在組件模式下的零件尺寸表示為D#：#，其中后綴表示組件或組件的進(jìn)程標(biāo)志）從而可以通過(guò)控制組件的自定義參數(shù)D_4來(lái)控制軸徑的尺寸參數(shù)D04。

3.2 產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)過(guò)程

首先利用開(kāi)發(fā)的參數(shù)分析處理模塊對(duì)裝配件主模型的自定義參數(shù)進(jìn)行遍歷提取，然后利用該變型設(shè)計(jì)模塊的人機(jī)交互界面對(duì)需要進(jìn)行變型的尺寸參數(shù)進(jìn)行修改，修改尺寸參數(shù)后單擊該模塊的“確定”按鈕，裝配件主模型將進(jìn)行全自動(dòng)的變型。

如圖6所示即為參數(shù)分析處理模塊。該模塊參考文獻(xiàn)[7][8]開(kāi)發(fā)而成，它能實(shí)現(xiàn)組件或者零件的自定義參數(shù)提取、添加、刪除以及更改及模型再生等功能。參數(shù)分析處理模塊的列表控件顯示的是從模型中提取的用戶(hù)自定義參數(shù)。單擊列表控件的任一參數(shù)，將在左側(cè)的參數(shù)編輯框顯示相應(yīng)參數(shù)的名稱(chēng)、數(shù)值及類(lèi)型。在此，可以對(duì)參數(shù)值進(jìn)行修改。也可以在參數(shù)編輯框輸入一新的參數(shù)的名稱(chēng)、數(shù)值及類(lèi)型，按“添加參數(shù)”按鈕添加參數(shù)?！皠h除參數(shù)”按鈕起刪除參數(shù)作用，選擇任一參數(shù)，點(diǎn)擊該按鈕即可進(jìn)行刪除。在修改或添加好相應(yīng)參數(shù)后，點(diǎn)“模型再生”按鈕即可進(jìn)行模型的更新。

圖6 參數(shù)分析處理模塊

4 應(yīng)用舉例

根據(jù)上述的定義和分析，這里以齒輪與軸的裝配件為例，利用開(kāi)發(fā)的變型設(shè)計(jì)模塊對(duì)基于參數(shù)化技術(shù)的裝配件變型設(shè)計(jì)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7為模型更新前畫(huà)面。在這里，我們將組件的自定義參數(shù)M由1.5改為1.25，齒數(shù)由17改為25，壓力角BETA、螺旋角BETA、齒頂高系數(shù)HAX、齒頂隙系數(shù)CX、變位系數(shù)X保持不變，齒厚B由10改為8，配合尺寸參數(shù)D04由8改為10，L09、b、h因?yàn)榕c鍵的厚度相關(guān)聯(lián)，通過(guò)參考機(jī)械手冊(cè)將L09由1.5改為1.25，b由3改為2.5，h由3改為2.5，其它可變尺寸參數(shù)值保持不變，單擊“確定”按鈕，開(kāi)始更新齒輪與軸的裝配體模型，更新前后的齒輪與軸的裝配體模型如圖7、圖8所示。

通過(guò)變型前后的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，改變軸的直徑，鍵的寬度及長(zhǎng)度尺寸后，軸的鍵槽、齒輪孔以及鍵都發(fā)生了相應(yīng)的改變。通過(guò)該實(shí)例，驗(yàn)證了基于參數(shù)化技術(shù)的裝配件變型設(shè)計(jì)方法的可行性。

圖7 模型更新前界面圖

圖8 模型更新后界面

5 結(jié)論

本文運(yùn)用參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本原理和方法，通過(guò)對(duì)裝配件的產(chǎn)品尺寸參數(shù)分析，構(gòu)建了基于參數(shù)化技術(shù)的裝配件主模型，提出了基于參數(shù)化技術(shù)的裝配件變型設(shè)計(jì)方法。利用Visual C++.Net對(duì)Pro/Engineer 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)出了產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)的相關(guān)模塊，并對(duì)上述方法進(jìn)行了驗(yàn)證，取得了滿(mǎn)意的效果。

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