張俊義，唐文秀

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏銀川 750021）

系列化產(chǎn)品三維模型裝配與派生設(shè)計(jì)理論研究?

張俊義，唐文秀

（寧夏工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏銀川 750021）

圍繞系列化產(chǎn)品三維模型虛擬裝配，充分考慮同系列中不同產(chǎn)品之間的相似性和兼容性，特別強(qiáng)調(diào)系列化設(shè)計(jì)意識，基于SolidWorks的二次開發(fā)，提出了一套完整的適用于系列化產(chǎn)品三維模型裝配與派生設(shè)計(jì)的理論體系，可極大地提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

系列化產(chǎn)品；三維模型；裝配與派生設(shè)計(jì)；二次開發(fā)

1 引 言

系列化產(chǎn)品之所以成為一個(gè)系列，應(yīng)具有一種相同的核心技術(shù)或共有技術(shù)、或相同的基本機(jī)構(gòu)尺寸、形式和主要零部件的互換［1］。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式在新產(chǎn)品開發(fā)過程中忽略了系列化產(chǎn)品的這一特性，導(dǎo)致設(shè)計(jì)過程在總體規(guī)劃上缺乏連貫性，即在獲得設(shè)計(jì)結(jié)果的同時(shí)，無法保證設(shè)計(jì)過程功能的延續(xù)，使得現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)中包含的設(shè)計(jì)知識沒有充分發(fā)揮，最終致使新產(chǎn)品增加不必要的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程，浪費(fèi)了大量的人力、物力、財(cái)力和時(shí)間。事實(shí)上，包含在已有產(chǎn)品原設(shè)計(jì)過程中的各種思路、方案、應(yīng)用情況及表現(xiàn)過程對新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與開發(fā)具有重要的借鑒價(jià)值。對已經(jīng)或正在產(chǎn)生的有關(guān)設(shè)計(jì)知識要及時(shí)提煉、管理，充分利用經(jīng)過生產(chǎn)實(shí)踐考驗(yàn)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識，不僅大大縮短生產(chǎn)周期，還可避免設(shè)計(jì)失誤，提高產(chǎn)品的一次成功率，有效地降低成本，提高產(chǎn)品開發(fā)速度，最終增強(qiáng)企業(yè)的競爭力并贏得市場［2］。

2 理論支撐

面向系列化產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)的典型有效形式是產(chǎn)品族和產(chǎn)品平臺。產(chǎn)品族是指共享通用技術(shù)并定位于相互關(guān)聯(lián)市場應(yīng)用的一組產(chǎn)品。產(chǎn)品族中的單個(gè)產(chǎn)品稱為產(chǎn)品變量。產(chǎn)品族中所有的產(chǎn)品變量具有相似性，它們共享相同的結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品技術(shù)。產(chǎn)品族是在某個(gè)核心技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)的大量不同產(chǎn)品，這個(gè)基礎(chǔ)就是產(chǎn)品平臺。產(chǎn)品平臺是能夠被某一系列產(chǎn)品共享的、可復(fù)用的模塊集合，一般具有相對穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，利用它能夠高效地創(chuàng)造和產(chǎn)生一系列派生產(chǎn)品。產(chǎn)品平臺構(gòu)成了能有效設(shè)計(jì)和制造一系列產(chǎn)品的通用結(jié)構(gòu)。

產(chǎn)品族以產(chǎn)品平臺為基礎(chǔ)，通過添加不同的個(gè)性模塊，以滿足不同客戶個(gè)性化需求的一組相關(guān)產(chǎn)品，把產(chǎn)品平臺作為產(chǎn)品族設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)［3］。一個(gè)有效的產(chǎn)品平臺是產(chǎn)品族的核心，是產(chǎn)品族內(nèi)相關(guān)系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)，它具有產(chǎn)品族內(nèi)所有產(chǎn)品的共性特征。

基于上述基本理論，要實(shí)現(xiàn)系列化產(chǎn)品的三維模型虛擬裝配與派生設(shè)計(jì)，關(guān)鍵在于構(gòu)建一個(gè)包含系列化產(chǎn)品最廣泛屬性的基本裝配模型（產(chǎn)品平臺），若要獲得該系列中某一型號產(chǎn)品的裝配模型（產(chǎn)品族），只需按照該型號產(chǎn)品的具體設(shè)計(jì)要求，在基本裝配模型已有的系列化共性基礎(chǔ)上，針對模型作出個(gè)性化局部調(diào)整即可。

3 構(gòu)建基準(zhǔn)裝配模型的若干核心單元

共用基準(zhǔn)裝配模型的各型號裝配體在結(jié)構(gòu)形式和零部件數(shù)量上雖略有差異，但總體結(jié)構(gòu)在很大程度相同，可充分利用系列化產(chǎn)品的這一特性，按要求進(jìn)行配置設(shè)計(jì)，即基準(zhǔn)裝配模型可看作是一個(gè)配置模型，能根據(jù)不同需求實(shí)例化成不同的具體產(chǎn)品［4］。

基于Solidworks構(gòu)建的基準(zhǔn)裝配模型需要通過以下幾個(gè)核心單元的功能配合，才能保證模型的裝配方式定義合理。

3.1 布局草圖

基準(zhǔn)裝配模型中所包含的系列化產(chǎn)品零部件整體裝配信息通過布局草圖來實(shí)現(xiàn)整合。布局草圖的繪制要以所確定的驅(qū)動參數(shù)為基準(zhǔn)，草圖的每一個(gè)元素（線、點(diǎn)）都必須完全定義，多條線重合的地方都統(tǒng)一歸整為一條線。兩個(gè)草圖之間相同尺寸的定義只能唯一，沒有定義尺寸的草圖元素要通過重合、穿透等約束關(guān)系與定義尺寸的草圖元素關(guān)聯(lián)起來。

布局草圖原則上只反映裝配體中的定位尺寸，它的目的就是設(shè)計(jì)人員依賴草圖裝配零部件。布局草圖完成后，將零件模型通過與草圖元素發(fā)生重合、平行、同心等配合關(guān)系逐個(gè)裝配起來。用布局草圖進(jìn)行產(chǎn)品的自上向下裝配時(shí)，零件裝配的先后順序沒有關(guān)系，原因在于每個(gè)零件都是和布局草圖的元素發(fā)生關(guān)系，而零件與零件之間沒有任何配合關(guān)系存在，也正因如此，所有系列產(chǎn)品的通用性和特定性零部件才能共用基準(zhǔn)裝配模型。用布局草圖進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)很好地應(yīng)用了自上向下的設(shè)計(jì)思想，可以隨意更換設(shè)計(jì)意圖，改變設(shè)計(jì)策略，零部件之間的獨(dú)立性非常好［5］。

基于布局草圖實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)裝配模型的建立實(shí)質(zhì)上完成了系列化產(chǎn)品各零部件裝配過程中的有序化。定位尺寸的調(diào)整由程序組件即時(shí)驅(qū)動更改布局草圖來實(shí)現(xiàn)，至于零部件自身的定形尺寸，則通過基于模型的零件參數(shù)化來獲得。具有可驅(qū)動性的定位和定形尺寸只需及時(shí)作出修改，便可在基準(zhǔn)裝配模型基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)任意型號系列化產(chǎn)品的快速裝配設(shè)計(jì)。布局草圖的合理布置將影響各零件之間裝配關(guān)系的正確性以及零件與布局草圖之間的協(xié)調(diào)性。

3.2 尺寸驅(qū)動原則

由布局草圖確定零部件模型裝配位置后，提取出其中的尺寸驅(qū)動信息，之后還必須考慮尺寸驅(qū)動的過程。因?yàn)轵?qū)動尺寸之間并不是孤立的，裝配約束關(guān)系決定了它們之間必然存在關(guān)聯(lián)，如定位尺寸與定形尺寸之間存在配合關(guān)系時(shí)，兩個(gè)尺寸必須同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動，而單一的定位尺寸便可獨(dú)立驅(qū)動；存在前后承接關(guān)系的定位尺寸或定位尺寸與定形尺寸的組合只能在合適的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行驅(qū)動等。因此，要依據(jù)已有的基準(zhǔn)裝配模型中所包含的裝配信息，來仔細(xì)剝離各個(gè)驅(qū)動尺寸，制定出合理的尺寸驅(qū)動原則。

3.3 零部件的位姿與尺寸調(diào)整

任意型號系列產(chǎn)品的裝配過程，實(shí)質(zhì)上是對裝配體中所有零部件進(jìn)行定位和定形操作。定位操作即位姿調(diào)整，所謂位姿，包含位置與姿勢兩層含義，實(shí)質(zhì)上反映的是空間物體的六個(gè)自由度。位置調(diào)整由平移操作來實(shí)現(xiàn)，姿勢調(diào)整由轉(zhuǎn)動操作來實(shí)現(xiàn)?；诓季植輬D構(gòu)建的基準(zhǔn)裝配模型通過草圖中的各種元素與零部件的約束達(dá)到初始定位操作，系列化產(chǎn)品不同型號的裝配體中對應(yīng)零部件的姿勢一般不變，唯一變化的是零部件的空間位置。那么由基準(zhǔn)裝配模型實(shí)現(xiàn)系列產(chǎn)品中其它型號的裝配主要是零部件定位操作中的平移操作，此操作的完成由布局草圖中各元素相對位置的調(diào)整來間接實(shí)現(xiàn)。定形操作即零件本身尺寸大小則由驅(qū)動尺寸的參數(shù)化控制實(shí)現(xiàn)與相應(yīng)的裝配體對應(yīng)。

基準(zhǔn)裝配模型的建立實(shí)質(zhì)上是為實(shí)現(xiàn)裝配與派生設(shè)計(jì)建立了合理的問題目標(biāo)函數(shù)，或稱之為求解模型［6］。該模型對各零部件的裝配位置關(guān)系進(jìn)行分析，建立了它們之間的裝配約束關(guān)系和裝配層次關(guān)系，確定這些零部件的裝配特征的同時(shí)，完成了包含裝配相關(guān)信息的裝配模型。對該模型根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行求解時(shí)，所有裝配信息和約束條件保持不變，只是調(diào)整零部件的空間占位情況和自身尺寸信息。

4 服務(wù)于基準(zhǔn)裝配模型的資源庫

為保證系列化產(chǎn)品基于基準(zhǔn)裝配模型實(shí)現(xiàn)裝配與派生設(shè)計(jì)，還需構(gòu)建模型庫、信息資源庫及程序組件庫。依據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，程序組件庫從信息資源庫提取并整合裝配信息，基于模型庫驅(qū)動基準(zhǔn)裝配模型，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)型號產(chǎn)品的裝配與派生設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

圖1 資源庫結(jié)構(gòu)關(guān)系圖

4.1 模型庫

組成系列化產(chǎn)品的零部件按通用性和特定性分為兩類，參與到基準(zhǔn)裝配模型的構(gòu)建過程中。通用性是指絕大部分零部件在系列化裝配體各型號中均存在，此類零部件在基準(zhǔn)裝配模型中容易表達(dá)；特定性是指一些零部件只是在具體到系列化產(chǎn)品某一裝配體中才存在，這些零部件同樣也要在基準(zhǔn)裝配模型中進(jìn)行表達(dá)。應(yīng)充分發(fā)掘系列化產(chǎn)品零部件上述典型特征屬性，尋找其隱藏在系列化產(chǎn)品各型號之間的內(nèi)在聯(lián)系，并以模型的參數(shù)化和復(fù)用性為前提確定建模思路和規(guī)范，基于Solidworks設(shè)計(jì)一套零部件入庫。

4.2 信息資源庫

為實(shí)現(xiàn)系列化產(chǎn)品基準(zhǔn)裝配模型和模型庫中各零件模型所包含的產(chǎn)品信息及其設(shè)計(jì)過程的復(fù)用，即保證已構(gòu)建模型的系列化進(jìn)化特性，利用已有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息進(jìn)行新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，需要提取模型的系列驅(qū)動信息以及布局草圖中所包含的裝配信息。具體操作時(shí)還需要考慮信息種類、提取規(guī)則及信息存儲方式等要素，以便于后續(xù)對信息資源庫進(jìn)行升級。

4.3 程序組件庫

程序組件庫在接收目標(biāo)產(chǎn)品信息后，對信息資源庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，并將來自信息資源庫整合后的數(shù)據(jù)通過對Solidworks軟件的二次開發(fā)來調(diào)用三維平臺提供的二次開發(fā)函數(shù)，由三維平臺相應(yīng)的函數(shù)指令對模型庫與基準(zhǔn)裝配模型進(jìn)行驅(qū)動操作。

5 基于基準(zhǔn)裝配模型的派生設(shè)計(jì)

不同用戶、不同時(shí)期對產(chǎn)品性能的要求是各式各樣的。企業(yè)既要滿足市場的需求，又不能無限制地增加產(chǎn)品的品種和規(guī)格，否則繁雜混亂的品種和規(guī)格會給生產(chǎn)和使用帶來無法逾越的障礙［7］。在市場需求日益多樣化、個(gè)性化的今天，系列化產(chǎn)品必須擁有盡可能寬的市場覆蓋范圍，才能滿足盡可能多用戶的需求。系列化機(jī)械產(chǎn)品具有應(yīng)用比較成熟，結(jié)構(gòu)主體比較穩(wěn)定的特征，因而其不同型號產(chǎn)品涉及的零部件種類并不多，而且各零部件間的裝配約束關(guān)系基本不變。在拓寬系列化產(chǎn)品使用或覆蓋范圍的方法中，派生設(shè)計(jì)是最為有效和便捷的選擇。

通過系列化產(chǎn)品的派生設(shè)計(jì)，可以使企業(yè)在一種或幾種基本型產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，根據(jù)市場需求和企業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)能力，較快設(shè)計(jì)出該系列的其它型號產(chǎn)品，滿足用戶需求，在市場競爭中掌握主動。同時(shí)，還可通過系列化派生設(shè)計(jì)延長產(chǎn)品的生命周期，充分利用企業(yè)己有的生產(chǎn)設(shè)備能力，使企業(yè)獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5.1 派生設(shè)計(jì)分類

在系列化產(chǎn)品的派生設(shè)計(jì)中，所要設(shè)計(jì)的新型號產(chǎn)品本質(zhì)上依然是技術(shù)比較成熟型產(chǎn)品，因?yàn)楫a(chǎn)品的基本組成、結(jié)構(gòu)和功能早在開發(fā)系列化產(chǎn)品基本型號時(shí)就已確定。因而派生裝配設(shè)計(jì)其實(shí)就是根據(jù)具體的設(shè)計(jì)需求，以已有的類似產(chǎn)品或模塊作為設(shè)計(jì)模板，在保持其整體結(jié)構(gòu)和功能基本不變的前提下，對其局部結(jié)構(gòu)的配置和尺寸作出一定范圍內(nèi)的變動、調(diào)整，以設(shè)計(jì)出符合要求的新型號產(chǎn)品［8］。

基于基準(zhǔn)裝配模型的派生設(shè)計(jì)與其基本型號裝配體的裝配設(shè)計(jì)思路一致，同樣是在裝配約束信息保持不變的情況下，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的參數(shù)化，這樣可避免因零部件參數(shù)化后特征發(fā)生改變導(dǎo)致裝配模型發(fā)生崩潰的問題。由此可見，系列化產(chǎn)品的基于裝配模型的派生設(shè)計(jì)重點(diǎn)仍然是基準(zhǔn)裝配模型即產(chǎn)品平臺的建立過程，該模型的建立旨在建立完整的描述產(chǎn)品裝配信息的數(shù)據(jù)模型，以期不僅可以表達(dá)零件的幾何模型，而且可以通過表達(dá)零件之間的裝配關(guān)系反映整個(gè)產(chǎn)品的功能要求和設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，因而符合自頂向下的設(shè)計(jì)思想并且支持概念設(shè)計(jì)［9］。所以在系列化產(chǎn)品的派生設(shè)計(jì)中必須重視基準(zhǔn)裝配模型造型的適應(yīng)性，這樣才能使企業(yè)減少開發(fā)成本，增加產(chǎn)品的種類，滿足廣大消費(fèi)者的要求，并在市場經(jīng)濟(jì)中求得快速發(fā)展。

基準(zhǔn)裝配模型是進(jìn)行系列化產(chǎn)品派生設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，因而創(chuàng)新設(shè)計(jì)主要表現(xiàn)為參數(shù)的變化，結(jié)構(gòu)的變動則相對較小，前文闡述的產(chǎn)品基準(zhǔn)模型構(gòu)建的核心單元使裝配模型獲得了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，裝配約束信息在設(shè)計(jì)全程是可靠的，最終只采用相關(guān)尺寸驅(qū)動參數(shù)來控制產(chǎn)品派生設(shè)計(jì)。因而零件的參數(shù)化改變不會引起裝配模型的干涉，這在一定程度上支持了產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)，從而保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)的全過程。

鑒于上述分析情況，系列化產(chǎn)品裝配派生設(shè)計(jì)的研究從以下兩個(gè)方面來進(jìn)行，一種是針對裝配體結(jié)構(gòu)主體形式不變，僅發(fā)生尺寸變化的系列化產(chǎn)品新型號的裝配設(shè)計(jì)；另一種是針對裝配體結(jié)構(gòu)主體發(fā)生稍許改變的系列化產(chǎn)品新型號的裝配設(shè)計(jì)。

5.2 派生設(shè)計(jì)模型資源的構(gòu)建策略及實(shí)現(xiàn)過程

針對上述對系列化產(chǎn)品派生裝配設(shè)計(jì)分類情況的研究，服務(wù)于參數(shù)化設(shè)計(jì)過程的模型資源可以采取如下構(gòu)建策略。

（1）新型號裝配體主體結(jié)構(gòu)形式不變的情況：①由于裝配信息保持不變，信息資源庫的升級實(shí)質(zhì)為定形和定位尺寸信息的簡單數(shù)值升級；②支持裝配設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)裝配模型整體布局不變，可在派生設(shè)計(jì)過程中重復(fù)使用；③基于基準(zhǔn)裝配模型，配合模型庫及升級后的信息資源庫完成新型號裝配體的派生設(shè)計(jì)；④程序組件庫復(fù)用性良好。

（2）新型號裝配體主體結(jié)構(gòu)形式存在稍許改變的情況：①裝配信息在局部范圍內(nèi)發(fā)生變化，零部件模型的數(shù)量和結(jié)構(gòu)形式根據(jù)實(shí)際需求作出反應(yīng)；②零件數(shù)量和結(jié)構(gòu)形式發(fā)生變化會引起裝配約束不足，因此基準(zhǔn)裝配模型中布局草圖必須在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行升級，同時(shí)對零部件與布局草圖的配合關(guān)系進(jìn)行合理調(diào)整；③信息資源庫后續(xù)升級，定位尺寸和定形尺寸同樣需要進(jìn)行數(shù)值升級，數(shù)據(jù)量有所增加；④程序組件庫只具有部分復(fù)用性，應(yīng)根據(jù)上述模型庫和信息資源庫的調(diào)整情況作出適當(dāng)后續(xù)開發(fā)。

依據(jù)派生設(shè)計(jì)模型資源的構(gòu)建策略過程，系列化產(chǎn)品派生設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過程如圖2所示。

圖2 派生設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程

6 結(jié) 語

（1）在支持裝配與派生設(shè)計(jì)總體思想的指導(dǎo)下，圍繞基準(zhǔn)裝配模型即產(chǎn)品平臺的構(gòu)建，重點(diǎn)研究了布局草圖、尺寸驅(qū)動原則以及零部件的位姿與尺寸調(diào)整三個(gè)核心單元，并對服務(wù)于基準(zhǔn)裝配模型的資源庫的構(gòu)建進(jìn)行了闡述。

（2）從派生設(shè)計(jì)的重要性、派生設(shè)計(jì)分類與派生設(shè)計(jì)模型資源的構(gòu)建策略及實(shí)現(xiàn)過程探究了系列化產(chǎn)品派生裝配設(shè)計(jì)的新方式。

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Research on the Theory of Assembly and Derivative Design for Series Product

ZHANG Jun－yi，TANG Wen－xiu
（Ningxia Vocational Technical College of Industry and Commerce，Yinchuan Ninxia 750021，China）

Based on 3D model virtual assembly for series product，the similarity and compatibility of different products in the same series are fully considered，with a particular emphasis on serialization design.A complete set of theoretical system of as?sembly and derivative design for series product is put forward in order to improve the efficiency of product design under the secondary development of Solid Works software.

series product；3D model；assembly and derivative design；secondary development

TH122

A

1007－4414（2013）04－0034－03

2013－05－25

張俊義（1983－），男，山西繁峙人，助教，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)自動化與職業(yè)教育研究方面的工作。