王興祖，楊 波，姚 孔，王繼宇，高常青

(濟南大學機械工程學院，濟南 250022)

基于圖形單元的快速設計系統(tǒng)的構建*

王興祖，楊 波，姚 孔，王繼宇，高常青

(濟南大學機械工程學院，濟南 250022)

圖形單元是從產(chǎn)品快速變型設計角度提出的一種新型信息建模方法，在系統(tǒng)總結基于圖形單元的產(chǎn)品設計研究現(xiàn)狀的基礎上，從圖形單元的特性、分類以及其自組織特性等方面分析了面向概念設計的單元化建模方法，并探討了系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術，進而開發(fā)出面向產(chǎn)品全生命周期的快速設計系統(tǒng)，通過系統(tǒng)各模塊間協(xié)同配合，可快速實現(xiàn)零件的自動化設計和智能化建模。最后通過運行實例驗證了方法的有效性。

圖形單元;單元化建模;概念設計;快速設計

0 引言

目前的CAD系統(tǒng)大多局限于產(chǎn)品幾何建模，對產(chǎn)品設計過程前期信息模型的處理、產(chǎn)品工程意義的表述和動態(tài)設計等方面稍有欠缺。面向合理化工程的圖形單元技術適時而生，許多學者在圖形單元的相關研究領域做出了諸多嘗試，沖野教郎［1］提出了生物型建模的概念，譚建榮等［2］依據(jù)產(chǎn)品信息基因理論，系統(tǒng)地討論了圖形相似的基本原理和方法，并著手研究了面向產(chǎn)品信息建模的圖形單元技術，此外，學者們在如圖形結構單元的關聯(lián)模型［3］、結構單元的單元化建模［4］以及基于功能模型的單元化設計［5］等方面亦做出了有益的嘗試，這些研究工作極大地推進了基于單元技術的產(chǎn)品設計理論的發(fā)展及研究。利用參數(shù)化建模技術，可將具有相似結構與功能的單元模型組織起來，建立功能結構單元庫，在基于圖形單元的設計中，將相應的圖形單元按照功能要求進行自組織，可快速生成零件實體模型。在這一過程中，通過將圖形單元與設計過程、設計信息進行集成建模，可有效提高產(chǎn)品結構設計的自動化、智能化水平，為基于合理化工程的CAD提供高效的圖形建模工具。

本文在系統(tǒng)總結基于圖形單元的產(chǎn)品設計研究現(xiàn)狀的基礎上，分析了面向概念設計的單元化建模方法，并將圖形單元技術有機的結合到概念設計階段，進行了基于圖形單元的快速設計系統(tǒng)的開發(fā)。該系統(tǒng)通過各模塊間協(xié)同配合，可快速實現(xiàn)零件的自動化設計和智能化建模。

1 概念設計單元化建?；A

所謂圖形單元(Graphics Modelon)是指具有一定功能的結構單元;它根據(jù)產(chǎn)品零件的拓撲特征、形狀特征、尺寸特征等，將描述同一特征的點、線、面等圖素加以組合而成;它是工程技術人員思考、創(chuàng)造的工程語言，也是設計、制造和加工的基本單元［6］。機械產(chǎn)品中的零件盡管各不相同但都是由基本機構演變而來，分析各結構的相似性可大致將其分為軸套類、盤蓋類、叉架類、箱體類等結構單元，正是彼此間的相似性，為其快速再設計提供了可能。

1.1 概念設計中圖形單元的特性

機械產(chǎn)品零件的結構設計是基于功能進行的，在概念設計的單元化建模過程中，圖形單元不僅是具有一定功能的結構單元，也是功能結構映射的載體。因此，為有效支持整個概念設計過程，圖形單元應具有以下特性。

(1)功能性。圖形單元是基于功能進行劃分的，因此每個圖形單元必定具有特定的功能。如具有傳動作用的齒輪，具有固定作用的螺紋孔等。

(2)組合性。圖形單元由點、線、面組合而成，作為結構設計中的基本單元，亦可將圖形單元通過一系列約束關系共同組合成滿足特定功能的零件模型。

(3)拓撲結構可變性。不同于傳統(tǒng)的參數(shù)化設計，在基于圖形單元的快速概念設計中，圖形單元由結構和參數(shù)共同來定義，當將圖形單元按照功能需求進行組合形成零件后，通過對其拓撲結構進行動態(tài)編輯，可實現(xiàn)零件的結構變異設計，從而有效支持快速產(chǎn)品創(chuàng)新設計，如圖1所示。

(4)繼承性。當將圖形單元按照功能需求組合形成零件后，經(jīng)動態(tài)編輯插入、刪除、替換的圖形單元，必將繼承原圖形單元的約束關系。

(5)演變性。具有特定約束關系的幾個圖形單元，可視為一個特殊的整體，進而整合、演變?yōu)橐粋€新的圖形單元。在裝配體中，一個或具有特定聯(lián)接關系的幾個零件亦可視為一個整體，進而演變?yōu)橐粋€可拆卸結構單元［7］。

(6)可編程性。圖形單元將點、線、面間的約束關系以代碼的形式儲存于計算機中，可通過編輯代碼來定義圖形單元并通過相關算法約束單元間的聯(lián)接關系。

1.2 概念設計中圖形單元的分類

圖形單元作為設計中的基本單元，其分類應緊密結合零件的設計過程。按圖形單元的完備性及其表現(xiàn)，我們可將圖形單元劃分為如下五類，如表1所示。

(1)軸套類圖形單元:軸套類零件一般為普通軸、齒輪軸及襯套等零件，主要起到支承和傳遞動力的作用。其主要圖形單元可分為光軸、直齒、斜齒、錐齒、人字齒及蝸桿等等。

(2)盤蓋類圖形單元:盤蓋類零件一般為端蓋、閥蓋及齒輪等零件，主要起到傳動、連接和密封的作用。其主要圖形單元可分為圓盤、橢圓盤、方盤、凸緣、肋板、直齒、斜齒、錐齒、人字齒及蝸輪等等。

(3)叉架類圖形單元:叉架類零件一般為撥叉、連桿及支座等零件，主要起到支承、撥動和連接的作用。其主要圖形單元可分為工型桿、支撐板、肋板、圓形底板、矩形底板、圓環(huán)、連桿大頭及連桿小頭等等。

(4)箱體類圖形單元:箱體類零件一般為閥體、泵體及減速器箱體等零件，主要起到支承、容納和保護其他零件的作用。其主要圖形單元可分為半球形殼體、半圓柱體形殼體、三角形安裝板、正方形安裝板、肋板、圓柱形進出油口、上箱蓋及下箱蓋等等。

(5)詳細設計圖形單元:為完善整個模型結構，在設計的最后階段還應進行工藝詳細設計，而詳細設計圖形單元主要為倒直角、倒圓角、通槽、燕尾槽、T型槽、V型槽、型腔、孔和螺紋等等。

表1 主要圖形單元

1.3 概念設計中圖形單元的自組織

1.3.1 自組織特性

圖形單元的自組織主要包括拓撲特性、形狀特性和連通域特性的自組織［8］。

(1)拓撲關系的自組織

拓撲關系是各圖形單元組合的關鍵，其連接特征主要體現(xiàn)在相關表面之間的約束關聯(lián)，而其連接方式主要有自動、半自動和手動。

自動:各單元間的拓撲關系由系統(tǒng)自動生成，相關表面之間的約束關聯(lián)主要體現(xiàn)為中心對齊和法向?qū)R等，如軸套類零件。

半自動:各單元間有特定的搭接關系，通過交互操作進行模型構建，相關表面之間的約束關聯(lián)主要體現(xiàn)為中心對齊和法向?qū)R等，部分零件還需保證角度對齊，如盤蓋類零件。

手動:對于結構復雜且無規(guī)則的零件，通過給定參數(shù)和定位關系進行搭接，相關表面之間的約束關聯(lián)主要體現(xiàn)為中心對齊、法向?qū)R和角度對齊等。如叉架類零件和箱體類零件。

(2)形狀特性的自組織

形狀特性的自組織表現(xiàn)在對組合前后圖形單元進行的識別及操作。生成新單元的方法大致可分為創(chuàng)新設計、原圖演變及多圖組合。對于前兩種圖形單元主要保證各單元間的拓撲關系，對于第三類圖形單元，還需做有效性檢驗、共線處理等后續(xù)操作。

(3)連通域特性的自組織

連通域特性是圖形操作的必要信息，若要滿足復雜零件剖視的要求，則需搜索內(nèi)連通域的輪廓;若要在裝配設計過程中進行自動消隱，則需對零件的外輪廓進行識別［6］。

1.3.2 自組織連接算法

圖形單元間的約束關系主要為中心對齊、法向?qū)R和角度對齊，分析單元間的連接特性，可知無論哪種約束關系，其關鍵操作都是最基本的平移和旋轉，其基本算法如下。

(1)平移:若兩圖形單元名義特征點的坐標分別為 P1(x1，y1，z1)、P2(x2，y2，z2)，如圖 2 所示。

則自組織連接時，其平移向量P1P2和平移坐標變換公式分別為:

圖2 單元對齊點

圖3 單元法向量

則自組織連接時，其旋轉向量n和旋轉角度θ分別為:

2 基于圖形單元的快速設計關鍵技術

基于圖形單元的快速設計過程主要分三個階段:結構概念設計，結構動態(tài)編輯，結構詳細設計。結構概念設計是通過對基于功能的圖形單元進行選擇并組合，形成產(chǎn)品的基本結構骨架，此時生成的模型并非最終的實體模型，往往還需要一些動態(tài)編輯，結合圖形置換與迭代原理的插入、刪除和替代算法，可對這一基本骨架進行更一步調(diào)整。概念設計并非設計的最終目標，應進一步上升為詳細設計。為完善結構，最后還應進行工藝結構詳細設計，例如添加倒角、鍵槽或螺紋等，亦即通過添加特定工藝結構，完善整個零件設計，進而提高設計效率。

2.1 結構概念設計

作為實際設計的第一步，結構概念設計的目標是獲得產(chǎn)品的基本骨架。其核心問題是建立功能與幾何之間的聯(lián)系，實現(xiàn)不同類型的設計知識的捕獲和映射［9］。此處以齒輪軸的概念設計為例，介紹概念設計及其自組織配合技術的實現(xiàn)過程。

齒輪軸雖然軸段眾多，但其功能主要有兩個，亦即支承和傳遞動力及扭矩。支承部分的基本幾何結構為光軸，而傳遞動力及扭矩大多采用齒輪嚙合的方式，主要有直齒、斜齒、人字齒、錐齒及渦輪蝸桿等五種嚙合方式。每個齒輪軸都是由若干支承部分及相應嚙合部分組成，因此需要逐個選擇軸段、輸入相關參數(shù)，并通過自組織配合，進而實現(xiàn)各軸段的面面配合及中心線配合。如圖4所示，該齒輪軸有五部分組成，由于軸套類零件的拓撲連接方式為自動，只需依次添加光軸11、光軸12、直齒輪21、光軸13、光軸14，并輸入相關參數(shù)，系統(tǒng)便會自動使各軸段中心線對齊，并保持首尾相連，從而建立齒輪軸的概念實體。

圖4 齒輪軸

2.2 結構動態(tài)編輯

結構動態(tài)編輯是對已建好的表征零件基本骨架的概念設計結果進行結構編輯與重組。基于圖形置換與迭代原理的插入、刪除、替代算法，可快速修改骨架模型而不局限于固定的拓撲結構。

插入是在已構建好的模型中，把需要的新圖形單元放置在適合的位置，并添加新的配合關系，從而組成新模型的操作。

刪除是將模型中一個或幾個圖形單元刪除，去除相關配合關系，并建立新模型的操作。

替代是把一個或幾個圖形單元去替換模型中一個需要修改的圖形單元，添加新的配合關系，從而組成新模型的操作。添加的新圖形單元繼承了原單元的名稱、配合關系等信息。

如圖5所示，用斜齒輪替換圖中直齒輪，則需刪除直齒輪及其拓撲連接關系，并添加相應參數(shù)的斜齒輪，新齒輪繼承了原直齒輪的拓撲關系。

2.3 結構詳細設計

所謂結構詳細設計是指為完善零件結構，在已完成的零件模型上根據(jù)功能需求添加各種典型工藝結構的詳細設計過程。建立工藝數(shù)據(jù)庫存儲各種典型的工藝結構，設計過程中通過CAD系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫的實時交換，可智能化的為所選軸段添加倒角、鍵槽、螺紋等，進而完成設計，完善整個結構設計并提高設計效率。如圖6所示，便是為齒輪軸添加鍵槽。

圖5 齒輪軸的嚙合單元替換

圖6 添加鍵槽

3 快速設計系統(tǒng)的開發(fā)與運行實例

基于圖形單元的結構設計系統(tǒng)框架如圖7所示，系統(tǒng)包括結構概念設計、結構動態(tài)編輯、結構詳細設計、圖像單元庫和結構信息顯示五大功能模塊。各模塊又包含若干子模塊，共同構成本快速設計系統(tǒng)，通過各模塊間協(xié)同配合，可快速實現(xiàn)零件的自動化設計及建模。

圖7 系統(tǒng)流程圖

下面以變速器中輸入軸為例，介紹系統(tǒng)的運行流程。

3.1 實例分析

如圖8a所示，本文將每個軸段都用兩位的編碼來表示，第一位代表了軸段的類型，第二位代表了所屬軸段類型的第幾個單元。如圖8b所示，該齒輪軸由六個軸段組成，且第二軸段可視為由光軸通過詳細設計的添加倒角和花鍵而成，則它屬于光軸類型1且為插入光軸單元的第2個，編碼應為12。故此六個軸段由五個光軸和一個直齒組成，其編碼分別為11、12、13、14、21 和 15。

圖8 齒輪軸編碼及結構示意圖

分析齒輪軸中的各軸段間關系，可知其拓撲連接關系為自動，約束主要為中心對齊和法向?qū)R，各軸段的配合關系編碼表如表2所示。

表2 軸段間配合關系

(續(xù)表)

3.2 實例運行

按照前述分析，本齒輪軸的設計過程主要可分為三個步驟:①首先利用概念設計模塊構造其六軸段的基本骨架;②然后經(jīng)結構動態(tài)編輯判斷是否需要進行結構調(diào)整;③最后進行結構詳細設計，為各軸段添加倒角，并為第2軸段添加花鍵。

具體操作過程如下:

(1)結構概念設計

運行“快速設計系統(tǒng)”，在“結構概念設計”的下拉菜單中選“軸套類零件”(如圖9)，系統(tǒng)會自動彈出軸套類零件設計對話框(如圖10)。

圖9 系統(tǒng)菜單和結構概念設計下拉菜單

圖10 軸套類零件設計對話框

由于該齒輪軸總共分為光軸11、光軸12、光軸13、光軸14、直齒21和光軸15六個軸段，故通過逐個“添加”各個軸段，并在伴隨彈出的圖11a和b對話框中輸入相關參數(shù)，系統(tǒng)便會自動生成相應軸段，并通過相關函數(shù)及算法進行自動的中心對齊和法向?qū)R，建立各軸段的約束關聯(lián)。

圖11 結構概念設計對話框

通過軸段的選擇和參數(shù)的設定，本齒輪軸的骨架已基本確定，如圖12所示。

圖12 齒輪軸的基本骨架

(2)結構動態(tài)編輯

在所產(chǎn)生的結構概念設計基本骨架基礎上，判斷是否需要結構調(diào)整。若不需動態(tài)編輯，便直接進入詳細設計模塊;若變速器中輸入軸的嚙合部分需要改為斜齒輪，便進入動態(tài)編輯模塊。先選中直齒輪，然后點擊“快速設計系統(tǒng)”菜單，在“結構動態(tài)編輯”的下拉菜單中選“替換”，則會出現(xiàn)替換對話框(如圖13a)，輸入替換類型及單元編號，點“確定”后，在出現(xiàn)的圖13b斜齒輪設計對話框中輸入相關參數(shù)。

圖13 結構動態(tài)編輯對話框

動態(tài)編輯的實質(zhì)是把每個圖形單元都當成裝配體零件來處理，將該齒輪軸的直齒輪用兩個基準面進行切割并選中，然后用斜齒輪替換直齒輪，最后重新組合成新的齒輪軸，如圖14所示。

圖14 結構動態(tài)編輯過程

(3)結構詳細設計

動態(tài)編輯完成后，進入詳細設計模塊。本齒輪軸在結束概念設計并對各軸段進行倒角處理后，還需為第二軸段添加花鍵。先選中相關部件，然后點擊“快速設計系統(tǒng)”菜單，在“結構詳細設計”的下拉菜單中選擇“鍵槽”，則會彈出鍵槽設計對話框(如圖15)，選擇相關類型并輸入相關參數(shù)，系統(tǒng)即可自動為第二軸段添加相應花鍵。

4 系統(tǒng)特性分析

(1)系統(tǒng)具有參數(shù)化快速建模的特點。本快速系統(tǒng)屬于特殊的參數(shù)化設計，零件設計時只需選擇相應單元、輸入?yún)?shù)，系統(tǒng)便會生成相應模型，并根據(jù)相應函數(shù)及算法進行單元搭接，比起傳統(tǒng)的幾何建?？纱蟠筇岣咝?。

(2)系統(tǒng)支持圖形單元拓撲結構可變性。本系統(tǒng)可通過改變拓撲結構進行動態(tài)編輯，對于功能結構相對固定的結構單元，可作為設計模板儲存在系統(tǒng)的“已存機構”中，在該結構上插入、刪除或替代相關單元，便可實現(xiàn)結構的創(chuàng)新設計。

(3)系統(tǒng)支持單元結構的可演變與可拓展性。對于由若干零件組成的裝配體，可通過零件間的聯(lián)接關系進行單元劃分，將一個或具有聯(lián)接關系的多個零件視為一個單元，并通過構建典型可拆卸結構單元圖譜，快速實現(xiàn)可拆卸結構單元的產(chǎn)品設計。

在上例中，變速器輸入軸的基本骨架都很類似，把實例中的輸入軸存儲為設計模板，通過對該齒輪軸的動態(tài)編輯，替換相應嚙合部分或增減相應支承部分可快速設計出具有相似功能和機構的軸類零件。例如把原變速器輸入軸的各軸段參數(shù)進行重新設定，并將直齒輪動態(tài)替換為錐齒輪，便可快速得到差速器輸出軸，如圖16所示。

圖15 鍵槽設計對話框

圖16 結構動態(tài)編輯過程

5 總結及展望

面向產(chǎn)品信息模型的圖形單元技術是從產(chǎn)品快速變型設計的角度提出的新型產(chǎn)品信息建模方法。對于結構相似度較高的零件，如軸套類、盤蓋類、叉架類和箱體類等零件，均可基于其結構相似性運用圖形單元技術提高產(chǎn)品設計效率，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速化、創(chuàng)新化設計，縮減開發(fā)周期，提高開發(fā)質(zhì)量，從而將CAD技術提升到一個新的高度。本文將圖形單元技術有機的結合到概念設計階段，從圖形單元的特性、分類以及其自組織特性等方面分析了面向概念設計的單元化建模方法，探討了系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術，并在SolidWorks平臺上進行系統(tǒng)二次開發(fā)，通過系統(tǒng)各模塊間協(xié)同配合，可完成自動化設計和智能化建模，進而實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設計，在基于單元化建模的概念設計系統(tǒng)構建方面做了一點有益的嘗試。

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(編輯 李秀敏)

Construction of Rapid Design System Based on Graphics Modelon

WANG Xing-zu，YANG Bo，YAO Kong，WANG Ji-yu，GAO Chang-qing
(School of Mechanical Engineering，University of Jinan，Jinan 250022，China)

Graphicsmodelon is a new information modeling approach in the views of product rapid variant design.After the systematic analysis of the current situation of product design on graphicsmodelon，the characteristics，classification and its self-organizing property of graphicsmodelon in the unitmodeling based conceptual design are given in this paper.Moreover，the key technology for developing the system is proposed，and product life-cycle design system based on rapid design is formed.Based on the coordination between the differentmodular of the system，the automatic and intelligent product rapid design can be realized.Finally，a design example is used to demonstrate the validity of thismethod.

graphicsmodelon;unitmodeling;conceptual design;rapid design

TH165;TH165;TP391

A

1001-2265(2013)03-0100-05

2012-08-26;

2012-09-24

國家自然科學基金項目(50975124，50905074);山東省高等學?？萍加媱濏椖?J09LD07)

王興祖(1988—)，男，山東鄒城人，濟南大學機械工程學院碩士研究生，研究領域為現(xiàn)代設計方法與理論，(E-mail)xingzude@126.com;楊波(1968—)，女，黑龍江牡丹江人，濟南大學機械工程學院教授，博士，碩士生導師，研究領域為現(xiàn)代設計方法與理論、協(xié)同設計等，(E-mail)me_yangb@ujn.edu.cn。