李 強(qiáng)，江瑞田，劉 淵，龔春全，嚴(yán)忠勝，常震羅，董 鵬

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所，上海 200090）

0 前言

泥泵齒輪箱是疏浚工程船舶即挖泥船上廣泛使用的關(guān)鍵動力傳輸設(shè)備，連接原動機(jī)驅(qū)動泥泵工作。近年來我國沿海、沿江港口及工業(yè)開發(fā)的快速發(fā)展使得圍海造地工程需求巨大，對圍海造地的工程挖泥船的需求量急劇增加，相應(yīng)的泥泵齒輪箱的需求越來越大。因該行業(yè)工程具有工期時間緊迫、施工工程投資回報快的特點(diǎn)，作為關(guān)鍵動力傳輸設(shè)備的泥泵齒輪箱，能夠縮短產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)周期，盡快投入生產(chǎn)就顯得格外重要。

本文結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，針對泥泵齒輪箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對泥泵齒輪箱進(jìn)行了三維參數(shù)化分析和研究；提出了基于事物特性表的變型設(shè)計原理和方法；通過Visual C++、Pro/E，Access 數(shù)據(jù)庫等工具軟件，開發(fā)出泥泵齒輪箱快速變型設(shè)計系統(tǒng)并成功應(yīng)用于工程生產(chǎn)實(shí)踐中。該系統(tǒng)的應(yīng)用極大地提高了齒輪箱的設(shè)計效率、節(jié)約了設(shè)計時間。

1 基于事物特性表的產(chǎn)品變型設(shè)計

1.1 產(chǎn)品主模型和事物特性表

產(chǎn)品的主模型以參數(shù)化CAD系統(tǒng)中的特征模型為基礎(chǔ)而產(chǎn)生，它是在產(chǎn)品個性化需求分析的基礎(chǔ)上，對CAD模型的特征變量進(jìn)行分析，提取出其中的一些關(guān)鍵參數(shù)來描述零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、形狀特征和尺寸之間的聯(lián)系[1]。

事物特性表是建立可變型設(shè)計產(chǎn)品的另外一個重要組成部分，它代表了產(chǎn)品變型設(shè)計過程[2-3]。事物特性表和產(chǎn)品的主模型一一對應(yīng)。它的邏輯結(jié)構(gòu)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表一致，由表列和表行組成，表名代表事物特性表的名稱，表頭的表列存放主模型中實(shí)現(xiàn)變型設(shè)計的特征變量、變型后的模型、工程圖等文件，而事物特性表的每一行則代表了一個其相應(yīng)對象的變型設(shè)計實(shí)例。

基于事物特性表的產(chǎn)品變型設(shè)計的關(guān)鍵是在對個性化產(chǎn)品需求分析的基礎(chǔ)上，充分分析產(chǎn)品的幾何形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，設(shè)計出產(chǎn)品的主模型和事物特性表，并且完成主模型——事物特性表——參數(shù)化CAD 參數(shù)變量表三者之間的映射關(guān)系，也就是說要建立事物特性表中的表列與參數(shù)化CAD參數(shù)變量之間的對應(yīng)關(guān)系，用事物特性表驅(qū)動產(chǎn)品參數(shù)型CAD系統(tǒng)中的變量表。這樣通過在事物特性表中輸入一組對應(yīng)于主模型參數(shù)變量的數(shù)據(jù)，就可以自動派生出產(chǎn)品的一個變型實(shí)例，從而動態(tài)、快速地生成滿足用戶需要的產(chǎn)品。

1.2 產(chǎn)品變型設(shè)計過程

基于產(chǎn)品主模型和事物特性表的產(chǎn)品變型設(shè)計技術(shù)主要是根據(jù)用戶或者設(shè)計人員的需要，先創(chuàng)建好產(chǎn)品的主模型和事物特性表，然后通過輸入產(chǎn)品的特征參數(shù)變量，變型設(shè)計系統(tǒng)就能借助事物特性表來驅(qū)動參數(shù)化CAD系統(tǒng)，快速生成滿足用戶需求的個性化產(chǎn)品的模型、工程圖、產(chǎn)品設(shè)計制造相關(guān)的圖文檔信息及其他相關(guān)的信息對象文件，其過程如圖1所示。

圖1 基于主模型和事物特性表的變型設(shè)計

2 挖泥船泥泵齒輪箱變型設(shè)計的原理、方法及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 挖泥船泥泵齒輪箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

挖泥船泥泵齒輪箱動力輸入端為電動機(jī)/柴油機(jī)，動力輸出端為泥泵。由于動力設(shè)備配置特點(diǎn)，泥泵齒輪箱普遍都采用一級減速的結(jié)構(gòu)形式。泥泵齒輪箱這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了對于不同輸入功率/轉(zhuǎn)速和輸出功率/轉(zhuǎn)速（減速比），齒輪箱的幾何結(jié)構(gòu)形式完全可以通過統(tǒng)一相似的外形結(jié)構(gòu)即主模型進(jìn)行表示。通過對主模型變型設(shè)計產(chǎn)生的實(shí)例可以衍生出不同的輸入/輸出的齒輪箱。

2.2 泥泵齒輪箱變型設(shè)計的原理和方法

泥泵齒輪箱變型設(shè)計的原理是采用面向?qū)ο蟮姆椒?，以圖2 所示的齒輪箱CAD 模型的結(jié)構(gòu)樹關(guān)系為“骨架”，通過基于事物特性表的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)方式，創(chuàng)建與齒輪箱CAD模型結(jié)構(gòu)樹關(guān)系為基礎(chǔ)的主模型。通過事物特性表驅(qū)動主模型進(jìn)行齒輪箱的變型設(shè)計。

圖2 泥泵齒輪箱CAD模型

2.3 齒輪箱主模型的創(chuàng)建及關(guān)鍵技術(shù)

圖3 泥泵齒輪箱主模型結(jié)構(gòu)圖

所有齒輪箱變型實(shí)例都從主模型派生并決定了變型實(shí)例的結(jié)構(gòu)，因此齒輪箱主模型的創(chuàng)建是系統(tǒng)設(shè)計過程中最關(guān)鍵的部分。圖3 為齒輪箱主模型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的每個節(jié)點(diǎn)代表齒輪箱一個零件或部件的主模型。所有的節(jié)點(diǎn)組成整個齒輪箱的主模型。節(jié)點(diǎn)中包括對象的CAD 模型、變型參數(shù)對象、以及相關(guān)信息（參數(shù)間的約束關(guān)系式、與上下級零部件關(guān)系、材料、重量等）。主模型的信息通過基于事物特性表的方式建立的數(shù)據(jù)庫表對其進(jìn)行描述。數(shù)據(jù)庫表中體現(xiàn)與齒輪箱CAD 模型一致的結(jié)構(gòu)樹關(guān)系。通過結(jié)構(gòu)樹將各個獨(dú)立的零部件主模型按照齒輪箱的裝配和邏輯關(guān)系關(guān)聯(lián)在一起。通過數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠訪問各個齒輪箱主模型包括部件、零件、標(biāo)準(zhǔn)件主模型中的每一個參數(shù)變量對象。在齒輪箱變型設(shè)計時通過程序訪問、修改數(shù)據(jù)庫表數(shù)值驅(qū)動各級對象CAD模型實(shí)現(xiàn)變型同時進(jìn)行相應(yīng)的各級對象的管理。齒輪箱主模型的創(chuàng)建流程見圖4。

圖4 泥泵齒輪箱主模型建模流程

2.3.1 齒輪箱CAD模型類型分析和分解

按照泥泵齒輪箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類，包括參數(shù)化對象和標(biāo)準(zhǔn)件對象。參數(shù)化對象為輸入齒輪、輸出齒輪、輸出軸、端蓋等通過設(shè)計過程中的幾何特征關(guān)系、裝配尺寸關(guān)系等參數(shù)化驅(qū)動實(shí)現(xiàn)模型造型的對象。標(biāo)準(zhǔn)件對象如油泵、軸承、密封件、螺栓等。

為簡化齒輪箱主模型和CAD模型，減少運(yùn)算量，標(biāo)準(zhǔn)件對象都視為單獨(dú)的零件對象，有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件CAD模型庫；通過標(biāo)準(zhǔn)件庫查詢選型調(diào)用CAD模型對象。即通過標(biāo)準(zhǔn)件的變型參數(shù)進(jìn)行配置、選型實(shí)現(xiàn)。另外，為減少主模型的復(fù)雜性，將齒輪箱中的標(biāo)準(zhǔn)件適當(dāng)簡化，例如聯(lián)接螺栓在齒輪箱CAD 模型中只保留關(guān)鍵的合箱大螺栓，其他螺栓則通過和對應(yīng)的部件、零件主模型關(guān)聯(lián)，并最終在BOM中列出。

2.3.2 齒輪箱CAD模型的變型參數(shù)定義

變型參數(shù)包括全局參數(shù)、主動參數(shù)、從動參數(shù)。全局參數(shù)為齒輪箱主模型頂級參數(shù)，包括用戶提供的技術(shù)參數(shù)如齒輪箱的功率、輸入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速，以及由齒輪箱計算產(chǎn)生的相關(guān)參數(shù)，包括齒輪模數(shù)、齒數(shù)、螺旋角大小、旋向、軸承支點(diǎn)距等參數(shù)。在齒輪箱的主模型中全局參數(shù)以“自上而下”的方式將參數(shù)約束關(guān)系傳遞到部件、零件的主模型及最終的CAD 模型的參數(shù)表中[4]。主動參數(shù)是指引起其他參數(shù)變化的變量，它的改變將引起從動參數(shù)值的變化。從動參數(shù)是指被其他參數(shù)驅(qū)動變化的變量，它是在參數(shù)間建立關(guān)聯(lián)時產(chǎn)生的。

齒輪箱主模型的主動、從動參數(shù)都與齒輪箱CAD 模型通過數(shù)據(jù)庫表建立直接或間接的映射關(guān)系。在系統(tǒng)中主動參數(shù)定義為主模型對象對外的接口。通過修改主動參數(shù)的數(shù)值、數(shù)值范圍、邏輯關(guān)系等以及更新關(guān)聯(lián)的從動參數(shù)數(shù)值驅(qū)動CAD模型變型。

2.3.3 數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計及關(guān)鍵技術(shù)

通過基于事物特性表的方式建立數(shù)據(jù)庫見圖5，利用數(shù)據(jù)庫保存主模型和變型實(shí)例的所有信息。通過數(shù)據(jù)庫驅(qū)動主模型變型產(chǎn)生實(shí)例并實(shí)現(xiàn)對所有對象信息的有效管理。

數(shù)據(jù)庫包括主模型數(shù)據(jù)庫和變型實(shí)例數(shù)據(jù)庫。主模型數(shù)據(jù)庫表包括圖5 所示的主表（Main table）、參數(shù)表（Parameters table）、零部件主模型表。主表相當(dāng)于齒輪箱CAD模型的結(jié)構(gòu)樹關(guān)聯(lián)了主模型下的所有信息。

主表中：字段“SuperId”表示上一級部件的圖號。字段“SubId”為齒輪箱或齒輪箱裝配件下的部件、零件圖號或變量名稱。字段“Type”：對象類型包括全局參數(shù)、主動變型參數(shù)、從動變型參數(shù)、部件對象、零件對象等（其中主表包括全局參數(shù)、部件對象、零件對象3 種類型；部件主模型表包括主動變型參數(shù)、部件對象、零件對象3種類型，零件主模型表包括主動變型參數(shù)1種類型；參數(shù)表為全局參數(shù)、主動變型參數(shù)、從動變型參數(shù)3種類型）。字段“Map”：該變型參數(shù)映射的CAD模型中的參數(shù)以及其它字段等。

零部件主模型表的結(jié)構(gòu)和主表結(jié)構(gòu)一致。參數(shù)表的結(jié)構(gòu)與主表一致并增加了“變型參數(shù)取值范圍（Scope）”字段，“變型參數(shù)約束關(guān)系式（Formula）”字段等參數(shù)信息，所有的變型參數(shù)信息都保存在參數(shù)表中。

圖5 主模型數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)

這樣結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫表實(shí)現(xiàn)了上下關(guān)聯(lián)的層次關(guān)系，按照結(jié)構(gòu)關(guān)系可雙向訪問數(shù)據(jù)信息?？梢詫?shí)現(xiàn)快速創(chuàng)建齒輪箱、部件、零件主模型的結(jié)構(gòu)樹；快速訪問齒輪箱的每個零部件以及零部件對應(yīng)的取值、表達(dá)式等信息；同時保證了包括變型參數(shù)、齒輪箱、部件、零件等所有對象可追溯性。

變型實(shí)例數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和主模型數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)一致，通過這樣的結(jié)構(gòu)可以對變型設(shè)計后的實(shí)例進(jìn)行便捷地訪問和管理。

2.3.4 建立主模型數(shù)據(jù)庫表與CAD模型參數(shù)表映射關(guān)系

系統(tǒng)通過訪問齒輪箱模CAD模型在主表中建立與CAD模型一致的結(jié)構(gòu)樹。通過該結(jié)構(gòu)樹“自上而下”的訪問齒輪箱CAD模型的參數(shù)表。從最底層的零件開始按照齒輪箱CAD模型的樹狀結(jié)構(gòu)關(guān)系逐級創(chuàng)建對象的基本主模型。在創(chuàng)建基本主模型時建立變型參數(shù)與CAD 模型參數(shù)的映射關(guān)系，通過主動變型參數(shù)的逐級傳遞，最后與齒輪箱產(chǎn)品的全局參數(shù)建立約束關(guān)系，完成齒輪箱基本主模型的建模?；局髂Ｐ蛣?chuàng)建后可根據(jù)系統(tǒng)需要添加附加的信息完成主模型，擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。

（1）建立數(shù)據(jù)庫變型參數(shù)與零件CAD模型的映射關(guān)系

訪問齒輪箱CAD 模型結(jié)構(gòu)樹的末端對象即零件中CAD 模型的參數(shù)表，提取變型需要的參數(shù)，過濾參數(shù)表中其它多余參數(shù)。提取的參數(shù)相應(yīng)的在數(shù)據(jù)庫參數(shù)表中生成對應(yīng)的變型參數(shù)。對提取出來的變型參數(shù)進(jìn)行命名以增加可讀性。定義變型參數(shù)之間的約束關(guān)系，這樣被約束的變型參數(shù)成為從動變型參數(shù)，起約束的參數(shù)為主動變型參數(shù)。主動變型參數(shù)保存在零件主模型表中，同時將變型參數(shù)所有信息保存在參數(shù)表中。這樣零件CAD 模型的主動變型參數(shù)就“暴露”給其上一層的對象，完成零件的基本主模型定義。

（2）建立數(shù)據(jù)庫表變型參數(shù)與裝配件CAD模型的映射關(guān)系

齒輪箱CAD模型結(jié)構(gòu)樹的關(guān)系，完成裝配件下CAD模型的所有零件CAD模型的主模型后，提取各個零件主模型的主動變型參數(shù)以及裝配件的參數(shù)表，在數(shù)據(jù)庫中生成裝配件對象對應(yīng)的變型參數(shù)。通過建立裝配件的變型參數(shù)與零件主模型的約束關(guān)系，定義裝配件主模型的主動變型參數(shù)。通過這樣的方法按照齒輪箱的樹狀結(jié)構(gòu)遞歸完成上一級裝配件主模型創(chuàng)建直至齒輪箱的基本主模型。

（3）建立標(biāo)準(zhǔn)件變型參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)件CAD模型的映射關(guān)系

完成齒輪箱的基本主模型后，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件與齒輪箱的零部件CAD對象的裝配關(guān)系、幾何關(guān)系等建立標(biāo)準(zhǔn)件與齒輪箱、部件、零件主模型的關(guān)聯(lián)。訪問標(biāo)準(zhǔn)件對象CAD 模型參數(shù)表提取參數(shù)；提取的參數(shù)定義為標(biāo)準(zhǔn)件對象的變型參數(shù)，通過該變型參數(shù)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件CAD模型庫。建立標(biāo)準(zhǔn)件對象的變型參數(shù)和關(guān)聯(lián)對象主模型主動參數(shù)之間的約束關(guān)系。最終標(biāo)準(zhǔn)件對象的變型參數(shù)作為從動參數(shù)保存在參數(shù)表中。通過這種方法使標(biāo)準(zhǔn)件隸屬于齒輪箱的各個對象的主模型，將標(biāo)準(zhǔn)件作為一個零件處理，使得最終完善的齒輪箱主模型更為簡化，同時驅(qū)動CAD 模型變型的運(yùn)算也簡化。

2.4 驅(qū)動齒輪箱主模型的變型

完成齒輪箱所有對象主模型的創(chuàng)建后，即可通過全局參數(shù)驅(qū)動主模型進(jìn)行變型設(shè)計，生成新的產(chǎn)品實(shí)例。變型設(shè)計時，全局參數(shù)“自上而下”傳遞到齒輪箱下所有對象主模型的變型參數(shù)中，更新變型參數(shù)。驅(qū)動所有零件級別對象的CAD 模型后，再依次進(jìn)行上一級裝配件的參數(shù)驅(qū)動，同時根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件對象的變型參數(shù)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件CAD模型庫。齒輪箱CAD模型中非尺寸關(guān)聯(lián)的裝配關(guān)系則由CAD軟件的自身約束自動調(diào)整。最終完成齒輪箱的變型設(shè)計。

3 泥泵齒輪箱變型設(shè)計系統(tǒng)及工程應(yīng)用

通過上述的變型設(shè)計的原理和方法，以VC++6.0 為開發(fā)工具，Pro/E 為CAD 造型軟件及Pro/ToolKit開發(fā)接口[4]，Access為數(shù)據(jù)庫平臺，開發(fā)出泥泵齒輪箱的變型設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)。圖6 為系統(tǒng)的主設(shè)計界面。系統(tǒng)通過手動輸入或外部導(dǎo)入齒輪校核計算結(jié)果和軸承計算結(jié)果，用戶從主界面上選擇齒輪箱的布置方式、輸入齒輪旋向后，系統(tǒng)內(nèi)部就根據(jù)輸入的參數(shù)進(jìn)行匹配檢索。若有相同產(chǎn)品即在界面右側(cè)提示和顯示，否則生成新的產(chǎn)品實(shí)例。同時系統(tǒng)具有實(shí)例管理、零件、部件級模型變型設(shè)計和生成BOM表等功能。

系統(tǒng)的應(yīng)用極大地提高了設(shè)計效率、節(jié)約了設(shè)計時間。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于上海航道局、天津航道局等多家公司挖泥船泥泵齒輪箱的設(shè)計中，同時設(shè)計的多個泥泵齒輪箱已經(jīng)在實(shí)船使用。

4 結(jié)束語

本文通過對挖泥船泥泵齒輪箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析并結(jié)合設(shè)計經(jīng)驗，提出了基于事物特性表的泥泵齒輪箱主模型的變型設(shè)計原理和方法。詳細(xì)闡述了泥泵齒輪箱主模型的創(chuàng)建過程和關(guān)鍵技術(shù)；并通過面向?qū)ο蟮姆绞介_發(fā)出了挖泥船泥泵齒輪箱變型設(shè)計系統(tǒng)，成功的應(yīng)用于工程生產(chǎn)實(shí)踐。

圖6 泥泵齒輪箱變型設(shè)計系統(tǒng)

該系統(tǒng)的設(shè)計原理和方法不僅適合于泥泵齒輪箱，同時對于其他復(fù)雜產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計而言也有一定的實(shí)用價值和參考意義。

［1］吳偉偉，唐任仲，侯亮.基于參數(shù)化的機(jī)械產(chǎn)品尺寸變形設(shè)計研究與實(shí)現(xiàn)［J］.中國機(jī)械工程，2005，16（3）：218-222.

［2］顧巧詳，蘇少輝，余軍合，等.基于事物特性表的產(chǎn)品變型設(shè)計研究［J］.中國機(jī)械工程，2004（19）：1713-1716.

［3］袁以明，蘇少輝，陳國金.基于事物特性表的電動工具產(chǎn)品變型設(shè)計的實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)電工程，2011（03）：296-300.

［4］李強(qiáng)，方水良.基于參數(shù)化的產(chǎn)品變形設(shè)計建模研究與實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械制造，2006（1）：11-14.

［5］李世國.Pro/ToolKit 程序設(shè)計［M］.上海：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.