焦麗麗

（鹽城工學(xué)院 優(yōu)集學(xué)院，鹽城 224051）

0 引言

目前,德國FLENDER、比利時(shí)HANSEN、日本住友等公司在減速器制造業(yè)處于技術(shù)領(lǐng)先地位。國內(nèi)也從模塊化設(shè)計(jì)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、外觀設(shè)計(jì)、三維建模及虛擬裝配等不同方面對減速器進(jìn)行了研究[1]，企業(yè)通過改進(jìn)設(shè)計(jì)方法、制造工藝使減速器的品質(zhì)不斷提高。其中從提高減速器的設(shè)計(jì)效率方面進(jìn)行研究的也很多[2～6]，但不論是對參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)[2～4]的研究還是對三維參數(shù)化設(shè)計(jì)的研究[5,6]其設(shè)計(jì)思想基本上大多是自底向上的方法，即在計(jì)算完成之后對軸、齒輪、箱體等進(jìn)行參數(shù)化建模，再進(jìn)行虛擬裝配完成減速器的所謂參數(shù)化模型。然而這些并未實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品級的自頂向下的參數(shù)變型驅(qū)動，只是實(shí)現(xiàn)了零件級的參數(shù)化設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)過程不符合從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程，設(shè)計(jì)的零件參數(shù)化模型對于類似結(jié)構(gòu)的減速器設(shè)計(jì)，需要一一進(jìn)行零件參數(shù)的修改，使用不方便，重用意義不大。

1 自頂向下的參數(shù)化變型模板設(shè)計(jì)

1.1 自頂向下的設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是先進(jìn)行需求分析，概念設(shè)計(jì)，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，詳細(xì)設(shè)計(jì)，然后經(jīng)過不斷地細(xì)化和精煉，最終獲得滿足客戶需要的產(chǎn)品，這是一個自頂向下的過程。自頂向下的設(shè)計(jì)方法是在產(chǎn)品整機(jī)設(shè)計(jì)階段的最初就定位在產(chǎn)品系統(tǒng)構(gòu)成最高層面來考慮產(chǎn)品的總體設(shè)計(jì)和功能性設(shè)計(jì)，其中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般是先設(shè)計(jì)總裝圖，再設(shè)計(jì)零件圖，是一個從抽象到具體斷細(xì)化的過程[7]。自頂向下的設(shè)計(jì)過程符合人們的思維習(xí)慣，能較好的發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)潛力，減少設(shè)計(jì)實(shí)施階段不必要的重復(fù)工作，使企業(yè)的人力、物力等資源得到較充分的利用，能較大地提高設(shè)計(jì)效率。

1.2 參數(shù)化變型模板設(shè)計(jì)

所謂參數(shù)化設(shè)計(jì)就是將設(shè)計(jì)要求、設(shè)計(jì)原則、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)結(jié)果用靈活可變的參數(shù)來表示，在設(shè)計(jì)過程中可以根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)對設(shè)計(jì)加以更改。設(shè)計(jì)者在參數(shù)化設(shè)計(jì)中修改模型十分便捷，還可以方便地建立各尺寸與參數(shù)、參數(shù)與參數(shù)間的關(guān)系，這樣模型便可以自動按照關(guān)系和參數(shù)值進(jìn)行更新獲得準(zhǔn)確的外形，從而保證修改一致性，保證零件準(zhǔn)確的相對關(guān)系[8]。

對零件、部件或產(chǎn)品利用CAD系統(tǒng)的自頂向下和參數(shù)化功能實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的模型驅(qū)動變型，在變型過程中實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制參數(shù)的逐層下游傳遞，使產(chǎn)品保持該有的形狀、位置、幾何及裝配等約束，這樣的模型稱之為參數(shù)化變型設(shè)計(jì)模板。利用參數(shù)化變型設(shè)計(jì)模板能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)相同大小不同或結(jié)構(gòu)相似的同系列零件、部件或產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)，對其他零部件或產(chǎn)品的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)模型的重用。所以利用自頂向下的設(shè)計(jì)理念和參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，以頂級控制結(jié)構(gòu)為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，建立減速器的自頂向下的參數(shù)化設(shè)計(jì)模板，對同系列產(chǎn)品的設(shè)計(jì)有真正重用的意義。

1.3 UG/NX自頂向下設(shè)計(jì)方法的支持

近年，現(xiàn)有的主流CAD（Computer Aided Design）軟件已經(jīng)提供了裝配布局草圖、骨架模型等支持 Top-Down 設(shè)計(jì)模式的技術(shù)，提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。UG/NX的WAVE（What-if Alternative Value Engineering）功能模塊是自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想的體現(xiàn)，WAVE的推出使實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品級參數(shù)化設(shè)計(jì)成為可能。在此以前的CAD軟件的參數(shù)化技術(shù)將更多的精力放在零件本身的參數(shù)化上，而整個產(chǎn)品與產(chǎn)品的零部件的參數(shù)關(guān)系管理則比較困難。WAVE技術(shù)成功地解決了產(chǎn)品設(shè)計(jì)中產(chǎn)品級的參數(shù)驅(qū)動問題，可以在產(chǎn)品級設(shè)計(jì)中控制零部件[9]。

2 基于NX的減速器參數(shù)化變型模板設(shè)計(jì)

2.1 基于NX的減速器自頂向下的設(shè)計(jì)流程

圖1為基于NX軟件的二級圓柱齒輪減速器自頂向下的設(shè)計(jì)流程，首先根據(jù)減速器的設(shè)計(jì)需求確定其傳動方案，通過已有相似結(jié)構(gòu)減速器的比較，分析并表示其產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹如圖2所示，根據(jù)設(shè)計(jì)需求所要達(dá)到的性能或功能等參數(shù)進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)計(jì)算工作，比如傳動件的設(shè)計(jì)計(jì)算、軸的最小直徑估算、聯(lián)軸器及軸承的選擇等；其次，為在NX軟件中進(jìn)行減速器的三維布局設(shè)計(jì)做充分的分析準(zhǔn)備工作，該工作包括兩方面的內(nèi)容：其一是分析總體布局設(shè)計(jì)中為滿足自頂向下結(jié)構(gòu)控制所需要的幾何要素，包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹中第1級子部件重要零組件的空間位置、幾何輪廓及關(guān)聯(lián)關(guān)系（即接口關(guān)系），其二是分析所有幾何要素為滿足全相關(guān)性其參數(shù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系。接下來，以上面的分析為基礎(chǔ)提煉挖掘出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的驅(qū)動參數(shù)，利用NX相關(guān)功能建立減速器的變型驅(qū)動參數(shù)及進(jìn)行總體三維布局設(shè)計(jì)。

2.2 產(chǎn)品級參數(shù)化變型模板實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 控制結(jié)構(gòu)包含的要素分析

產(chǎn)品級及各子部件控制結(jié)構(gòu)的建立是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品級全相關(guān)參數(shù)化變型模板的關(guān)鍵。在NX軟件環(huán)境中的所謂控制結(jié)構(gòu)相當(dāng)于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三維總體布局，那么控制結(jié)構(gòu)包含的幾何對象有很多文獻(xiàn)，如文獻(xiàn)[10,11]，已經(jīng)研究總結(jié)，但基本都是從所應(yīng)用軟件的幾何對象的角度去描述的，比如包括基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面、坐標(biāo)系等，這些幾何對象是設(shè)計(jì)的表現(xiàn)結(jié)果，那么這些幾何對象到底代表了產(chǎn)品的什么信息？作為產(chǎn)品的總工程師和子部件的工程師到底如何分析控制結(jié)構(gòu)中包含的約束信息足夠而不多余呢？經(jīng)過研究和實(shí)踐，本人總結(jié)的控制結(jié)構(gòu)包含的約束信息如圖3所示。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)總體布局一般選擇最重要的裝配基準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)坐標(biāo)系，以該基準(zhǔn)坐標(biāo)系為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，逐漸拓展其他的布局結(jié)構(gòu)。重要零組件的空間位置和幾何輪廓這些信息一般用基準(zhǔn)點(diǎn)、基準(zhǔn)線、基準(zhǔn)面和幾何線來表示。還有作為三維環(huán)境自頂向下設(shè)計(jì)中應(yīng)該包含的重要的約束是各子部件間的接口信息，該信息一般用幾何線進(jìn)行體現(xiàn)。而控制結(jié)構(gòu)中的基準(zhǔn)、幾何線等所有的對象都是與總體驅(qū)動參數(shù)發(fā)生關(guān)聯(lián)的，所以能夠通過修改產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)驅(qū)動參數(shù)實(shí)現(xiàn)整體的自動變型設(shè)計(jì)。

2.2.2 基于NX的減速器控制結(jié)構(gòu)的建立

圖1 基于NX的減速器自頂向下設(shè)計(jì)流程

圖2 減速器結(jié)構(gòu)樹

圖3 控制結(jié)構(gòu)包含要素

根據(jù)前述將減速器劃分成箱體和軸系兩個子部件，在分析兩個子部件重要零組件的空間各子部件控制結(jié)構(gòu)包含的信息首先是從上位置、幾何輪廓和關(guān)聯(lián)關(guān)系基礎(chǔ)之上，提煉出結(jié)構(gòu)驅(qū)動參數(shù)有由產(chǎn)品性能計(jì)算得出的參數(shù)：齒輪的模數(shù)、齒數(shù)等；有直接確定的位置關(guān)系尺寸：齒輪端面到箱體內(nèi)壁的防干涉尺寸等，軸系與箱體的接口尺寸：軸承外徑。圖4記錄了在NX軟件中實(shí)現(xiàn)減速器自頂向下的設(shè)計(jì)過程，其中(a)是減速器產(chǎn)品級的控制結(jié)構(gòu)，包括產(chǎn)品的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)坐標(biāo)系，由此拓展建立的傳動件齒輪分度圓的位置（藍(lán)色），箱體的內(nèi)壁及幾何輪廓線（紅色）、軸承座的位置（粉色）及箱體和軸系接口幾何線（綠色）。

各子部件控制結(jié)構(gòu)包含的信息首先是從上一級控制結(jié)構(gòu)中繼承的結(jié)構(gòu)約束信息，另外，還需要按照圖1所示的流程去進(jìn)一步分析其子部件設(shè)計(jì)所需要的約束，根據(jù)具體情況進(jìn)一步將其控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行完善。圖4中的(b)和(c)分別是箱體和軸系從上一級(a)中繼承的結(jié)果，(d)和(e)分別是箱體和軸系根據(jù)其子部件的分析對控制結(jié)構(gòu)完善的結(jié)果。箱體再分解成箱座(d1)、箱蓋(d2)，軸系分解成高速軸(e1)、中間軸(e2)和低速軸(e3)，繼續(xù)以自頂向下的方法進(jìn)行其詳細(xì)設(shè)計(jì)，最終各個子部件詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成之時(shí)，即是減速器產(chǎn)品裝配完成之時(shí)，無需再去配對約束，因?yàn)楦髯硬考目臻g位置是體現(xiàn)在控制結(jié)構(gòu)之中的。

2.3 基于NX各子部件裝配設(shè)計(jì)

2.3.1 常用零件參數(shù)化模板庫的設(shè)計(jì)

如圖1所示子部件裝配設(shè)計(jì)根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采取兩種方法進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，其一對于多次被用到的零件為提高設(shè)計(jì)效率，例如軸承端蓋、齒輪、油封等，這些常用件需要利用參數(shù)化建模技術(shù)，充分分析零件在產(chǎn)品裝配中的參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，提煉出其零件變型驅(qū)動參數(shù)，進(jìn)行零件參數(shù)化模板的建立。對具體零件只需要修改其參數(shù)化模板的驅(qū)動參數(shù)從而生成需要的零件，再進(jìn)行裝配約束即可。

圖4 基于NX減速器自頂向下設(shè)計(jì)

圖5 軸的自頂向下設(shè)計(jì)

圖6 減速器全相關(guān)參數(shù)化變型模板

為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品級變型模板重用時(shí)整體結(jié)構(gòu)的自動更新，而不是對零件一一地進(jìn)行參數(shù)的修改，在應(yīng)用這些零件的參數(shù)化模板生成新零件裝入到產(chǎn)品結(jié)構(gòu)之后，最重要的工作是將零件參數(shù)化模板中的驅(qū)動參數(shù)與上一級控制結(jié)構(gòu)中的驅(qū)動參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)設(shè)置。比如在各軸系裝配結(jié)構(gòu)中裝入齒輪之后，修改各齒輪的驅(qū)動參數(shù)模數(shù)m，齒數(shù)z，齒寬系數(shù)cof等參數(shù)，使之與減速器控制結(jié)構(gòu)的驅(qū)動參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，如此實(shí)現(xiàn)自頂向下的控制及自動更新的過程。

2.3.2 基于NX零件Top-Down的全相關(guān)設(shè)計(jì)

各軸、上下箱體等零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要利用控制結(jié)構(gòu)進(jìn)行自頂向下的相關(guān)性設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品級參數(shù)化變型模板的關(guān)鍵技術(shù)之一。這些零件的控制信息可以復(fù)制其他已裝配好零件的幾何信息或繼承上一級控制結(jié)構(gòu)的約束信息，如此實(shí)現(xiàn)自頂向下的驅(qū)動過程。如圖5所示為高速軸的控制結(jié)構(gòu)及在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成的主體結(jié)構(gòu)，各軸段的直徑多數(shù)來源于已裝配零件的內(nèi)孔，長度受到各零件端面的控制，從而實(shí)現(xiàn)零件的自頂向下的全相關(guān)設(shè)計(jì)。

3 減速器全相關(guān)參數(shù)化變型模板的重用

圖6為在NX下完成的減速器全相關(guān)參數(shù)化變型模板（為了將設(shè)計(jì)結(jié)果與控制結(jié)構(gòu)的關(guān)系表現(xiàn)清楚，上箱蓋隱藏）。減速器參數(shù)化變型模板適用于結(jié)構(gòu)相同或相近的減速器的設(shè)計(jì)，模板重用的使用過程非常簡單，利用表達(dá)式功能分別修改減速器的驅(qū)動參數(shù)模數(shù)、齒數(shù)、齒寬系數(shù)，各防干涉的尺寸等，實(shí)現(xiàn)自頂向下的自動更新，當(dāng)這些參數(shù)發(fā)生改變之后，軸承標(biāo)準(zhǔn)件的更新只需要利用“組件替換”的功能即可保留減速器變型模板中原軸承等標(biāo)準(zhǔn)件所有的設(shè)計(jì)相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)與其相關(guān)聯(lián)所有零件尺寸結(jié)構(gòu)的自動更新。

4 結(jié)論

利用適合自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，在NX軟件平臺上實(shí)現(xiàn)了二級直齒圓柱齒輪減速器的全相關(guān)參數(shù)化變型模板設(shè)計(jì)，該模板能夠成功地對同系列的產(chǎn)品進(jìn)行快速地變型設(shè)計(jì)，模板使用簡單，變型設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可靠。將減速器設(shè)計(jì)過程中涉及到的結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)等知識做到了變型模板中，實(shí)現(xiàn)了最大程度地降低重復(fù)性勞動。這種產(chǎn)品級全相關(guān)參數(shù)化變型模板的設(shè)計(jì)方法對于其他產(chǎn)品或部件變型模板的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值，容易推廣和使用。

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