焦湘婷

（浙江農(nóng)林大學(xué)，杭州 311300）

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機(jī)械產(chǎn)品三維變型設(shè)計(jì)研究及其應(yīng)用

焦湘婷

（浙江農(nóng)林大學(xué)，杭州 311300）

摘 要：本文主要闡述機(jī)械產(chǎn)品的三維變型設(shè)計(jì)原理及具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)，深入研究特征、零件、部件以及產(chǎn)品四個(gè)方面的機(jī)械產(chǎn)品三維變型設(shè)計(jì)。此外，以起重機(jī)械金屬結(jié)構(gòu)的特征為研究重點(diǎn)，順利完成了選型系列產(chǎn)品的個(gè)性設(shè)計(jì)，更好地滿足了企業(yè)的生產(chǎn)需求，有效提高了該類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率，從而更好地推廣和應(yīng)用了三維變型設(shè)計(jì)技術(shù)。

關(guān)鍵詞：機(jī)械產(chǎn)品 變型設(shè)計(jì) 主模型 結(jié)構(gòu)草圖 工程圖

目前，模塊化和參數(shù)化的變型設(shè)計(jì)理念已應(yīng)用于各類機(jī)械加工中，也在一定程度上解決了機(jī)械產(chǎn)品變形設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，并使其達(dá)到了規(guī)范化的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

1 設(shè)計(jì)原理

機(jī)械產(chǎn)品的三維變型設(shè)計(jì)體系結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)品的主模型是產(chǎn)品零件信息的集合，主要是對(duì)產(chǎn)品信息進(jìn)行描述。利用產(chǎn)品主模型能夠設(shè)計(jì)多種產(chǎn)品或零件的變形，從而派生出對(duì)各類零件的具體描述信息。其中，需要考慮該零件的實(shí)際荷載能力及特征、材料本身的特殊性質(zhì)、受力能力和功能的配套設(shè)施以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，將產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、功能數(shù)據(jù)以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)等作為設(shè)計(jì)的目標(biāo)，再由這些參數(shù)將設(shè)計(jì)的目標(biāo)移交給結(jié)構(gòu)的具體模塊?？偟膩?lái)說(shuō)，創(chuàng)建主模型以及主模版主要是對(duì)產(chǎn)品及其零部件的相關(guān)功能和作用、幾何的具體形狀以及參數(shù)的變形空間域進(jìn)行深入的分析和處理，從而建立機(jī)械產(chǎn)品的零件以及產(chǎn)品的三維主模型、工程用圖主模板以及產(chǎn)品的主內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而為整個(gè)機(jī)械產(chǎn)品的三維變型設(shè)計(jì)奠定完備的技術(shù)基礎(chǔ)。

機(jī)械產(chǎn)品中，裝配結(jié)構(gòu)變型主要是由于相關(guān)零件進(jìn)行連接時(shí)發(fā)生了相應(yīng)的改變或者變異等現(xiàn)象所引起。整個(gè)結(jié)構(gòu)體系由特征層、零件層、部件層以及產(chǎn)品層幾個(gè)方面組成。通過(guò)利用產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)控制，由上到下將裝配的理念、數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)以及知識(shí)重用的理念進(jìn)行有機(jī)統(tǒng)一，并建立健全完備的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，將上述四個(gè)層次進(jìn)行組合，從而形成一個(gè)封閉式的循環(huán)系統(tǒng)。在對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要按照一定的要求對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效提取，并對(duì)主模型的模塊賦值，在整個(gè)模型框架內(nèi)獲得實(shí)例化的模塊，然后將這些模塊有機(jī)結(jié)合，從而快速完成整個(gè)起重機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程體系。

2 機(jī)械產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)

產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)主要是基于對(duì)產(chǎn)品本身的功能、原理以及大體框架結(jié)構(gòu)保持基本不變的情況，根據(jù)現(xiàn)有需求的變化對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的局部進(jìn)行變形，呈現(xiàn)出擁有新功能的另一種產(chǎn)品來(lái)滿足不同工作要求。起重機(jī)金屬結(jié)構(gòu)的三維變型設(shè)計(jì)主要包括在零部件的主模型、主文檔以及產(chǎn)品主結(jié)構(gòu)之上，通過(guò)對(duì)產(chǎn)品形狀、特征、零件主模型的有機(jī)結(jié)合進(jìn)行交互式建模，再進(jìn)行資源的有效配置和組合，從而完成設(shè)計(jì)。機(jī)械產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)共有四個(gè)層次，下面將對(duì)此做出具體的分析和總結(jié)。

2.1 特征層次的變型設(shè)計(jì)

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中，幾何形狀作為最小的組成部分，其變形出的產(chǎn)品是整個(gè)產(chǎn)品變形設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)。通常，特征層次的變型設(shè)計(jì)主要是利用對(duì)幾何形狀的改變，使零件與部件之間的匹配接口進(jìn)行改變。利用幾何形狀的具體特征，采取相關(guān)的變形設(shè)計(jì)手段，在幾何圖形中利用尺寸驅(qū)動(dòng)的特征模擬出設(shè)計(jì)草圖，并對(duì)特征定義及參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和改變，并實(shí)現(xiàn)壓縮與釋放等三維特征操作，從而對(duì)幾何的特征進(jìn)行變換。雙立柱式堆垛機(jī)的下橫梁作為整個(gè)機(jī)器的承載力，在其上面設(shè)置配套的附屬結(jié)構(gòu)移動(dòng)式的通訊器、測(cè)距儀器以及限位裝置等，有利于機(jī)器限速、供電以及安全等作用。附屬結(jié)構(gòu)主要在下橫梁上，安裝于關(guān)鍵零件矩形管的側(cè)面。其中，安裝孔需要根據(jù)具體情況進(jìn)行大小、形狀以及間距等設(shè)計(jì)。具體設(shè)計(jì)中，需要按照普遍安裝的位置確定好建立孔特征的位置，并由人機(jī)交互的設(shè)計(jì)界面操作驅(qū)動(dòng)特征草圖的尺寸，同時(shí)修改其相關(guān)特征的定義參數(shù)以及壓縮與釋放特征，設(shè)計(jì)具有差異性的安裝孔，從而有效實(shí)現(xiàn)下橫梁附屬結(jié)構(gòu)接口處的變形設(shè)計(jì)方案。

2.2 零件層次的變型設(shè)計(jì)

幾何形狀的特征是組成零件的基本要素。其中，構(gòu)成形狀特征的幾何圖素之間存在不變的拓?fù)潢P(guān)系，而變形設(shè)計(jì)則主要是通過(guò)對(duì)特征賦予不同的參數(shù)值進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。零件的變型設(shè)計(jì)主要是對(duì)組成零件的相關(guān)幾何特征進(jìn)行改變，即通過(guò)壓縮和釋放等操作，對(duì)相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整和修改，而不需要對(duì)幾何圖素的位置進(jìn)行改變，從而大大簡(jiǎn)化零件的設(shè)計(jì)流程，提高整個(gè)設(shè)計(jì)工作的效率和設(shè)計(jì)水平。在金屬結(jié)構(gòu)中，各個(gè)鈑金的零部件主要是焊接而成。零件作為最基礎(chǔ)的元素，在整個(gè)造型過(guò)程中主要運(yùn)用特征對(duì)模型和設(shè)計(jì)圖進(jìn)行構(gòu)建和表現(xiàn)。利用對(duì)零部件的分析和研究，將具有相同特征的零部件進(jìn)行集合。在掌握零部件具體情況的基礎(chǔ)上，在眾多零部件中選取最符合標(biāo)準(zhǔn)的零件模塊，以滿足機(jī)械產(chǎn)品的功能需求和個(gè)性化要求，從而為零件的變形設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。具體如圖1和圖2所示，其中圖1為堆垛機(jī)螺栓聯(lián)接板標(biāo)準(zhǔn)模塊，圖2為螺栓聯(lián)接板標(biāo)準(zhǔn)模塊的變型設(shè)計(jì)。

圖1 螺栓聯(lián)接板圖

2 螺栓聯(lián)接板標(biāo)準(zhǔn)模塊的變型設(shè)計(jì)

2.3 裝配體層次的變型設(shè)計(jì)

這一層面的變型設(shè)計(jì)主要是利用綜合應(yīng)用的主模型、事物特性表以及相關(guān)匹配的控制草圖技術(shù)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行變形設(shè)計(jì)。具體地，首先要提前創(chuàng)建好相應(yīng)模塊的主模型以及事物特性表，后由相關(guān)的技術(shù)設(shè)計(jì)人員或者用戶將產(chǎn)品的具體參數(shù)輸入，由變形設(shè)計(jì)系統(tǒng)利用事物特性表對(duì)主模型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而以高效率的速度設(shè)計(jì)出滿足永續(xù)個(gè)性需求的產(chǎn)品模型。結(jié)構(gòu)控制草圖能夠?qū)a(chǎn)品中的結(jié)構(gòu)進(jìn)行按層分解，并形成各種零部件。根據(jù)零件的屬性，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)平面以及空間位置和方向利用軸進(jìn)行表示。信息數(shù)據(jù)順利創(chuàng)建后，被各個(gè)零部件引用，從而使產(chǎn)品內(nèi)部的零件有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)模型的全面把控。圖3和圖4分別為前、后截面結(jié)構(gòu)控制草圖，圖5為堆垛機(jī)載貨臺(tái)吊架的三維變型設(shè)計(jì)主模型。

圖3 前截面結(jié)構(gòu)控制草圖

圖4 后截面結(jié)構(gòu)控制草圖

圖5 堆垛機(jī)載貨臺(tái)吊架三維參數(shù)化裝配主模型

2.4 產(chǎn)品層次的變型設(shè)計(jì)

依據(jù)產(chǎn)品系列的分布情況以及相互覆蓋的形式，模塊化產(chǎn)品主要可以分為橫系列、縱系列以及跨系列三種變型設(shè)計(jì)。

橫系列的變型設(shè)計(jì)主要基于同一個(gè)規(guī)格特征的基礎(chǔ)之上。通過(guò)變形、增減特定模塊等方式，形成一個(gè)新的變形產(chǎn)品。該設(shè)計(jì)方式的特征就是不改變基礎(chǔ)產(chǎn)品的主體參數(shù)，只是針對(duì)產(chǎn)品的功能特性、組織結(jié)構(gòu)、布局位置以及控制操作方式進(jìn)行改進(jìn)和調(diào)整。該手段在產(chǎn)品變形設(shè)計(jì)中最容易實(shí)現(xiàn)?？v系列的變型設(shè)計(jì)主要是基于同一類型的產(chǎn)品對(duì)不同的規(guī)格和結(jié)構(gòu)展開(kāi)模塊式設(shè)計(jì)。其中，規(guī)格的差異主要體現(xiàn)在工程存在約束性、相關(guān)操作的性能不同，一定程度上對(duì)結(jié)構(gòu)樣式以及尺寸大小造成影響?？缦盗械淖冃驮O(shè)計(jì)則是交叉運(yùn)用橫系列和縱系列的變形設(shè)計(jì)，從而形成一種橫系列與縱系列共同作用下的變型設(shè)計(jì)。

一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)主要采用從上到下和從下到上相結(jié)合的設(shè)計(jì)模式。在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行變型設(shè)計(jì)的過(guò)程中，主要有以下三種操作手段。一是搭配。一個(gè)最終的產(chǎn)品可以與不同的零件或者模塊進(jìn)行搭配，并形成配套的接口，從而形成一個(gè)統(tǒng)一的整體產(chǎn)品。二是互換。主要是將一些功能相同、當(dāng)時(shí)存在性能不同的模塊進(jìn)行替換。三是參數(shù)化變型。該操作手段主要依據(jù)客戶的個(gè)性化需求，在零部件的庫(kù)存無(wú)法檢索到相應(yīng)的零件搭配以及互換來(lái)滿足需求時(shí)，需要將產(chǎn)品構(gòu)建的事物屬性以及工程約束進(jìn)行三維數(shù)據(jù)化變形操作，從而滿足客戶的具體化要求。

3 機(jī)械產(chǎn)品三維變型設(shè)計(jì)的應(yīng)用

機(jī)械產(chǎn)品三維變型設(shè)計(jì)需要結(jié)合企業(yè)的具體情況以及市場(chǎng)上的多元化需求，將橋式和門(mén)式的起重機(jī)橋架、堆垛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)作為產(chǎn)品的研究對(duì)象，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)的變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)。利用基于產(chǎn)品特征的四個(gè)層次的產(chǎn)品變形設(shè)計(jì)技術(shù)，結(jié)合相關(guān)的零件形狀特征以及主模型的交互式建模和配置手段進(jìn)行有機(jī)組合，從而有效完成起重設(shè)備金屬結(jié)構(gòu)的三維變型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中，三維設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要以機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊作為整個(gè)設(shè)計(jì)的根本。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)設(shè)計(jì)需求對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的整體進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行合理布局和設(shè)計(jì)，從而形成一套完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)控制表。此外，需要調(diào)用模型的驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行，利用技術(shù)結(jié)構(gòu)中的三維主模型實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。在此基礎(chǔ)上，利用金屬結(jié)構(gòu)的三維主模型，采用從上到下和從下到上相結(jié)合的設(shè)計(jì)模式，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化配置和設(shè)計(jì)。一旦發(fā)現(xiàn)金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不符合標(biāo)準(zhǔn)或相應(yīng)的要求，可以在此返回至最初的參數(shù)頁(yè)面，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行重新修改和調(diào)整，以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。如果金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)符合各個(gè)方面的標(biāo)準(zhǔn)和要求，則需要調(diào)用相關(guān)的工程圖對(duì)整個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)整和更新。

4 結(jié)論

研究機(jī)械產(chǎn)品的三維變型設(shè)計(jì)及其應(yīng)用，利用四個(gè)層次的變形設(shè)計(jì)，有效實(shí)現(xiàn)了起重機(jī)械裝備產(chǎn)品以及相關(guān)零部件的三維模型變型設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)的變形設(shè)計(jì)相比，大大提高了整個(gè)設(shè)計(jì)的效率和速度，滿足了企業(yè)的個(gè)性化和快速設(shè)計(jì)的需求，確保企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)，從而更好地推廣和應(yīng)用三維變型設(shè)計(jì)技術(shù)。

參考文獻(xiàn)

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Research and Application of Three Dimensional Variant Design for Mechanical Products

JIAO Xiangting
(Zhejiang Agricultural and Forestry University,Hangzhou 311300)

Abstract:This paper mainly expounds the design principle and the s pecific des ign of the 3D variant des ign of mechanical products, and further studies the 3D variant design of mechanical products i n four aspects:characteristics, c omponents, parts a nd products. In addi tion, with the c haracteristics of heavy metal structure as the research focus, the successful completion of the selection of series product design, better meet the production needs of enterprises, effe ctively improve the design quality and efficiency of the product, and the technology is widely spread and application.

Key words:Mechanical Products,variant design,mas ter model,structure sketch, engineering drawing automatic adjustment