宋洪俠

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基于多實(shí)體的混合設(shè)計(jì)方法應(yīng)用研究

宋洪俠

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

目前通常有兩種可用的設(shè)計(jì)方法：自頂向下和自底向上。骨架式自頂向下設(shè)計(jì)得到了廣泛的研究，但過(guò)于抽象不易于掌握，且忽略現(xiàn)有資源的應(yīng)用及零部件間的位置及特征對(duì)關(guān)聯(lián)零部件設(shè)計(jì)的作用；另外自底向上設(shè)計(jì)脫離設(shè)計(jì)布局，設(shè)計(jì)效率低下。為解決兩種設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題，提出了基于三維多實(shí)體的模塊化混合設(shè)計(jì)法。首先根據(jù)不同產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，劃分了三維多實(shí)體布局類型，并簡(jiǎn)要介紹了布局方法。然后結(jié)合各種情況詳細(xì)地闡述了混合設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)關(guān)聯(lián)問(wèn)題，其中重點(diǎn)探討了如何將設(shè)計(jì)加速器的設(shè)計(jì)結(jié)果嵌入到智能布局零件中，以此實(shí)現(xiàn)末端需求控制前端設(shè)計(jì)的反求設(shè)計(jì)思想。最后結(jié)合典型設(shè)計(jì)案例闡述了混合設(shè)計(jì)法的應(yīng)用，表明混合設(shè)計(jì)法是可行且有效的。

多實(shí)體布局；混合設(shè)計(jì)；模塊化設(shè)計(jì)；參數(shù)關(guān)聯(lián)；設(shè)計(jì)加速器；Inventor

總體而言，任何產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程都是自頂向下進(jìn)行的，都要經(jīng)歷從抽象的概念設(shè)計(jì)到具體的模型及樣機(jī)的完善過(guò)程。目前計(jì)算機(jī)三維輔助設(shè)計(jì)、分析與制造無(wú)縫銜接變得越來(lái)越重要，因此產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程自然而言被看做計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)過(guò)程[1]。傳統(tǒng)上有兩種產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，即自頂向下設(shè)計(jì)和自底向上設(shè)計(jì)[2-3]。自頂向下設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)布局設(shè)計(jì)及參數(shù)傳遞，可持續(xù)設(shè)計(jì)及實(shí)施性強(qiáng)，但忽略了在位創(chuàng)建零部件的設(shè)計(jì)需求和現(xiàn)有資源的重用問(wèn)題。自底向上設(shè)計(jì)主要基于抽象布局模型分別設(shè)計(jì)各個(gè)獨(dú)立的零件，然后組裝為部件模型，零部件與布局無(wú)關(guān)聯(lián)，參數(shù)關(guān)聯(lián)中斷。而實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程通常都是在交錯(cuò)運(yùn)用自頂向下和自底向上完成設(shè)計(jì)的全過(guò)程，二者混用更契合實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程，即混合設(shè)計(jì)。那么如何應(yīng)用混合設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)過(guò)程更有效、更便捷是本文研究的重點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)方法概述

1.1 自底向上設(shè)計(jì)

眾所周知，自底向上設(shè)計(jì)是傳統(tǒng)的三維設(shè)計(jì)方法，目前仍然被廣泛地采用。一般是完成全部非標(biāo)零件模型設(shè)計(jì)后，通過(guò)裝配約束將零件組裝為部件。零件在組裝過(guò)程中易出現(xiàn)干涉或接觸不到位的問(wèn)題，無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單編輯達(dá)到控制產(chǎn)品的大小、各零部件間相對(duì)位置以及主要結(jié)構(gòu)特征的目的。問(wèn)題源于零部件形狀、位置等參數(shù)與產(chǎn)品規(guī)劃布局無(wú)關(guān)，難于編輯修改，設(shè)計(jì)效率低下。

1.2 自頂向下設(shè)計(jì)

研究表明自頂向下設(shè)計(jì)明顯優(yōu)于自底向上設(shè)計(jì)[1-10]。主要實(shí)現(xiàn)途徑為骨架布局設(shè)計(jì)和多實(shí)體布局設(shè)計(jì)。其中骨架布局統(tǒng)領(lǐng)設(shè)計(jì)全局的方法多年來(lái)已得到廣泛的研究，在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)上表現(xiàn)上佳[3-5]。此種設(shè)計(jì)的不足在于過(guò)于強(qiáng)調(diào)布局的主控作用，忽略了現(xiàn)有資源的重用及在位創(chuàng)建模型的需要，而且對(duì)于整機(jī)或系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)欠缺的青年設(shè)計(jì)者而言過(guò)于抽象，掣肘了年輕人將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)模型進(jìn)而形成產(chǎn)品的創(chuàng)新步伐。相反，多實(shí)體布局設(shè)計(jì)易于掌握和運(yùn)用，可用于各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，但研究和應(yīng)用起步較晚。

1.3 混合設(shè)計(jì)

隨著三維設(shè)計(jì)軟件功能的逐步強(qiáng)大，多實(shí)體布局設(shè)計(jì)已逐漸為人所知并得到利用，即在單個(gè)零件文件中創(chuàng)建多個(gè)實(shí)體以實(shí)現(xiàn)布局設(shè)計(jì)，可根據(jù)需要衍生出次級(jí)多實(shí)體布局或直接轉(zhuǎn)化為零部件，實(shí)現(xiàn)自頂向下設(shè)計(jì)[11]。對(duì)年輕的設(shè)計(jì)人員而言，在豐富的想象力和創(chuàng)造力驅(qū)動(dòng)下，很容易啟動(dòng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目并自如地掌控設(shè)計(jì)過(guò)程及結(jié)果，這就是三維多實(shí)體布局設(shè)計(jì)最突出的優(yōu)點(diǎn)之一。目前，對(duì)產(chǎn)品可持續(xù)設(shè)計(jì)性及重用性需求的急劇增加，部件設(shè)計(jì)層面的參數(shù)關(guān)聯(lián)模塊化設(shè)計(jì)越來(lái)越重要[1,5]。而多實(shí)體自頂向下設(shè)計(jì)可無(wú)條件地實(shí)現(xiàn)參數(shù)在零件內(nèi)部的穩(wěn)定關(guān)聯(lián)。其模塊化設(shè)計(jì)可行性優(yōu)于骨架式布局，屬于所見(jiàn)即所得的設(shè)計(jì)，易于實(shí)現(xiàn)參數(shù)和結(jié)構(gòu)形狀的直接關(guān)聯(lián)，編輯修改更新方便快捷[10]。另外，設(shè)計(jì)中會(huì)大量采用已有資源，如現(xiàn)存零部件模型、經(jīng)各類設(shè)計(jì)加速器生成的零部件、標(biāo)準(zhǔn)件資源庫(kù)存儲(chǔ)的大量標(biāo)準(zhǔn)件、各大公司的產(chǎn)品模型資源等，并根據(jù)設(shè)計(jì)需要，結(jié)合裝配結(jié)構(gòu)特征，在位創(chuàng)建自適應(yīng)零部件，以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最終目標(biāo)需求。因此在復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，自底向上和自頂向下設(shè)計(jì)總是交替運(yùn)用的，也就是本文提出的基于多實(shí)體的混合設(shè)計(jì)觀點(diǎn)。混合設(shè)計(jì)兼具自頂向下和自底向上兩種部件設(shè)計(jì)技術(shù)，其基本設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

2 多實(shí)體布局方式

根據(jù)設(shè)計(jì)需要，可采用不同的多實(shí)體布局方式進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。本文所涉及的模型都基于Inventor軟件平臺(tái)完成。

2.1 分割式多實(shí)體布局

根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以分割為主生成多實(shí)體布局的方式在某些特定產(chǎn)品設(shè)計(jì)中顯現(xiàn)出很高的設(shè)計(jì)效率，尤其是內(nèi)外形狀比較規(guī)范且具有對(duì)稱性的產(chǎn)品，比如常見(jiàn)的各種魔方玩具的建模設(shè)計(jì)。另外，此種布局方式特別適用于控制跨多個(gè)零件的帶有復(fù)雜曲線的塑料零部件設(shè)計(jì)，像各式各樣鼠標(biāo)的建模設(shè)計(jì)[10-11]。圖2為四階魔方的分割式布局設(shè)計(jì)(共計(jì)58個(gè)多實(shí)體)。

2.2 疊加式多實(shí)體布局

對(duì)于內(nèi)外形狀不是很規(guī)則或結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的產(chǎn)品而言，多采用疊加多實(shí)體的布局方式。該種布局方式靈活自由，隨意創(chuàng)建想要的獨(dú)立特征和曲面，對(duì)概念設(shè)計(jì)或創(chuàng)意設(shè)計(jì)具有極強(qiáng)的可實(shí)施性。如圖3所示的一款概念機(jī)器蟑螂的殼體內(nèi)外布局(共有23個(gè)實(shí)體)；圖4所示的一款概念月球車的空間布局(共有29個(gè)多實(shí)體)，均采用疊加式多實(shí)體布局方式。

3 多實(shí)體布局中的參數(shù)關(guān)聯(lián)

布局設(shè)計(jì)是裝配體與子裝配體設(shè)計(jì)的首要環(huán)節(jié)。布局的優(yōu)劣決定了設(shè)計(jì)效率的高低及可持續(xù)設(shè)計(jì)性能的強(qiáng)弱，其中參數(shù)關(guān)聯(lián)起決定性作用。

圖1 基于多實(shí)體的混合設(shè)計(jì)流程圖

圖2 四階魔方分割式多實(shí)體布局

圖3 概念蟑螂殼體多實(shí)體疊加布局

圖4 概念月球車多實(shí)體疊加布局

3.1 全參數(shù)關(guān)聯(lián)

為了提高設(shè)計(jì)效率，根據(jù)各零件間的參數(shù)關(guān)系及變化規(guī)律，可采用關(guān)聯(lián)到單一或幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的方法來(lái)提高設(shè)計(jì)效率，改善可持續(xù)設(shè)計(jì)性及設(shè)計(jì)的再利用性。比如本文提到的四階魔方只設(shè)定一個(gè)邊長(zhǎng)參數(shù)來(lái)控制該種型號(hào)魔方的共計(jì)58個(gè)零件的其他全部參數(shù)，只要改變魔方多實(shí)體布局零件中正方體邊長(zhǎng)，魔方的全部零件尺寸都會(huì)立即更新。該種參數(shù)關(guān)聯(lián)的方式最為簡(jiǎn)潔、直接、可靠，即通過(guò)參數(shù)表及參數(shù)關(guān)系表達(dá)式來(lái)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的全關(guān)聯(lián)(圖5)。

圖5 四階魔方fx參數(shù)表部分?jǐn)?shù)據(jù)

3.2 跨特征參數(shù)關(guān)聯(lián)

在多實(shí)體布局中，跨特征投影幾何圖元是把相關(guān)特征進(jìn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)的最有效方法之一，同時(shí)結(jié)合運(yùn)算表達(dá)式、函數(shù)，以及并、交、差布爾運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)特征、形狀、參數(shù)三者間的無(wú)縫關(guān)聯(lián)。如圖6(a)、(d)所示，旋塞閥的閥桿頭部十字形外凸結(jié)構(gòu)與旋塞閥芯上部的十字形內(nèi)凹結(jié)構(gòu)配合工作，通過(guò)旋轉(zhuǎn)閥桿控制閥芯的轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)計(jì)中必須考慮十字形配合特征間形狀和參數(shù)的關(guān)聯(lián)屬性，通過(guò)跨特征投影來(lái)關(guān)聯(lián)凸、凹形狀，通過(guò)運(yùn)算表達(dá)式結(jié)合round，floor等函數(shù)實(shí)現(xiàn)閥桿關(guān)鍵尺寸與槽寬及槽深關(guān)聯(lián)(圖6(a)、(b))；通過(guò)旋轉(zhuǎn)命令完成閥桿新實(shí)體的創(chuàng)建，再用“合并”命令修剪閥桿頭，從而實(shí)現(xiàn)十字形結(jié)構(gòu)及參數(shù)的完整關(guān)聯(lián)(圖6(c))；最后切除閥桿頭部對(duì)應(yīng)的多余特征，完成十字形閥桿頭的細(xì)化設(shè)計(jì)(圖6(d))。

圖6 旋塞閥閥桿與閥芯的跨特征參數(shù)關(guān)聯(lián)

3.3 在位創(chuàng)建智能多實(shí)體零件

在裝配體中通過(guò)在位創(chuàng)建多實(shí)體零件實(shí)現(xiàn)形狀及參數(shù)的跨零部件關(guān)聯(lián)是另一種實(shí)現(xiàn)參數(shù)關(guān)聯(lián)的有效方法。各種設(shè)計(jì)加速器是三維設(shè)計(jì)軟件的重要功能模塊，如何在多實(shí)體布局設(shè)計(jì)中關(guān)聯(lián)由設(shè)計(jì)加速器生成的核心零部件的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，以此來(lái)確定箱體結(jié)構(gòu)形狀及大小，實(shí)現(xiàn)部件結(jié)構(gòu)的反求設(shè)計(jì)呢？

結(jié)合簡(jiǎn)單的直齒輪減速器設(shè)計(jì)過(guò)程說(shuō)明如何將設(shè)計(jì)加速器與在位創(chuàng)建多實(shí)體智能零件進(jìn)行關(guān)聯(lián)。如圖7(a)所示，首先創(chuàng)建一個(gè)裝配體文件，由設(shè)計(jì)加速器設(shè)計(jì)出功率、轉(zhuǎn)速、扭矩等滿足負(fù)載需求的一對(duì)直齒輪、輸入輸出軸、深溝球軸承等(此處略去軸承，以利于看清軸結(jié)構(gòu))。然后分別打開(kāi)齒輪及軸零件模型，通過(guò)f參數(shù)表輸出減速器箱體設(shè)計(jì)所需的關(guān)鍵參數(shù)，如圖7(b)所示的齒輪大徑、齒數(shù)、中心距、齒寬等參數(shù)；然后在裝配體中在位創(chuàng)建箱體零件，將齒輪及軸輸出的參數(shù)衍生到箱體零件中。在創(chuàng)建減速箱體草圖及特征時(shí)直接引用相關(guān)的列出參數(shù)，如圖7(c)所示。

最后采用分割方式完成上下箱體的初始布局設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的細(xì)化設(shè)計(jì)后箱體如圖7(d)所示。最后導(dǎo)出為零部件，裝入齒輪對(duì)、軸、軸承等即可完成減速器的初步設(shè)計(jì)(圖7(e))。這種設(shè)計(jì)方法可始終確保設(shè)計(jì)加速器與箱體模型保持有效的關(guān)聯(lián)，如功率、扭矩、轉(zhuǎn)速等發(fā)生變化，在裝配體中直接編輯設(shè)計(jì)加速器生成新的齒輪對(duì)、軸、軸承，箱體的各部分與其相關(guān)聯(lián)尺寸都能得到立即更新，可大大提高設(shè)計(jì)效率。

圖7 在位創(chuàng)建智能多實(shí)體布局零件

3.4 在位創(chuàng)建自適應(yīng)零件

另一種常見(jiàn)的參數(shù)關(guān)聯(lián)方式為在位創(chuàng)建自適應(yīng)零件。在裝配環(huán)境下，根據(jù)零件或部件間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相對(duì)位置創(chuàng)建密封件、彈簧、連桿、減震限位裝置、柔性件等自適應(yīng)零部件，是設(shè)計(jì)過(guò)程中常見(jiàn)需求，體現(xiàn)了混合設(shè)計(jì)的優(yōu)越性。

4 混合設(shè)計(jì)典型案例

以概念月球車的設(shè)計(jì)過(guò)程為例說(shuō)明混合設(shè)計(jì)的應(yīng)用。月球車應(yīng)具有行走、越障、采樣、收集信息、能量自給等功能，因此從功能、體積、能耗、防護(hù)、自救等多個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)應(yīng)集中在體積小、適應(yīng)力強(qiáng)、多功能等方面。經(jīng)過(guò)深入分析對(duì)比，為實(shí)現(xiàn)上述要求的全部功能，采用球形外殼，內(nèi)部設(shè)有鏤空的中心支架及十字形承力支架，具有行進(jìn)支撐機(jī)構(gòu)，信息收集機(jī)構(gòu)、采樣機(jī)構(gòu)、自救機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)等5大機(jī)構(gòu)。

根據(jù)總體規(guī)劃，首先對(duì)月球車的各個(gè)重要功能模塊進(jìn)行自頂向下設(shè)計(jì)。采用多實(shí)體方法創(chuàng)建如圖8(a)所示的月球車多實(shí)體布局模型，作為頂層總體設(shè)計(jì)。含有5個(gè)功能模塊、殼體及中心支架的簡(jiǎn)化模型，用來(lái)確定各模塊空間分布及基本結(jié)構(gòu)尺寸。然后以多實(shí)體布局中的各實(shí)體作為子裝配體的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，根據(jù)需求通過(guò)衍生實(shí)體、曲面、參數(shù)等方式將對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)實(shí)體衍生到下一級(jí)多實(shí)體零件中。以中心支架frame1為例，先創(chuàng)建frame1零件，然后只衍生多實(shí)體布局frame中的frame1實(shí)體到frame1零件中，如圖9(a)所示。運(yùn)用本文第3節(jié)介紹的方法進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而獲得由3個(gè)多實(shí)體構(gòu)成的frame1多實(shí)體中心支架模型，如圖9(b)所示，最后將中心支架多實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為裝配體模型。

圖8 月球車自頂向下模塊化同步設(shè)計(jì)

圖9 月球車中心支架模塊化自頂向下設(shè)計(jì)

Frame中的球形外殼是月球車的保護(hù)殼，同時(shí)控制各機(jī)構(gòu)的球形面外觀。最終每一個(gè)功能模塊以一個(gè)子裝配體的形式裝入到總裝配體中。5個(gè)主要功能模塊分別是輪式跳躍行進(jìn)機(jī)構(gòu)、圖像采集系統(tǒng)、太陽(yáng)能供電系統(tǒng)、采樣機(jī)械手系統(tǒng)、支撐自救系統(tǒng)、中心支架及承力架等，構(gòu)成了月球車的主要組成部分，如圖8所示。

將各個(gè)部件、零件組裝后，通過(guò)在位創(chuàng)建必要的自適應(yīng)零件，比如儲(chǔ)能拉伸彈簧、腿部緩沖彈簧、控制彈跳的鋼絲繩、采樣品收納箱等一系列兼顧其他相關(guān)零件位置及形狀的自適應(yīng)零件，再?gòu)馁Y源中心中裝入所需的標(biāo)準(zhǔn)緊固件，便形成了最終模型，如圖10所示。

圖10 概念月球車模型

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)常規(guī)的骨架式自頂向下設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)的零件組裝式自底向上設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題，本文提出了一種基于多實(shí)體的混合設(shè)計(jì)方法，該方法兼有自頂向下設(shè)計(jì)與自底向上設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，與實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程更相符。參數(shù)關(guān)聯(lián)方法使設(shè)計(jì)過(guò)程更穩(wěn)定高效，同時(shí)將設(shè)計(jì)加速器成功嵌入到智能化多實(shí)體布局模型設(shè)計(jì)中，獲得了結(jié)構(gòu)特征、形狀、參數(shù)的有效關(guān)聯(lián)結(jié)果，避免了模塊之間、零件之間、特征之間的設(shè)計(jì)沖突。并將混合設(shè)計(jì)法成功地運(yùn)用到概念月球車的設(shè)計(jì)中，通過(guò)多實(shí)體布局模型對(duì)不同層級(jí)的設(shè)計(jì)進(jìn)行控制，具有很好的可持續(xù)設(shè)計(jì)性能，設(shè)計(jì)效率得到很大提高。

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Application of Middle-out Design Based on Multi-Body Method

SONG Hongxia

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

Generally, there are two alternative design approaches: top-down and bottom-up. At present, the skeleton top-down design has been widely studied, but it is too abstract and not easy to grasp, and meanwhile often ignores the application of existing resources and the role of the location and features of the parts in the design of related parts. In addition, the bottom-up design is detached from the design layout, resulting in low efficiency. To solve the problems, a modular middle-out design method based on 3D multi-body is proposed. Firstly, in accordance with structure characteristics of different kinds of products, types of multi-body layouts are described, and layout approaches are introduced briefly. Then, the most important issue of parameter correlation in middle-out design is discussed in detail, and subsequently the problem of how to embed the design results generated by the design accelerator into the smart layout part is explored, so the reverse design idea is realized as the terminal design requirements control the front-end design. Consequently, the correlation between dynamic characteristics and structure as well as parameters is created effectively. Finally, combined with the typical design case, the application of middle-out design method is illustrated. The result shows that the middle-out modeling approach is feasible and effective.

multi-body layout; middle-out design; modular design; parameter correlation; design accelerator; Inventor

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018061200

A

2095-302X(2018)06-1200-07

2018-04-12；

2018-05-20

宋洪俠(1966-)，女，黑龍江望奎人，教授，碩士，碩士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論、工程圖學(xué)。E-mail：hxsong@dlut.edu.cn