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(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076 )

0 引言

分體式電位計用于測量線位移，具有體積小，安裝靈活的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)配套用于航天伺服系統(tǒng)各批產(chǎn)型號、研制型號、背景型號的測量領(lǐng)域。隨著運(yùn)載和武器型號的發(fā)展需要，對分體式電位計的數(shù)量需求急劇增長，產(chǎn)品質(zhì)量生產(chǎn)周期短和設(shè)計質(zhì)量要求不斷的提高，為了適應(yīng)型號對分體式電位計的設(shè)計周期短要求、生產(chǎn)任務(wù)緊以及產(chǎn)品系列繁雜等巨大挑戰(zhàn)。分體式電位計的“零件參數(shù)化，組件關(guān)聯(lián)化，產(chǎn)品二維工程系列化”，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電位計生產(chǎn)的“貨架式”管理模式，提高設(shè)計生產(chǎn)效率。

在基于CREO2.0的基礎(chǔ)上，設(shè)計過程的所有尺寸(參數(shù))都存在數(shù)據(jù)庫中，設(shè)計者只需要更改三維零件的部分外部約束尺寸，則三維模型，二維工程圖(Drawing)便會自動更新，自動生成新的三維模型和二維工程模型，達(dá)到了修改工作的一致性，避免發(fā)新人更改圖的疏漏情形，并減少許多人為改圖的時間和精力的消耗，參數(shù)化設(shè)計運(yùn)用強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算邏輯方式，建立各尺寸參數(shù)之間的關(guān)系式，使模型可自動計算出應(yīng)有的外形，減少逐一修改尺寸的繁瑣費(fèi)時，并減少錯誤發(fā)生[1]。

從源頭上解決了設(shè)計過程中的尺寸鏈的閉合，減小設(shè)計過程中的容錯率，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，保障了型號的質(zhì)量要求，生產(chǎn)周期要求以及生產(chǎn)的成本要求。

圖1 參數(shù)化流程圖

1 研究背景和生產(chǎn)現(xiàn)狀

當(dāng)前，隨著型號任務(wù)密集發(fā)射的要求，分體式電位計廣泛的被應(yīng)用，設(shè)計從任務(wù)書的簽訂，分體式電位計三維模型設(shè)計、二維工程圖出圖時間一般的情況下是一個月左右，在這一個月中還有其他型號的相關(guān)工作，設(shè)計者首先考慮的是相似型號的借用，或者相近型號改進(jìn)，但是由于時間周期短，任務(wù)重，人員少的情況下，很難保證按時完成任務(wù)，同時在設(shè)計過程中偶爾難免會出現(xiàn)設(shè)計質(zhì)量問題。為了提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期，減少人力資源成本前提下，提出了分體式電位計產(chǎn)品“零件參數(shù)化，組件關(guān)聯(lián)化，產(chǎn)品二維工程系列化”的設(shè)計思想，產(chǎn)品“貨架式管理”模式。

對比目前的設(shè)計流程和產(chǎn)品參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計流程可以看出目前的設(shè)計思想存在以下幾個方面的問題：

1)由于不同型號配套使用的分體式電位計種類繁多，導(dǎo)致每一種產(chǎn)品都要重新計算和設(shè)計，這樣設(shè)計周期長。

2)由于產(chǎn)品種類多，存在一定的相似性，在設(shè)計的過程中采用了借用零件或者借用組件方式設(shè)計，這樣可能出現(xiàn)一些細(xì)小的尺寸或者公差不匹配問題，設(shè)計容錯率加大。

3)產(chǎn)品種類繁多，產(chǎn)品管理上存在多樣性和重復(fù)性，加大了人力資源成本的消耗。

目前的傳統(tǒng)設(shè)計流程圖是：總體下發(fā)任務(wù)書，設(shè)計簽訂任務(wù)書，根據(jù)任務(wù)書要求針對電氣行程和機(jī)械行程的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計計算，通過已經(jīng)計算好的參數(shù)帥選現(xiàn)有的類似產(chǎn)品，如果存在相似可以借用的產(chǎn)品，就直接進(jìn)行產(chǎn)品借用。如果沒有相似可以借用的產(chǎn)品，就得重新進(jìn)行設(shè)計，計算整機(jī)的接口尺寸鏈，然后在CREO2.0環(huán)境下進(jìn)行三維建模，然后在利用三維模型再轉(zhuǎn)換成二維工程圖模型，設(shè)計再將二維工程圖分發(fā)給相應(yīng)的校對、審核、批準(zhǔn)人員去校對、審核、批準(zhǔn)，如果二維工程圖中存在問題會返回給設(shè)計。在三維模型階段去更改，最后進(jìn)行曬藍(lán)。

參數(shù)化后的設(shè)計流程是：總體下發(fā)任務(wù)書，設(shè)計簽訂任務(wù)書，根據(jù)任務(wù)書要求針對電氣行程和機(jī)械行程的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計計算，通過已經(jīng)計算好的參數(shù)帥選現(xiàn)有的類似產(chǎn)品，如果存在相似的產(chǎn)品，就直接進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)用。如果沒有相似可以調(diào)用的產(chǎn)品，就進(jìn)行相關(guān)的約束參數(shù)進(jìn)行更改，然后在CREO2.0環(huán)境下自動生成三維建模和二維工程圖模型，設(shè)計再將二維工程圖分發(fā)給相應(yīng)的校對、審核、批準(zhǔn)人員去校對、審核、批準(zhǔn)，如果二維工程圖中存在問題會返回給設(shè)計(新的設(shè)計流程方式下發(fā)生概率小)。更改相應(yīng)的關(guān)聯(lián)約束參數(shù)，最后進(jìn)行曬藍(lán)。

對比傳統(tǒng)的設(shè)計方式和參數(shù)化設(shè)計方式可以看出在設(shè)計流程上可以省去每次重復(fù)計算接口尺寸、重新三維建模、重新二維工程圖建模的大量時間和精力，同一個設(shè)計者刻管理同一類型的產(chǎn)品，同時提高了設(shè)計效率，降低設(shè)計人員成本，降低設(shè)計人員在設(shè)計過程中的設(shè)計容錯率。

參數(shù)化建立前后的對比見表1所示。

表1 參數(shù)化前后對比

分體式電位計典型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖2所示，下面以分體式的電位計的結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化模型建立。

1.骨架 2.電阻膜 3.刷握組件 4.導(dǎo)電條圖2 分體式電位計典型結(jié)構(gòu)圖

2 分體式電位計參數(shù)化設(shè)計

對于參數(shù)特征造型系統(tǒng)[2]，其構(gòu)造特征可以表示為：M={Fi,Pi}。式中，M為系統(tǒng)所構(gòu)造的特征模型；Fi為構(gòu)造特征模型的組成特征；Pi為與特征對應(yīng)的參數(shù)及。

于是，當(dāng)引于其他的具有工程意義的尺寸控制參數(shù)集Qi，并建立參數(shù)集Qi與Pi的映射關(guān)系f，使得：Pi=f(Qi)，那么，幾何模型就可以具有另外一種表示：M={Fi,f(Qi)}。

這樣，對于新的參數(shù)的修改，必然引起模型的更新。若新的參數(shù)是其他零件的控制參數(shù)，那就意味著其他的零件具有了啟動該零件的能力。

除此之外，針對常規(guī)圖紙不能按比例變化的缺陷，將其進(jìn)行參數(shù)化，則每個參數(shù)都成為一個變量，進(jìn)而由參數(shù)對應(yīng)生成的也是一個動態(tài)的圖形，實(shí)現(xiàn)了柔性設(shè)計的目的。

分體式電位計參數(shù)化，首先是新建一個“總控件”，建立電氣行程的參數(shù)，然后將電氣行程參數(shù)分別關(guān)聯(lián)其他零件。其他零件在設(shè)計過程中，需要修改的特征全部采用“參數(shù)化”，修改時直接修改列表中的參數(shù)即可。分體式電位計的主要零件骨架、鉚釘、電阻膜、導(dǎo)電條、電刷、導(dǎo)電片、刷握、螺釘組成，其中我們選取骨架為基本參考面，其外形尺寸參數(shù)和總體的電氣行程和機(jī)械行程，以及機(jī)械接口尺寸鏈相關(guān)聯(lián)，電阻膜和導(dǎo)電條安裝在骨架上，他們骨架上的相對位置和骨架的外形尺寸相關(guān)聯(lián)，電刷和電阻膜以及導(dǎo)電條相關(guān)聯(lián)，其中電刷和導(dǎo)電片之間相關(guān)聯(lián)，導(dǎo)電片和刷握相關(guān)聯(lián)。當(dāng)我們就設(shè)置電氣行程和機(jī)械行程，作為基本參數(shù)，分體式電位計的各個零件也就都和這兩個主要的基本參數(shù)相關(guān)聯(lián)。

2.1 零件參數(shù)化設(shè)計

參數(shù)設(shè)計參數(shù)化設(shè)計的核心概念，在一個模型中，參數(shù)是通過“尺寸”的形式來體現(xiàn)的。參數(shù)化設(shè)計的突出優(yōu)點(diǎn)在于可以通過變更參數(shù)的方法來方便的修改設(shè)計意圖，從而修改設(shè)計目的。關(guān)系式是參數(shù)化設(shè)計中的另外一項(xiàng)重要內(nèi)容，它體現(xiàn)了參數(shù)之間相互制約的“父子”關(guān)系[3]。

電氣行程和機(jī)械行程是電位計式位移傳感器最主要的產(chǎn)品參數(shù)，在三維建模時，產(chǎn)品零部件其他尺寸與電器行程相關(guān)聯(lián)，只需修改一個參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)所有零部件結(jié)構(gòu)的自動修改，極大提高了設(shè)計效率。

參數(shù)驅(qū)動使圖形的修改得以自動完成，從而大大提高了繪圖效率。此外，將參數(shù)驅(qū)動作為圖形繪制模塊，配合專用計算模塊可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的智能化自動設(shè)計，或者建立參數(shù)化圖形庫以實(shí)現(xiàn)系列化產(chǎn)品設(shè)計。因此，參數(shù)化設(shè)計的核心就是進(jìn)行參數(shù)驅(qū)動。

分體式電位計參考約束參數(shù)是由總體的電氣行程、機(jī)械行程、機(jī)械接口尺寸決定，而這些參數(shù)正是骨架組成的基本參數(shù)，如果定義參數(shù)電氣行程為A, 機(jī)械行程為B,機(jī)械接口尺寸為{C},鉚釘?shù)膮?shù)為{D}，電刷的參數(shù)為{E}則分體式電位計的三圍模型如圖2所示。

骨架的外形主要由骨架的寬度，長度，厚度描述，這些受電氣行程、機(jī)械行程、結(jié)構(gòu)尺寸的約束，所以有：

骨架的函數(shù)關(guān)系為：

F1=f1(A,B,{C},{D})

電阻膜的設(shè)計由電阻膜的寬度H1，電阻膜在骨架上的相對位置G1，電氣行程A等約束，所以有：

電阻膜的函數(shù)關(guān)系為：

F2=f2(H1,G1,A)

導(dǎo)電條的設(shè)計由導(dǎo)電條的寬度H2，導(dǎo)電條在骨架上的相對位置G2，電氣行程A等約束，所以有：

導(dǎo)電條的函數(shù)關(guān)系為：

F3=f3(H2,G2,A)

下面主要以零件骨架的參數(shù)化過程為例。

分體式電位計的骨架三模模型圖如圖2中所示，結(jié)構(gòu)相對簡單，但是特征多，尺寸多，設(shè)計繁瑣，同類產(chǎn)品眾多，結(jié)構(gòu)高度相似。

圖3是骨架參數(shù)化建模的過程界面圖。在骨架的參數(shù)化建模的過程中依據(jù)外部參數(shù)(總體提出)設(shè)計計算出骨架的基本外形圖，找出相應(yīng)的尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系[4]，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算式。在CREO2.0環(huán)境下，首先打開三維模型，然后點(diǎn)擊工具欄中的“參數(shù)”功能下的“d=關(guān)系”。在三維模型中提取關(guān)聯(lián)約束參數(shù)，然后在“關(guān)系”窗口中創(chuàng)建各個約束參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系，完成三維模型參數(shù)化建模。

在分體式電位計參數(shù)化的過程中，骨架參數(shù)化首先是在骨架的三維模型中提取關(guān)鍵的約束參數(shù)，骨架的長度d1和骨架寬度d2，在如圖4所示的界面中步驟完成骨架參數(shù)化數(shù)學(xué)模型的建立。

圖3 骨架參數(shù)化建模界面

圖4 骨架參數(shù)化代碼入口

零件骨架參數(shù)建模圖示中2處的部分程序：

/*D1骨架長度，D2骨架的寬度，L1電氣長度，L2安裝腰形孔的長度，R1安裝孔圓弧半徑，R2骨架倒圓角

D1=2*L1+15 /*約束骨架長度

D105=2*L1+10

D26=L1-1

D23=L1-1

D25=R1

D5=R2

D6=R2

D4=R2

D3=R2

D2=L7 /*約束骨架寬度

D7=L8 /*約束骨架厚度

…

其中:L1電氣長度，D2、D7是總體提出的約束條件屬于外部參數(shù)，其余的參數(shù)屬于內(nèi)部參數(shù)，一般情況下我們的內(nèi)部參數(shù)是一樣的不需要修改，如果在需要修改的情況下只需要修改相應(yīng)的參數(shù)即可自動生成相應(yīng)的模型。

/*安裝孔凹槽設(shè)計

D22=L2

D115=L1+2

P127=2*D115

d9=L3

d241=R3

d242=R3

d244=R3

d243=R3

d239=R3

d240=R3

d238=R3

d245=R3

d10=L4

/*寬度方向的參數(shù)化，出線槽設(shè)計

D212=L1+0.5

d125=2*d115

d161=L1+2

d228=R4

d229=R4

d231=R4

d230=R4

d232=R5

d233=R5

d236=R5

d237=R5

d210=L5

d211=L5 …

/*電阻膜寬度L6，鉚釘和中心觸頭參數(shù)化設(shè)計

d126=L6-2

d135=L6+3

d114=L6-0.5

d122=R6

d123=R7 …

上述是部分特征的參數(shù)化模型建立的部分代碼，針對骨架的參數(shù)化模型建立后的參數(shù)化界面如圖5所示。

圖5 零件骨架參數(shù)化模型建立

圖中1是參數(shù)模型入口，2是總體提出的外部約束參數(shù)，3是2中對應(yīng)的參數(shù)數(shù)值，例如我們需要不同的骨架只需要修改對應(yīng)的參數(shù)即可，骨架參數(shù)完整建模一共十個參數(shù)，大大減少了三維出圖的復(fù)雜性。

2.2 組件關(guān)聯(lián)化

三維建模的傳統(tǒng)方法是，先進(jìn)行單個零件的獨(dú)立建模，修改時只能單個進(jìn)行修改。如果用“自頂向下”設(shè)計，可以先新建一個基準(zhǔn)件，其他零件在此基礎(chǔ)上建模，在修改時僅需基準(zhǔn)件，其他零件的關(guān)聯(lián)尺寸自動更新。用該方法不僅快速高效，還能保證修改后的準(zhǔn)確性。

分體式電位計組件關(guān)聯(lián)化設(shè)計，分體式電計主要由電阻組件、刷握組件、電刷組件組成如圖2所示。首先在新建的裝配組件中，插入骨架，然后裝配相應(yīng)的零件，零件的坐標(biāo)和基準(zhǔn)直接采用組件的坐標(biāo)和基準(zhǔn)，從骨架，電阻組件，電刷，電刷組件，刷握組件進(jìn)行組件關(guān)聯(lián)化設(shè)計。如果修改骨架參數(shù)，其他的組件和其中零件尺寸會自動進(jìn)行更新，只需在首次設(shè)計時計算一次，省去了重復(fù)計算工作。下面以電阻組件的參數(shù)關(guān)聯(lián)化為例。

電阻組件的參數(shù)化，通過關(guān)聯(lián)參數(shù)分析知電氣行程L1等決定了骨架的長度d1等標(biāo)識d1：0，導(dǎo)電條長度標(biāo)識d2：2和電阻膜長度標(biāo)識d2：4可以建立相應(yīng)的參數(shù)關(guān)系，其中骨架的和電阻膜之間公用一個外部約束參數(shù)電氣行程，實(shí)現(xiàn)了組件的參數(shù)關(guān)聯(lián)化[5]如圖6所示。電阻組件參數(shù)化步驟和參數(shù)化后的界面如圖7所示。

圖6 骨架和電阻膜及導(dǎo)電條的參數(shù)關(guān)聯(lián)化

圖7 電阻組件參數(shù)關(guān)聯(lián)化建模界面

電阻組件參數(shù)關(guān)聯(lián)化的部分代碼：

/*骨架和電阻膜以及導(dǎo)電條之間的組件參數(shù)關(guān)聯(lián)化建模

/*骨架的長度在在1-0電阻組件中的表識為d1:0

/*d2:2標(biāo)識為導(dǎo)電條的長度

/*d2:4標(biāo)識為電阻膜的長度

/*d39:4標(biāo)識為電阻膜的鉚釘孔的長度

/*d36:4標(biāo)識為導(dǎo)電條的鉚釘孔的長度

d2:2=d1:0～9

d2:4=d1:0～9

d39:4=0.5*d2:4-1

d36:4=0.5*d2:4-1 …

電阻組件的參數(shù)關(guān)聯(lián)化過程，實(shí)際上是對骨架和電阻膜以及導(dǎo)電條的參數(shù)化建模的過程，實(shí)現(xiàn)組件中的參數(shù)表識關(guān)聯(lián)化，修改圖3中的3處的參數(shù)就能實(shí)現(xiàn)骨架，電阻膜，導(dǎo)電條三者之間的自動更新，自動生成了新的三維模型和對應(yīng)的二維模型。

通過對骨架、鉚釘、電阻膜、導(dǎo)電條、電刷、導(dǎo)電片、刷握、螺釘參數(shù)化模型的建立，以及電阻組件1、電阻組件2、刷握組件1、刷握組件2之間的參數(shù)關(guān)聯(lián)化的模型的建立，最終形成了分體式位移傳感器產(chǎn)品的參數(shù)化模型的建立，如圖8所示。

圖8 分體式位移傳感器參數(shù)化模型

根據(jù)外部約束參數(shù)(總體提出)電氣行程和骨架寬度及厚度和相應(yīng)的內(nèi)部參數(shù)在圖5中2處進(jìn)行修改更新，自動生成新的三維模型和對應(yīng)的二維模型。

2.3 產(chǎn)品工程化設(shè)計

傳統(tǒng)方法是一個零件配置一個工程圖文件，同類信息要多次重復(fù)設(shè)置，頁號、產(chǎn)品編號和比例等修改繁瑣，打印時每張圖紙要逐個進(jìn)行設(shè)置?，F(xiàn)在，將整套工程圖創(chuàng)建在一個工程圖文件當(dāng)中，將需要重復(fù)設(shè)置和修改的信息添加“參數(shù)”，降低了重復(fù)設(shè)置的次數(shù)，打印整套圖紙時只需設(shè)置一次即可。用該方法創(chuàng)建工程圖極大提高了工作效率。

CREO2.0環(huán)境下的二維工程圖整套圖紙的標(biāo)簽位于視圖最下方，對標(biāo)簽拖動可以實(shí)現(xiàn)圖紙的前后順序的調(diào)整，圖紙標(biāo)簽的前后順序和圖9標(biāo)題欄中的頁數(shù)和頁號相關(guān)聯(lián)，省卻了手動更改頁數(shù)、頁號的煩惱。

圖9中的圖紙代號“SGD-XX”、階段標(biāo)記“C”、比例“4：1”、單位名稱“XX”、頁數(shù)頁號“共43頁第43頁”等信息不再需要逐個手動更改，只需修改相關(guān)聯(lián)的“參數(shù)”，即可實(shí)現(xiàn)整套圖紙在校對或階段更改時圖紙信息的自動更新。

圖9 圖紙標(biāo)題欄“參數(shù)化”

在CREO2.0環(huán)境下完成三維和二維工程模型參數(shù)化后，應(yīng)用工程圖集中管理，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)置一次，打印全部圖紙，省去了繁瑣的打印設(shè)置步驟，提高了打印效率，節(jié)省了工作時間。

2.4 產(chǎn)品貨架式管理

分體式電位計的參數(shù)化研究的目的是建立分體式電位計參數(shù)化的模型，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品貨架是管理模式。通過在已經(jīng)建立的模型數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上修改新的參數(shù)，自動生成新的三維模型和二維工程圖(Drawing)，除此之外，針對常規(guī)圖紙不能按比例變化的缺陷，將其進(jìn)行參數(shù)化，則每個參數(shù)都成為一個變量，進(jìn)而由參數(shù)對應(yīng)生成的也是一個動態(tài)的圖形，實(shí)現(xiàn)了柔性設(shè)計的目的，提高產(chǎn)品設(shè)計效率，減少產(chǎn)品管理人數(shù)，減少產(chǎn)品修改過程人為改圖的疏漏情形，提高產(chǎn)品的設(shè)計正確率，節(jié)省產(chǎn)品設(shè)計過程中由于錯誤造成的經(jīng)濟(jì)損失。

建立了如圖10所示中的分體式電位計參數(shù)化數(shù)據(jù)庫模型，實(shí)現(xiàn)了零件的參數(shù)化，組件的關(guān)聯(lián)化，產(chǎn)品工程化，為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品貨架式管理，真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化結(jié)構(gòu)建設(shè)。我們進(jìn)一步研究一體式兩冗余和三冗余結(jié)構(gòu)電位計的參數(shù)化模型建立并推廣

應(yīng)用。

圖10 分體式電位計的參數(shù)化數(shù)據(jù)模型

3 結(jié)論

在CREO2.0平臺上研究和探索了分體式電位計參數(shù)化設(shè)計方法，通過零件參數(shù)化，組件關(guān)聯(lián)化，產(chǎn)品系列化，實(shí)現(xiàn)了分體式電位計參數(shù)化模型，大大提高了分體式電位計設(shè)計效率，減少產(chǎn)品管理人數(shù)，減少產(chǎn)品修改過程人為改圖的疏漏情形，降低了人為因素出錯的概率，縮短了設(shè)計研發(fā)周期，減少產(chǎn)品設(shè)計過程中由于人為錯誤造成的經(jīng)濟(jì)損失，為同類產(chǎn)品的設(shè)計提供技術(shù)支持，為其他產(chǎn)品設(shè)計提供了一種參數(shù)化設(shè)計。

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