張悅

摘 要：隨著CAD等三維建模技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，機械產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)技術(shù)逐漸成熟。本文梳理了機械產(chǎn)品三維變型設(shè)計的研究背景，并分析了其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。接下來對機械產(chǎn)品三維變型設(shè)計原理進(jìn)行分析，并闡述了其基于三維裝配模型的設(shè)計原則。此外，該設(shè)計技術(shù)能高效地滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求，應(yīng)用前景十分可觀。

關(guān)鍵詞：變型設(shè)計；機械產(chǎn)品；主模型；裝配；三維

1 研究背景

變型設(shè)計是關(guān)于設(shè)計方法和過程的一種分類定義，通常是指提取已存在的設(shè)計根據(jù)不同用戶的不同要求，做相應(yīng)的修改以產(chǎn)生一個和原設(shè)計相似但又能夠滿足用戶個性化需求的新產(chǎn)品。這種修改保持了原設(shè)計的基本原理和總體結(jié)構(gòu)特征，是一種參數(shù)的修改或結(jié)構(gòu)的局部調(diào)整或兩者兼而有之，可以幫助生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)市場需求變化快速地生產(chǎn)新產(chǎn)品，而且可以生產(chǎn)成本、增加收益，使企業(yè)競爭力大大提高。在實際的設(shè)計工作中，由于變型設(shè)計具有上述一系列優(yōu)點，使得其應(yīng)用十分廣泛，并且多數(shù)企業(yè)對變型設(shè)計體系結(jié)構(gòu)具有迫切需求，因此吸引了眾多研究學(xué)者的密切關(guān)注和深入研究。

2 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

就目前來說，變型設(shè)計的研究主要分為產(chǎn)品縱向結(jié)構(gòu)變型設(shè)計和產(chǎn)品橫向結(jié)構(gòu)變型設(shè)計兩個方向，國內(nèi)外已有大量研究人員和學(xué)者對此進(jìn)行了深入研究[1]?；谀K化的變型設(shè)計是以功能分析為基礎(chǔ)，通過功能相同而性能用途不同的各模塊的互聯(lián)組合而實現(xiàn)各種基型產(chǎn)品和變型產(chǎn)品，一般來說，不能隨意改變模塊的劃分方式，而且模塊之間的裝配關(guān)系通常也是預(yù)先確定的，通常情況下不能隨意改變，因此限制了其使用范圍。基于裝配模型的變型設(shè)計方法是從零件的三維建模入手，以完成零部件的拼裝從而形成完整的機械結(jié)構(gòu)為最終目標(biāo)，不僅可以表達(dá)零件的幾何參數(shù)，而且可以通過零部件之間的裝配關(guān)系反映整個產(chǎn)品的功能要求和設(shè)計者的設(shè)計意圖?；谘b配模型的智能變型設(shè)計框架則為解決變型設(shè)計中大量問題提供了一種有效的途徑，這種框架使產(chǎn)品的數(shù)據(jù)管理和設(shè)計過程密切結(jié)合起來，使企業(yè)原有設(shè)計資源的重用成為可能，這方面的研究目前正在深入進(jìn)行。

3 機械產(chǎn)品三維變型設(shè)計原理

機械產(chǎn)品的三維變形設(shè)計體系結(jié)構(gòu)中，產(chǎn)品的主模型是產(chǎn)品所有零件信息的總和，通常也是由主模型來描述產(chǎn)品的各類參數(shù)信息[2]。在不破壞原設(shè)計的基本原理和基本結(jié)構(gòu)特征的情況下，利用產(chǎn)品主模型，可以設(shè)計多種產(chǎn)品、部件乃至零件的變形，從而派生出零部件的具體描述信息。這類設(shè)計需要考慮該部件或者零件的實際荷載能力及結(jié)構(gòu)特征、材料本身的性能、受力性質(zhì)和相關(guān)的配套設(shè)施以及運動參數(shù)對該機械系統(tǒng)的影響，需要將產(chǎn)品內(nèi)部具體結(jié)構(gòu)的剛度、強度、功能數(shù)據(jù)以及運動參數(shù)等作為設(shè)計的基本要求，再由這些綜合參數(shù)將設(shè)計目標(biāo)劃分并分別移交給結(jié)構(gòu)的具體模塊[3]?？偟膩碚f，設(shè)立主模型或者說主模版主要是對產(chǎn)品及其零部件的相關(guān)功能和作用、幾何結(jié)構(gòu)以及運動參數(shù)的變形空間域進(jìn)行深入的分析和處理，從而建立機械產(chǎn)品的零部件以及產(chǎn)品的三維主模型、工程圖紙主模板以及產(chǎn)品的主結(jié)構(gòu)，從而為整個機械產(chǎn)品的三維變型設(shè)計奠定完備的技術(shù)基礎(chǔ)。目前的CAD系統(tǒng)通常是建立產(chǎn)品的完整幾何模型，這種建模方法是從零件的建模開始的，以完成零件的拼裝來最終實現(xiàn)整個產(chǎn)品的幾何設(shè)計。通過基于產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)控制，由上到下地將裝配理念、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)以及知識重用的理念統(tǒng)一起來，并建立起合理的驅(qū)動及控制系統(tǒng)，從而便形成一個可靠的機械系統(tǒng)。在對機械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計時，按照預(yù)定要求對產(chǎn)品的設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行有效提取，并對主模型的模塊賦值，在整個模型框架內(nèi)獲得實例化的模塊，然后將這些模塊有機組合，這樣就能快速、高質(zhì)量、低成本地生產(chǎn)新產(chǎn)品以滿足不斷變化的市場的要求。

4 基于機械產(chǎn)品三維裝配模型的變型設(shè)計原則

基于三維建模及裝配技術(shù)的機械產(chǎn)品設(shè)計工作，不僅僅是針對機械產(chǎn)品的某一個零部件進(jìn)行設(shè)計，并且是立足于機械產(chǎn)品整體使用功能的優(yōu)化設(shè)計。因此，針對機械產(chǎn)品的設(shè)計與創(chuàng)新活動，設(shè)計人員應(yīng)該對原設(shè)計圖紙進(jìn)行具有創(chuàng)新性的思考，并且可以考慮采用新技術(shù)來制造機械產(chǎn)品。在進(jìn)行一個機械產(chǎn)品的變型設(shè)計工作時，設(shè)計人員應(yīng)該首先從工業(yè)設(shè)計的角度出發(fā)，使用三維建模技術(shù)對零部件參數(shù)進(jìn)行多次計算和調(diào)整，綜合考慮各種因素從而找到最佳的設(shè)計方案，然后從結(jié)構(gòu)分析的角度入手，設(shè)計人員應(yīng)該利用三維裝配技術(shù)進(jìn)行運動仿真找到機械產(chǎn)品仿真運動中的關(guān)鍵細(xì)節(jié)特點，對傳統(tǒng)機械設(shè)計中不足的地方做出針對性的改進(jìn)，最后還應(yīng)該考慮機械零部件的安裝與調(diào)配方法的改進(jìn)。此外，相關(guān)工作人員還應(yīng)該持續(xù)關(guān)注機械產(chǎn)品的變型設(shè)計理論研究成果，在基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)下，提高自己的機械設(shè)計制造技能水平。

5 機械產(chǎn)品三維變型設(shè)計的應(yīng)用

機械產(chǎn)品三維變型設(shè)計首先需要結(jié)合企業(yè)的具體情況，并根據(jù)消費市場上的多元化的需求，將相應(yīng)的基本機械產(chǎn)品原型作為研究對象，設(shè)計開發(fā)新的變型設(shè)計系統(tǒng)。開展具體的機械設(shè)計工作時，三維設(shè)計系統(tǒng)主要以產(chǎn)品的機械結(jié)構(gòu)模塊作為整個設(shè)計的基礎(chǔ)，然后根據(jù)設(shè)計需求對相應(yīng)模塊進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)行合理布局，從而形成一套完整的結(jié)構(gòu)參數(shù)控制表。接下來，在三維建模環(huán)境下，可以進(jìn)行設(shè)計驅(qū)動方案進(jìn)行運動仿真，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)計結(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)頁面，對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行重新修改和調(diào)整，以進(jìn)一步優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)語

與傳統(tǒng)的機械設(shè)計方法相比，三維變型設(shè)計大大提高了設(shè)計工作的效率和速度，滿足了企業(yè)的快速和個性化設(shè)計的需求。因此，推廣和應(yīng)用三維變型設(shè)計技術(shù)，可以確保企業(yè)在激烈的市場競爭中占據(jù)優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄧偉剛，面向?qū)ο蟮呐渲卯a(chǎn)品變型設(shè)計方法研究與實現(xiàn)[D].武漢理工大學(xué)，2010.

[2] 秦慧斌，呂明，王宗彥，吳淑芳.機械產(chǎn)品三維變型設(shè)計研究與應(yīng)用[J].中北大學(xué)學(xué)報，2010，31（5）：453-457.

[3] 朱龍根，機械系統(tǒng)設(shè)計[M].中國機械工業(yè)出版社，2001.5.

（作者單位：西華大學(xué)）