董玉德 李久成 楊善來 陳明龍 王 男

1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，合肥，230009 2.安徽銅冠機(jī)械股份有限公司，銅陵，244000

0 引言

渣包（也稱渣罐）是冶金工廠工藝生產(chǎn)過程中用來盛放、裝運(yùn)高溫熔化狀態(tài)的鋼水渣、鐵水渣以及粗銅渣的容器。傳統(tǒng)鑄造冶金渣罐存在諸多鑄造缺陷，且受到“極冷極熱”交變的惡劣工況條件的影響，在高溫下易產(chǎn)生裂紋和變形失效等缺陷，導(dǎo)致渣包壽命短。為解決鑄造渣包使用壽命短的問題，國外學(xué)者對(duì)渣包產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。NEACSU等［1］對(duì)渣包產(chǎn)品進(jìn)行熱應(yīng)力分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)渣包的模型進(jìn)行優(yōu)化;ROJACZ等［2］采用不同顯微鏡的測(cè)量方法，對(duì)渣包橫截面進(jìn)行分析和硬度測(cè)量。國內(nèi)也研發(fā)出諸多改進(jìn)渣包結(jié)構(gòu)方法與措施［3?5］。但這些技術(shù)均未從根本上改變?cè)倔w的鑄造結(jié)構(gòu)，本文提出利用軋制鋼板焊接制造渣包（簡稱焊接式渣包）的思想。

目前，傳統(tǒng)焊接式渣包的設(shè)計(jì)過程中存在零部件重復(fù)設(shè)計(jì)、圖紙修改任務(wù)量大、工程圖屬性添加繁瑣、設(shè)計(jì)效率低等問題，這種設(shè)計(jì)方法無法在“質(zhì)量、時(shí)間、效益”［6］和“客戶滿意度”［7］方面滿足客戶對(duì)產(chǎn)品的要求，就焊接式渣包設(shè)計(jì)來說，急需一種新的設(shè)計(jì)方法。

本文針對(duì)現(xiàn)代化企業(yè)面對(duì)客戶多樣化、個(gè)性化問題，提出由客戶驅(qū)動(dòng)個(gè)性化定制的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，把客戶個(gè)性化定制思想移植到產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，建立了面向個(gè)性化定制的焊接式渣包參數(shù)化系統(tǒng)。

1 渣包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及熱力學(xué)分析

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)多級(jí)化、客戶需求多樣化環(huán)境下，大批量定制生產(chǎn)方式能快速、低成本地向客戶提供個(gè)性化產(chǎn)品，正在成為制造業(yè)的主流生產(chǎn)模式［8］。為了避免鑄造生產(chǎn)帶來的諸多問題，本文對(duì)渣包產(chǎn)品模型進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由底座總成、錐形筒體、吊耳、手柄以及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)總成組成。

圖1 渣包的主體結(jié)構(gòu)和全局變量參數(shù)Fig.1 Main structure of cinder ladle and global variable parameters

參數(shù)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)法可滿足客戶對(duì)渣包不同規(guī)格的個(gè)性化要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)渣包的快速產(chǎn)品設(shè)計(jì)。如何計(jì)算焊接式渣包容積是搭建參數(shù)化系統(tǒng)的重要組成部分。渣包形狀是不規(guī)則的，容積沒有現(xiàn)成的確定性計(jì)算公式，但可以把它的容積看成是由3塊圓弧板拼接而成的錐形筒體的體積以及近似半球體底座的體積，則渣包容積計(jì)算公式為

1.2 模塊劃分

基于模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)的產(chǎn)品配置［9］是一種快速設(shè)計(jì)方法，在大批量定制生產(chǎn)［10］環(huán)境下，根據(jù)客戶需求和產(chǎn)品配置模型，對(duì)模塊化產(chǎn)品零部件進(jìn)行組裝，快速生成個(gè)性化產(chǎn)品［11］，滿足客戶對(duì)產(chǎn)品的多樣化、個(gè)性化的需求。一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以被劃分成若干小部分或模塊單元，這樣可以有效降低系統(tǒng)整體復(fù)雜性。

產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)不是簡單地將零件分類，還要充分考慮產(chǎn)品所具有的強(qiáng)度、硬度、焊接性和模型結(jié)構(gòu)特性等要求，合理劃分模塊是模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)與關(guān)鍵［12］，模塊化設(shè)計(jì)不僅能縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，還能有效保障產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量［13］。

產(chǎn)品的功能相關(guān)性、結(jié)構(gòu)相關(guān)性分析為其模塊劃分提供最有力支撐。功能相關(guān)性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間是否能完成父功能，而結(jié)構(gòu)相關(guān)性的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則是由連接類型和配合的接觸類型來衡量的。如圖2所示，按照客戶需求，依據(jù)渣包的功能相關(guān)性和結(jié)構(gòu)相關(guān)性將其劃分為底座、支撐柱、錐形筒體、吊耳、筋板、手柄、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)七大模塊。以箱型結(jié)構(gòu)手柄座為例來說明，手柄座是由底箱板、上下左右4塊箱板與封箱板一同焊接而成的。為降低參數(shù)化過程中變型參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)復(fù)雜性，將底座和支撐柱合并成底座模塊，同時(shí)將筋板部件打散，按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分別劃分到相對(duì)應(yīng)模塊中，將其劃分為底座模塊、手柄模塊、錐形筒體模塊、吊耳模塊以及翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)模塊。每個(gè)模塊都具有獨(dú)立功能，模塊之間都存在千絲萬縷的關(guān)系。底座模塊和錐形筒體模塊具有相同的對(duì)稱軸，用一個(gè)圓加強(qiáng)筋通過焊接固定在一起。手柄模塊、吊耳模塊、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及各種加強(qiáng)筋一同焊接在渣包本體上，手柄模塊與渣包車相配合，實(shí)現(xiàn)渣包運(yùn)送；手柄模塊、吊耳模塊及翻轉(zhuǎn)模塊相互配合，構(gòu)成懸掛式翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)渣包倒渣功能；各大模塊相互配合來實(shí)現(xiàn)渣包盛放、倒渣等一系列功能。

圖2 焊接渣包功能模塊合理化Fig.2 Rational function module of welded cinder ladle

1.3 熱力學(xué)分析

利用SolidWorks軟件自帶插件SolidWorks Simulation，在交變狀況下對(duì)渣包實(shí)體模型進(jìn)行熱力學(xué)分析。

渣包主要承受各種廢棄渣對(duì)渣包內(nèi)面施加的流體靜壓力以及自身的重力，對(duì)材料為Q345R、厚度為80 mm的渣包進(jìn)行位移、應(yīng)變、應(yīng)力變形模擬分析，找出渣包在工作過程中整體受力與渣包結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。如圖3所示，通過分析結(jié)果可以看出，吊耳和2個(gè)吊耳支撐板之間出現(xiàn)應(yīng)力集中，手柄軸與手柄座同樣出現(xiàn)應(yīng)力集中。手柄軸為空心軸，在2個(gè)相互配合零部件的接觸面可以采用圓弧焊接方式，這樣可以有效避免應(yīng)力集中。筋板與渣包外壁交接處拉應(yīng)力較大，盡量增大筋板寬度、減小其厚度，從而優(yōu)化渣包結(jié)構(gòu)。

圖3渣包力學(xué)分析圖Fig.3 Mechanical analysis of cinder ladle

渣包常處于“極冷極熱”交變工況下，溫度最高可達(dá)1 500℃，因此，也要考慮溫度對(duì)渣包的影響。在工作溫度設(shè)置為1 500℃交變工況下，利用有限元分析軟件對(duì)改進(jìn)后渣包在本體材料不同、壁厚不同情況進(jìn)行分析比較。由圖4所示分析結(jié)果可知，渣包的變形、裂紋與渣包本體材料、工況下受熱溫度以及結(jié)構(gòu)厚度有關(guān)。工況溫度和結(jié)構(gòu)厚度一定時(shí)，渣包本體材料直接影響渣包變形以及使用壽命，材料性能越好，抗形變能力越強(qiáng)；同樣，在選取同種渣包材料的情況下，其模型壁越厚，抗形變能力越強(qiáng)。

圖4 渣包熱應(yīng)變分析圖Fig.4 Thermal strain analysis of cinder ladle

在3種不同情況下對(duì)改進(jìn)后的渣包進(jìn)行熱力學(xué)分析，以12 m3渣包為例，材料為Q345R、厚度為80 mm渣包的屈服強(qiáng)度達(dá)到345 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到620 MPa，最大形變位移為0.528 5 mm，是實(shí)際結(jié)構(gòu)厚度的0.6%，可見焊接式渣包的強(qiáng)度、硬度滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

2 焊接渣包個(gè)性化定制的實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)的設(shè)計(jì)與選取在產(chǎn)品系統(tǒng)開發(fā)和使用的整個(gè)生命周期中至關(guān)重要，系統(tǒng)各個(gè)功能模塊的實(shí)現(xiàn)是系統(tǒng)整體架構(gòu)的基礎(chǔ)，模塊之間的有機(jī)統(tǒng)一是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整體性的有力保障。構(gòu)建焊接渣包參數(shù)化系統(tǒng)利用相關(guān)產(chǎn)品知識(shí)體系建立SolidWorks、Access及Visual C++之間的關(guān)系，通過Visual C++設(shè)計(jì)出產(chǎn)品操作系統(tǒng)并無縫隙嵌入SolidWorks軟件平臺(tái)，該系統(tǒng)總體架構(gòu)是由用戶層、開發(fā)層、數(shù)據(jù)層組成的，通過彼此之間建立邏輯關(guān)系實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)。以提高企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率和保證質(zhì)量為目的，為用戶搭建簡單、快捷的人機(jī)交互平臺(tái)，總體架構(gòu)如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.5 Overall architecture of system

數(shù)據(jù)層為整體系統(tǒng)正常運(yùn)行提供數(shù)據(jù)管理技術(shù)支撐，主要包括產(chǎn)品模板庫、零部件庫、文檔庫以及產(chǎn)品圖庫，主要儲(chǔ)存產(chǎn)品模板、零部件模型、裝配體模型、產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程文檔資源、產(chǎn)品事物特性表以及產(chǎn)品各種零部件圖庫等信息。企業(yè)可以利用現(xiàn)有資源不斷完善產(chǎn)品的數(shù)據(jù)庫［14］。

開發(fā)層是整個(gè)系統(tǒng)的技術(shù)核心，主要包括SolidWorks軟件系統(tǒng)、Visual C++系統(tǒng)、Access數(shù)據(jù)庫、產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)，前三者相互聯(lián)系，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)提供技術(shù)支撐。

用戶層是用戶與系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能操作的主要窗口。系統(tǒng)通過用戶層將產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息提供給客戶，客戶通過相應(yīng)操作將信息傳遞給開發(fā)層，開發(fā)層中的系統(tǒng)再將產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)果反饋給客戶，最終完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程［15］。

2.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)思路

產(chǎn)品在開發(fā)設(shè)計(jì)階段要建立完備的參數(shù)化模板產(chǎn)品和零部件模型，對(duì)客戶產(chǎn)品需求進(jìn)行分析。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)客戶需求檢索現(xiàn)有系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫信息是否有適應(yīng)需求配置的產(chǎn)品模板［16］，若有，則在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上進(jìn)行變型設(shè)計(jì)來滿足具體產(chǎn)品要求；若無，則利用CAD軟件建立產(chǎn)品的3D模型，再將模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化，建立產(chǎn)品模板。進(jìn)入產(chǎn)品設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)話框，先將模板產(chǎn)品存放到指定庫文件下，根據(jù)用戶所需模型參數(shù)，賦予產(chǎn)品相應(yīng)主動(dòng)尺寸參數(shù)，點(diǎn)擊生成3D模型；應(yīng)用幾何相似原理實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品模型驅(qū)動(dòng)，生成新產(chǎn)品模型，再對(duì)新產(chǎn)品模型零部件進(jìn)行快速添加屬性，并輸出工程圖，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 The flow diagram of system design

2.3 面向個(gè)性化產(chǎn)品參數(shù)化

產(chǎn)品參數(shù)化是對(duì)同一產(chǎn)品，在同一基本結(jié)構(gòu)或基本條件下按照一定規(guī)律形成一系列不同規(guī)格的產(chǎn)品模型。參數(shù)化設(shè)計(jì)是以產(chǎn)品模板或代表品種為基礎(chǔ)（不會(huì)對(duì)原設(shè)計(jì)的基本原理和基本結(jié)構(gòu)特征造成破壞），按照幾何相似學(xué)原理，遵循相似本質(zhì)計(jì)算出該系列其他規(guī)格產(chǎn)品尺寸、體積、功率、性能等各種參數(shù)，從而演變成多種多元化產(chǎn)品來滿足客戶個(gè)性化需求。工程實(shí)例驗(yàn)證表明，提出的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法具有提高產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率、實(shí)現(xiàn)簡單、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)那些形狀相似且不同規(guī)格產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要意義。

2.4 參數(shù)分析及尺寸參數(shù)傳遞

參數(shù)分析是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制焊接式渣包的前提，主要包括產(chǎn)品整體參數(shù)分析、零部件參數(shù)分析，其目的是分析出能影響產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)變化的尺寸參數(shù)，即主動(dòng)尺寸參數(shù)和被動(dòng)尺寸參數(shù)。

主動(dòng)尺寸參數(shù)是直接驅(qū)動(dòng)模型變型的幾何參數(shù)，它們控制模型結(jié)構(gòu)形狀特性，相互獨(dú)立、互不影響。在產(chǎn)品裝配體模型中，將具有獨(dú)立特性的尺寸參數(shù)定為全局主動(dòng)尺寸參數(shù)變量，簡稱全局變量。

被動(dòng)尺寸參數(shù)受主動(dòng)尺寸參數(shù)約束，不能直接控制模型結(jié)構(gòu)特性，但可通過與主動(dòng)尺寸參數(shù)建立某種關(guān)聯(lián)，間接來控制某些零部件模型結(jié)構(gòu)變化。

不變尺寸參數(shù)是不隨主動(dòng)尺寸參數(shù)改變而改變，模型變型時(shí)不會(huì)發(fā)生變化的尺寸參數(shù)。

（1）產(chǎn)品整體參數(shù)分析。分析出能影響產(chǎn)品整體功能、結(jié)構(gòu)變化的尺寸參數(shù)，即找出產(chǎn)品的全局變量參數(shù)。以焊接式渣包產(chǎn)品為例，產(chǎn)品每個(gè)模塊直接或間接焊接在錐形筒體的圓弧板上，圓弧板模型變化不但會(huì)影響錐形筒體模塊的結(jié)構(gòu)，還會(huì)影響渣包產(chǎn)品整體使用功能、結(jié)構(gòu)變化。因此，選取圓弧板為產(chǎn)品核心零件，將能影響圓弧板變形的重要尺寸參數(shù)設(shè)定為產(chǎn)品的全局變量，即圓弧板兩端半徑X、Z以及圓弧板高度Y。

（2）零部件參數(shù)分析。采用模塊化設(shè)計(jì)思想，劃分具體模塊，如圖2所示。每個(gè)模塊為一個(gè)部件，部件由2個(gè)或2個(gè)以上的零件組成。分析每個(gè)模塊的功能與結(jié)構(gòu)特性，找出影響每個(gè)部件變型的主動(dòng)尺寸參數(shù)（即部件全局變量），其他被動(dòng)尺寸參數(shù)通過與部件全局變量建立某種關(guān)聯(lián)來實(shí)現(xiàn)零部件結(jié)構(gòu)的變型驅(qū)動(dòng)。

（3）尺寸參數(shù)的傳遞。將產(chǎn)品整體尺寸參數(shù)與零部件尺寸參數(shù)建立關(guān)聯(lián)。產(chǎn)品整體通過系統(tǒng)將全局變量參數(shù)傳遞給1級(jí)部件，再逐級(jí)傳遞給零件，將零部件結(jié)構(gòu)形狀變化逐級(jí)向上反饋給產(chǎn)品，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)。這樣只需要改變?nèi)肿兞砍叽鐓?shù)，就會(huì)快速實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格的產(chǎn)品模型。

2.5 參數(shù)化的產(chǎn)品變型技術(shù)

產(chǎn)品參數(shù)化變型設(shè)計(jì)［17］是通過零件的參數(shù)化變型來實(shí)現(xiàn)的，變型參數(shù)的分析是參數(shù)化變型設(shè)計(jì)的前提。通過參數(shù)分析找出產(chǎn)品整體全局主動(dòng)參數(shù)、零部件主動(dòng)參數(shù)，建立尺寸參數(shù)關(guān)聯(lián)。對(duì)產(chǎn)品變型的全局變量進(jìn)行修改，將參數(shù)傳遞到每個(gè)零部件上，通過尺寸變型參數(shù)驅(qū)動(dòng)底層零件的參數(shù)化變型，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)。

參數(shù)化變型設(shè)計(jì)基于SolidWorks軟件平臺(tái)，融合了參數(shù)分析與尺寸變型設(shè)計(jì)的思想，綜合了基于裝配體的參數(shù)化設(shè)計(jì)和基于零件式的參數(shù)化設(shè)計(jì)［18］（這兩種設(shè)計(jì)方式相互獨(dú)立、互不干擾）?；谘b配體的方式主要針對(duì)產(chǎn)品整體零部件之間裝配關(guān)系較強(qiáng)的部分，基于零件式設(shè)計(jì)方法主要針對(duì)零部件之間裝配關(guān)系較弱的部分，即建立零件庫。利用Ac?cess數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)每個(gè)特定零件，建立屬于每個(gè)零件特性參數(shù)表，利用后臺(tái)程序搭建簡單、方便、快捷的產(chǎn)品個(gè)性化定制人機(jī)交互參數(shù)化系統(tǒng)。

如圖7所示，若客戶需要12 m3渣包產(chǎn)品，可直接在個(gè)性化系統(tǒng)指定位置輸入數(shù)值12，通過后臺(tái)程序調(diào)用式（1），將相應(yīng)尺寸參數(shù)傳遞到能影響產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸的主動(dòng)參數(shù)X、Y、Z，利用參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系逐級(jí)傳遞到每個(gè)零件，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)；還可通過修改產(chǎn)品總體特征參數(shù)表中數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)參數(shù)化變型設(shè)計(jì)。

圖7 參數(shù)化設(shè)計(jì)流程圖Fig.7 The flow diagram of parametric design

用戶獲取變型模型后對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行干涉檢查，通過有限元分析來驗(yàn)證產(chǎn)品是否符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如果有限元分析結(jié)果不理想，那么產(chǎn)品模型一定會(huì)存在應(yīng)力集中。通過分析結(jié)構(gòu)找出應(yīng)力集中處，系統(tǒng)會(huì)對(duì)應(yīng)力集中的零部件高亮顯示，通過修改高亮零部件主動(dòng)尺寸參數(shù)，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，有效降低產(chǎn)品應(yīng)力集中。利用3D模型與2D工程圖的相關(guān)性對(duì)產(chǎn)品零部件3D模型進(jìn)行修改，直接反映到工程圖中。該系統(tǒng)還具有圖紙格式轉(zhuǎn)換功能、零部件屬性快速添加功能，不僅能有效解決企業(yè)關(guān)于圖紙打印的問題，還可以解決重復(fù)修改零部件屬性問題，有效減少設(shè)計(jì)人員的重復(fù)性工作，大大提高設(shè)計(jì)效率。

2.6 尺寸參數(shù)關(guān)系設(shè)置

尺寸參數(shù)關(guān)系正確的設(shè)置是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品參數(shù)化系列化的關(guān)鍵。根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，先設(shè)置產(chǎn)品裝配體的主動(dòng)尺寸，如選定錐形筒體的大面半徑X、高度Y、小面半徑Z，利用主動(dòng)尺寸與被動(dòng)尺寸之間的關(guān)系，傳遞給各個(gè)模塊，再通過每個(gè)模塊傳到每個(gè)零件。在模塊內(nèi)部，設(shè)置主動(dòng)尺寸數(shù)目 k，k=1，2，3；在零件內(nèi)部，主動(dòng)尺寸數(shù)目為k1，1≤k1≤k。零件設(shè)置的主動(dòng)尺寸在模塊中轉(zhuǎn)化成相對(duì)應(yīng)被動(dòng)尺寸，而模塊設(shè)置的主動(dòng)尺寸在產(chǎn)品裝配體中轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的被動(dòng)尺寸。

如圖8所示，部件Assembly_01由零件Part_01和Part_02組合而成，設(shè)置部件Assembly_01的主動(dòng)尺寸參數(shù)X_01、X_02、…，部件主動(dòng)尺寸參數(shù)通過X_11=X_01，X_21=X_01等公式傳遞給零件 Part_01和 Part_02，零件 Part_01、Part_02分別將尺寸參數(shù)X_11、X_12和X_21、X_22傳遞給零件內(nèi)部的Y_11、Z_21等被動(dòng)尺寸參數(shù)。在零件內(nèi)部，X_11、X_21為主動(dòng)尺寸參數(shù)，Y_11、Z_11為被動(dòng)尺寸參數(shù)；在部件內(nèi)部，X_11、X_21為被動(dòng)尺寸參數(shù)，X_01、X_02為主動(dòng)參數(shù)；在產(chǎn)品內(nèi)部，X_01、X_02為被動(dòng)參數(shù)，X、Y、Z為主動(dòng)尺寸參數(shù)。在參數(shù)傳遞過程中，產(chǎn)品層參數(shù)向下傳遞到部件層，部件層參數(shù)向下傳遞到零件層，零件層參數(shù)通過尺寸變化引發(fā)形狀變化逐級(jí)向上反映到產(chǎn)品層，使其按照某種特定規(guī)律變化而形成一系列不同規(guī)格的產(chǎn)品模型。

圖8 零部件尺寸參數(shù)傳遞方式Fig.8 Way of parts size parameter transfer

2.7 屬性添加

產(chǎn)品零部件屬性的添加一直是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，零部件屬性可分為共有屬性與特有屬性。傳統(tǒng)零部件屬性添加和修改主要在AutoCAD圖紙上操作，設(shè)計(jì)人員對(duì)零部件特有屬性的添加只能每個(gè)零部件一對(duì)一地添加，這樣不僅耗時(shí)費(fèi)力而且容易出錯(cuò)。為了解決以上問題，提出一種基于SolidWorks格式、利用數(shù)組和嵌套循環(huán)語句對(duì)裝配體零部件三維模型進(jìn)行屬性添加的方法。參數(shù)化系統(tǒng)的屬性添加模塊共有3個(gè)功能：零部件檢索、屬性添加和數(shù)據(jù)庫管理，如圖9所示。

圖9 屬性添加模塊Fig.9 The module of attribute addition

文件檢索。檢索當(dāng)前打開文件的一級(jí)子件，若當(dāng)前文件為零件，則檢索結(jié)果為空。根據(jù)當(dāng)前渣包的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，本文設(shè)定一套產(chǎn)品的零部件級(jí)別最多為六級(jí)，最高一級(jí)為產(chǎn)品裝配體，最低一級(jí)為各個(gè)零件。設(shè)5個(gè)動(dòng)態(tài)的字符串?dāng)?shù)組a［n］、b［n］、c［n］、d［n］、e［n］。將二級(jí)子件的名稱傳遞給a［n］，三級(jí)子件的名稱傳遞給b［n］，…，直到檢索到零件，完成數(shù)據(jù)傳遞。

文件屬性添加。產(chǎn)品零部件檢索完畢之后，本系統(tǒng)由低到高依次讀取字符串?dāng)?shù)組信息，設(shè)計(jì)人員可以在零部件三維模型和工程圖紙兩種操作環(huán)境下添加屬性。在進(jìn)行屬性添加時(shí)，首先確定其文件類型是裝配體類型還是零件類型，然后根據(jù)結(jié)果分別對(duì)裝配體或零件進(jìn)行屬性添加。

數(shù)據(jù)庫管理。屬性庫存儲(chǔ)產(chǎn)品的屬性值，在設(shè)計(jì)人員需要時(shí)直接從庫中獲取即可，本系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫Access 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理。

零部件共有屬性的添加。以一個(gè)三級(jí)裝配體為例來說明，其中，二級(jí)組件為部件，三級(jí)組件為零件。首先，在產(chǎn)品總裝界面下檢索獲得二級(jí)部件的名稱并傳遞給數(shù)組a［n］，打開a［0］所代表的部件，再次檢索并獲得a［0］部件所有的零件，將零件名稱依次賦值給b［n］，然后依次打開b［n］所代表的零件并添加屬性，當(dāng)b［n］所代表的零件添加完畢之后，清空數(shù)組b［n］并關(guān)閉a［0］部件，然后打開a［1］部件，并重新檢索，添加屬性。通過上面的步驟，利用幾個(gè)嵌套的循環(huán)語句即可完成屬性的快速添加。

零件特有屬性的添加。每一個(gè)零件所需添加的零件名稱、材料、零件數(shù)量等屬性各不相同，對(duì)于這種情況，設(shè)置一個(gè)int型數(shù)組X［15］={}（默認(rèn)值0）去控制每一個(gè)屬性添加與否，假設(shè)一個(gè)零件的屬性“名稱”的狀態(tài)被變量X［1］控制，當(dāng)勾選屬性后面勾選框時(shí)，變量X［1］=1，否則X［1］=0。用戶可以通過這種勾選式方法快速添加零件特有屬性，這樣不僅有效縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，而且能精準(zhǔn)、快速完成零件屬性的添加。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與實(shí)例分析

3.1 系統(tǒng)個(gè)性化定制

本系統(tǒng)以SolidWorks 2012軟件為開發(fā)環(huán)境，使用數(shù)據(jù)庫為Access 2003，以C++為開發(fā)語言，通過SolidWorks提供的API函數(shù)，采用VC++6.0軟件開發(fā)工具實(shí)現(xiàn)焊接渣包參數(shù)化系統(tǒng)，將做好的系統(tǒng)插件內(nèi)嵌在SolidWorks軟件工具欄命令圖標(biāo)。該系統(tǒng)主要針對(duì)同一產(chǎn)品，在同一結(jié)構(gòu)的基本條件下，通過修改模型的某一部分或某幾個(gè)部分的尺寸，自動(dòng)完成產(chǎn)品模型中相關(guān)部分的改動(dòng)，通過模型驅(qū)動(dòng)生成產(chǎn)品三維CAD模型。通過焊接式渣包系統(tǒng)個(gè)性化定制，使用戶更加快速地理解系統(tǒng)整體構(gòu)架，加快了設(shè)計(jì)速度，提高了設(shè)計(jì)效率。

3.2 實(shí)例分析

如圖10所示，以焊接式渣包系統(tǒng)應(yīng)用為例，首先根據(jù)渣包規(guī)格和初始參數(shù)，計(jì)算每個(gè)特征的參數(shù)，然后通過個(gè)性化定制系統(tǒng)，將影響產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)主動(dòng)參數(shù)逐級(jí)到每個(gè)零件，每個(gè)零件通過形狀變化映射到相應(yīng)部件，最后將底座總成系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、吊耳機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、手柄系統(tǒng)以及錐形筒體系統(tǒng)自動(dòng)裝配，完成整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后利用個(gè)性化系統(tǒng)快速添加零部件屬性以及實(shí)現(xiàn)圖紙格式的轉(zhuǎn)化。最后通過利用該系統(tǒng)對(duì)參數(shù)計(jì)算、產(chǎn)品建模設(shè)計(jì)、繪制圖紙和屬性添加進(jìn)行設(shè)計(jì)并與人工設(shè)計(jì)參數(shù)、SolidWorks建模、CAD繪圖圖紙等所需時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析。表1所示的測(cè)試結(jié)果表明，該焊接式渣包個(gè)性化系統(tǒng)使渣包產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率得到有效提升。

圖10 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例Fig.10 Example of the system application

表1 設(shè)計(jì)時(shí)間Tab.1 Time of design h

4 結(jié)論

（1）本文以焊接式渣包為研究對(duì)象，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將渣包產(chǎn)品按照結(jié)構(gòu)性、功能型進(jìn)行模塊劃分，有效降低了產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，提高了產(chǎn)品尺寸參數(shù)傳遞的效率。

（2）為了保證產(chǎn)品性能與功能，本文對(duì)焊接式渣包進(jìn)行熱力學(xué)分析，通過分析結(jié)果可以看出，焊接式渣包的強(qiáng)度符合實(shí)際生產(chǎn)要求。

（3）利用循環(huán)語句與判斷語句快速、可選擇性地添加產(chǎn)品所需屬性，并為用戶便捷打印圖紙?zhí)峁┕こ虉D轉(zhuǎn)換功能。

（4）提出一種由客戶驅(qū)動(dòng)的焊接式渣包參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，該方法從根本上避免了傳統(tǒng)鑄造渣包結(jié)構(gòu)帶來一些問題，同時(shí)滿足市場(chǎng)多元化和客戶多樣化、個(gè)性化需求。測(cè)試結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用表明，該方法具有很好的實(shí)用性、高效性。

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