張帥奇，徐萬紅

（沈陽工業(yè)大學 機械工程學院，沈陽110870）

0 引言

產(chǎn)品設(shè)計是一個復雜的過程，需要投入大量的人為活動[1]。產(chǎn)品設(shè)計過程是先進行需求分析、概念設(shè)計,再進行結(jié)構(gòu)設(shè)計、詳細設(shè)計,然后經(jīng)過不斷地試錯和改進,最終拿出讓客戶滿意的產(chǎn)品, 從原理上來說這是一個自頂向下（Top-Down）的過程[2]。這也是一個從抽象概念到具體產(chǎn)品不斷迭代的過程，因此能更好地應(yīng)對日益復雜的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)及產(chǎn)品頻繁的更新?lián)Q代需求，其中基于骨架模型的Top-Down方法應(yīng)用較為廣泛。

為了解決以往自頂向下骨架模型設(shè)計參數(shù)傳遞容易紊亂的問題，改進基于骨架模型的自頂向下設(shè)計方法，并以柴油機高壓油管實際設(shè)計建模過程提供直觀化參考，有效提高了設(shè)計及建模效率。

1 基于骨架模型的Top-Down設(shè)計方法

1.1 自頂向下的設(shè)計方法

該方法是一種從整體布局到各零部件設(shè)計的裝配設(shè)計方法[3]。該方法可以高效完成產(chǎn)品三維布局設(shè)計過程，能夠?qū)⒃O(shè)計參數(shù)從總裝配體傳遞給下屬各級零部件。零件之間也能進行數(shù)據(jù)傳遞，保證裝配結(jié)構(gòu)整體的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性[4]。

1.2 如何進行自頂向下設(shè)計

自頂向下的思維如何落地，如何服務(wù)于產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計呢？此處我們運用“自頂向下思維”來分析，介紹如何進行自頂向下設(shè)計：

1）弄清事物1的特性。收集事物的現(xiàn)實表象。對這些現(xiàn)實表象歸類，用一些特征詞匯進行概括。

2）將事物1分解成事物1.1、事物1.2、事物1.3等。按照上述得到特性，確定該特性的可能的元素部分，確定元素部分間的相互關(guān)系。

3）將事物1.1、事物1.2等運用上述方法進行分解。判斷分解后事物的抽象粒度是否能夠滿足當前需要，能則停止對這部分事物進一步分解；若不能，則將該事物列入下一層次的細化列表中。

4）重復上述步驟直到事物滿足我們需要的細致的抽象粒度。中止條件的判定：分解后的子結(jié)點都能基本滿足我們的抽象粒度要求。

1.3 將自頂向下思維應(yīng)用在實際設(shè)計中

從裝配體的規(guī)劃與設(shè)計的工作界面開始，首先按照產(chǎn)品的功能及需要進行概念層面的設(shè)計，在此過程中充分考慮部件與部件、部件與整體之間的約束和定位關(guān)系，在完成產(chǎn)品的整體規(guī)劃之后進行詳細部件設(shè)計。通常的辦法是通過先定義一個部件的幾何體特征來協(xié)助其他部件進行定義，并用詳細參數(shù)控制每一個部件的三維模型。通過改變骨架模型或主控件的參數(shù)可以實現(xiàn)機構(gòu)零件尺寸的關(guān)聯(lián)變化[5]。因而可以在后續(xù)設(shè)計過程中不斷修改這些參數(shù)來變更產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸及空間位置，直到完全滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。因此在裝配設(shè)計過程中選取并建立骨架模型，是實現(xiàn)自頂向下設(shè)計方法中參數(shù)信息傳遞的有效途徑。

2 骨架模型選取及建立過程

在產(chǎn)品的自頂向下設(shè)計中,骨架模型是基于特征和參數(shù)化的[6]。在產(chǎn)品實體建模設(shè)計中選取合理的骨架模型，可以根據(jù)產(chǎn)品功能和結(jié)構(gòu)將裝配體進行解構(gòu)和拆分。在骨架模型中將各零件或子裝配在空間中的位置及裝配約束關(guān)系通過坐標系、點、線、軸、平面等基準特征反映出來，使得骨架模型中相互關(guān)聯(lián)的設(shè)計信息能有效地傳遞至各子骨架模型或零件[7]。

在高壓油管三維模型布局設(shè)計過程中，除了考慮進油口、出油口的安裝位置，同時還要顧及高壓共軌、缸體、缸蓋、進氣管等其他零件間可能會產(chǎn)生的空間碰撞和干涉。因此首先要做的是分析各零部件尺寸和空間位置，確定各油管的空間布局和路徑走向，油管盡可能采用相互平行的方式布置，最后要考慮安裝用于固定油管安裝支架的凸臺位置空間。

這里選取高壓油管進出油口軸線及油管中段轉(zhuǎn)折處建立3個基準面，如圖1所示。根據(jù)這3個基準面的位置關(guān)系進行整個高壓油管布局設(shè)計。

圖1 基準面選取

3 油管實體建模流程

3.1 油管路徑建立

油管管路布設(shè)流程與一般的零件設(shè)計流程差別較大，布局設(shè)計的關(guān)鍵在于要考慮油管間距、長度、管夾位置，以及與其他剛性零件是否會產(chǎn)生干涉。需根據(jù)連接件關(guān)鍵點的位置生成油管路徑草圖，中間位置點可以利用草圖創(chuàng)建，進出油口位置關(guān)鍵點則需要從連接件中提取。

具體建模操作過程為：給定油管各彎曲處的最小彎曲半徑參數(shù)，然后生成初步油管路徑中心線；先建立每根油管的進出口路徑，按油泵和機蓋孔中心線進行建模，其長度不小于設(shè)計需求規(guī)定的最小直線段長度，如圖2所示。

圖2 油管進出口路徑

3.2 油管實體生成

根據(jù)高壓油管產(chǎn)品設(shè)計的實際需求，手動修改關(guān)鍵點及其他參數(shù)來調(diào)整路徑中心線的位置和形狀，最終根據(jù)路徑中心線三維草圖生成油管實體模型。

具體設(shè)計操作過程為：在裝配體模型上建立一個與其他部件間距都比較合理的基準面，即選定的基礎(chǔ)骨架模型；根據(jù)骨架模型向下新建油管零件1，按之前建立好的進出口路徑中心線，使用三維草圖功能進行引用；然后在基準面上畫出油管1的主要路徑；并在三維草圖中依次用圓角、直線，圓角功能把進出口和主要路徑連接起來，把整個路徑轉(zhuǎn)換至同一個三維草圖中；最后建立掃描輪廓的基準面，按起始口的路徑和點建立，畫出油管截面二維圖，用掃描特征建立出油管的實體模型，如圖3所示。

圖3 油管3D掃描

3.3 油管參數(shù)調(diào)整

最后在“工具—草圖繪制實體—曲面上的樣條曲線命令”功能中使用樣條曲線套合油管路徑，便于后續(xù)測量和調(diào)整高壓油管長度；再用上述建模步驟建立其他油管實體模型。全部油管路徑建模完成后要注意尺寸參數(shù)符合技術(shù)要求，不符合的地方手動微調(diào)。這里可以先測量最長的油管長度，然后把所有油管長度調(diào)整到一致，在油管建模時可以手繪確定大概路徑，使長度接近。測量長度時需要隱藏其他草圖，只顯示套合好的樣條曲線，否則會優(yōu)先測量其他草圖導致長度測量不準確，如圖4所示。

圖4 樣條曲線套合路徑

3.4 相連零件關(guān)聯(lián)

將以上建模步驟都完成后，分別為每條油管添加頭部特征（錐度、導角、螺紋等），并裝配好螺母等相關(guān)聯(lián)零件，再依據(jù)各油管空間位置在合適的位置建立安裝支架凸臺及膠墊、蓋板的模型，如圖5所示。

最后，做好相連零部件的尺寸關(guān)聯(lián)，使用“工具—方程式”功能定義全局變量，讓油管內(nèi)外徑都等于全局變量，即可做到油管尺寸變化時其他相連零件尺寸隨之變化，可實現(xiàn)零件設(shè)計的快速更新?lián)Q代。至此高壓油管的自頂向下布設(shè)建模完成。油管布設(shè)總成模型如圖6所示。

圖5 膠墊及蓋板建模

4 結(jié)語

圖6 油管布設(shè)總成

本文使用SolidWorks三維設(shè)計軟件，采用基于骨架模型的自頂向下設(shè)計方法，以圖文結(jié)合的方式詳細介紹了建立柴油機高壓油管布設(shè)骨架模型的建模過程，可以為其他設(shè)計人員在油管布設(shè)中提供一些參考。該方法較傳統(tǒng)的自底向上設(shè)計方法顯著提高設(shè)計效率，避免循環(huán)重建，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）采用自頂向下設(shè)計方法建模，使設(shè)計理念更好地向下傳遞，對設(shè)計過程指導更具意義；2）通過骨架模型建立，改善傳統(tǒng)油管布局設(shè)計方法容易造成三維空間干涉、設(shè)計混亂等問題；3）通過關(guān)聯(lián)零部件的設(shè)計參數(shù)，在裝配體建模完成后方便根據(jù)需求實現(xiàn)設(shè)計快速更改，為企業(yè)產(chǎn)品更新?lián)Q代提供便利。