李法孔，諶炎輝

（廣西科技大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣西 柳州 545616）

0 引言

變型設(shè)計(jì)是在功能結(jié)構(gòu)和基本工作原理都不變的前提下，更改產(chǎn)品的配置和參數(shù)以滿足新的設(shè)計(jì)要求。參數(shù)化設(shè)計(jì)也是一種變型設(shè)計(jì)，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)在長期發(fā)展過程中產(chǎn)生的課題。在進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)時(shí)，工程師只需設(shè)計(jì)出原型，以便于更好地研究設(shè)計(jì)對(duì)象的形狀及拓?fù)潢P(guān)系，同時(shí)在系統(tǒng)內(nèi)部建立各元素之間的關(guān)系，使結(jié)構(gòu)得以更新。

變型設(shè)計(jì)概念的提出顯著地提高了設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)效率和企業(yè)的生產(chǎn)效率。目前國內(nèi)外的變型設(shè)計(jì)研究主要分為4種。1）基于實(shí)例推理的變型設(shè)計(jì)研究。該類研究通過構(gòu)建實(shí)例庫，利用過去成功的經(jīng)驗(yàn)和實(shí)例在實(shí)例庫中檢索出相似的產(chǎn)品來進(jìn)行快速變型設(shè)計(jì)。例如，王國新等基于實(shí)例推理方法對(duì)槍械方案進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了槍械方案的變型設(shè)計(jì)；劉艷梅基于實(shí)例推理方法對(duì)毛衫進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了毛衫的快速設(shè)計(jì)。2）基于裝配模型的變型設(shè)計(jì)研究。裝配模型能夠很好地反映裝配體之間的關(guān)系和設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意圖，方便進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。該類研究主要是研究裝配體各零部件之間的裝配約束關(guān)系，實(shí)現(xiàn)裝配體的變型設(shè)計(jì)。例如齊從謙等基于產(chǎn)品裝配模型對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行變型設(shè)計(jì)研究，在裝配模型層次化的基礎(chǔ)上，提出將頂層基本骨架作為建模時(shí)傳遞信息紐帶的建模方法，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品裝配模型的變型設(shè)計(jì)。3）基于知識(shí)表示和規(guī)則設(shè)立的變型設(shè)計(jì)研究。該類研究主要是通過對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行知識(shí)表示和規(guī)則設(shè)計(jì)來進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。例如代浩等基于對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)件的知識(shí)表示和規(guī)則設(shè)立對(duì)飛機(jī)進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)的快速設(shè)計(jì)；張延安等基于對(duì)拖拉機(jī)變速箱的知識(shí)表示和規(guī)則設(shè)立，進(jìn)行拖拉機(jī)變速箱的變型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了拖拉機(jī)變速箱的快速設(shè)計(jì)。4）基于參數(shù)化的變型設(shè)計(jì)研究。該類研究主要是通過一定量的參數(shù)對(duì)零件尺寸進(jìn)行約束，確定零件形狀結(jié)構(gòu)，從而改變參數(shù)來驅(qū)動(dòng)零部件結(jié)構(gòu)變型。例如劉曉潔在對(duì)齒輪減速器進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了齒輪減速器的變型設(shè)計(jì)；張道明等基于對(duì)加熱爐的參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了加熱爐的非標(biāo)變型設(shè)計(jì)；汪永輝等在對(duì)白車身進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過改變關(guān)鍵控制點(diǎn)來驅(qū)動(dòng)整個(gè)模型的變更，從而實(shí)現(xiàn)白車身的變型設(shè)計(jì)。

現(xiàn)有研究對(duì)于多特征復(fù)雜結(jié)構(gòu)的變型研究較少，未能給出一套系統(tǒng)的汽車變速箱箱體的變型設(shè)計(jì)方法。因此，為了有效解決汽車變速箱箱體變型困難的問題，實(shí)現(xiàn)汽車變速箱箱體結(jié)構(gòu)的變型設(shè)計(jì)，本文結(jié)合特征模塊化思想分析了汽車變速箱箱體各特征模塊間的位置關(guān)聯(lián)關(guān)系和參數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)汽車變速箱箱體的變型設(shè)計(jì)，并給出了一套汽車變速箱箱體變型設(shè)計(jì)的具體思路和方法。

1 模型位置分析研究

1.1 基于特征模塊化的位置關(guān)聯(lián)分析方法

參數(shù)化模型的建立首先就是要分析模型上的各個(gè)特征的位置關(guān)系。由于汽車變速箱箱體是一個(gè)多特征的復(fù)雜零件，特征種類多而雜，不易進(jìn)行表達(dá)和展示，故結(jié)合特征模塊化思想，對(duì)不可拆卸的整個(gè)零部件模型進(jìn)行特征分解，并進(jìn)行歸類合并，實(shí)現(xiàn)模型特征模塊化劃分；通過特征模塊之間的位置拓?fù)潢P(guān)系的表達(dá)以及模塊內(nèi)部之間的位置拓?fù)潢P(guān)系，形象直觀地揭示模型內(nèi)部各個(gè)特征單元之間的拓?fù)湮恢藐P(guān)系。據(jù)此提出一種基于特征模塊化的位置關(guān)聯(lián)分析方法，主要由以下幾個(gè)步驟組成：

對(duì)模型進(jìn)行特征分解。將模型特征分成主特征單元、從動(dòng)特征單元，主動(dòng)特征單元是位置受主動(dòng)參數(shù)直接驅(qū)動(dòng)的特征，從動(dòng)特征單元是除主動(dòng)特征單元外的特征。

把主動(dòng)特征單元?jiǎng)澐殖芍魈卣髂K，把從動(dòng)特征單元按照功能和結(jié)構(gòu)合理劃分成不同的模塊，稱為從動(dòng)特征模塊子模塊。

通過分析每個(gè)不同的從動(dòng)特征子模塊與主動(dòng)特征模塊的幾何約束關(guān)系和尺寸約束關(guān)系，得出位置關(guān)聯(lián)關(guān)系，構(gòu)建模塊位置關(guān)聯(lián)圖。

1.2 方法實(shí)例演示

變速箱模型如圖1所示。

圖1 變速箱模型

由圖1可知，該模型含有眾多復(fù)雜特征。主動(dòng)參數(shù)主要是3根軸的軸心距以及模型外形輪廓的圓弧半徑，故對(duì)該模型進(jìn)行特征分解可得主動(dòng)特征單元為：3根軸的軸孔特征、軸孔處的凸臺(tái)型腔特征以及模型圓弧狀外形輪廓特征；從動(dòng)特征單元為除主特征外的其他特征。因此，主動(dòng)特征模塊就是3根軸的軸孔型腔模塊以及圓弧外形輪廓模塊，從動(dòng)特征單元可以劃分成螺栓孔模塊、側(cè)板模塊、加強(qiáng)筋模塊、油孔通孔模塊、螺紋孔盲孔模塊、槽孔模塊、軸承座模塊等，分析各模塊之間的幾何約束和尺寸約束，最后構(gòu)建出各個(gè)模塊的位置關(guān)聯(lián)圖。

主特征模塊位置關(guān)聯(lián)圖如圖2所示。三角形代表3根軸之間的軸心距，軸心圓分別代表各自的軸孔大小，模型圓弧外形輪廓用3條曲線來表示。

圖2 主特征模塊位置關(guān)聯(lián)圖

螺栓孔模塊與主特征模塊位置示意圖如圖3所示。螺栓孔模塊主要是由6個(gè)圓心在圓弧與直線的切點(diǎn)處的定位孔分別按照不同步距陣列構(gòu)成。

圖3 螺栓孔模塊位置關(guān)聯(lián)圖

側(cè)板模塊位置關(guān)聯(lián)圖如圖4所示。側(cè)板模塊主要由3個(gè)圓柱及其螺紋孔、側(cè)板組成，板的外形輪廓由與主特征模塊所形成的角度關(guān)系、共線關(guān)系、相切約束等關(guān)聯(lián)關(guān)系確定。

圖4 側(cè)板模塊位置關(guān)聯(lián)圖

加強(qiáng)筋模塊位置關(guān)聯(lián)圖如圖5所示。加強(qiáng)筋模塊由10種加強(qiáng)筋構(gòu)成：1加強(qiáng)筋是由與過點(diǎn)的切線成一角度的筋體陣列得來；2 加強(qiáng)筋是過點(diǎn)的切線；3 加強(qiáng)筋是的連接線；4 加強(qiáng)筋是的連接線；5加強(qiáng)筋是與側(cè)板模塊的連接筋體，靠側(cè)板模塊定位。

圖5 加強(qiáng)筋模塊位置關(guān)聯(lián)圖

2 模型參數(shù)分析研究

2.1 基于特征模塊化的變型參數(shù)分析方法

變型設(shè)計(jì)中的各個(gè)特征單元或者是零部件模型中所涉及的參數(shù)即為變型參數(shù)。變型參數(shù)可以劃分為以下4種：1）主動(dòng)參數(shù)，是模型最關(guān)鍵的尺寸參數(shù)，驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行變型；2）從動(dòng)參數(shù)，是模型的一般關(guān)鍵尺寸參數(shù)，與主動(dòng)參數(shù)關(guān)聯(lián)，隨著主動(dòng)參數(shù)的變化而變化；3）可變參數(shù)，是模型較為關(guān)鍵的參數(shù)，與主動(dòng)參數(shù)不產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，可以手動(dòng)改變；4）常量參數(shù)，是模型的一般關(guān)鍵參數(shù)，與主動(dòng)參數(shù)不產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，保持常量。對(duì)變型參數(shù)進(jìn)行分析，就是對(duì)變型參數(shù)相互之間的關(guān)聯(lián)影響進(jìn)行分析和對(duì)變型參數(shù)的范圍進(jìn)行分析約束，能夠清楚直觀地表現(xiàn)參數(shù)化變型過程，保證變型準(zhǔn)確性與可行性。

該方法步驟是：

對(duì)模型進(jìn)行特征模塊化劃分，再對(duì)模塊的模型參數(shù)進(jìn)行分析。這里的模型參數(shù)可以是描述模塊特征的形狀參數(shù)和位置參數(shù)，可以表達(dá)模型的變型情況，再對(duì)每一個(gè)變型參數(shù)進(jìn)行分類。

繪制模塊草圖，分析草圖之間的尺寸關(guān)聯(lián)約束關(guān)系，構(gòu)建參數(shù)化變型草圖。

選取主動(dòng)參數(shù)，對(duì)參數(shù)傳遞過程進(jìn)行研究分析，分析主動(dòng)參數(shù)對(duì)從動(dòng)參數(shù)的影響，構(gòu)建每個(gè)模塊的主動(dòng)、從動(dòng)變型參數(shù)傳遞網(wǎng)絡(luò)，此參數(shù)傳遞網(wǎng)能夠形象表達(dá)變型參數(shù)之間的傳遞情況和變型情況。

對(duì)變型參數(shù)進(jìn)行變型范圍分析，分析模塊與模塊之間的變型干涉情況以及可以確保模塊結(jié)構(gòu)和功能正常進(jìn)行的條件，確保特征與特征之間不發(fā)生干涉；約束變型參數(shù)的變型范圍，保證變型的準(zhǔn)確性；構(gòu)建變型參數(shù)明細(xì)表。

2.2 方法實(shí)例演示

對(duì)主特征模塊進(jìn)行實(shí)例演示。

1）主特征模塊草圖尺寸關(guān)聯(lián)分析。

對(duì)草圖尺寸關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行分析，推理出草圖函數(shù)化關(guān)系，利用ug 表達(dá)式功能實(shí)現(xiàn)草圖的參數(shù)化變型。參數(shù)化草圖如圖6 所示。

圖6 參數(shù)化草圖

由圖6 可知，骨架底座外形輪廓部分主要是3條線段與3個(gè)圓兩兩相切，相切點(diǎn)約束在直線線段和圓上，并且切點(diǎn)與圓心的連線與線段垂直。3個(gè)圓的圓心連接起來即是一個(gè)三角形，三角形3條線段的線長即是汽車變速箱的軸心距。要實(shí)現(xiàn)草圖的參數(shù)化變型，還得結(jié)合數(shù)學(xué)幾何知識(shí)進(jìn)行草圖的參數(shù)約束關(guān)系推理，將草圖的約束關(guān)系用函數(shù)表達(dá)式表達(dá)出來。

將3 個(gè)圓的圓心點(diǎn)分別用點(diǎn)、點(diǎn)、點(diǎn)來表示；半徑長度分別用、、來表示；圓心構(gòu)成的三角形3 條邊、、的長度分別用、、來表示；三角形3 個(gè)內(nèi)角大小分別用、、來表示；、、3 邊所對(duì)應(yīng)的切線線段長度分別用L、L、L來表示；以、、3 個(gè)點(diǎn)為圓心的3個(gè)圓弧所對(duì)應(yīng)角的大小分別用、、來表示；圓弧對(duì)應(yīng)弧線長用、、來表示；其他表示見圖6。長度單位均為mm，角度單位均為“°”。

由余弦定理：

同理，可得：

結(jié)合切線定理及其性質(zhì)可以得出3個(gè)圓弧所對(duì)應(yīng)的角度分別為：

三角形3邊、、所對(duì)應(yīng)的L、L、L切線段長為：

最后，利用ug 的表達(dá)式功能實(shí)現(xiàn)草圖模型的參數(shù)化變型，把函數(shù)關(guān)系導(dǎo)進(jìn)表達(dá)式功能。變型前和變型后的效果分別如圖7、圖8 所示。變型前：=122 mm，=85 mm，=181 mm；變型后：=120 mm，=200 mm，=160 mm。

圖7 變型前

圖8 變型后

2）構(gòu)建主動(dòng)從動(dòng)參數(shù)傳遞網(wǎng)

確定主動(dòng)參數(shù)，再根據(jù)各參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)聯(lián)關(guān)系和尺寸約束關(guān)系構(gòu)建出主動(dòng)從動(dòng)參數(shù)傳遞網(wǎng)。由圖6 可見，主特征模塊的結(jié)構(gòu)形狀主要由3 根軸的軸心距、、，各段圓弧半徑、、確定，因此，主動(dòng)參數(shù)可確定為、、、、、。當(dāng)主動(dòng)參數(shù)改變，其他主動(dòng)參數(shù)不變時(shí)，由式（8）可知會(huì)直接引起L的改變，由式（5）、式（6）可知會(huì)引起、的改變，由式（2）—式（4）可知會(huì)引起、、的改變，最終引起的改變。其他主動(dòng)參數(shù)分析同理。最終構(gòu)建出參數(shù)傳遞圖如圖9所示。

圖9 主特征模塊參數(shù)傳遞圖

由圖9可以看出各從動(dòng)參數(shù)隨著主動(dòng)參數(shù)的改變而更改的規(guī)律，并且參數(shù)傳遞沒有出現(xiàn)閉環(huán)，表明變型成功。

3）變型參數(shù)變型范圍分析，構(gòu)建變型參數(shù)明細(xì)表

為了3軸軸心處空心凸臺(tái)不相互發(fā)生干涉且不與圓形加強(qiáng)筋發(fā)生干涉，應(yīng)使得：

為了正確變型，3根軸的軸心距應(yīng)該滿足：

同理，可求得其他變型參數(shù)范圍約束：

變型參數(shù)明細(xì)表見表1。

表1 變型參數(shù)明細(xì)表

3 參數(shù)化變型建模方法研究

3.1 基于模型分析的參數(shù)化變型建模方法

基于上文對(duì)模型所做的基于特征模塊的關(guān)聯(lián)位置分析和基于特征模塊化的變型參數(shù)分析和研究，提出了一種基于模型分析的參數(shù)化變型建模方法。此方法可以快速實(shí)現(xiàn)模型的變型設(shè)計(jì)，并且模塊內(nèi)部和模塊與模塊之間可以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、多樣化、系列化配置。該方法具體步驟為：

運(yùn)用特征模塊化的位置關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)模型進(jìn)行特征模塊化劃分和模塊位置關(guān)聯(lián)定位分析。

運(yùn)用基于特征模塊化的參數(shù)變型分析方法對(duì)模型進(jìn)行變型參數(shù)分析，理清模型變型情況，繪制模塊模型草圖，尋找各變型參數(shù)之間尺寸關(guān)聯(lián)約束關(guān)系，結(jié)合ug 表達(dá)式功能，構(gòu)建模塊參數(shù)化變型草圖。

對(duì)每個(gè)模塊草圖進(jìn)行拉伸、求差、求和等操作，建立每個(gè)模塊的參數(shù)化變型模型。

依據(jù)模塊位置關(guān)聯(lián)圖對(duì)每個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)化關(guān)聯(lián)定位，實(shí)現(xiàn)整個(gè)模型變型設(shè)計(jì)。

方法步驟示意圖如圖10所示。

圖10 方法步驟示意圖

3.2 方法實(shí)例演示結(jié)果

變型前主動(dòng)參數(shù)尺寸為：=122 mm，=85 mm，=150 mm，=107 mm，=78 mm，=80 mm。

變型后主動(dòng)參數(shù)尺寸為：=120mm，=200mm，=160 mm，=100 mm，=80 mm，=88 mm。

變型前后效果見圖11。

圖11 變型前后效果圖

4 結(jié)論

通過結(jié)合特征模塊化思想對(duì)汽車變速箱的模型做了模塊位置關(guān)聯(lián)分析以及變型參數(shù)分析，系統(tǒng)地提出了汽車變速箱參數(shù)化變型方法，實(shí)現(xiàn)了變速箱的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)時(shí)間由幾天縮短成幾個(gè)小時(shí)，大大提高了汽車變速箱的設(shè)計(jì)效率，對(duì)企業(yè)降低生產(chǎn)成本有著重要意義。與已有研究相比，本項(xiàng)汽車變速箱變型研究能夠形象直觀地展現(xiàn)汽車變速箱的變型機(jī)理，為其他復(fù)雜零部件變型研究提供新思路和新方法，提高了汽車變速箱設(shè)計(jì)的直觀性和準(zhǔn)確性。不足之處在于，汽車變速箱特征單元模塊的劃分有一定主觀性。希望在今后的研究中能減少特征模塊化的主觀性，提高變型研究的客觀規(guī)律性。