機械壓力機參數(shù)化設(shè)計的研究

葉新

（杭州師范錢江學院電氣信息系機械063班，浙江 杭州310000）

1 前言

參數(shù)化設(shè)計思想最早產(chǎn)生于美國，從七十年代末就開始了研究，起初屬于二維參數(shù)化設(shè)計范疇。如美國的I-DEAS采用動態(tài)導(dǎo)航(Dynamic Navigator)作圖，用以捕捉設(shè)計意圖，在用戶交互作圖過程中確立圖元之間的平行、垂直等約束關(guān)系。CV公司的DesignView參數(shù)化設(shè)計軟件采用先作圖和標注尺寸，然后用戶交互制定哪些尺寸值可以顯式修改，哪些尺寸值固定不變或隱式修改。在國內(nèi)，中科院北京軟件工程研制中心開發(fā)的PICAD，其作圖過程是首先勾畫草圖然后標注尺寸，由用戶輸入?yún)?shù)表，參數(shù)表的內(nèi)容可以是數(shù)值，也可以是表達式，每改變一次參數(shù)就出一幅新圖。由上海交大、南方CAD中心開發(fā)的智能化二維繪圖系統(tǒng)，作圖首先是作草圖，由系統(tǒng)自動產(chǎn)生草圖狀態(tài)的幾何變量。當設(shè)計師加完約束后，系統(tǒng)根據(jù)約束狀況產(chǎn)生聯(lián)立方程組，然后自動求解。變量化技術(shù)是參數(shù)化技術(shù)的進一步發(fā)展。變量化技術(shù)也是以幾何約束系統(tǒng)來表示幾何模型，并通過求解幾何約束系統(tǒng)的非線性方程組實現(xiàn)變量化模型的求解。在變量化圖形的幾何約束系統(tǒng)中，幾何約束方向沒有確定，在幾何約束求解時經(jīng)幾何推理得到。與變量化建模相比，參數(shù)化建模偏重于圖形生成的過程，記錄信息是順序生成的幾何元素之間的約束關(guān)系，這種記錄過程與幾何元素的生成次序有關(guān)。而變量化建模側(cè)重于幾何元素之間的約束關(guān)系，即設(shè)計者包含在圖形中的設(shè)計意圖，與設(shè)計的過程關(guān)系不大。變量化建模將各幾何元素之間的約束關(guān)系轉(zhuǎn)化為非線性約束方程組，通過聯(lián)立求解來重建圖形，因此變量化設(shè)計是允許欠約束的設(shè)計，允許用戶不必關(guān)心約束設(shè)置的順序，符合用戶的設(shè)計習慣。嚴格意義講，參數(shù)化設(shè)計是變量化設(shè)計的子集。

2 參數(shù)化設(shè)計技術(shù)概述

參數(shù)化方法的本質(zhì)即是基于約束的產(chǎn)品描述方法，這是由于產(chǎn)品的整個設(shè)計過程就是約束規(guī)定，約束變換求解以及約束評估的逐步求精過程。因此與傳統(tǒng)設(shè)計方法的最大區(qū)別在于，參數(shù)化設(shè)計方法通過基于約束的產(chǎn)品描述方法實際上存儲了產(chǎn)品的設(shè)計過程，因而它設(shè)計出一族而不是某個單一的產(chǎn)品。另外參數(shù)化設(shè)計能夠使工程設(shè)計人員在產(chǎn)品設(shè)計初期無需考慮具體細節(jié)而能夠盡快草擬零件形狀和輪廓草圖，并可以通過局部修改和變動某些約束參數(shù)而不必對產(chǎn)品設(shè)計的全過程進行重新設(shè)計。

約束是參數(shù)化設(shè)計的核心。參數(shù)化設(shè)計的過程，可以認為是一個約束指定、約束求解和約束滿足的過程。約束一詞在不同的領(lǐng)域中有不同的含義。在參數(shù)化領(lǐng)域里，約束可以解釋為特定元素之間必須滿足的一組關(guān)系。跟約束密切相關(guān)的還有兩個基本概念，一個是自由度，一個是約束的約束度。其可分為工程約束和幾何約束兩大類。

2.1 零件參數(shù)化設(shè)計

零件參數(shù)化設(shè)計主要有三種實現(xiàn)方法：

2.1.1 尺寸驅(qū)動法

它只考慮尺寸及拓撲約束，不考慮工程約束。它采用預(yù)定義的辦法建立圖形的幾何約束集，并指定一組尺寸作為參數(shù)與幾何約束集相聯(lián)系。因此，改變尺寸值就能改變圖形。

尺寸驅(qū)動的幾何模型由幾何元素，尺寸約束與拓撲約束三部分組成。此種方法，有兩個前提：(1)模型已經(jīng)存在;(2)模型尺寸己經(jīng)完全定義。

2.1.2 程序驅(qū)動

程序驅(qū)動，其實就是通過程序按照模型建模順序，驅(qū)動CAD軟件建模。它不僅考慮了尺寸約束及拓撲約束，還考慮了工程約束。

它對設(shè)計人員的編程能力要求較高，需要對CAD二次開發(fā)和編程語言掌握到一定程度。

與前者相比較，程序驅(qū)動對用戶CAD軟件使用能力較低，能提供友好的交互界面，三維建模不受參數(shù)輸入順序影響。但是它也有不足之處，在實現(xiàn)復(fù)雜零件參數(shù)化設(shè)計時，程序一般過于復(fù)雜，執(zhí)行速度明顯不如尺寸驅(qū)動，對軟硬件要求較高。因此，我們建議采用第三種方法二者的結(jié)合。

2.1.3 尺寸驅(qū)動與程序驅(qū)動結(jié)合

該方法綜合了前面兩種方法的優(yōu)點，能提供友好的人機交互界面，不受參數(shù)設(shè)置順序限制，響應(yīng)速度快，目前的主流微機配置都能滿足。因此，此種方法在CAD二次開發(fā)得到了廣泛的應(yīng)用。

2.2 部件參數(shù)化設(shè)計

部件級參數(shù)化設(shè)計有兩種典型的方法，即自底向上建模和自頂向下建模。

2.2.1 自底向上

該過程模仿實際機器的裝配，即把事先制造好的零件裝配成部件，再把零部件裝配成機器。自底向上設(shè)計過程也是這樣，先構(gòu)造好所有的零件模型，再把零件模型裝配成子部件，然后再裝配成機器，產(chǎn)生最終的裝配模型。

在自底向上的設(shè)計過程中，如果在裝配時發(fā)現(xiàn)某些零件不符合要求，諸如零件與零件之間產(chǎn)生干涉，某一零件根本無法進行安裝等，就要對零件進行重新設(shè)計，重新裝配，再發(fā)現(xiàn)問題，進行修改。從上述過程可以看出，自底向上設(shè)計的優(yōu)點是思路簡單，操作快捷、方便，容易被大多數(shù)設(shè)計人員所理解和接受。但自底向上設(shè)計的缺點在于事先缺少一個很好的規(guī)劃和全局的考慮，設(shè)計階段的重復(fù)工作較多，會造成時間和人力資源的浪費，工作效率較低。

2.2.2 自頂向下

自頂向下的設(shè)計過程是模仿實際產(chǎn)品的開發(fā)過程。首先進行功能分解，通過設(shè)計計算將總功能分解成一系列的子功能，確定每個子功能的參數(shù);其次進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)總的功能及各個子功能的要求，設(shè)計出總體結(jié)構(gòu)及確定各個子部件之間的位置關(guān)系，連接關(guān)系，配合關(guān)系，而各種關(guān)系及其參數(shù)通過幾何約束或功能的參數(shù)約束求解確定;然后分別對每個部件進行功能分解和結(jié)構(gòu)設(shè)計，直到分解至零件。當各零件設(shè)計完成時，由于裝配模型約束求解機制的作用，整個機器的設(shè)計也就基本完成。

自頂向下與自底向上兩種設(shè)計方法各有特點，分別適用于不同的場合。例如，在開展系列產(chǎn)品設(shè)計時，機器的零部件結(jié)構(gòu)相對穩(wěn)定，零件設(shè)計基礎(chǔ)較好，大部分的零件模型已經(jīng)具備，只需要補充部分設(shè)計或修改部分零件模型，這時，采用自底向上的設(shè)計方法就顯得更為方便。而在創(chuàng)新性設(shè)計中，事先對零件的結(jié)構(gòu)細節(jié)不能非常明了，設(shè)計時總是要從比較抽象籠統(tǒng)的裝配建模開始，邊設(shè)計邊細化，邊設(shè)計邊修改，逐步求精，這時就很難開展自底向上的設(shè)計，而必須采取自頂向下的設(shè)計方法。這樣就可以使部件的各組件可以相互參照，大部分的關(guān)聯(lián)關(guān)系都由系統(tǒng)自動添加。

圖1 曲柄壓力機參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)

3 機械壓力機參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)要求及體系結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)設(shè)計的目的是以JH21-100為設(shè)計對象，進行三維模型的參數(shù)化設(shè)計和主要零部件的優(yōu)化計算，提供一套開式曲柄壓力機設(shè)計計算程序及三維參數(shù)化設(shè)計軟件、主要零部件的優(yōu)化計算模型及方法。

結(jié)合機械壓力機的設(shè)計基本要求和特點，本系統(tǒng)功能設(shè)計如下：(1)產(chǎn)品三維模型的參數(shù)化。主要是根據(jù)主要性能參數(shù)(滑塊行程、行程次數(shù)等)的要求，對典型零部件(曲軸，滑塊，連桿，齒輪傳動，機身等)進行分析計算，提煉出主要設(shè)計參數(shù)和關(guān)聯(lián)參數(shù)，實現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計。(2)運用數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)對輸入/輸出參數(shù)進行管理。(3)主要零部件需要生成模型，以便加工生產(chǎn)。(4)要有良好的人機交互界面，方便用戶操作。(5)機身等主要零部件的優(yōu)化計算模型及方法。確定以減重為優(yōu)化目標，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，對機身等主要零部件主要尺寸進行優(yōu)化或?qū)Y(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化。

如圖1所示，系統(tǒng)由三大功能模塊組成：基于Solidworks的參數(shù)化設(shè)計模塊、基于有限元分析及優(yōu)化的零部件性能分析及優(yōu)化模塊、以計算程序為主的數(shù)據(jù)庫模塊。本文介紹的參數(shù)化系統(tǒng)是由Solidworks的參數(shù)化設(shè)計模塊和以計算程序為主的數(shù)據(jù)庫模塊組成。

參數(shù)化設(shè)計模塊的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)庫，參數(shù)化設(shè)計的結(jié)果作為零部件性能分析與優(yōu)化的輸入。參數(shù)化設(shè)計模塊和數(shù)據(jù)庫作為一整體打包在一起，兩者之間的數(shù)據(jù)傳遞在程序后臺進行；零部件的性能分析與優(yōu)化模塊為獨立模塊，與參數(shù)化設(shè)計模塊之間的數(shù)據(jù)傳遞，需用戶手動完成。

[1]鮑新強，高榮慧.鍛壓機典型零件的參數(shù)化設(shè)計[J].機械制造與自動化，2007.1：2123.

[2]何予鵬，趙祥雄.機械壓力機監(jiān)測與智能控制[J].計算機工程與應(yīng)用，2007, 43(30)：188-189.