利用關聯關系的標準件參數化設計方法

張學忱， 張啟暉， 范汝祥， 徐 杰

（1. 長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022；2. 長春理工大學0503211班，吉林 長春 130022）

利用關聯關系的標準件參數化設計方法

張學忱1， 張啟暉2， 范汝祥2， 徐 杰2

（1. 長春理工大學機電工程學院，吉林 長春 130022；2. 長春理工大學0503211班，吉林 長春 130022）

分析了產品幾何建模的參數化設計方法，提出了一種基于關聯關系的標準件參數化設計方法。闡述了參數化設計方法的原理，即采用關聯參數建立多個組件間的關聯，以實現標準件的參數化設計。利用CATIA平臺，給出了圓錐滾子軸承基于關聯關系的參數化設計過程，證明了該設計方法的可行性。

計算機應用；參數化設計；關聯關系；標準件

在現代機械設計領域里，參數化設計不僅已成為CAD領域中使用最廣泛的設計技術之一，而且它也成為了評價 CAD系統優劣的重要指標。目前參數化設計更加能體現出產品現代CAD中的概念設計以及并行設計思想。通過參數化設計不僅可以縮短產品的整個開發周期，并且可以進行形狀相似的系列化產品設計[1]。

標準件是機械工程中常用的零件之一，對標準件的組件間用關聯參數進行關聯，從而對標準件進行參數化設計，可以縮短標準件的整個開發周期。該文以圓錐滾子軸承為例，給出了基于關聯關系的產品參數化設計實現過程。

1 參數化設計方法

參數化設計是一種設計方法，它用圖形幾何約束來表達產品的幾何模型，將模型的一部分或幾部分尺寸約束做為參數與幾何約束相關聯，利用尺寸驅動的功能來改變產品的幾何模型。在參數化設計中，設計者只需將零件的關鍵尺寸定義為某個參數，通過參數的修改就可以實現對產品幾何模型的修改和優化。參數化設計極大改善了產品設計圖形的修改方法，提高了產品設計的柔性。在設計的各個階段，如概念設計，三維結構設計，工程繪圖，裝配設計，工程分析，結構仿真，優化設計等階段，參數化設計以全新的設計方法發揮著重要的作用[2]。

參數化設計的關鍵在于用參數、公式、特征等驅動產品的幾何模型，通過參數可以實現幾何模型的改變。在產品參數化建模時，先分析零件的造型特征并且提取出模型特征參數，接著就可以定義用戶參數和公式，進行參數化建模，最后對模型進行檢驗[3]。

該文運用的機械設計平臺是CATIA。CATIA是法國Dassualt systems 公司推出的微機版專業CAD/CAM/CAE智能化軟件系統。CATIA不僅提供了大量常用的產品參數化設計的特征，而且用戶還可以根據產品的特點和開發需求，建立起自己的參數化特征庫。CATIA 同時提供了完備的設計能力：從產品的概念設計到最終產品的形成，可以其精確可靠的解決方案提供完整的2D、3D、參數化混合建模及數據管理手段，從單個零件的設計到最終電子樣機的建立。在標準件的參數化設計中，正是利用 CATIA的強大功能模塊來實現建立產品的關聯參數化設計。

2 基于關聯關系的參數化設計

在產品的結構設計過程中，往往會出現因某一局部結構的變化而引起其它相關結構的變化。在如圖1所示的齒輪傳動軸系中，與齒輪連接軸段的直徑變化勢必引起該齒輪輪轂孔直徑的變化、軸承的內圈直徑變化勢必引起圓錐滾子軸承外圈直徑的變化。

在三維參數化設計過程中，將這種存在關聯關系的零件，按照其關聯的線性關系進行裝配設計的方法叫基于關聯關系的參數化設計方法。該設計方法在裝配環境中實現，并與“自底而上”、“自頂而下”兩種方法結合應用，完全地支持產品開發的三維設計。

基于關聯關系的參數化設計的關鍵在于提取產品相關聯的特征參數，建立全面有效的產品參數，通過定義體現產品的特征間的依附關系和約束關系，形成以關聯驅動為基礎的參數化約束模型。

在 CATIA環境下基于關聯關系的參數化設計過程為：

圖1 齒輪傳動軸系

2.1 提取關聯參數

在裝配環境下進行基于關聯關系的裝配造型時，裝配體模型中的參數大致有三類：

（1） 關聯參數 指在裝配環境中發布的參數。用這些參數可以構成某一裝配層次中零件之間的參數關聯。在確定這些參數時，往往需要根據裝配體的功能特征，提取出由此帶來的零件間結構的關聯變化特征。例如：選用圓錐滾子軸承時，外載荷不同，軸承的型號就不同，帶來的特征變化就是軸承內圈、外圈、滾子、保持架四個零件相應的尺寸參數的變化。這些相應的尺寸參數就構成圓錐滾子軸承的關聯參數。

（2） 外部參數 指構成裝配體的零部件在造型過程中，引用了裝配環境下發布的參數。由于彼此引用了這些參數，因而形成了零件間的參數關聯。

（3） 內部參數 指構成裝配體的零部件在造型過程中應用了與自身外部無關的參數，不具有關聯關系，僅僅與零部件自身的尺寸有關。

基于關聯關系的參數，反映了產品零部件之間有效的組合關系，包括了產品零件約束、零件間尺寸關聯、特征關聯等。因而，在操作過程中要正確地提取關聯參數。

2.2 定義關聯關系

根據零件在裝配體中的作用，對零件經過造型特征分析后，可以先定義所有影響功能作用的工程參數，形成以數學公式、函數關系形式表達的工程規則。然后通過規則編輯，產生關聯，進而實現基于關聯關系的參數驅動。

2.3 實現幾何造型

幾何造型可在定義關聯關系之前進行，造型后，再進行參數關聯；也可以邊幾何造型邊即時定義關聯參數。設計完成后，只要在特征樹下發布的關聯參數中修改變量值，即可實現包含所有零件的關聯尺寸和特征的修改，并且可以通過設計表優化產品。

由于構成裝配體的零件往往個數多，結構復雜，這樣就會給參數關聯帶來困難，為了更有效地實現產品的建模，要注意以下的問題：發布中的變量要適用、且數目不宜太多。在產品設計中選擇那些對產品結構形狀和裝配位置等起決定作用的尺寸定義為變量，且數目不可過多。定義變量后，產品的其他尺寸就可以由它和其他相關的參數之間的關系通過發布確定出來。這樣當修改一些變量時，系統立即自動根據與他們相關函數公式計算出相應的尺寸值并修改設計[4]。

3 實例操作

軸承是機械領域是使用得很廣泛的標準件，型號多，而且種類全，如果能建立一個參數化模型庫，在實際產品中根據要求從庫中調用合適的軸承，直接導入到產品的裝配中，必將大大的加快設計速度，降低設計成本。在本文中，將以圓錐滾子軸承為例說明CATIA V5 R17環境下的基于關聯關系的參數化造型方法的具體應用。

參照設計手冊選取圓錐滾子軸承的型號為33006，建立此軸承的三維實體參數模型庫。

3.1 建立參數

根據《機械設計手冊》的數據可在 CATIA的Product工作臺建立如下類型的關聯參數：Type（軸承牌號）；d（軸承內徑）；D（軸承外徑）；T；B；C；角度；圓錐滾子數目；保持架兩端伸出長度；保持架厚度；上端伸出長度；圓錐長度；圓錐折中距離；圓錐大端半徑（見圖2）。

圖2 建立圓錐滾子軸承的關聯參數

3.2 發布參數

在裝配體下建立的參數，貫穿于產品的整個參數化造型設計過程，因此要將參數發布于裝配Product。發布后如圖3所示。

圖3 發布參數

3.3 建立模型

接著就可以建立圓錐滾子軸承的模型了，在Product下建立各個主要的零部件，內圓環(Inner-ring);外 圓 環 (Outer-ring);保 持 架(Hold-frame)；滾子(Taper-roller)，其各主要的零部件的參數就引用關聯參數，這樣對于其零部件自身來說就是外部參數，并且同時建立起了零件與裝配體參數的連接，模型建立之后如圖4所示。

圖4 建立模型

3.4 生成設計表

設計表就是整個通過圓錐滾子軸承庫的索引，將《機械設計手冊》上的各種型號的數據輸入數據表中，通過選擇設計表中的某一種型號的圓錐滾子軸承，設計者就可以得到相應的圓錐滾子軸承的標準件。如圖5所示，圖5(a)為型號為330006的圓錐滾子軸承，圖5(b)為型號為330007的圓錐滾子軸承。由此例可以看出通過 CATIA平臺的Product下發布的參數可以統一控制裝配體下各個零件的尺寸和位置。

圖5 兩種型號的軸承模型

4 結 論

該文提出了基于關聯關系的標準件參數化設計方法。通過圓錐滾子軸承的實例給出了基于關聯關系的參數化設計方法的具體過程。在具體的三維設計平臺上實現了產品的參數化設計，證明了這一參數化設計方法是有效的。同時也說明在實際的工程應用中，這種成熟化的三維設計平臺及設計方法，必將給企業的產品設計帶來更廣闊的前景。

[1] 童秉樞, 李學志, 吳志軍, 等. 機械 CAD技術基礎(第 2版)[M]. 北京: 清華大學出版社, 2003. 256-267.

[2] 羅海玉. 參數化設計及其關鍵技術[J]. 甘肅科技縱橫, 2003, 12(5): 19-20.

[3] 張 冶, 陳志英. 基于裝配約束關系的零部件參數化設計[J]. 機械科學與技術, 2003, 12: 10-12.

[4] 陳靖芯, 徐 晶, 陸國民, 等. 基于 CATIA的三維參數化建模方法及其應用[J]. 機械設計, 2003, 20(8): 48-50.

Parametric Design for Standard Parts Based on Correlation Relations

ZHANG Xue-chen1, ZHANG Qi-hui2, FAN Ru-xiang2, XU Jie2
( 1. School of Electromechanical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun Jilin 130022, China; 2. Class 0503211, Changchun University of Science and Technology, Changchun Jilin 130022, China )

Parametric design methods of geometric modeling are investigated. A method of parametric design for standard parts based on correlation relations is proposed. In order to achieve parametric design of standard parts, correlation among components is built using association parameters. A parametric design process of tapered roller bearing is given based on CATIA, which verifies the feasibility of the method.

computer application; parametric design; correlation; standard parts

TP 391.72

A

：1003-0158(2010)01-0181-04

2009-01-15

張學忱（1963-），女，吉林長春人，副教授，碩士，主要研究方向為工程圖學，機械現代設計技術與方法，激光微加工技術。