基于參數化技術的裝配件變型設計方法

鄧小林，韋衡冰

（梧州學院 計算機與電子信息工程系，梧州 543002）

0 引言

隨著市場競爭的日益激烈，如何在最短時間內，以最好的質量、最低的成本，生產出滿足用戶個性化需求的產品，已成為企業生存、發展的關鍵。變型設計很好地順應了這種市場競爭的需要，它的基本原理是指根據客戶需求和概念設計，確定定制產品設計參數信息，通過修改產品變型設計主模型的參數值和尺寸關系，生成相似的產品或零部件。產品變型設計方法能夠快速設計產品原型，降低產品設計成本，從而以大批量生產的效率和成本生產出個性化的產品[1]。

目前關于變型設計的研究很多，如：魯玉軍[2]等人提出的基于事物特性表的產品變型設計研究、吳偉偉[3]等人提出的基于參數化的機械產品尺寸變型設計研究與實現、楊青[5]等人提出的基于Pro/Engineer的三維零件模型的參數化設計、李世國[6]等人提出的基于Pro/E零件模型的參數化設計技術研究等等。這些研究主要針對單個零件或某類零件的再設計上，而針對裝配件的變型設計國內研究的并不多。而在實際設計中，企業對裝配件的變型設計需求更為強烈，因此，研究裝配件的變型設計方法具有重要的意義。

本文在上述研究的基礎上，對裝配件的變型設計方法和過程進行了研究，提出了一種基于參數化技術的裝配件變型設計方法，利用Pro/TOOLKIT對Pro/ENGINEER進行二次開發，開發出了參數化變型設計模塊，并用齒輪與軸的裝配件模型對該方法進行了驗證。

1 裝配件變型設計原理

裝配件開發設計過程中涉及的對象不再是單個零件，而是由多個零件裝配而成的裝配件。基于參數化技術的裝配件變型設計原理具體內容如下：首先通過對零部件的事物特性分析，確定好各個零件的可變參數；然后利用Pro/ENGINEER提供的裝配功能對裝配件進行裝配，同時對配合尺寸參數進行分析，建立好裝配件各個零部件之間的配合尺寸參數的關系式，確定好裝配件的可變尺寸參數并將組件的用戶自定義參數和裝配件的可變尺寸參數關聯；最后利用Pro/TOOLKIT對Pro/ENGINEER進行二次開發所得的參數化變型設計模塊提取組件的用戶自定義參數，通過人機交互界面對用戶自定義參數的修改驅動模型變型。其主要流程如圖1所示，步驟如下：

1）針對特定產品，將客戶需求轉化為具體的設計需求。

2）利用CAD系統建立各個零部件的三維模型，分析零件的不變尺寸參數、可變尺寸參數、導出尺寸參數以及配合尺寸參數，從而構建零件的參數信息模型。

3）利用CAD系統提供的裝配功能對裝配件進行裝配。建立裝配件各個零部件之間的配合尺寸參數的尺寸關系式，從而構建參數化裝配件主模型。

4）利用Pro/ENGINEER“工具”菜單下的“參數”功能建立自定義參數，并將裝配件主模型的可變尺寸參數與自定義參數關聯；

5）利用開發的自定義參數提取模塊，對提取的裝配件主模型的變型設計參數進行相應修改，即可驅動裝配件模型變型。

圖1 裝配件變型設計過程

2 裝配件零部件尺寸參數分析

2.1 零件事物特性分析

零件的基本事物特性是指表征零件的功能、幾何、制造等事物特性。零件事物特性分析的好壞將直接影響到部件變型成功與否。要分析零件的事物特性，首先需要對零件進行尺寸參數分析。零件的尺寸參數有多種類型，通常，可以將尺寸參數分為不變參數、可變參數、導出參數三種類型。不變參數是指在零件的各種變型中始終保持不變的參數；可變參數是指在零件的各種變型中可以改變的參數；導出參數是指由其他參數計算出來的參數。如圖2所示為齒輪與軸的裝配件簡圖。該裝配件主要由齒輪、軸及鍵組成。

圖2 齒輪與軸裝配簡圖

該裝配件的軸零件的尺寸參數分析如圖3所示，齒輪零件的尺寸參數分析如圖4所示，鍵零件的尺寸參數分析如圖5所示。

圖3 軸尺寸參數分析

圖4 齒輪尺寸參數分析

圖5 鍵尺寸參數分析

在如圖3所示的軸零件，共有15個主要的尺寸參數。為簡化分析，這里只對各個零件的主要尺寸參數進行分析，忽略了一些次要的尺寸參數，如倒角尺寸，部分過渡圓弧的圓角半徑等。經過分析，將尺寸R01、L05、L07歸為固定尺寸，將D04、L01、L02、L03、L04、L06、L08、L09歸為可變尺寸，將D01、D02、D03、D05歸為導出尺寸。同理，對齒輪的尺寸參數進行分析。參考機械設計手冊，可知齒輪主要由模數（M）、齒數（Z）、壓力角（ALPHA）、螺旋角（BETA）、齒厚（B）、齒頂高（HA）、齒根高（HF）、齒頂高系數（HAX）、齒頂隙系數（CX）、變位系數（X）以及齒輪孔徑（D11）、鍵槽寬（L11）、鍵槽深（L12）組成。這里可將尺寸M、Z、ALPHA、BETA、B、HAX、CX、X、D11、L11、L12歸為可變尺寸，將HA、HF歸為導出尺寸。鍵的齒數參數比較簡單，它主要由l、b、h三個可變尺寸參數組成，這里不作過多闡述。

對零件尺寸參數進行分析后，接下來的工作就是分析零件尺寸參數之間的約束關系。對齒輪來說，參考機械設計手冊，可知齒頂高HA=（HAX+X）*M，其中HAX是齒頂高系數，該值一般為1，將其加上變位系數X，就可以用來決定直齒輪的類型。例如：HA=M為標準齒、HA=0.8M為短齒、HA=1.2M為細齒。HF=(HAX+CX-X)*M，其中CX是頂隙高，其值一般約為0.25。根據機械設計中的定義，HF的值一般可在1.175M至2.5M之間，如果HF=M，即為短齒。對軸來說，導出尺寸D01、D02、D03、D05皆可由可變尺寸參數D04進行導出。例如：可設D01=5*D04/8-0.5，D02=5*D04/8，D03=5*D04/8，D05=5*D04/8+0.5。

2.2 裝配件配合尺寸參數分析

裝配件中每個零件與其它零件參與裝配部分的尺寸參數稱為零件的配合尺寸參數[6]。我們通過建立不同零部件之間的配合部分的配合尺寸參數關系式，從而將不同零部件之間的尺寸參數關聯。當產品中的某些零件的部分尺寸發生改變以后，其他零部件將通過配合尺寸參數做出快速準確的相應修改。因此，配合尺寸參數起著在不同零件之間傳遞變型參數，驅動與之裝配的其他模型變型的作用。

在該裝配體中，裝配部分主要是軸和齒輪孔相配合，鍵與鍵槽及齒輪孔槽配合。在該裝配體中，軸的配合尺寸參數為可變尺寸參數D04、L08、L06、L09，齒輪的可變尺寸參數D11、L11、L12，鍵的可變尺寸參數l、b、h等。我們可以通過建立他們之間的尺寸關聯，從而可以通過修改軸的軸徑D04、鍵槽尺寸參數L08、L06、L09驅動鍵以及齒輪的內徑的變型。齒輪的其他部分以及軸的其他需要變型部分則通過其各自的相應可變參數進行控制。根據上述定義和分析，齒輪與軸的裝配件中配合尺寸信息結構表如表1所示，其中符號“＜=”表示該符號的二側尺寸參數存在關系式，且由右邊的尺寸參數驅動左邊的尺寸參數。

表1 齒輪與軸的裝配件配合尺寸信息結構

3 裝配件變型設計方法和過程

由于裝配件本身固有的復雜性，現以圖2所示的齒輪與軸的裝配體為例，研究基于參數化技術的裝配件變型設計的方法和過程。根據本文變型設計原理思想，將整個過程分為產品主模型建立過程和產品變型設計過程兩部分。

3.1 產品主模型建立過程

首先利用CAD系統Pro/ENGINEER設計出產品的所有零件，并根據零件的事物特性分析，建立好零件的尺寸關系式，確定好零件的可變參數，從而確定好零件的變型設計參數。然后利用Pro/ENGINEER提供的裝配功能對產品進行裝配，同時對配合尺寸參數進行分析，建立好裝配件內的各個零部件之間的配合尺寸參數的關系式，確定好裝配件的可變尺寸參數，根據裝配件的可變尺寸參數建立好裝配件的用戶自定義參數。由于自定義參數標識符只能由字母、數字和下劃線三種字符組成，且第一個字母必須為字母或下劃線，為了“見名知意”，在這里用下劃線將相應零件的特性尺寸參數和零件序號隔開。最后將組件的用戶自定義參數和裝配件的可變尺寸參數關聯。例如：我們通過關系式D04:0=D_4，將自定義參數D_4與軸的可變尺寸參數D04進行關聯（注：在組件模式下的零件尺寸表示為D#：#，其中后綴表示組件或組件的進程標志）從而可以通過控制組件的自定義參數D_4來控制軸徑的尺寸參數D04。

3.2 產品變型設計過程

首先利用開發的參數分析處理模塊對裝配件主模型的自定義參數進行遍歷提取，然后利用該變型設計模塊的人機交互界面對需要進行變型的尺寸參數進行修改，修改尺寸參數后單擊該模塊的“確定”按鈕，裝配件主模型將進行全自動的變型。

如圖6所示即為參數分析處理模塊。該模塊參考文獻[7][8]開發而成，它能實現組件或者零件的自定義參數提取、添加、刪除以及更改及模型再生等功能。參數分析處理模塊的列表控件顯示的是從模型中提取的用戶自定義參數。單擊列表控件的任一參數，將在左側的參數編輯框顯示相應參數的名稱、數值及類型。在此，可以對參數值進行修改。也可以在參數編輯框輸入一新的參數的名稱、數值及類型，按“添加參數”按鈕添加參數。“刪除參數”按鈕起刪除參數作用，選擇任一參數，點擊該按鈕即可進行刪除。在修改或添加好相應參數后，點“模型再生”按鈕即可進行模型的更新。

圖6 參數分析處理模塊

4 應用舉例

根據上述的定義和分析，這里以齒輪與軸的裝配件為例，利用開發的變型設計模塊對基于參數化技術的裝配件變型設計方法進行驗證。

圖7為模型更新前畫面。在這里，我們將組件的自定義參數M由1.5改為1.25，齒數由17改為25，壓力角BETA、螺旋角BETA、齒頂高系數HAX、齒頂隙系數CX、變位系數X保持不變，齒厚B由10改為8，配合尺寸參數D04由8改為10，L09、b、h因為與鍵的厚度相關聯，通過參考機械手冊將L09由1.5改為1.25，b由3改為2.5，h由3改為2.5，其它可變尺寸參數值保持不變，單擊“確定”按鈕，開始更新齒輪與軸的裝配體模型，更新前后的齒輪與軸的裝配體模型如圖7、圖8所示。

通過變型前后的對比可以發現，改變軸的直徑，鍵的寬度及長度尺寸后，軸的鍵槽、齒輪孔以及鍵都發生了相應的改變。通過該實例，驗證了基于參數化技術的裝配件變型設計方法的可行性。

圖7 模型更新前界面圖

圖8 模型更新后界面

5 結論

本文運用參數化設計的基本原理和方法，通過對裝配件的產品尺寸參數分析，構建了基于參數化技術的裝配件主模型，提出了基于參數化技術的裝配件變型設計方法。利用Visual C++.Net對Pro/Engineer 進行二次開發，開發出了產品變型設計的相關模塊，并對上述方法進行了驗證，取得了滿意的效果。

[1] 祁國寧,顧新建,譚建榮,等.大批量定制技術及其應用[M].北京:機械工業出版社,2003.

[2] 魯玉軍,余軍合,祁國寧,等.基于事物特性表的產品變型設計[J].計算機集成制造系統,2003,9(10):840-844.

[3] 吳偉偉,唐任仲,侯亮,等.基于參數化的機械產品尺寸變型設計研究與實現[J].中國機械工程,2005,16(3):218-222.

[4] 楊青,陳東祥,胡冬梅.基于Pro/Engineer的三維零件模型的參數化設計[J].機械設計,2006,23(9):53-55.

[5] 李世國,何建軍.基于Pro/E零件模型的參數化設計技術研究[J].機械設計與研究,2003,19(3):36-37.

[6] 徐新勝,方水良,李強,等.裝配產品的變型設計研究[J].浙江大學學報（工學版）,2006,40(9):1652-1656.

[7] 李世國.Pro/TOOLKIT程序設計[M].北京:機械工業出版社,2003.

[8] 吳立軍.Pro/ENGINEER二次開發技術基礎[M].北京:電子工業出版社,2006.