基于NX的減速器Top-Down參數化變型模板設計

焦麗麗

（鹽城工學院 優集學院，鹽城 224051）

0 引言

目前,德國FLENDER、比利時HANSEN、日本住友等公司在減速器制造業處于技術領先地位。國內也從模塊化設計、優化設計、外觀設計、三維建模及虛擬裝配等不同方面對減速器進行了研究[1]，企業通過改進設計方法、制造工藝使減速器的品質不斷提高。其中從提高減速器的設計效率方面進行研究的也很多[2～6]，但不論是對參數化設計系統[2～4]的研究還是對三維參數化設計的研究[5,6]其設計思想基本上大多是自底向上的方法，即在計算完成之后對軸、齒輪、箱體等進行參數化建模，再進行虛擬裝配完成減速器的所謂參數化模型。然而這些并未實現產品級的自頂向下的參數變型驅動，只是實現了零件級的參數化設計，這種設計過程不符合從概念設計到詳細設計的產品設計過程，設計的零件參數化模型對于類似結構的減速器設計，需要一一進行零件參數的修改，使用不方便，重用意義不大。

1 自頂向下的參數化變型模板設計

1.1 自頂向下的設計

產品設計過程是先進行需求分析，概念設計，再進行結構設計，詳細設計，然后經過不斷地細化和精煉，最終獲得滿足客戶需要的產品，這是一個自頂向下的過程。自頂向下的設計方法是在產品整機設計階段的最初就定位在產品系統構成最高層面來考慮產品的總體設計和功能性設計，其中的結構設計一般是先設計總裝圖，再設計零件圖，是一個從抽象到具體斷細化的過程[7]。自頂向下的設計過程符合人們的思維習慣，能較好的發揮設計人員的設計潛力，減少設計實施階段不必要的重復工作，使企業的人力、物力等資源得到較充分的利用，能較大地提高設計效率。

1.2 參數化變型模板設計

所謂參數化設計就是將設計要求、設計原則、設計方法和設計結果用靈活可變的參數來表示，在設計過程中可以根據實際情況隨時對設計加以更改。設計者在參數化設計中修改模型十分便捷，還可以方便地建立各尺寸與參數、參數與參數間的關系，這樣模型便可以自動按照關系和參數值進行更新獲得準確的外形，從而保證修改一致性，保證零件準確的相對關系[8]。

對零件、部件或產品利用CAD系統的自頂向下和參數化功能實現關鍵結構參數的模型驅動變型，在變型過程中實現結構控制參數的逐層下游傳遞，使產品保持該有的形狀、位置、幾何及裝配等約束，這樣的模型稱之為參數化變型設計模板。利用參數化變型設計模板能實現結構相同大小不同或結構相似的同系列零件、部件或產品的快速設計，對其他零部件或產品的設計實現模型的重用。所以利用自頂向下的設計理念和參數化設計技術，以頂級控制結構為產品的設計基礎，建立減速器的自頂向下的參數化設計模板，對同系列產品的設計有真正重用的意義。

1.3 UG/NX自頂向下設計方法的支持

近年，現有的主流CAD（Computer Aided Design）軟件已經提供了裝配布局草圖、骨架模型等支持 Top-Down 設計模式的技術，提高了產品的設計效率。UG/NX的WAVE（What-if Alternative Value Engineering）功能模塊是自頂向下的產品設計思想的體現，WAVE的推出使實現產品級參數化設計成為可能。在此以前的CAD軟件的參數化技術將更多的精力放在零件本身的參數化上，而整個產品與產品的零部件的參數關系管理則比較困難。WAVE技術成功地解決了產品設計中產品級的參數驅動問題，可以在產品級設計中控制零部件[9]。

2 基于NX的減速器參數化變型模板設計

2.1 基于NX的減速器自頂向下的設計流程

圖1為基于NX軟件的二級圓柱齒輪減速器自頂向下的設計流程，首先根據減速器的設計需求確定其傳動方案，通過已有相似結構減速器的比較，分析并表示其產品結構樹如圖2所示，根據設計需求所要達到的性能或功能等參數進行必要的設計計算工作，比如傳動件的設計計算、軸的最小直徑估算、聯軸器及軸承的選擇等；其次，為在NX軟件中進行減速器的三維布局設計做充分的分析準備工作，該工作包括兩方面的內容：其一是分析總體布局設計中為滿足自頂向下結構控制所需要的幾何要素，包括產品結構樹中第1級子部件重要零組件的空間位置、幾何輪廓及關聯關系（即接口關系），其二是分析所有幾何要素為滿足全相關性其參數的關聯關系。接下來，以上面的分析為基礎提煉挖掘出產品結構的驅動參數，利用NX相關功能建立減速器的變型驅動參數及進行總體三維布局設計。

2.2 產品級參數化變型模板實現的關鍵技術

2.2.1 控制結構包含的要素分析

產品級及各子部件控制結構的建立是實現產品級全相關參數化變型模板的關鍵。在NX軟件環境中的所謂控制結構相當于產品結構設計的三維總體布局，那么控制結構包含的幾何對象有很多文獻，如文獻[10,11]，已經研究總結，但基本都是從所應用軟件的幾何對象的角度去描述的，比如包括基準點、線、面、坐標系等，這些幾何對象是設計的表現結果，那么這些幾何對象到底代表了產品的什么信息？作為產品的總工程師和子部件的工程師到底如何分析控制結構中包含的約束信息足夠而不多余呢？經過研究和實踐，本人總結的控制結構包含的約束信息如圖3所示。

產品結構總體布局一般選擇最重要的裝配基準作為設計基準坐標系，以該基準坐標系為設計基準，逐漸拓展其他的布局結構。重要零組件的空間位置和幾何輪廓這些信息一般用基準點、基準線、基準面和幾何線來表示。還有作為三維環境自頂向下設計中應該包含的重要的約束是各子部件間的接口信息，該信息一般用幾何線進行體現。而控制結構中的基準、幾何線等所有的對象都是與總體驅動參數發生關聯的，所以能夠通過修改產品的結構驅動參數實現整體的自動變型設計。

2.2.2 基于NX的減速器控制結構的建立

圖1 基于NX的減速器自頂向下設計流程

圖2 減速器結構樹

圖3 控制結構包含要素

根據前述將減速器劃分成箱體和軸系兩個子部件，在分析兩個子部件重要零組件的空間各子部件控制結構包含的信息首先是從上位置、幾何輪廓和關聯關系基礎之上，提煉出結構驅動參數有由產品性能計算得出的參數：齒輪的模數、齒數等；有直接確定的位置關系尺寸：齒輪端面到箱體內壁的防干涉尺寸等，軸系與箱體的接口尺寸：軸承外徑。圖4記錄了在NX軟件中實現減速器自頂向下的設計過程，其中(a)是減速器產品級的控制結構，包括產品的設計基準坐標系，由此拓展建立的傳動件齒輪分度圓的位置（藍色），箱體的內壁及幾何輪廓線（紅色）、軸承座的位置（粉色）及箱體和軸系接口幾何線（綠色）。

各子部件控制結構包含的信息首先是從上一級控制結構中繼承的結構約束信息，另外，還需要按照圖1所示的流程去進一步分析其子部件設計所需要的約束，根據具體情況進一步將其控制結構進行完善。圖4中的(b)和(c)分別是箱體和軸系從上一級(a)中繼承的結果，(d)和(e)分別是箱體和軸系根據其子部件的分析對控制結構完善的結果。箱體再分解成箱座(d1)、箱蓋(d2)，軸系分解成高速軸(e1)、中間軸(e2)和低速軸(e3)，繼續以自頂向下的方法進行其詳細設計，最終各個子部件詳細結構設計完成之時，即是減速器產品裝配完成之時，無需再去配對約束，因為各子部件的空間位置是體現在控制結構之中的。

2.3 基于NX各子部件裝配設計

2.3.1 常用零件參數化模板庫的設計

如圖1所示子部件裝配設計根據零件的結構特點采取兩種方法進行詳細設計，其一對于多次被用到的零件為提高設計效率，例如軸承端蓋、齒輪、油封等，這些常用件需要利用參數化建模技術，充分分析零件在產品裝配中的參數關聯關系，提煉出其零件變型驅動參數，進行零件參數化模板的建立。對具體零件只需要修改其參數化模板的驅動參數從而生成需要的零件，再進行裝配約束即可。

圖4 基于NX減速器自頂向下設計

圖5 軸的自頂向下設計

圖6 減速器全相關參數化變型模板

為了實現產品級變型模板重用時整體結構的自動更新，而不是對零件一一地進行參數的修改，在應用這些零件的參數化模板生成新零件裝入到產品結構之后，最重要的工作是將零件參數化模板中的驅動參數與上一級控制結構中的驅動參數進行關聯設置。比如在各軸系裝配結構中裝入齒輪之后，修改各齒輪的驅動參數模數m，齒數z，齒寬系數cof等參數，使之與減速器控制結構的驅動參數進行關聯，如此實現自頂向下的控制及自動更新的過程。

2.3.2 基于NX零件Top-Down的全相關設計

各軸、上下箱體等零件的結構設計要利用控制結構進行自頂向下的相關性設計是實現產品級參數化變型模板的關鍵技術之一。這些零件的控制信息可以復制其他已裝配好零件的幾何信息或繼承上一級控制結構的約束信息，如此實現自頂向下的驅動過程。如圖5所示為高速軸的控制結構及在此基礎上設計完成的主體結構，各軸段的直徑多數來源于已裝配零件的內孔，長度受到各零件端面的控制，從而實現零件的自頂向下的全相關設計。

3 減速器全相關參數化變型模板的重用

圖6為在NX下完成的減速器全相關參數化變型模板（為了將設計結果與控制結構的關系表現清楚，上箱蓋隱藏）。減速器參數化變型模板適用于結構相同或相近的減速器的設計，模板重用的使用過程非常簡單，利用表達式功能分別修改減速器的驅動參數模數、齒數、齒寬系數，各防干涉的尺寸等，實現自頂向下的自動更新，當這些參數發生改變之后，軸承標準件的更新只需要利用“組件替換”的功能即可保留減速器變型模板中原軸承等標準件所有的設計相關信息，實現與其相關聯所有零件尺寸結構的自動更新。

4 結論

利用適合自頂向下的產品設計方法，在NX軟件平臺上實現了二級直齒圓柱齒輪減速器的全相關參數化變型模板設計，該模板能夠成功地對同系列的產品進行快速地變型設計，模板使用簡單，變型設計結構可靠。將減速器設計過程中涉及到的結構、標準等知識做到了變型模板中，實現了最大程度地降低重復性勞動。這種產品級全相關參數化變型模板的設計方法對于其他產品或部件變型模板的設計具有一定的參考價值，容易推廣和使用。

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