機械產品三維變型設計研究及其應用

侯繼超

摘 要：隨著軟件工業的發展，我國的機械產品設計工程開發技術逐漸成熟。使用CAD/CAM/CAE等三維建模技術，開展機械產品的優化設計，有利于提高我國產品設計制造領域的機械使用壽命。我國目前正在走“資源節約型”和“環境友好型”的能源發展道路，推行高性能機械設計技術的研究，有利于提高機械的生產效率，促進節能減排活動工業創新模式的開展。

關鍵詞：機械產品；三維變型；設計研究；應用

一、設計原理

機械產品的三維變型設計體系結構中，產品的主模型是產品零件信息的集合，主要是對產品信息進行描述。利用產品主模型能夠設計多種產品或零件的變形，從而派生出對各類零件的具體描述信息。其中，需要考慮該零件的實際荷載能力及特征、材料本身的特殊性質、受力能力和功能的配套設施以及運動參數對結構的影響，將產品內部結構的強度、功能數據以及運動參數等作為設計的目標，再由這些參數將設計的目標移交給結構的具體模塊。總的來說，創建主模型以及主模版主要是對產品及其零部件的相關功能和作用、幾何的具體形狀以及參數的變形空間域進行深入的分析和處理，從而建立機械產品的零件以及產品的三維主模型、工程用圖主模板以及產品的主內部結構，從而為整個機械產品的三維變型設計奠定完備的技術基礎。機械產品中，裝配結構變型主要是由于相關零件進行連接時發生了相應的改變或者變異等現象所引起。整個結構體系由特征層、零件層、部件層以及產品層幾個方面組成。通過利用產品的內部結構控制，由上到下將裝配的理念、數據之間的關聯以及知識重用的理念進行有機統一，并建立健全完備的驅動機制，將上述四個層次進行組合，從而形成一個封閉式的循環系統。在對機械產品進行設計時，要按照一定的要求對產品的設計數據進行有效提取，并對主模型的模塊賦值，在整個模型框架內獲得實例化的模塊，然后將這些模塊有機結合，從而快速完成整個起重機的金屬結構設計流程體系。

二、開展機械產品設計三維建模技術開發的基本原則

基于三維建模技術運用中的機械產品設計活動，不僅僅是針對機械產品的某一個零部件進行設計，而是應該立足于全局機械產品整體使用功能的優化設計。針對機械產品的設計與創新活動，我們應該對設計圖紙進行創新性思考，盡可能采用新技術來開展機械制造的活動。同時，工作人員還應該重視機械產品的理論性研究，在基礎理論的指導下，提高機械設計制造中的技能水平。在概念設計的過程中，設計人員應該從工業設計的角度出發，使用三維技術對零部件參數進行多次調整，從而找到最佳的設計方案。從結構分析的角度入手，設計人員應該從新型的建模技術中找到動態仿真中的關鍵細節特點，對傳統機械設計中不足的部分進行針對性的改進。使用新技術和新材料，對機械零件的安裝與調配方法進行改進。

三、產品的變型設計

按照模塊化產品在產品系列中的分布規律和覆蓋形式，可以把產品變型設計為橫系列變型設計，縱系列變型設計和跨系列變型設計。橫系列變型設計是指在同一規格的基礎上，通過變更、增加或減少某些特定模塊而形成變型產品，其特點是不改變基型產品的主要參數，只在產品的功能、結構、布局、控制系統或操縱方式等方面進行調整；橫系列變型設計是產品變型設計中最易實現的一種；縱系列變型設計是在同一類型中對不同規格的基型產品進行模塊化設計。規格不同主要體現為工程約束，使用性能不同，從而導致結構型式或尺寸的不同。在橫系列變型設計的基礎上兼顧縱系列變型設計或在縱系列變型設計的基礎上兼顧橫系列變型設計，形成既有橫系列又有縱系列的變型設計，稱為跨系列變型設計。產品變型設計采用自頂向下和自底向上相結合的產品設計方法。產品變型設計過程中存在以下三種操作。

（一）搭配。某個最終產品可由不同的可搭配模塊搭配而成，通過與父構件相配的接口，執行特定的功能的特定模塊搭配到父件上。

（二）互換。主要執行功能相同而性能不同引起的模塊更換。

（三）參數化變型。依據客戶需求，在零部件庫中不能通過檢索到的零部件實例搭配、互換來滿足功能要求，則需要根據構件的事物屬性、工程約束進行三維參數化變型，得到符合功能要求的零部件實例。

四、機械產品三維變型設計的應用

機械產品三維變型設計需要結合企業的具體情況以及市場上的多元化需求，將橋式和門式的起重機橋架、堆垛機金屬結構作為產品的研究對象，設計開發起重設備金屬結構的變型設計系統。利用基于產品特征的四個層次的產品變形設計技術，結合相關的零件形狀特征以及主模型的交互式建模和配置手段進行有機組合，從而有效完成起重設備金屬結構的三維變型設計。設計中，三維設計系統主要以機械結構的模塊作為整個設計的根本。設計人員要根據設計需求對金屬結構的整體進行調整，并進行合理布局和設計，從而形成一套完整的結構參數控制表。此外，需要調用模型的驅動模塊進行，利用技術結構中的三維主模型實現驅動。在此基礎上，利用金屬結構的三維主模型，采用從上到下和從下到上相結合的設計模式，對產品進行優化配置和設計。一旦發現金屬結構的設計結構不符合標準或相應的要求，可以在此返回至最初的參數頁面，對相關參數進行重新修改和調整，以進一步實現對金屬結構的優化設計。如果金屬結構的設計符合各個方面的標準和要求，則需要調用相關的工程圖對整個模塊進行調整和更新。

五、結語

與傳統的變形設計相比，大大提高了整個設計的效率和速度，滿足了企業的個性化和快速設計的需求，確保企業在激烈的市場競爭中占據優勢，從而更好地推廣和應用三維變型設計技術。

參考文獻：

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