機械產品三維變型設計研究及應用

張悅

摘 要：隨著CAD等三維建模技術的發展與應用，機械產品的設計開發技術逐漸成熟。本文梳理了機械產品三維變型設計的研究背景，并分析了其研究現狀和發展趨勢。接下來對機械產品三維變型設計原理進行分析，并闡述了其基于三維裝配模型的設計原則。此外，該設計技術能高效地滿足企業的生產需求，應用前景十分可觀。

關鍵詞：變型設計；機械產品；主模型；裝配；三維

1 研究背景

變型設計是關于設計方法和過程的一種分類定義，通常是指提取已存在的設計根據不同用戶的不同要求，做相應的修改以產生一個和原設計相似但又能夠滿足用戶個性化需求的新產品。這種修改保持了原設計的基本原理和總體結構特征，是一種參數的修改或結構的局部調整或兩者兼而有之，可以幫助生產企業根據市場需求變化快速地生產新產品，而且可以生產成本、增加收益，使企業競爭力大大提高。在實際的設計工作中，由于變型設計具有上述一系列優點，使得其應用十分廣泛，并且多數企業對變型設計體系結構具有迫切需求，因此吸引了眾多研究學者的密切關注和深入研究。

2 研究現狀及發展趨勢

就目前來說，變型設計的研究主要分為產品縱向結構變型設計和產品橫向結構變型設計兩個方向，國內外已有大量研究人員和學者對此進行了深入研究[1]。基于模塊化的變型設計是以功能分析為基礎，通過功能相同而性能用途不同的各模塊的互聯組合而實現各種基型產品和變型產品，一般來說，不能隨意改變模塊的劃分方式，而且模塊之間的裝配關系通常也是預先確定的，通常情況下不能隨意改變，因此限制了其使用范圍。基于裝配模型的變型設計方法是從零件的三維建模入手，以完成零部件的拼裝從而形成完整的機械結構為最終目標，不僅可以表達零件的幾何參數，而且可以通過零部件之間的裝配關系反映整個產品的功能要求和設計者的設計意圖。基于裝配模型的智能變型設計框架則為解決變型設計中大量問題提供了一種有效的途徑，這種框架使產品的數據管理和設計過程密切結合起來，使企業原有設計資源的重用成為可能，這方面的研究目前正在深入進行。

3 機械產品三維變型設計原理

機械產品的三維變形設計體系結構中，產品的主模型是產品所有零件信息的總和，通常也是由主模型來描述產品的各類參數信息[2]。在不破壞原設計的基本原理和基本結構特征的情況下，利用產品主模型，可以設計多種產品、部件乃至零件的變形，從而派生出零部件的具體描述信息。這類設計需要考慮該部件或者零件的實際荷載能力及結構特征、材料本身的性能、受力性質和相關的配套設施以及運動參數對該機械系統的影響，需要將產品內部具體結構的剛度、強度、功能數據以及運動參數等作為設計的基本要求，再由這些綜合參數將設計目標劃分并分別移交給結構的具體模塊[3]。總的來說，設立主模型或者說主模版主要是對產品及其零部件的相關功能和作用、幾何結構以及運動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部件以及產品的三維主模型、工程圖紙主模板以及產品的主結構，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。目前的CAD系統通常是建立產品的完整幾何模型，這種建模方法是從零件的建模開始的，以完成零件的拼裝來最終實現整個產品的幾何設計。通過基于產品的內部結構控制，由上到下地將裝配理念、關聯數據以及知識重用的理念統一起來，并建立起合理的驅動及控制系統，從而便形成一個可靠的機械系統。在對機械產品進行設計時，按照預定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組合，這樣就能快速、高質量、低成本地生產新產品以滿足不斷變化的市場的要求。

4 基于機械產品三維裝配模型的變型設計原則

基于三維建模及裝配技術的機械產品設計工作，不僅僅是針對機械產品的某一個零部件進行設計，并且是立足于機械產品整體使用功能的優化設計。因此，針對機械產品的設計與創新活動，設計人員應該對原設計圖紙進行具有創新性的思考，并且可以考慮采用新技術來制造機械產品。在進行一個機械產品的變型設計工作時，設計人員應該首先從工業設計的角度出發，使用三維建模技術對零部件參數進行多次計算和調整，綜合考慮各種因素從而找到最佳的設計方案，然后從結構分析的角度入手，設計人員應該利用三維裝配技術進行運動仿真找到機械產品仿真運動中的關鍵細節特點，對傳統機械設計中不足的地方做出針對性的改進，最后還應該考慮機械零部件的安裝與調配方法的改進。此外，相關工作人員還應該持續關注機械產品的變型設計理論研究成果，在基礎理論的指導下，提高自己的機械設計制造技能水平。

5 機械產品三維變型設計的應用

機械產品三維變型設計首先需要結合企業的具體情況，并根據消費市場上的多元化的需求，將相應的基本機械產品原型作為研究對象，設計開發新的變型設計系統。開展具體的機械設計工作時，三維設計系統主要以產品的機械結構模塊作為整個設計的基礎，然后根據設計需求對相應模塊進行調整，并進行合理布局，從而形成一套完整的結構參數控制表。接下來，在三維建模環境下，可以進行設計驅動方案進行運動仿真，一旦發現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，以進一步優化機械結構。

6 結語

與傳統的機械設計方法相比，三維變型設計大大提高了設計工作的效率和速度，滿足了企業的快速和個性化設計的需求。因此，推廣和應用三維變型設計技術，可以確保企業在激烈的市場競爭中占據優勢。

參考文獻

[1] 鄧偉剛，面向對象的配置產品變型設計方法研究與實現[D].武漢理工大學，2010.

[2] 秦慧斌，呂明，王宗彥，吳淑芳.機械產品三維變型設計研究與應用[J].中北大學學報，2010，31（5）：453-457.

[3] 朱龍根，機械系統設計[M].中國機械工業出版社，2001.5.

（作者單位：西華大學）