一種快速可協同的機械結構原型設計方法

顧寄南，朱林童

（江蘇大學制造業信息化研究中心，江蘇 鎮江 212013）

1 引言

當前激烈的市場競爭中，小批量、多品種制造能力已成為制造業一種重要的競爭優勢。傳統機械制造業的設計大多是提取已有的設計實例，在不破壞已有設計的基本原理和結構特征的情況下來生產和原有設計相似的新產品。文獻[1]論述了機械產品三維廣義參數化設計的內涵、設計步驟和關鍵技術；文獻[2]采用自頂向下的設計方法針對產品的設計流程進行了創新，實現了團隊間的并行工作；文獻[3]通過變更模板的骨架零件的設計參數驅動整個產品的自動更新，實現了由模板快速映射為產品的設計實例；文獻[4]建立了一個曲柄滑塊機構的參數化設計與仿真系統；文獻[5]使零部件參考裝配體的結構尺寸進行布局和定位，簡化了設計參數；文獻[6]采用分層遞階的多骨架建模方法，對設計參數進行分類管理和分層控制；文獻[7]在設計減速機過程中自頂而下逐級建立了參數及其約束關系，實現了控制的傳遞，并基于投影原理生成工程圖，提取產品中性結構，通過骨架模型參數的變更實現了快速變型設計。上述方法主要根據已有的產品形態或已經成型的設計思路，形成了產品參數化的由頂向下設計的構建，大幅提高了產品的優化設計及變型設計效率。但是，不能排除在一些新的應用領域，或是面對客戶一個新的產品需求時，缺少完全可以借鑒的已有產品或機械結構的情況。這時，就需要工程師具備從原型設計快速進入簡單功能驗證的能力。

為了將原型設計的思路準確反映到后期的具體結構設計中，嘗試了通過自頂向下的參數化關聯將原型設計信息與后期設計信息相關聯，并提供了協同設計的信息傳遞及保證設計信息源統一的方法[8]。

2 設計方法

本節將闡述這一機械原型創新設計方法的設計流程。

2.1 產品的概念設計

設計的第一步是產品的概念設計，這往往需要工程師根據新的產品需求以及以往的設計經驗畫出草稿，對機械結構進行大概的構建。草稿不是精確的設計，即草稿代表了關鍵幾何信息的存在但并不包含精確的幾何信息。給各個圖元附上參數名和參數值之后，草稿就可以作為控制幾何信息信息源統一的工具，即使草稿圖元沒有反應準確幾何信息，它們所代表的參數也會作為精確模型的設計參考。在后面的設計中所有尺寸都可以通過調用全局變量參數名的方式來獲取參數值，以此來實現設計文件對整體模型的控制[9]，如圖1所示。是一個簡單的四連桿機構的概念設計。

圖1 概念設計Fig.1 Conceptual Design

事實上，草稿的作用不僅是作為所設計結構的設計簡圖，同時也是作為一個全局變量的數據接口，方便設計者在后期的變型設計的數據信息變更并保證信息源統一。

2.2 產品的骨架設計

骨架模型是根據裝配體內各元件之間的關系在產品頂層構建的產品布局圖，由基準點、線、面組成骨架零件，表達產品的設計意圖。通過骨架自頂向下傳遞產品的約束信息，按照產品結構逐層完成零部件的設計，只要改變骨架模型的幾何信息，關聯的組件將隨之相應的變化，實現自上而下的骨架驅動。在三維設計平臺中，骨架通常分為運動骨架和標準骨架。

運動骨架可以模擬運動構件主要形態。用線條勾畫機構的主要形態，并通過關系將上節概念設計中的各個參數對應到骨架模型中對應的圖元上，這樣運動骨架的驅動信息源就被綁定到上節所建立的參數接口中了。通過三維設計平臺為運動骨架添加恰當的運動副、約束和驅動電機，就可以對所設計的機構做初步的運動學仿真。這種工具使工程師在尚未進行零件的詳細外觀設計之前已經具備初步的運動驗證和分析的能力，如圖2所示。

圖2 關系聲明與運動骨架Fig.2 Relations Declaration and Motion Skeleton

運動骨架是把整個機構的運動簡化到一個平面上了，顯然平面的信息是有限的，設計者在頂層還需要一個能包含構件空間位置信息的頂層設計參考，而另一個骨架工具—骨架模型，可以很好的滿足設計師的要求。標準骨架可以用來確定各個構件的空間位置，如圖3所示。在確定了各個構件的空間位置之后，設計者可以方便的在骨架的適當位置進行模塊或零件的包絡設計或是輪廓設計。這些包絡和輪廓只包含模塊或零件的整體形狀即可，在骨架設計完成之后，設計者可以將這些包絡或者輪廓發布出去，作為具體的模塊或零件的詳細設計參考基準。

圖3 標準骨架Fig.3 Standard Skeleton

有了標準骨架的空間位置參考，以及包絡和輪廓的可發布功能，設計者實際上就可以在骨架中完成部分結構的詳細設計，并通過發布將這部分詳細設計準確體現到具體的零部件設計中去。同時骨架提供的位置參考功能，使設計者可以在一張草繪中完成結構的布局與設計，然后，將草繪中對應的圖元投影到在骨架中已建立的對應的基準面上，實現將二維描繪的草繪快速轉為三維模型的功能，極大方便設計者對結構的構思與創建，如圖4所示。

圖4 草繪與三維模型轉換Fig.4 Sketcher into 3D Model

在骨架中進行的結構詳細設計并不是必要的，但是，如果某個模塊或零件有相當數量與之相互參考的模塊或零件，那么把用于了參考的特征的詳細設計在骨架中完成，會極大的方便其他相關零件的詳細設計，也正符合機械設計中參考統一的原則。

2.3 產品的詳細設計

如果說草稿和骨架相當于文章的大綱，那么各個模塊結構件和零件的功能實現和外觀設計就是所謂的詳細設計，而這一部分的知識正是傳統自底向上的設計方法所針對的功能，所以這里不做贅述。

但是，一個完整的機械產品的所有設計任務都由一個或一組人來完成幾乎是不可能的，往往要將其分解為機構較簡單、相對獨立的模塊分別進行設計，并確定它們之間的相互關系。在一個大型的機械產品設計過程中，往往每個模塊都會有專門負責的工作小組。為了使效率最大化，上層設計者希望所有的小組可以同時進行設計工作，而不是因為某種約束關系使得某個模塊必須后于另一個相關模塊的設計。這就需要模塊之間的聯系越少越好。上節提到的標準骨架就正給我們提供了協同設計的思路，設計者可以通過發布幾何的方式將在骨架中建立的重要幾何信息發布出去，所有的模塊或零部件都是用這些發布出來的幾何信息作為參考，而彼此間的參考就會變少，強化了模塊的獨立性。這時就可以把設計任務交由其他小組或小組其他成員進行同步的詳細設計。這種設計思路克服了零部件先后設計次序的限制，實現了無縫的協同設計且不會發生設計干涉。如圖5所示。

圖5 協同設計流程Fig.5 Collaborative Design Process

通過骨架發布幾何的途徑創建零部件的另一個優勢是：經過詳細設計的零部件會根據骨架參考完成自動裝配，這極大縮減了裝配設計的成本[10]。

3 應用實例

織網機是指生產網用的機械，網結形成的主要部件有上鉤、孔板、下鉤、梳鉤、梭子和線盤，其中孔板機構與上鉤、下鉤協調運動完成上鉤勾線、經線繞圈、下鉤拉線等動作，連線成網。

本節將上文中介紹的原型創新設計與協同設計的方法應用于織網機的孔板機構的設計中。

孔板機構的運動是孔板前后和上下運動的合成，兩種運動都擬采用通過凸輪連桿機構實現。具體設計流程如下：

（1）在繪圖工具中設計機構簡圖，如圖6所示。

圖6 孔板機構概念設計Fig.6 Conceptural Design of Reed Mechanism

使用任意的CAD工具畫出機構簡圖，導入到參數化的三維平臺中定義機構中的機架高度、滾子直徑、連桿長度等重要參數作為全局變量，以方便設計的調用和保證信息源統一。

（2）建立運動骨架與標準骨架，如圖7所示。

圖7 孔板機構運動骨架與標準骨架Fig.7 Motion Skeleton and Standard Skeleton of Reed Mechanism

在運動骨架中添加恰當的運動副與約束，如連桿之間添加銷連接，凸輪與滾子添加高副連接等，并調用概念設計中的全局變量作為尺寸參數，重新生成之后的運動骨架就可以作為運動分析驗證的工具。

在標準骨架中，建立若干基準平面，這些平面包含主副凸輪與機架等構件的空間位置信息。對于某些相關性較高的構件，如大齒輪，在骨架中可以對其部分曲面進行適當的詳細設計，并在骨架設計完成時，將這些曲面發布出去作為其他詳細設計的參考。

（3）負責具體模塊的小組或小組成員，在接收到來自骨架的發布信息后，就可以此為基準進行零部件的詳細設計了，如圖8所示。

圖8 協同設計流程Fig.8 Collaborative Design Process

頂層的設計人員將大齒輪的輪廓與位置信息發布出去，其他設計人員以此為基準對齒輪及其上凹槽凸輪進行細節設計，設計完畢的大齒輪會根據原幾何包絡自動裝配到原裝配體中，而不需要重新定義大齒輪的位置。

4 結論

產品的設計是一個漸進的過程，一般經過概念設計、參數化設計和詳細設計三個階段。所介紹的機械結構原型設計方法具有如下優點：（1）符合產品設計人員的創新設計思路；（2）產品參數的信息源得到了統一；（3）可發布的幾何信息方便了子系統的創建與并行設計。通過織網機孔板機構的結構設計應用實例說明，驗證了此方法的科學性和有效性。