農(nóng)業(yè)機械變量化設(shè)計方法初探

2013-05-18 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

作者: 柯常忠*謝少波來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 自頂向下設(shè)計參數(shù)化建模布局草圖
介紹了基于參數(shù)化技術(shù)的自頂向下的設(shè)計過程和實施方法,以及以布局草圖為核心的自頂向下設(shè)計的思想,并以三維參數(shù)化設(shè)計軟件SolidWorks為平臺,結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計實例,實現(xiàn)了以布局草圖為核心自頂向下的零件設(shè)計過程。

傳統(tǒng)的CAD技術(shù)對設(shè)計過程的支持建立在幾何建模的基礎(chǔ)之上,各種設(shè)計活動和制造活動信息的共享和交換基于幾何模型。人們利用其進行計算機輔助設(shè)計時大都采用自下而上的設(shè)計方法,依靠其零件實體造型功能先設(shè)計零件,然后將零件組裝成產(chǎn)品。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,基于微機平臺的三維CAD軟件不斷被推出,在微型計算機已經(jīng)完全實現(xiàn)參數(shù)化建模技術(shù)。正是有了參數(shù)化建模技術(shù),才有了真正意義上的自頂向下的設(shè)計。這種設(shè)計增加了零件之間的關(guān)聯(lián)性,設(shè)計層次清楚,實現(xiàn)了設(shè)計一信息的傳遞、共享、繼承,特別適用于并行工程和協(xié)同設(shè)計。采用這種方法也極大地提高了企業(yè)對市場變化的反應(yīng)速度。

1參數(shù)化技術(shù)和自頂向下設(shè)計

自頂向下設(shè)計就是從產(chǎn)品的頂層開始,通過在裝配中建立零件來完成整個產(chǎn)品設(shè)計的方法。自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計是從產(chǎn)品功能要求出發(fā),選用一系列的零件去實現(xiàn)產(chǎn)品的功能。其設(shè)計的主要過程是:先設(shè)計出初步方案及其裝配結(jié)構(gòu)草圖,建立約束驅(qū)動的產(chǎn)品模型;再通過設(shè)計計算,確定每個設(shè)計參數(shù),進行零件的詳細設(shè)計,通過幾何約束求解將零件裝配成產(chǎn)品;最后對設(shè)計方案進行分析,返回修改不滿意之處,直到得到滿足功能要求的產(chǎn)品。設(shè)計過程如圖1所示。

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自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計最初考慮的是產(chǎn)品應(yīng)實現(xiàn)的功能,最后才考慮實現(xiàn)這些功能的幾何結(jié)構(gòu),它符合產(chǎn)品設(shè)計過程和設(shè)計人員的思維過程,而且它在產(chǎn)品設(shè)計的最初階段就將產(chǎn)品的主要功能、關(guān)鍵約束、配合關(guān)系等重要信息確定下來,同時分配給各子系統(tǒng),這樣各子系統(tǒng)才能很好地配合,避免發(fā)生沖突,便于實現(xiàn)多個子系統(tǒng)的協(xié)同,實現(xiàn)并行設(shè)計。這種設(shè)計過程能充分利用計算機的優(yōu)良性能,最大限度地發(fā)揮設(shè)計人員的設(shè)計潛力,最大限度地減少設(shè)計實施階段不必要的重復(fù)工作,使企業(yè)的人力、物力等資源得到充分的利用,大大地提高了設(shè)計效率,減少了新產(chǎn)品的設(shè)計、研究時間。

在CAD中,參數(shù)化技術(shù)是采用參數(shù)預(yù)定義的方法建立圖形的集合約束集,指定一組尺寸作為參數(shù)使其與幾何約束集相關(guān)聯(lián),并將所有的關(guān)聯(lián)式融人到應(yīng)用程序中,然后通過對話框以人機交互方式修改參數(shù)尺寸,最終由程序根據(jù)這些參數(shù)及其變化順序地執(zhí)行表達式來實現(xiàn)設(shè)計的方法。參數(shù)化設(shè)計過程中,參數(shù)與設(shè)計對象的控制尺寸有明顯的對應(yīng)關(guān)系,通過參數(shù)化尺寸驅(qū)動完成對設(shè)計結(jié)果的修改。參數(shù)化設(shè)計不同于傳統(tǒng)的設(shè)計,它儲存了設(shè)計的整個過程,能設(shè)計出一族而非單一的在形狀和功能上具有相似性的產(chǎn)品模型。正是有了這種參數(shù)化建模技術(shù),才使得數(shù)據(jù)的改變在不同層次(如:不同的子裝配系統(tǒng)和不同的零件)之間的傳遞變得惟一和即時。這樣,才有了真正意義卜的自頂向下設(shè)計,及以這種設(shè)計為基礎(chǔ)的并行設(shè)計,后者是團隊設(shè)計的基礎(chǔ)。

    2以"布局草圖為核心"的自頂向下設(shè)計

由于自頂向下設(shè)計是從產(chǎn)品的頂層開始,通過在裝配中建立零件來完成整個產(chǎn)品設(shè)計的方法,為此,我們在產(chǎn)品設(shè)計的最初階段,按照該產(chǎn)品的最基本的功能和要求,在設(shè)計頂層構(gòu)筑布局草圖,用這個布局草圖來充當(dāng)產(chǎn)品的頂層骨架。隨后的設(shè)計過程基本上都是在這I、基本骨架的基礎(chǔ)上進行復(fù)制、修改、細化和完善,最終完成整個設(shè)計的過程〕。

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從產(chǎn)品的空間結(jié)構(gòu)上來看,布局草圖能夠代表產(chǎn)品模型的主要空間位置和空間形狀,能夠反應(yīng)構(gòu)成產(chǎn)品的各個子模塊之間的拓撲關(guān)系,以及其主要運動功能;從其自身的不斷發(fā)展以及它與后續(xù)設(shè)計的繼承和相關(guān)關(guān)系上來看,它是整個產(chǎn)品自頂向下設(shè)計展開過程中的核心,是各個子裝配之間相互聯(lián)系的中間橋梁和紐帶。因此,在建立布局草圖時,更注重在最初的產(chǎn)品總體布局中捕獲和抽取各子裝配和零件間的相互關(guān)聯(lián)性和依賴性。這就是布局草圖的真正內(nèi)涵。

傳統(tǒng)的裝配是零件之間的互相貼合、定位或者對齊。但是,在自頂向下設(shè)計中的裝配卻是子裝配及零件都裝配在同一基準即布局草圖(它包括基準點、線、面;空間的點、線、面或者是產(chǎn)品的點、輪廓線、輪廓面等)上,最后用這個可以不斷變更、發(fā)展的頂層基本骨架來控制整個產(chǎn)品的設(shè)計。以布局草圖為核心的頂層基本骨架的主要功能包括以下幾點。

a.管理。頂層基本骨架可以被用來管理大型的裝配設(shè)計,允許設(shè)計者僅僅調(diào)出頂層裝配的基本骨架到內(nèi)存中,來控制整個產(chǎn)品的設(shè)計及其更改。頂層基本骨架包含了重要的設(shè)計基準,如:基座的位置,產(chǎn)品的外形,子裝配,零件及設(shè)計參數(shù)(如:最重要的尺寸所需要的空間要求)?？梢栽陧攲訉竟羌苓M行更改,而這些更改將被會傳遞到其下的所有子系統(tǒng)中。

b.組織。頂層基本骨架可以增強零件在裝配中的相互關(guān)聯(lián)和依賴性。這些存在于實際裝配之中的相互關(guān)聯(lián)和依賴關(guān)系可以很好地在最初的總體布局中被捕獲并抽取出來,構(gòu)成頂層基本骨架,為子裝配和零件所享用,在稍后舉出的設(shè)計實例中,將體現(xiàn)出這種組織上的"關(guān)聯(lián)性",即當(dāng)我們修改了某個零件的參數(shù)之后,另外的一個以這個零件為參照的零件的參數(shù)也會相應(yīng)的變更。

c.共享數(shù)據(jù)。一個有組織的裝配骨架允許信息在不同層次間共享,如果在某一層發(fā)生改變,那么和它相關(guān)聯(lián)的裝配和零件都能夠獲得這種最新的改變。這種好處是使得團隊合作成為可能,在這個團隊中有不同的子團體和個體,他們分別在進行不同的子裝配和零件設(shè)計時,由于這種數(shù)據(jù)的共享和在內(nèi)存中存在的惟一性,使得一個復(fù)雜的裝配設(shè)計在早期就可以分解成不同的、簡單的子裝配和零件,進而分配給不同的子團體和個人,從而體現(xiàn)出自頂向下設(shè)計思想對并行工程的支持。

d.變更的傳遞。可以用頂層基本骨架來控制變更。產(chǎn)品的變更結(jié)果是在零件中產(chǎn)生而在產(chǎn)品的頂層實施。具體方法是:在裝配的頂層通過對捕捉到的設(shè)計意圖進行更改,再通過參數(shù)設(shè)計的關(guān)聯(lián)性將這種變更傳遞給下一級子裝配或零件以及相應(yīng)的模具。

3布局草圖的建立及其功能

a.確定設(shè)計意圖。所有的產(chǎn)品設(shè)計都有一個設(shè)計意圖,不管它是創(chuàng)新設(shè)計還是改良設(shè)計?？傇O(shè)計師最初的想法、草圖、計劃、規(guī)格及說明都可以用來構(gòu)成產(chǎn)品的設(shè)計意圖。它可以幫助每個設(shè)計者更好地理解產(chǎn)品的規(guī)劃和零件的細節(jié)設(shè)計。

b.定義初步的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包含了一系列的零件,以及它們所繼承的設(shè)計意圖。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可以這樣構(gòu)成:在它里面的子裝配和零件都可以只包含一些從頂層繼承的基準和骨架或者復(fù)制的幾何參考,而不包括任何本身的幾何形狀或具體的零件;還可以把子裝配和零件在沒有任何裝配約束的情況下加人裝配之中。這樣做的好處是,這些子裝配和零件在設(shè)計的初期是不確定也不具體的,但是仍然可以在產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計時把它們加人裝配中,從而可以為并行設(shè)計作準備。

c.在整個裝配骨架中傳遞設(shè)計意圖。重要零件的空間位置和尺寸要求都可以作為基本信息,放在頂層基本骨架中,然后傳遞給各個子系統(tǒng),每個子系統(tǒng)就從頂層裝配中獲得了所需要的信息,進而它們就可以在獲得的骨架中進行細節(jié)設(shè)計了,因為他們基于同一設(shè)計基準。

d.子裝配和零件的設(shè)計。當(dāng)代表頂層裝配的骨架確定,設(shè)計基準傳遞下去之后,可以進行單個的零件設(shè)計。這里,可以采用兩種方法進行零件的詳細設(shè)計:一種方法是基于已存在的頂層基準,設(shè)計好零件再進行裝配;另一種方法是在裝配關(guān)系中建立零件模型。零件模型建立好后,管理零件之間的相互關(guān)聯(lián)性。用添加方程式的形式來控制零件與零件之間以及零件與裝配件之間的關(guān)聯(lián)性。

    4實例應(yīng)用

本節(jié)將通過儀器板的設(shè)計實例來進一步展示上述基于布局草圖的自頂向下設(shè)計思想。設(shè)計平臺是參數(shù)化設(shè)計軟件SolidWorks。設(shè)計步驟如下:

    a.建立布局草圖。

首先,選定產(chǎn)品的重要參考面,由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比較簡單,我們將SolidWorks中的上視基準面、左視基準面和前視基準面作為產(chǎn)品的重要基準面。然后,在上視基準面上根據(jù)各零件的形狀和相互之間的位置關(guān)系,做出布局草圖,如圖2所示。

    b.在裝配體中加人新零件。

布局草圖建立之后,就可以插人到裝配的環(huán)境下,作為自頂向下設(shè)計的骨架,完成零部件的設(shè)計。我們要在裝配環(huán)境中加入新的零部件,必須給它起個名字并選取一個平面(或平坦的表面)。此平面決定了新零件的前參考平面,這名字作為新零件的文件名。創(chuàng)建新零件時,所選的平面/表面是活動草圖,系統(tǒng)進入編輯零件模式。用標準方法來創(chuàng)建零件,并且可以參考裝配體中的其他幾何體。當(dāng)創(chuàng)建一個特征,想要參考其他零件中幾何體時,這個特征就是所謂的關(guān)聯(lián)特征。比如,參考一根軸的邊在另一個零件中創(chuàng)建一個配合孔,可以在軸和孔間創(chuàng)建關(guān)聯(lián)。軸的直徑變化了,那么孔的直徑也相應(yīng)變化。在設(shè)計這個儀器板的時候,可以分別參考布局草圖中的矩形和圓草圖,來建立新的零件。這樣,我們就建立了一些關(guān)聯(lián)特征。在設(shè)計水平管和豎直管的時候,由于交叉管的相貫線很難單獨生成,如果以豎直管為參照面,那么生成相貫線就容易了,而且當(dāng)改變豎直管的直徑后,水平管也會相應(yīng)的改變。依照上述方法,可以設(shè)計出如圖3所示的儀器板。

c布局草圖在產(chǎn)品變更中的作用。

當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計完成后,可以在布局草圖中修改相關(guān)的參數(shù),這樣就會直接反映到零部件上去。比如改變草圖上圓的半徑或者矩形的長、寬。那么,零件與之相關(guān)聯(lián)的孔徑或者長、寬就會相應(yīng)地發(fā)生變化。改變草圖上零件之間的位置關(guān)系,那么儀器板上各個零件之間的位置關(guān)系也會相應(yīng)發(fā)生改變。如圖4所示。

5結(jié)束語

在自頂向下的參數(shù)化設(shè)計中,以布局草圖為核心的上層骨架設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品整個設(shè)計過程中信息的傳遞、共享、繼承和變更;這種創(chuàng)新性的設(shè)計思想和方法不僅支持團隊間的并行設(shè)計和相關(guān)設(shè)計,而且為有一定設(shè)計經(jīng)驗的技術(shù)人員提供了基于參數(shù)化技術(shù)的自頂向下設(shè)計方法:以布局草圖作為自頂向下設(shè)計過程中信息傳遞的紐帶,在產(chǎn)品的上游設(shè)計階段,它可以作為產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)功能框架,然后在裝配的環(huán)境中生成各子裝配和具體零件的細節(jié)設(shè)計,它們之間的相關(guān)吐由傳遞和繼承得以體現(xiàn)。