機械壓力機參數化設計的研究

葉新

（杭州師范錢江學院電氣信息系機械063班，浙江 杭州310000）

1 前言

參數化設計思想最早產生于美國，從七十年代末就開始了研究，起初屬于二維參數化設計范疇。如美國的I-DEAS采用動態導航(Dynamic Navigator)作圖，用以捕捉設計意圖，在用戶交互作圖過程中確立圖元之間的平行、垂直等約束關系。CV公司的DesignView參數化設計軟件采用先作圖和標注尺寸，然后用戶交互制定哪些尺寸值可以顯式修改，哪些尺寸值固定不變或隱式修改。在國內，中科院北京軟件工程研制中心開發的PICAD，其作圖過程是首先勾畫草圖然后標注尺寸，由用戶輸入參數表，參數表的內容可以是數值，也可以是表達式，每改變一次參數就出一幅新圖。由上海交大、南方CAD中心開發的智能化二維繪圖系統，作圖首先是作草圖，由系統自動產生草圖狀態的幾何變量。當設計師加完約束后，系統根據約束狀況產生聯立方程組，然后自動求解。變量化技術是參數化技術的進一步發展。變量化技術也是以幾何約束系統來表示幾何模型，并通過求解幾何約束系統的非線性方程組實現變量化模型的求解。在變量化圖形的幾何約束系統中，幾何約束方向沒有確定，在幾何約束求解時經幾何推理得到。與變量化建模相比，參數化建模偏重于圖形生成的過程，記錄信息是順序生成的幾何元素之間的約束關系，這種記錄過程與幾何元素的生成次序有關。而變量化建模側重于幾何元素之間的約束關系，即設計者包含在圖形中的設計意圖，與設計的過程關系不大。變量化建模將各幾何元素之間的約束關系轉化為非線性約束方程組，通過聯立求解來重建圖形，因此變量化設計是允許欠約束的設計，允許用戶不必關心約束設置的順序，符合用戶的設計習慣。嚴格意義講，參數化設計是變量化設計的子集。

2 參數化設計技術概述

參數化方法的本質即是基于約束的產品描述方法，這是由于產品的整個設計過程就是約束規定，約束變換求解以及約束評估的逐步求精過程。因此與傳統設計方法的最大區別在于，參數化設計方法通過基于約束的產品描述方法實際上存儲了產品的設計過程，因而它設計出一族而不是某個單一的產品。另外參數化設計能夠使工程設計人員在產品設計初期無需考慮具體細節而能夠盡快草擬零件形狀和輪廓草圖，并可以通過局部修改和變動某些約束參數而不必對產品設計的全過程進行重新設計。

約束是參數化設計的核心。參數化設計的過程，可以認為是一個約束指定、約束求解和約束滿足的過程。約束一詞在不同的領域中有不同的含義。在參數化領域里，約束可以解釋為特定元素之間必須滿足的一組關系。跟約束密切相關的還有兩個基本概念，一個是自由度，一個是約束的約束度。其可分為工程約束和幾何約束兩大類。

2.1 零件參數化設計

零件參數化設計主要有三種實現方法：

2.1.1 尺寸驅動法

它只考慮尺寸及拓撲約束，不考慮工程約束。它采用預定義的辦法建立圖形的幾何約束集，并指定一組尺寸作為參數與幾何約束集相聯系。因此，改變尺寸值就能改變圖形。

尺寸驅動的幾何模型由幾何元素，尺寸約束與拓撲約束三部分組成。此種方法，有兩個前提：(1)模型已經存在;(2)模型尺寸己經完全定義。

2.1.2 程序驅動

程序驅動，其實就是通過程序按照模型建模順序，驅動CAD軟件建模。它不僅考慮了尺寸約束及拓撲約束，還考慮了工程約束。

它對設計人員的編程能力要求較高，需要對CAD二次開發和編程語言掌握到一定程度。

與前者相比較，程序驅動對用戶CAD軟件使用能力較低，能提供友好的交互界面，三維建模不受參數輸入順序影響。但是它也有不足之處，在實現復雜零件參數化設計時，程序一般過于復雜，執行速度明顯不如尺寸驅動，對軟硬件要求較高。因此，我們建議采用第三種方法二者的結合。

2.1.3 尺寸驅動與程序驅動結合

該方法綜合了前面兩種方法的優點，能提供友好的人機交互界面，不受參數設置順序限制，響應速度快，目前的主流微機配置都能滿足。因此，此種方法在CAD二次開發得到了廣泛的應用。

2.2 部件參數化設計

部件級參數化設計有兩種典型的方法，即自底向上建模和自頂向下建模。

2.2.1 自底向上

該過程模仿實際機器的裝配，即把事先制造好的零件裝配成部件，再把零部件裝配成機器。自底向上設計過程也是這樣，先構造好所有的零件模型，再把零件模型裝配成子部件，然后再裝配成機器，產生最終的裝配模型。

在自底向上的設計過程中，如果在裝配時發現某些零件不符合要求，諸如零件與零件之間產生干涉，某一零件根本無法進行安裝等，就要對零件進行重新設計，重新裝配，再發現問題，進行修改。從上述過程可以看出，自底向上設計的優點是思路簡單，操作快捷、方便，容易被大多數設計人員所理解和接受。但自底向上設計的缺點在于事先缺少一個很好的規劃和全局的考慮，設計階段的重復工作較多，會造成時間和人力資源的浪費，工作效率較低。

2.2.2 自頂向下

自頂向下的設計過程是模仿實際產品的開發過程。首先進行功能分解，通過設計計算將總功能分解成一系列的子功能，確定每個子功能的參數;其次進行結構設計，根據總的功能及各個子功能的要求，設計出總體結構及確定各個子部件之間的位置關系，連接關系，配合關系，而各種關系及其參數通過幾何約束或功能的參數約束求解確定;然后分別對每個部件進行功能分解和結構設計，直到分解至零件。當各零件設計完成時，由于裝配模型約束求解機制的作用，整個機器的設計也就基本完成。

自頂向下與自底向上兩種設計方法各有特點，分別適用于不同的場合。例如，在開展系列產品設計時，機器的零部件結構相對穩定，零件設計基礎較好，大部分的零件模型已經具備，只需要補充部分設計或修改部分零件模型，這時，采用自底向上的設計方法就顯得更為方便。而在創新性設計中，事先對零件的結構細節不能非常明了，設計時總是要從比較抽象籠統的裝配建模開始，邊設計邊細化，邊設計邊修改，逐步求精，這時就很難開展自底向上的設計，而必須采取自頂向下的設計方法。這樣就可以使部件的各組件可以相互參照，大部分的關聯關系都由系統自動添加。

圖1 曲柄壓力機參數化設計系統

3 機械壓力機參數化設計系統要求及體系結構

本系統設計的目的是以JH21-100為設計對象，進行三維模型的參數化設計和主要零部件的優化計算，提供一套開式曲柄壓力機設計計算程序及三維參數化設計軟件、主要零部件的優化計算模型及方法。

結合機械壓力機的設計基本要求和特點，本系統功能設計如下：(1)產品三維模型的參數化。主要是根據主要性能參數(滑塊行程、行程次數等)的要求，對典型零部件(曲軸，滑塊，連桿，齒輪傳動，機身等)進行分析計算，提煉出主要設計參數和關聯參數，實現參數化設計。(2)運用數據庫管理技術對輸入/輸出參數進行管理。(3)主要零部件需要生成模型，以便加工生產。(4)要有良好的人機交互界面，方便用戶操作。(5)機身等主要零部件的優化計算模型及方法。確定以減重為優化目標，在滿足性能要求的基礎上，對機身等主要零部件主要尺寸進行優化或對結構進行拓撲優化。

如圖1所示，系統由三大功能模塊組成：基于Solidworks的參數化設計模塊、基于有限元分析及優化的零部件性能分析及優化模塊、以計算程序為主的數據庫模塊。本文介紹的參數化系統是由Solidworks的參數化設計模塊和以計算程序為主的數據庫模塊組成。

參數化設計模塊的基礎是數據庫，參數化設計的結果作為零部件性能分析與優化的輸入。參數化設計模塊和數據庫作為一整體打包在一起，兩者之間的數據傳遞在程序后臺進行；零部件的性能分析與優化模塊為獨立模塊，與參數化設計模塊之間的數據傳遞，需用戶手動完成。

[1]鮑新強，高榮慧.鍛壓機典型零件的參數化設計[J].機械制造與自動化，2007.1：2123.

[2]何予鵬，趙祥雄.機械壓力機監測與智能控制[J].計算機工程與應用，2007, 43(30)：188-189.