產品參數化設計方法研究

李 鴻

（淮安蘇減金象機械制造有限公司，江蘇 淮安 223002）

參數化設計是指參數化模型的尺寸用對應關系表示，而不需用確定的數值，變化一個參數，將自動改變與它相關的尺寸。參數化設計是提高設計效率一種方法，基于尺寸驅動的參數化設計[1]，其原理是修改原始幾何模型的尺寸參數來滿足當前設計要求，從而產生結構相似、尺寸不同的系列產品。本文提出了基于鏈狀結構、星型結構和網狀結構的產品結構分解，并通過構建參數傳輸矩陣方程來確定參數化關系。

1 產品參數化

產品參數化的一般過程可分為三個步驟：第一，產品的結構分解，分析產品各個零部件之間的尺寸關系，建立零件、子裝配體、總裝配體之間的參數拓撲關系；第二，產品的參數化建模，確定驅動尺寸和從動尺寸的參數關系；第三，修改驅動尺寸，與之關聯的從動尺寸按建立的拓撲關系隨之改變，以達到設計的要求。

1.1 產品結構分解

圖1 鏈狀結構

（1）鏈狀結構。從零件或子裝配體的驅動尺寸P1開始，按一定的參數關系推演出與之相關的從動尺寸，然后以這一從動尺寸為驅動尺寸，用相同方法推演出下一個從動尺寸，直至完成所有從動尺寸的推演，如圖1 所示。這種參數化關系是建立在零件基礎上的“鏈狀”關系，零件的參數化尺寸是“鏈”的一個節點。其缺陷在于尺寸關系比較凌亂，并且只要鏈中的一個節點出現異常將影響整個參數關系。

（2）星型結構。星型結構如圖2 所示，把裝配體Assembly分解成子裝配體B0、B1、B2…Bm，每個子裝配體中含有若干個零件。采用星型結構建立子裝配體零件之間的關系，以圖中B1為例確定核心零件集合P10（包含B1中所有驅動尺寸），其余B1中的其它零件都與P10建立關聯關系，即P10中的尺寸為驅動尺寸決定其它的從動尺寸。同樣在建立子裝配體之間的關系時，先確定核心的子裝配體集合B0，再把其它的子裝配體的接口尺寸與B0相關尺寸關聯。

圖2 星型結構

這種結構的優點是層次清楚、參數關系明確，當需要添加或刪除子裝配體時只需建立或刪除與核心子裝配體的關聯關系即可。

（3）網狀結構。網狀結構如圖3 所示，其與星型結構的區別是每個子裝配體之間是并列關系，而不是星型結構中的核心子裝配體集合；子裝配中的零件也是并列的。它們的關系是雙向的，任何一個都可作驅動尺寸也可以作從動尺寸。

圖3 網狀結構

2 參數關系確定與參數傳輸

對產品進行結構分解后，需要確定參數的傳輸路徑和方式，從而確定各級之間的參數化關系，即確定驅動尺寸與從動尺寸之間的參數關系。以星型結構中B0,B1為例分析參數的傳輸路徑。首先，設計者需要輸入核心子裝配體集合B0的驅動尺寸，通過參數關系得到B0的從動尺寸B1。同樣也可以得到其它子裝配體的從動尺寸，從而完成參數化的過程，并可得到原始產品的一個系列產品。參數關系是由比例因子k和關系常數C決定的參數傳輸矩陣方程來確定。

Λm是由比例因子kmn組成的對角陣，D是由驅動尺寸dn組成的矩陣，D＇是由從動尺寸組成的矩陣，C是由常數因子cn組成的矩陣。

3 產品參數化的應用

根據產品的分解和參數化關系的建立，產品被分解為有確定關系的三級即總裝配體級、子裝配體級和零件級。在三維CAD軟件上，按上述思想建立三維參數化模型。設計者通過改變驅動尺寸，進行參數化，生成系列產品。

施密特望遠鏡的系列化。首先，對施密特望遠鏡進行結構分解，把施密特望遠鏡鏡筒分解為六個部分，見圖4 。

圖4 施密特望遠鏡鏡筒內部結構

整個系統是由它的光學參數和機械尺寸決定的，設定主鏡的焦距、直徑、厚度以及改正鏡的厚度、直徑、改正鏡到主鏡距離為驅動尺寸。根據上述產品分解思想把主鏡室和改正鏡組確定為核心子裝配體，見圖5 。

圖5 以主鏡室和改正鏡組為核心零件

確立驅動尺寸和從動尺寸之間的關系，以建立三葉架中的三葉片高度H與主鏡直徑Z_D的參數關系為例闡述驅動尺寸和從動尺寸之間參數關系的確立。圖6 中，三葉片中T_D為從動尺寸，Y_D1、t為不變尺寸，T_D與主鏡直徑Z_D關聯。而在三葉架子裝配體內部T_D為驅動尺寸，H為從動尺寸。經分析有：T_D=1*Z_D,H=0.5*T_D－(0.5*t+0.5*Y_D1)，

所以式(1)中的i=2,

對角陣中的比例因子k11＝1,k21=0.5,

關系常數c1=－(0.5*t+0.5*Y_D1)，其余的尺寸同樣可以形成式(1)的形式。

圖6 確定三葉片高H的參數關系

選用Solidworks作為三維建模環境，建立施密特望遠鏡模型。用上述方法對各零件、子裝配體添加參數關系，得到施密特望遠鏡的一個系列。

4 結語

參數化方法在施密特望遠鏡系列化中得到了很好的應用。提出基于星型結構與網狀結構對產品進行分解，可以刪除、添加零部件而不影響其它結構關系；通過構建參數傳輸矩陣方程確定參數化關系，兩者結合提高了產品的可擴展性，方便產品的再設計。實踐證明，通過該方法進行產品的系列化設計，能快速響應市場、縮短設計周期、降低開發成本而且可擴展性好。

[1]魏鐵華.模化與系列化設計[J].水利電力機械，1998，2(1):56～60.

[2]譚建榮，宗曄.系列化產品的CAD及工程圖輸出[J].浙江大學學報，1994，28(3):364～369.

[3]陳喜東.CAD制圖中系列化設計的基本方法[J].石油化工高等學校學報，1994，7(4):45～49.

[4]陳修龍，鄧昱.實體參數化約束裝配系統的開發[J].機械科學與技術，2003，22(3):514～516.