基于特征和參數化的設計導航在活塞設計中的應用*

張善輝，楊超英， 何海波

(1.山東大學 控制科學與工程學院，濟南 250061；2.山東山大華天軟件有限公司，濟南 250101)

基于特征和參數化的設計導航在活塞設計中的應用*

張善輝1，楊超英2， 何海波2

(1.山東大學 控制科學與工程學院，濟南 250061；2.山東山大華天軟件有限公司，濟南 250101)

為深化三維CAD系統的應用，使之成為專業技術最好的載體，討論了參數化設計、基于特征的設計和基于特征的參數化設計方法的應用，并對基于特征和參數化的設計導航定制方法進行了研究，建立了一種產品設計可視化、流程化及工程師所熟悉的語言構成的設計導航，并在活塞設計中進行了應用。結果表明，導航將資深設計員工的設計經驗以參數化驅動的特征、規范的設計流程、準確的規則判斷和驗證方法等形式沉淀于企業內部，可以提高模塊化、系列化產品的設計效率和品質，加強企業設計知識和過程的積累。

參數化設計；設計導航；活塞設計；特征建模

0 引言

三維CAD系統具有可視化好、形象直觀、易編輯修改、設計效率和質量高等特點[1]，可以為企業數字化的各類應用環節提供完整的設計、工藝、制造等信息，三維CAD系統取代傳統的二維CAD系統成為必然。目前，三維CAD系統已經在國內外得到廣泛應用，逐步取代傳統的純二維CAD系統成為大勢所趨。但是，目前設計人員對三維CAD軟件的使用水平仍然處于初級階段，集中于使用通用的建模功能，完成產品的三維模型。要想使三維CAD系統成為專業技術最好的載體，必須將先進的設計思想和方法與三維CAD系統進行緊密融合，深化三維CAD系統的應用。

在三維CAD系統的深化應用過程中，逐步暴漏出三個典型問題：① 三維CAD系統的潛能沒有得到充分發揮，CAD是計算機輔助設計，而不單純是輔助繪圖或建模[2]；②隨著優秀的技術人員退休或者離職，產品技術訣竅也隨之一起流失； ③ 企業老員工精通于行業設計，而新員工擅長三維CAD的應用，兩者的優勢缺少粘合劑。因此，大量研究人員對專業化的CAD平臺進行了研究，并定制了面向各類產品的設計平臺[3-5]。但是，它們大多存在以下不足：平臺開發工作量大；適用范圍比較局限；除去通用的CAD系統以外，員工要花費一定的時間去學習新平臺的使用。因此，基于設計人員熟悉的CAD系統，方便快捷的建立用戶所熟悉的語言構成的設計系統，企業對其具有迫切的需求。

為此，本文結合活塞產品的設計，研究了基于三維CAD的常用設計方法，并將基于特征的參數化設計方法應用于設計導航，把設計特征、設計參數、經驗融入到設計過程中，建立與三維CAD系統建模過程的交互，使得企業設計經驗和CAD操作技巧融合在一起，通過導航式的設計過程指導設計人員進行產品設計，達到提高設計效率和品質、實現知識積累的效果。

1 基于特征的參數化設計方法

1.1 參數化設計方法

隨著客戶需求的多樣化，企業的產品逐步表現出模塊化、系列化和變型化的設計特點。為此，產品設計中大量選用標準化、通用化和系列化的零件，這就為參數化設計提供了用武之地。

參數化設計的核心是基于對圖形數據操作的參數驅動機制，通過修改圖形參數或改變部分尺寸，自動實現相關部分的改動，完成幾何尺寸滿足約束條件的圖形設計[6]。通用的CAD系統均具備參數化造型的功能，可以支持參數化設計方法。系統以線框模型、表面模型和實體模型為基礎，從工程應用的更高層次來定義幾何模型[7]。憑借強大的草圖設計、尺寸驅動修改圖形等功能，參數化造型技術可以大大提高拓撲結構基本不變、結構類似的產品的設計速度和質量[8]，成為設計自動化所采用的關鍵技術之一。參數化設計可以應用于企業產品模塊、系列的梳理工作，是企業設計知識積累的有效手段。

1.2 基于特征的設計方法

除去產品圖形數據間的參數驅動，機械零件產品還通常按照一定特征進行設計制造。特征是具有工程含義的幾何實體，為設計者提供了符合人們思維的設計環境，設計人員不必關注組成特征的幾何細節，而是用熟悉的工程術語闡述設計意圖的方式來進行設計。基于特征的設計方法已被公認為是解決產品開發與過程設計集成問題的有效手段。

在CAD系統中，特征建模技術是幾何造型技術的自然延伸，它直接用特征來定義零件的幾何結構，對形體的組成及信息的描述更具工程含義[9-10]。因此，特征建模技術將復雜的模型進行分類簡化，滿足了高層次抽象描述的需要，既可以提高幾何建模的效率，又可以推動各行業實踐經驗的歸納和總結，從中提煉出更多的規律性知識。

1.3 基于特征的參數化設計方法

綜合分析可以發現，基于特征的設計方法力求全面的表達零件或組件所攜帶的設計、制造或裝配的信息，可以直接體現設計的意圖，而參數化設計方法則利用參數驅動機制方便零件的快速變型和修改。因此，在實際的產品和零部件設計過程中，較多的是采用基于特征的參數化設計方法，將基于特征的建模與參數化有機結合起來，即對零件的特征采用參數化造型，用變量設計法定義特征并操作，從而實現零件的快速設計。這種方法使特征本身包含參數化設計所需的成員變量和成員函數，采用帶有語義的特征描述方式，通過改變參數，隨時調整產品的結構和尺寸，驅動特征隨之變化[11]。在產品設計特別是系列化、模塊化產品設計時，基于特征的參數化設計更顯示出其方便、快捷、有利于知識積累的優勢。

2 基于特征和參數化的設計導航

隨著企業業務的不斷發展，產品系列越來越多，員工更替頻繁，如何有效利用已經積累的經驗，快速融入企業產品設計過程中，成為下一代設計方法的必備功能。而建立典型產品的可視化、流程化及工程師所熟悉的語言構成的設計導航，指導設計人員輕松、高效、無誤地完成設計任務，成為一種解決上述問題的有效方法。設計導航需要融合現有的基于特征的參數化設計方法，將產品的標準化設計流程、工程計算、設計規范、數據和CAD建模等復雜命令操作進行集成，實現企業設計知識和經驗的積累和優化。由于設計過程是一個反復迭代的過程，存在設計問題的不可預見性，因此設計導航不能是單一的流程式的導航，它必須也具備與CAD建模操作的交互性，以此確保產品設計的質量。

目前，國內外CAD軟件的種類很多，本文選取了國產三維CAD系統SINOVATION作為實現基于特征和參數化的設計導航的目標平臺。SINOVATION軟件的優勢有：①具備所有源代碼，包括幾何造型內核，方便各類功能的開發和升級；②擁有強大的特征建模、參數化建模功能，可以滿足通用機械零部件的產品設計；③可以支持3萬件以上復雜產品的裝配設計；④提供動態設計導航功能，可以管理企業的產品設計流程和各類數據；⑤ 可以提供豐富的數據交換功能，對流行軟件、標準格式進行轉換、交互和兼容；⑥具備功能完善的API應用開發平臺，支持用戶對平臺的自定義與二次開發。

設計導航的形成是一個從無至有的過程，如果完全依靠設計人員編寫程序開發，工作量將及其龐大，且周期長。因此，在SINOVATION基礎功能的基礎上，為簡化設計人員對設計導航的定義過程，提高系統的定制效率，本文規劃了一種方便快捷的設計導航定制流程，包括設計過程錄制、命令編輯、信息調整、設計導航執行四個步驟，流程如圖 1所示。

(1)錄制用戶設計過程，生成CSV命令記錄文件。對于企業來講，資深設計人員的設計經驗尤為可貴，其設計過程的操作將是設計導航定制的基礎。在此設計過程中，采用基于特征的參數化設計方法將為后續的設計導航定制提供方便。

(2)將存儲用戶操作命令的CSV文件轉換為JavaScript文件、HTML文件、參數文件。便于設計導航以網頁的形式顯示，并為下一步的控件設置、參數修改提供方便。

(3)設置設計導航中的各個步驟、參數和交互操作，并生成設計導航的XML文件。這一步驟是定制設計導航的關鍵，將對錄制的設計過程進行篩選和調整，明確每一操作步驟的順序(包括特征的選取、特征的定位、裝配順序等)、導航與設計人員的交互方式、設計參數的類型(CAD輸入、設計導航默認、參數化公式或幾何約束)等。

(4)讀入設計導航XML文件，并提供給設計人員執行。

圖1 設計導航的定制流程

在設計導航的制作與使用過程中，需要不斷調用CAD系統的建模、工程圖、裝配等模塊，并進行交互；還可能使用內部或外部數據源中的各類參數、規則、函數等。同時，設計導航可以支持各種復雜的二次開發。因此，設計導航并不是一個獨立的模塊，它需要與多個模塊和功能進行協作，交互關系如圖2所示。

圖2 設計導航與各功能模塊的交互

3 設計導航在活塞設計中的應用

活塞是發動機的重要組成部件，具有結構復雜、工作狀況惡劣、設計困難的特點。用傳統的設計方法需反復試驗、試制，不斷修改才能定型，這對設計人員掌握完整的活塞設計帶來了挑戰。對于設計和生產活塞產品的企業而言，經過幾十年的研發積累，企業已經形成了系列化的產品，在活塞的設計需求、結構組成、特征篩選、性能分析等方面已經積累了豐富的經驗和流程，且存在設計困難的活塞群部、燃燒室、內腔等結構已經積累了豐富的成功實例。因此，選取活塞設計作為基于特征和參數化的設計導航的應用目標具有代表性，且擁有重要的經濟價值。

在定制基于特征和參數化的設計導航之前，必須將活塞結構中的典型特征抽取出來，分析各種特征的不同結構形式，并建立參數化的約束關系，確保設計的聯動，例如活塞的燃燒室特征、冷卻油腔特征、銷孔特征等均具有多類結構。然后，按照約定的位置或根據實際需要，依據先后次序進行拓撲運算，得到基于特征的活塞參數化三維實體模型。這一過程的錄制是進行后續設計導航編輯和執行的基礎。基于此，在信息設置階段，將各類參數化特征、設計計算過程、經驗和規則等定義于設計導航中，并調整產品設計過程的步驟。這一過程是逐步添加、豐富的過程，也是設計知識積累和設計過程沉淀的過程。通過上述方法，以某企業的活塞產品為例，建立了如圖3所示的活塞設計導航流程。

圖3 活塞設計導航的流程

(1)新建設計項目：每一次活塞設計導航的執行都對應一個設計項目，活塞的后續設計取決于輸入的客戶需求。

(2)選擇結構：根據用戶需求，選擇活塞的結構類型。在此設計導航中，根據企業活塞產品的系列化程度，建立了面向高速大功率活塞、中速機活塞、中小型高速活塞、特殊用途活塞等幾類活塞的主要結構及其對應的氣環數量、可選冷卻油腔結構等，如圖4所示。導航中各類結構的建立均集合了基于特征的參數和設計方法，既保證了結構的穩定性，又確保了結構可以根據客戶需求進行調整。

圖4 可選冷卻油腔結構

(3)確定主要參數：根據活塞的結構類型，可以人工輸入結構各部分的參數，也可以根據以往的經驗，由導航提供推薦值。參數確定之后，需要驗算參數的取值范圍是否滿足設計要求，并確定活塞環岸的強度。最后，生成滿足要求的活塞外形。

(4)活塞外形組成：對于活塞的外形設計，需要完成外回轉面、窗口、燃燒室三個部分的設計，每一部分都根據需要建立了多個可選結構供設計人員選擇，并提供了相應的結構選擇依據和條件作為參考。需要注意的是，由于活塞燃燒室的結構比較復雜，在設計導航中將燃燒室的設計拆分為頂部燃燒室模和燃燒室修形模兩部分，方便設計人員的操作。因此，活塞外形=外回轉面-窗口模-頂部燃燒室模-燃燒室修形模，是四個模型之家的布爾運算，如圖5所示。

圖5 活塞外形的組成過程

(5)活塞內芯組成：同活塞外形組成類似，活塞內芯的設計也需要完成內回轉面、內芯修形、銷座、倒角四部分的結構選擇和設計。最終，活塞內芯=內回轉面 -內型腔修形模-銷座，如圖6所示，并完成倒角。

圖6 內芯組合成形的過程

(6)活塞組成：在活塞外形、內芯設計完成后，完成止口、銷孔的結構選擇和設計。最終，活塞=外形-內芯-止口-銷孔，如圖7所示。

圖7 活塞組合成形的過程

(7)有限元分析驗算：活塞模型完成之后，需要進行應力分析、疲勞分析、溫度分布、變形分布的計算，SINOVATION既提供了滿足通用結構分析的CAE功能，也可以集成第三方的CAE軟件，輸出和輸入結果，如圖8所示。

圖8 活塞有限元分析操作

(8)輸出結果：根據最終的設計結果，可以輸出二維圖紙、三維模型和設計計算書，如圖9所示。

圖9 計算書的輸出

在設計導航執行的過程中，需要注意的是各類特征、結構的組合既可以采用導航中默認的建立方法，也可以根據實際情況進行參數調整、結構修形等操作。而且，設計導航與CAD建模窗口之間是不斷交互的過程，并不是完全脫離CAD建模，例如燃燒室建模過程中，邊界線和約束線的選取、面的擬合等。這種方式更加靈活，確保了設計人員能夠隨時了解產品的設計過程，又可以根據設計結果不斷修正設計過程。

4 結束語

本文將基于特征的參數化設計方法應用于產品設計過程，并基于國產三維CAD軟件SINOVATION規劃了一種方便快捷的設計導航定制流程，該流程簡化了設計人員對設計導航的定義過程，提高了系統的定制效率。通過在活塞產品設計過程中的應用，驗證了方法的可行性和實用性。它既可以將企業已有知識融入到產品設計過程之中，又可以借助特征和參數驅動機制的優勢，梳理企業產品設計模式，同時緩解新舊員工更替帶來的知識斷層的弊端。

[1] 劉文華, 陶學恒, 馬麗敏. 三維CAD技術在SCARA機器人設計中的應用[J]. 組合機床與自動化加工技術, 2007 (7): 90-92.

[2] 張立榮. 三維CAD技術在機械設計中的應用[J]. 煤炭技術, 2011, 30(2): 16-18.

[3] 文永蓬, 劉釗, 尚慧琳, 等. 集裝箱起重機梯子平臺智能布梯快速設計系統[J]. 同濟大學學報(自然科學版), 2008, 36(11): 1579-1583.

[4] 余貴珍, 吳成武, 丁能根, 等. 犁體參數化設計系統的研究[J]. 農業機械學報, 2008, 39(3): 49-51, 36.

[5] 陳龍, 王進, 陸國棟. 三維服裝參數化設計技術[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報, 2011, 23(9): 1504-1511.

[6] 張蘭挺, 張義成. 基于特征的機械零件參數化建模技術研究[J]. 內蒙古工業大學學報, 2012, 31(4): 48-52.

[7] Javier M. Parametric Design：a Review and Some Experiences [J]. Automation in Construction, 2000, 9(4): 369-377.

[8] 盛忠起, 謝華龍, 林東玲, 等. 基于UG的冷沖模造型設計系統[J]. 機械設計, 2005, 22(2): 1318-1321.

[9] 孫家廣. 計算機輔助設計技術基礎[M]. 北京: 清華大學出版社, 2000.

[10] 閆曉玲, 王望龍. 基于特征與約束理論的機械通用件CAD建模及參數化設計[J]. 制造技術與機床, 2010(1): 42-46.

[11] 白賀斌, 徐燕申, 曹克偉. 基于特征的CAD參數化建模技術及其應用[J]. 機械設計, 2005, 22(2): 14-15, 21.

(編輯 李秀敏)

The Application of Design Navigation Based on Features and Parameterization in Piston Design

ZHANG Shan-hui1, YANG Chao-ying2, HE Hai-bo2

(1.School of Control Science and Engineering, Shandong University, Jinan 250061, China;2.Shandong Shanda Hoteam Software Co., Ltd, Jinan 250101, China)

To deepen the application of 3D CAD system and make it the best carrier of professional technologies, parametric design, feature-based design and feature-based parametric design were discussed, and a customizing method of design navigation based on features and parameterization was researched. Design navigation was established with language engineers were familiar with, and can make product design visualized and processed. This method was applied in piston design, and was approved to be effective in design knowledge accumulation. In this navigation, design experiences of senior staff can be accumulated within the enterprise in forms of parameterized features, standardized design process, precise rules and verified methods. Design efficiency and quality of modularized and serialized products were improved, and the accumulation of design knowledge and design process was strengthened.

parametric design; design navigation; piston design; feature modeling

1001-2265(2014)05-0005-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.002

2013-09-11

國家高技術研究發展計劃(2012AA040903)；山東省自然科學基金(ZR2011EEQ017)

張善輝(1982—)，女，濟南人，山東大學講師，博士，研究方向為CAD/CAM、協同設計、知識管理，(E-mail)happy7054@163.com。

H166;TG65

A