基于TBS的變結構體參數化設計方法研究

劉金宏，楊麗紅，甘 屹

(上海理工大學 機械工程學院，上海 200093)

0 引 言

隨著科學技術的發展和日益增長的社會需求，機械產品的類型、規格及性能也隨之發生變化，市場對產品的周期性、可靠性、個性化等要求愈發苛刻[1]。因此，為了快速地設計產品模型，符合現代CAD中概念設計思想，出現了參數化設計的方法。而從產品的空間結構上來看，產品的“頂層基本骨架”類似于該產品的裝配草圖，它能代表產品模型的主要空間形狀和空間位置，能基本反映構成產品的各個子模塊之間的拓撲關系及其主要功能[2]。對提高產品設計數據的標準化、業務流程合理化、系統運行集成化，提高設計效率等方面都具有重要意義。

因此，本研究將以“頂層基本骨架”為設計思想，將自頂向下的模型裝配思想與參數化設計技術相結合，以實現產品的開發與應用。

1 以“頂層基本骨架”為核心的設計思想

1.1 “頂層基本骨架”方法設計

設計產品模型時最初考慮的是產品實現的功能，然后是實現該功能的結構關系，是一個由抽象到具體，由整體到局部的過程。

本研究基于TBS的參數化設計，即在產品設計的最初階段，按照基本功能和要求在設計頂層構筑一個“基本骨架”，隨后的設計過程在此基礎上進行復制、修改、細化、完善并最終完成從整體到局部的設計[3]。

產品的“頂層基本骨架”基于自頂向下的設計思想，能體現產品模型的主要空間形狀和空間位置，能基本反映構成產品的各個子模塊之間的拓撲關系及其主要功能。因此，它是整個產品自頂向下設計過程中的核心，是各個子模塊之間相互聯系的橋梁和紐帶[4]。在構筑“頂層基本骨架”過程中，更注重在最初的產品總體布局中捕獲和抽取各個裝配體和零件間的相互關聯性和依賴性。

自頂向下設計方法很好地體現了這一理念，即在客戶提出需求后，初期就考慮零件之間的定位和約束關系，生成產品的拓撲關系，在完成產品的整體設計之后再對零件(子模塊)進行設計。與傳統的裝配(零件之間的互相貼合、定位或對齊)不同，構筑“頂層基本骨架”設計是子裝配體和零件都裝配在同一基準即基本骨架(包括基準點、線、面；輪廓線、輪廓面等)上，最后用這個可以不斷變更、發展的頂層基本骨架來控制整個產品的參數化設計[5]。

TBS方法主要設計流程如圖1所示。

圖1 TBS方法設計流程圖

1.2 參數化技術

參數化技術指在構造產品模型過程中，將與幾何輪廓相關聯或者對目標產品有影響的尺寸信息進行預定義，通過約束、修改這些已有的參數信息快速重構產品模型從而實現產品高效設計的方法。基于這種參數化思想設計，使得產品模型在不同要求中具有唯一性和適時性。

參數化就是將模型中的定量信息隨客戶需求變量化，系統在實現可變參數的同時，自動維護不變參數的拓撲關系。目前，使用SolidWorks軟件進行參數化設計的主要方式有[6]：參數驅動法(尺寸驅動法)；程序驅動法；模塊參數化等。

隨著現代CAD設計思想越來越成熟，市場上產品的更新換代節奏越來越快，傳統的參數化設計方法遠遠達不到現代設計的要求。尺寸驅動法只局限于尺寸變量化，無法完成模型拓撲結構上的改變；程序驅動法的程序設計工作量較大，要求程序員對SolidWorks API函數具有較好的理解和運用能力，還要對開發語言有較高的掌握能力，因此對大多程序員或剛入行的工作者要求過高；模塊參數化基于現有的模塊化庫，一旦出現新型設計，之前定義的模塊化便不能使用，需重新建庫定義。為了適應當前市場需求，也為了方便當前設計的后續利用，一些企業建立了自己的參數化庫。即具有同一功能但結構類型不同的零件，通過分成不同的類型，建立每一類型的參數設計樣板，然后對每一類型的參數設計樣板分別進行變參數設計，稱之為“變結構體參數化”[7]。該方法可以通過添加或者刪除模板庫里的模板實現模板庫的擴展和修改，既可以改變拓撲結構關系又可以實現尺寸的參數化，大大提高了設計的靈活性。

變結構體參數化設計大致可分為3個步驟，如圖2所示[8]。

圖2 變結構體參數化設計流程圖

(1)功能抽象。根據零件的外形以及功能提取零件的基本結構，將基本結構以草圖的形式表達，形成模板庫；

(2)組合。在建立模板庫基礎上，根據用戶需求添加所需類型的參數樣板，組合成新的模型；

(3)尺寸驅動。在新組合的類型模板上，根據實際需求修改尺寸信息，完成零部件的設計。

綜上所述，常規的參數化設計大都針對同一功能同一結構類型的零件設計，而變結構體參數化可以解決同一功能不同結構類型的零件設計問題。再基于TBS思想對不同結構類型的零件從整體出發，從頂層構建“基本骨架”，逐層設計。兩者相結合形成基于TBS的變結構體參數化設計方法，可以有效地解決企業對不同結構類型零件的參數化設計，既降低了對工作人員的設計要求，又提高了產品研發的效率。

2 基于“頂層基本骨架”思想的EDS設計過程

2.1 EDS概述

EDS將企業的研發、產品系列化、合同處理、設計變更、數據準備等和其他業務功能整合在一個信息管理平臺上，通過參數化、模塊化、三維化實現了設計數據標準化、非標處理自動化。

使用EDS來實現參數化建模的優勢包括：系統提供表格化邏輯編寫界面，工程師可根據產品的數據業務，定制數據格式，使產品研發、設計、工藝、裝箱、采購在同一界面進行數據維護工作，加強工作協作、統一工作平臺；所有研發、設計人員可在界面中進行產品設計、BOM表創建，邏輯維護、尺寸公式編輯，不需編程，設計結果直接用于合同處理，無需專人在PLM(產品生命周期管理)或ERP(企業資源計劃)系統中二次編輯；用戶界面與3D模型關聯，實現設計公式與模型聯動，所有研發、設計人員可通過模型實時校驗設計公式的準確性，輔助產品研發設計，并可自動生成整體模型,工程圖,鈑金展開圖，零件圖，BOM表信息等等。

2.2 EDS的自上而下參數化設計流程

以電梯設計為例，在以往的電梯零部件設計中，一般是根據合同、井道圖、電梯轎廂的大小對電梯零部件圖紙進行相應的修改、設計，即所謂的非標設計，在操作上需要針對每一個需要非標的零部件進行繪圖設計，這就存在圖紙數量較多，相應花費的時間較長、出錯率高、效率低下等情況。

在實際設計的過程中發現，大部分的零部件的尺寸長度大小與轎廂的寬深高變化有關，有很強的邏輯關系，通過運用這種邏輯關系來解決圖紙問題，可以大大減少工作時間，EDS系統用于電梯行業設計就是基于這種思想模式下操作的[9]。在客戶需求之前考慮到產品的定位和約束關系，生成它們的拓撲關系，建立電梯轎廂的頂層基本骨架(TBS)后，通過變結構體參數化編程做到自動判定組合電梯轎廂需要的子級基本骨架(SBS),最后自動約束零件(PART)的尺寸大小等信息。

基于TBS的EDS建模流程如圖3所示。

圖3 基于TBS的EDS參數化建模流程圖

3 以電梯轎廂為例的TBS自頂向下設計過程

在房地產快速發展的拉動下，我國的電梯市場也隨之壯大起來。面對用戶的多樣化和個性化的需求，縮短電梯產品的研發周期，提高產品質量無疑成為電梯公司的首要目標[10-11]。

然而傳統機械產品的圖紙設計、裝配方式已經遠遠趕不上市場的需求，因此，“頂層基本骨架”的設計理念以及參數化設計方法已凸顯得尤為重要。該實例按照電梯行業的設計功能和要求，利用創建的基準面、基準軸等構筑一個“頂層基本骨架”裝配模型。運用EDS作為參數化設計工具，對整體到局部的裝配體、零部件進行逐層設計，根據輸入參數的不同進行相對應的自動模型生成，從而實現了模型裝配技術與以“頂層基本骨架”為核心的參數化設計技術相結合，有效地適應了當前的市場需求。

電梯轎廂整體設計流程如圖4所示。

圖4 基于TBS的電梯轎廂EDS設計流程圖

3.1 轎廂壁板自上而下裝配體建模

3.1.1 創建基準面

參數化建模裝配過程中,要善于運用基準面，尤其是復雜的裝配體需要在裝配前根據變化規則合理創建一系列裝配基準面，如圖5所示。

圖5 建立的基準面示意圖

這不僅僅是為了方便裝配，而是為了避免EDS驅動模型后，導致一些使用實體上的面或特征約束的配合關系丟失，進而造成EDS驅動模型產生錯誤。同時也體現了“頂層基本骨架”的設計理念，根據要求從整體出發，一步步由大到小、由整體到局部的設計。

3.1.2 建立模板庫

根據入口參數的不同，可能生成的三維模型也隨之不同，所以各個零部件的形狀也會有所變化。

在模型設計之前，本研究根據客戶需求的實際情況，將所有的零件、子裝配體等模型先建立出來，精確尺寸不做要求，然后裝配到對應的基準面或基準軸上，同時生成總裝配體工程圖，如圖6所示。

圖6 總裝配體結構圖

3.2 EDS參數化邏輯編寫

3.2.1 總裝配體邏輯編寫

本研究根據入口參數所要求的功能，在特征欄里壓縮不需要的基準軸等信息，需要的信息保持不壓縮狀態；子件狀態欄里包含所有子裝配體和零件信息，根據功能要求從中提取所需要的零部件信息，不需要的零部件在CAD里呈壓縮狀態；最后根據入口參數值確定裝配體模型尺寸大小等信息。

3.2.2 子裝配體與零件邏輯編寫

總裝配體邏輯驅動后，沒有被壓縮的零件需要邏輯控制來達到所需要的尺寸和形狀。特征欄里壓縮不需要的特征(如孔、折邊、鏡像、陣列等)，不被壓縮的特征通過尺寸邏輯關系驅動以獲得所需要的形狀。

3.2.3 EBOM邏輯編寫

EBOM(設計物料清單)：主要是設計部分產生的數據，產品設計人員根據客戶需求進行產品設計，包括產品名稱、產品結構、明細表、產品使用說明書、裝箱清單等信息。EBOM是工藝、制造等后續部分的其它應用系統所需產品數據的基礎，在EDS中通過參數賦值區對其需要的信息進行備注即可。

3.2.4 工程圖標注問題

僅標注在CAD特征上的尺寸，會隨特征壓縮而消失。因此，如果不能直接標注在特征上的尺寸，需要在工程圖中建立標注用的基準軸，通過EDS邏輯控制其是否消失。對于一些復雜的標注，可以通過草圖和圖層加以控制。

3.3 目標模型生成

頂層基本骨架是基于參數化技術的自上而下設計，該實例正是基于TBS設計思想，根據客戶需求，先建立一個“基本骨架”，創建模型庫，再利用EDS對模型庫進行變結構體參數化設計，最后生成的目標三維模型如圖7所示。

圖7 生成三維模型圖

3.4 結果分析

根據電梯轎廂的試驗，基于TBS的變結構體參數化設計方法滿足了從初期客戶需求開始，在建模參數和設計對象的尺寸參數控制方面實現了唯一、實時地對應關系，有效地提高機械產品設計效率，驗證了TBS思想與參數化技術相結合的可行性。

4 結束語

針對現有機械產品設計的個性化、系列化和效率不能滿足客戶需求的問題，本研究利用SolidWorks三維設計軟件和EDS參數化軟件，基于自頂向下的裝配設計方法，建立起了參數化模型，驗證了TBS思想與參數化技術相結合的可行性，為機械產品設計提供了高效的參數化設計系統。

借助該系統，設計人員通過更改裝配模型的主要驅動參數，可以自動并實時地更新不同型號的系列產品；在生成產品零件、裝配體模型的同時自動更新生成工程圖、鈑金圖。

采用該技術可以有效地解決企業對不同結構類型零件的參數化設計，實現產品的系列化生產設計，對提高設計效率、縮短設計周期、增強企業的競爭力有重要的現實意義。