面向裝配級變型設計的產品建模方法研究

汪永輝

上汽大眾汽車有限公司 上海 201800

1 研究背景

隨著市場競爭的日益加劇和客戶需求的多樣化，企業在成本、開發周期等方面面臨巨大壓力。以基型產品為基礎的變型設計能夠快速響應市場，縮短設計周期，降低產品開發成本，提高產品質量。建模是變型設計的必要手段，好的建模方法可以有效表達產品的設計知識和變型知識，進而在模型中無阻礙地傳遞。可見，產品的模型不僅能反映產品的設計結果，而且能描述產品的設計知識和意圖［1］。

產品的變型知識在產品、子裝配體、零件之間傳遞的準確性和速度決定了產品變型設計的效率，如何準確、快速地傳遞變型設計中的信息，是當前企業所面臨的主要問題。

2 產品變型設計分析

2.1 產品結構層次

一個裝配體可以分解為若干不同層次的子裝配體，子裝配體又可以分解為若干更下層的子裝配體和零件，表現為一定的層次性。裝配體、子裝配體、零件之間的這種層次關系可以直觀地表示成一個裝配層次結構［2-4］，如圖1所示。

圖1 產品裝配層次結構

2.2 產品變型設計分類

從圖1中可以看出，產品結構可以由橫向和縱向來分別描述，將橫向定為X軸，縱向定為Y軸，那么產品零件在坐標系中呈離散分布狀態［5］。可見，產品變型設計可以定義為兩種類型：縱向變型設計和橫向變型設計。

X軸方向在某一范圍內保持不變，產品設計沿Y軸方向變型，稱為產品的縱向變型設計。縱向變型設計指產品主要功能參數發生變化，隨之裝配結構及裝配體之間的關系也發生變化，主要由不同零件的重新配合后產生。

Y軸方向在某一范圍內保持不變，在X軸方向上進行產品的變型設計，稱為橫向變型設計。橫向變型設計指產品橫向單元的擴充，以及輔助功能的增加。

在產品的橫向和縱向變型設計中，又可以分為零件級變型設計和裝配級變型設計。

在變型設計中，當X軸、Y軸在某一值上確定時，定位為特定的零件，即零件級變型設計。在這種情況下，變型設計過程相對簡單，所牽涉到的關系也比較單一。

當X軸、Y軸在某一較大范圍內變化時，表現為特定的裝配體，即裝配級變型設計。在裝配級變型設計中，設計過程相對復雜，涉及的關系較多。產品裝配層次結構的關系如圖2所示。

圖2 產品裝配層次結構關系

3 變型設計主要內容

通過總結大量的設計實例［6］，結合上述定義，可將變型設計主要內容歸納為以下幾個方面。

（1）數量變化。機械產品結構中零件的輪廓線、輪廓面、工作面，甚至是整個零件均可認為是變型元素，通過改變產品結構中變型元素的數量，以實現產品局部結構的變化。

（2）形狀變化。通過改變結構零件的輪廓形狀、表面形狀、整體形狀，以及改變零件的類型和規格，都可以產生不同的產品結構。

（3）位置變化。通過改變產品結構中變型元素之間的布置位置，或者產品模塊的空間位置，可以得到結構的變型方案。

（4）連接變化。連接變化有兩層含義：一是連接方式，有螺紋連接、焊接、鉚接及過盈連接等；二是對于每一種連接方式，都有多種連接結構。通過改變連接方式和連接結構，可以得到不同的結構。

（5）尺寸變化。尺寸包括長度、距離和角度等，通過改變零部件及構件的尺寸，可以改變產品的局部結構。

以上五種變化是相互關聯的，一個產品的變型通常包括其中幾種變化，因此單純采用參數化技術顯然很難實現［7-8］。針對上述五種變化內容，提出產品控制模型（PCM）。

4 PCM概述

4.1 PCM定義

在產品建模過程中，用關鍵工程設計準則和全局設計參數驅動草圖、基準，以及產品的關鍵點、輪廓線、輪廓面，由這些草圖、基準，以及產品的關鍵點、輪廓線、輪廓面組成的產品三維布局結構，稱之為PCM。通過幾何元素的復制，將與自身關聯的信息傳遞到子裝配體中，把它們作為子裝配體的主要參數。同時可以在子裝配體中添加參數，層層下發傳遞信息。在構建PCM時，注重最初的產品總體布局，捕獲和抽取各個子裝配體和零件間的基本特征，以及相互關聯性，這是PCM的真正內涵。

4.2 表達關系

PCM中的所有幾何關系、拓撲關系及裝配關系都能夠為下一級享用，不僅可以控制子裝配體空間位置的分布和大小，還可以表達具有配合、約束關系的零部件間幾何信息和拓撲關系。與此同時，通過預留模塊接口的方式，PCM為模塊間的銜接提供了有利保障。

（1）幾何關系。PCM主要由基準點、線、面，以及草圖和產品的關鍵點、輪廓線、輪廓面所組成。進行自頂向下的設計時，模型將為產品裝配體、子裝配體及具體零件提供統一的基準和坐標。這些基本組成元素是產品詳細設計的基礎，同時也是產品概念設計的核心［9］。通過編輯基本元素，可以對產品中重要的幾何關系進行修改［10］。

（2）拓撲關系。在產品初始設計階段，為產品中的各個子裝配體及零件分配準確的空間位置及大小是至關重要的。在PCM中，不但要考慮零件間的定位關系和相互之間的配合、約束關系，而且要充分考慮子裝配體的位置分布、相互接口等問題。PCM可以看作產品三維布置圖，從產品的最頂層到零件詳細設計，都能夠充分反映產品的拓撲關系，如圖3所示。

（3）裝配關系。PCM為產品中的關鍵零部件分配空間位置。進行裝配時，采用原坐標系絕對定位，可以確定關鍵部件在產品中的位置及規定的空間區域，非關鍵部件進行貼合、平行、對齊、對中等裝配操作。當PCM中控制位置的關鍵參數發生變化時，關鍵零部件位置也發生變化，其它相關聯的零件受裝配約束的影響而自動調整。

圖3 PCM拓撲關系

4.3 PCM的應用

（1）產品布局變化。產品中各個子裝配體及零件在空間位置分配、大小范圍的確定，是產品概念設計中的一個重要環節。PCM通過相關參數化技術，利用產品整體參數驅動基準、產品草圖，以及關鍵點、輪廓線、輪廓面，在三維空間中構建產品整體布局。當布局變化時，通過對產品整體控制參數進行變更，能有效解決布局變化問題。

（2）裝配體之間與零件之間的關系協調。在變型設計中，某一子裝配體發生變化時，其它零部件及裝配體也會相應發生變化。PCM在未進行詳細建模前，預先將裝配體之間、零件之間的關系抽取出來，在其父層中分配這些關系，然后通過相關幾何拷貝將關系傳遞到下一級。當沖突發生時，可以在父層中進行協調。

（3）零件形狀和尺寸變型。純參數化變型設計能很好地對產品的尺寸大小進行調整，而對于零件結構形狀的變化卻很難處理。PCM從產品結構中進行抽取，能夠控制產品結構變化。在PCM最底層，零件擁有從產品性能參數傳遞下來的設計參數，只要對其進行調整和修改，便能解決零件的結構形狀變型問題。

通過上述三個不同層次的應用，能夠實現變型設計中的五大變化，包括從產品布局到零件詳細設計的變化。PCM應用示意圖如圖4所示。

圖4 PCM應用示意圖

4.4 PCM建模方法

（1）搭建控制模型頂層。在概念設計過程中，按照產品的主要功能和要求，用關鍵工程準則、全局設計參數、設計者自身經驗，驅動基準點、線、面、草圖，以及產品關鍵點、輪廓線、輪廓面，建立一個產品的三維布局框架。

（2）完善模型底層。在頂層控制模型基礎上，按照產品各個子裝配體的功能，復制相關的幾何元素和基準到自身部件中，形成控制模型的層次結構。模型層次結構與產品裝配層次結構一一對應，產品中復雜的層次關系通過變型元素和基準的相關性復制表達，避免了復雜的參數引用。在子裝配體中，設計者添加輔助的幾何元素和基準，層層向下傳遞直到零件的詳細設計為止。

（3）零件詳細設計與產品裝配。進行零件詳細設計時，擁有從頂層或者父層傳遞來的設計參數，并基于這些參數完成設計建模。最后按照絕對坐標系對零件進行裝配，完成產品的建模。

5 變型設計實例

水平定向鉆進是一種新型的非開挖技術，從石油鉆井領域發展演變而來，它將水平定向鉆機作為施工設備，以可控鉆孔軌跡的方式，在地下不同地層和深度進行鉆進，并通過專用的控向儀使鉆孔沿設計軌跡前進，最后抵達指定位置，然后進行回擴、回拖，從而達到鋪設地下管線的目的［11］。水平定向鉆機的主要動力由動力頭提供，根據動力頭提供動力的不同，類型也不同。水平定向鉆機中動力頭的變型設計系統基于PCM建立，通過動力頭的幾何關系、拓撲關系及裝配關系建立模型，能實現對主要參數進行修改，從而實現快速更新，然后再基于模型對三維設計軟件進行二次開發。

圖5所示為基于PCM的傳動部分設計截圖，可以通過改變局部參數、系統內部自帶公式計算及幾何尺寸關聯，使整個傳動系統設計方案得到更新。圖6所示為動力頭箱體部分設計截圖，此部分參數引用動力傳動部分，傳動部分的更新能驅動箱體部分結構尺寸，如箱體孔位的變化等。如果更新尺寸超出原有箱體的極限值，則需要手動輸入參數，從而實現箱體尺寸更新，并符合箱體尺寸設計要求。這一系統能夠完成從產品的布局到零件的詳細設計三個不同層次的PCM應用。通過修改箱體關鍵參數，以及模型內部的幾何形狀關聯，最終實現幾何形狀的變化，如圖7所示。

圖5 傳動部分設計截圖

6 結論

筆者分析了產品的層次結構，指出產品變型設計的兩個方向：橫向變型設計、縱向變型設計。區分了單個零件、裝配體中變型設計的差別。

圖6 箱體部分設計截圖

筆者同時提出了產品變型設計中的主要內容：數量變化、形狀變化、位置變化、連接變化和尺寸變化，對每項內容進行了詳細解釋。

圖7 幾何形狀變化比較

將上述變化內容分成三個層次，利用相關參數化和幾何元素相關性，建立PCM來控制產品零件和裝配體的空間位置及相關特征，建立產品的總體布局及子裝配體結構模型。PCM能夠實現裝配建模過程中產品設計知識的共享、傳遞、變更及重用。