張云化，李充寧，楊保占，張少芳

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學機械工程學院，天津 300222)

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基于自頂而下的快速變型設計方法的應用

張云化，李充寧，楊保占，張少芳

(天津職業(yè)技術(shù)師范大學機械工程學院，天津 300222)

為滿足客戶小批量、多樣化定制需求，基于自頂而下設計方法及產(chǎn)品級參數(shù)化設計方法，建立零件模型，以骨架模型為基準，完成零部件的裝配。自頂而下逐級建立參數(shù)及其約束關(guān)系，實現(xiàn)控制的傳遞?；谕队霸砩晒こ虉D,提取產(chǎn)品中性結(jié)構(gòu)，設計類似結(jié)構(gòu)新機型時可通過骨架模型參數(shù)的變更實現(xiàn)快速變型設計。

自頂而下；Pro/E；變型設計；骨架

隨著產(chǎn)品功能的日趨完善，設計難度相應提高，市場全球化使各個產(chǎn)業(yè)競爭加劇，產(chǎn)品設計周期已成為企業(yè)間重要競爭因素之一。在機械產(chǎn)品數(shù)字化設計中，自頂而下(top-down)的設計方法是設計時從整體產(chǎn)品入手，依據(jù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能，將其分解為結(jié)構(gòu)較簡單、相對獨立的模塊分別進行設計，并確立它們之間的相互關(guān)系[1]。變型設計是指在原有零部件或產(chǎn)品模型的基礎(chǔ)上，通過改變參數(shù)及參數(shù)之間的約束關(guān)系，將設計參數(shù)傳遞到整個設計過程中，進而實現(xiàn)對整體模型的驅(qū)動并完成相似結(jié)構(gòu)零部件及其產(chǎn)品的設計[2]。

2K-V型系列減速機具有結(jié)構(gòu)緊湊、傳動比大、傳動精度高、輸出扭矩范圍寬、抗沖擊能力強、扭轉(zhuǎn)剛度大等優(yōu)點，已作為基礎(chǔ)部件應用于伺服控制機構(gòu)、工業(yè)機器人等高性能傳動領(lǐng)域。本文以2K-V 320S型減速機設計為例，驗證基于自頂而下的快速變型設計方法的有效性。

1 2K-V 320S型減速機3D模型的建立

Pro/E軟件具有強大的3D建模功能，首先草繪零部件的截面，然后將該截面經(jīng)過特定方式的處理即可完成3D零件的繪制。由Pro/E軟件繪制的骨架模型是根據(jù)組件內(nèi)的配合關(guān)系創(chuàng)建的特殊3D零件，骨架模型通常由基準軸、基準面、基準坐標系、曲線以及曲面組成，表達產(chǎn)品的設計意圖并作為零件和子組件的設計參照。

1.1 骨架模型的構(gòu)建

在設計的最初階段，基于整體思想建立總體裝配骨架模型，骨架模型可以反映零部件間的空間位置，也可作為劃分設計單元的基準和零部件間的裝配基準[3]。以2K-V 320S型減速機曲軸傳動部件為例，建立表示擺線輪、曲柄軸的位置和幾何尺寸的骨架模型,如圖1所示。采用同樣的原理構(gòu)建其他部件的骨架模型。骨架模型不具有質(zhì)量屬性，對工程圖的生成沒有影響。

圖1 曲軸傳動骨架模型

1.2 零件模型的構(gòu)建

普通零件主要應用“拉伸”、“旋轉(zhuǎn)”、“孔”、“倒圓角”、“陣列”、“掃描”等特征完成3D模型繪制，擺線輪及漸開線齒輪輪廓較復雜，應用簡單的特征難以完成模型的構(gòu)建，需運用參數(shù)方程的求解結(jié)果來完成外輪廓的繪制。現(xiàn)以擺線輪為例介紹零件模型的構(gòu)建過程。新建零件并命名為BAIXIANLUN.PRT,進入建模界面,新建參數(shù)并在參數(shù)列表中依次輸入針輪齒數(shù)ZB、短幅系數(shù)K1、針齒中心半徑RZ、擺線輪齒數(shù)ZC等基本參數(shù)值，選擇笛卡爾坐標系，在彈出的記事本文件中編輯參數(shù)方程，如圖2所示，使用“拉伸”及通過“邊創(chuàng)建圖元”命令完成擺線輪外形輪廓的繪制，與軸承、輸入軸、行星架配合的孔應用“拉伸”、“移除材料”的方式繪制，繪制完成的擺線輪零件模型如圖3所示。

圖2 擺線輪輪齒參數(shù)方程

圖3 擺線輪3D模型構(gòu)建

1.3 基于骨架模型的2K-V 320S型減速機裝配

基于骨架模型的裝配有助于減少不必要的父子關(guān)系，在后期修改的過程中不會因為修改某個零件而影響到其他零件，零部件的裝配順序不會影響到零部件之間的配合關(guān)系。以曲軸傳動部件為例，打開QUZHOUCHUANDONG.ASM文件，插入QUZHOUCHUANDONG_SKEL_.PRT骨架模型，以骨架模型基準軸、基準面為約束基準，將設計好的曲柄軸、滾針軸承、圓錐滾子軸承、擺線輪等3D零件裝配在骨架模型上，無需過多考慮零件模型之間的配合關(guān)系，裝配好的曲軸傳動部件如圖4所示。最后，將單獨設計好的部件裝入頂級骨架模型中，完成減速機的裝配工作，從而完成減速機的3D模型建立。

圖4 曲軸傳動部件

2 骨架模型的級聯(lián)約束設置及變型設計的實現(xiàn)

2.1 骨架模型的級聯(lián)約束設置

按產(chǎn)品裝配層次劃分，2K-V 320S型減速機可以分為零件層、部件層、產(chǎn)品層。依據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)特征，自頂而下建立參數(shù)及其關(guān)系，以零件擺線輪參數(shù)ZC(齒數(shù))為例，介紹2K-V 320S型減速機級聯(lián)約束關(guān)系的設置過程。參數(shù)的命名規(guī)則為裝配關(guān)系_零件名稱_所屬特征_尺寸代號。建立頂層骨架參數(shù)PRO_SKL_BXL_ZC_D14，激活總裝配模型，建立關(guān)系， “=”表示被控制，COM_SKL_BXL_ZC_D14：16= PRO_SKL_BXL_ZC_D14：0，表示曲柄傳動部件骨架參數(shù)中的擺線輪齒數(shù)參數(shù)由頂層骨架擺線輪齒數(shù)參數(shù)控制，通過關(guān)系PART_BXL_ZC_D14：28=COM_SKL_BXL_ZC_D14：16將約束傳遞至零件層，實現(xiàn)自頂而下的控制，最終實現(xiàn)零件層特征尺寸均由頂級骨架參數(shù)控制，其中“0”、“16”等數(shù)字為Pro/E內(nèi)部對零部件的標識號。2K-V 320S型減速機擺線輪齒數(shù)參數(shù)級聯(lián)約束關(guān)系設置如圖5所示，從圖中可以看出，完成參數(shù)傳遞后，頂層骨架的界面中，參數(shù)“訪問”的狀態(tài)為“完全”， “源”的狀態(tài)為“用戶定義的”。此時頂層骨架的參數(shù)可以修改，修改后的參數(shù)通過關(guān)系逐級向下傳遞。部件層和零件層參數(shù)界面，參數(shù)“訪問”的狀態(tài)為“鎖定”， “源”的狀態(tài)為“關(guān)系”，表示參數(shù)受關(guān)系約束不可以修改，其參數(shù)由上一級骨架模型輸入?yún)?shù)驅(qū)動。零部件層若想解除上層參數(shù)的控制，刪除上一層對其的約束關(guān)系即可。最后檢查并調(diào)整，以使減速機所有零件參數(shù)均由頂級骨架參數(shù)驅(qū)動，即完成級聯(lián)骨架參數(shù)控制的2K-V 320S型減速機模型的設計。

圖5 擺線輪齒數(shù)級聯(lián)約束關(guān)系設置

2.2 基于骨架模型的變型設計

320S型減速機和450S型減速機均屬于2K-V型減速機系列的標準型產(chǎn)品，擁有相似的零部件及裝配關(guān)系，以級聯(lián)骨架約束的320S型減速機模型為模板，通過頂層骨架參數(shù)值的修改可完成450S型減速機的變型設計，變型前后的兩型號減速機如圖6所示。兩型號減速機結(jié)構(gòu)相同，結(jié)構(gòu)尺寸不同，可應用于不同工況。只要改變骨架參數(shù)就可以實現(xiàn)減速機的變型設計?；诠羌苣Ｐ偷淖冃驮O計僅對結(jié)構(gòu)差異處做單獨設計，提高了設計效率，降低了設計難度。

圖6 變型前后兩型號對比圖

3 工程圖的繪制

在Pro/E繪圖環(huán)境中可以實現(xiàn)3D模型工程圖的投影，通過局部視圖、剖視圖、放大視圖等視圖清晰表達零部件結(jié)構(gòu)?；诠羌苣Ｐ脱b配的2K-V 320S型減速機是由參數(shù)驅(qū)動的，依據(jù)自頂而下思想的指導，頂層骨架參數(shù)根據(jù)需要進行更改時，減速機的3D模型隨之改變，相關(guān)的部件、零件都會隨著骨架參數(shù)的改變而改變，工程圖可以實現(xiàn)自動更新[4]，總體設計可實現(xiàn)同步完成。Pro/E自動生成的尺寸不符合制圖要求，需通過調(diào)整標注并補充必要尺寸標注完善工程圖[5]。用Pro/E軟件進行工程圖打印時，需設置繪圖輸出配置，操作繁瑣，且效果不佳，因此通常將工程圖保存為PDF格式，打印工作可輕松便利地完成[6]，也降低了對工程圖意外更改的風險。

4 結(jié)束語

基于自頂而下的快速變型設計方法可以實現(xiàn)產(chǎn)品的快速變型設計，為后續(xù)的仿真和制造提供數(shù)字化模型，滿足客戶小批量、多樣化定制的需求。由2K-V 320S型減速機通過變型設計可獲得2K-V 160S、2K-V 450S等型號減速機的3D模型及其工程圖，降低了設計難度，提高了設計質(zhì)量和效率，同時對其他型號減速機的設計也具有較大的參考價值。

[1] 劉英.自頂向下的設計方法在實際機械建模應用中存在的問題[J].機械工程師，2012(4)：33-34.

[2] 魯玉軍，余軍合，祁國寧，等.基于事物特性表的產(chǎn)品變型設計[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2003,9(10)：840-853.

[3] 王凱，李柏林，陳黎麗，等.基于知識的自頂向下參數(shù)化設計與應用[J].制造業(yè)自動化，2009,31(9)：163-165.

[4] 應學成. Pro/Engineer野火版5.0完全自學一本通[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014 .

[5] 詹友剛. Creo 3.0工程圖教程[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2014 .

[6] 彭寧濤，彭寧琦，張建新，等.Pro/E工程圖的快速繪制與優(yōu)化方法探討[J].工具技術(shù),2013,47(1)：35-38.

The application of the rapid variant design method based on the top-down

ZHANG Yunhua, LI Chongning, YANG Baozhan, ZHANG Shaofang

(School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin, 300222, China)

In order to meet the needs of customers in small quantity and diversified customization requirements, it applies the top-down design method and the product level of parametric design method, establishes parts model. This model takes the skeleton model as a benchmark to complete the assembly of parts. Based on the top-down step by step, it establishes the parameters and their constraint relation, achieves the transfer of control. Finally it creates the engineering drawing. At designing new similar structures models through the skeleton model parameters change, this model can realize the rapid variant design and extract the product neutral structure.

top-down; Pro/E; variant design; skeleton

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.020

2015-07-28

天津市科技發(fā)展計劃項目(043104411)

張云化(1989—)，男，河北魏縣人，天津職業(yè)技術(shù)師范大學碩士研究生，主要研究方向為高性能精密傳動系統(tǒng)。

TH122

A

2095-509X(2015)09-0078-03