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(yè)在成本、開發(fā)周期等方面面臨巨大壓力。以基型產(chǎn)品為基礎(chǔ)的變型設(shè)計(jì)能夠快速響應(yīng)市場，縮短設(shè)計(jì)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。建模是變型設(shè)計(jì)的必要手段，好的建模方法可以有效表達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)知識和變型知識，進(jìn)而在模型中無阻礙地傳遞。可見，產(chǎn)品的模型不僅能反映產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)果，而且能描述產(chǎn)品的設(shè)計(jì)知識和意圖［1］。

產(chǎn)品的變型知識在產(chǎn)品、子裝配體、零件之間傳遞的準(zhǔn)確性和速度決定了產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)的效率，如何準(zhǔn)確、快速地傳遞變型設(shè)計(jì)中的信息，是當(dāng)前企業(yè)所面臨的主要問題。

2 產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)分析

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)層次

一個(gè)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(xiàn)為一定的層次性。裝配體、子裝配體、零件之間的這種層次關(guān)系可以直觀地表示成一個(gè)裝配層次結(jié)構(gòu)［2-4］，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品裝配層次結(jié)構(gòu)

2.2 產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)分類

從圖1中可以看出，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)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(chǎn)品零件在坐標(biāo)系中呈離散分布狀態(tài)［5］?？梢?，產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)可以定義為兩種類型：縱向變型設(shè)計(jì)和橫向變型設(shè)計(jì)。

X軸方向在某一范圍內(nèi)保持不變，產(chǎn)品設(shè)計(jì)沿Y軸方向變型，稱為產(chǎn)品的縱向變型設(shè)計(jì)?？v向變型設(shè)計(jì)指產(chǎn)品主要功能參數(shù)發(fā)生變化，隨之裝配結(jié)構(gòu)及裝配體之間的關(guān)系也發(fā)生變化，主要由不同零件的重新配合后產(chǎn)生。

Y軸方向在某一范圍內(nèi)保持不變，在X軸方向上進(jìn)行產(chǎn)品的變型設(shè)計(jì)，稱為橫向變型設(shè)計(jì)。橫向變型設(shè)計(jì)指產(chǎn)品橫向單元的擴(kuò)充，以及輔助功能的增加。

在產(chǎn)品的橫向和縱向變型設(shè)計(jì)中，又可以分為零件級變型設(shè)計(jì)和裝配級變型設(shè)計(jì)。

在變型設(shè)計(jì)中，當(dāng)X軸、Y軸在某一值上確定時(shí)，定位為特定的零件，即零件級變型設(shè)計(jì)。在這種情況下，變型設(shè)計(jì)過程相對簡單，所牽涉到的關(guān)系也比較單一。

當(dāng)X軸、Y軸在某一較大范圍內(nèi)變化時(shí)，表現(xiàn)為特定的裝配體，即裝配級變型設(shè)計(jì)。在裝配級變型設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)過程相對復(fù)雜，涉及的關(guān)系較多。產(chǎn)品裝配層次結(jié)構(gòu)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品裝配層次結(jié)構(gòu)關(guān)系

3 變型設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

通過總結(jié)大量的設(shè)計(jì)實(shí)例［6］，結(jié)合上述定義，可將變型設(shè)計(jì)主要內(nèi)容歸納為以下幾個(gè)方面。

（1）數(shù)量變化。機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中零件的輪廓線、輪廓面、工作面，甚至是整個(gè)零件均可認(rèn)為是變型元素，通過改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中變型元素的數(shù)量，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品局部結(jié)構(gòu)的變化。

（2）形狀變化。通過改變結(jié)構(gòu)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(guī)格，都可以產(chǎn)生不同的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。

（3）位置變化。通過改變產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中變型元素之間的布置位置，或者產(chǎn)品模塊的空間位置，可以得到結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。通過改變連接方式和連接結(jié)構(gòu)，可以得到不同的結(jié)構(gòu)。

（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(gòu)件的尺寸，可以改變產(chǎn)品的局部結(jié)構(gòu)。

以上五種變化是相互關(guān)聯(lián)的，一個(gè)產(chǎn)品的變型通常包括其中幾種變化，因此單純采用參數(shù)化技術(shù)顯然很難實(shí)現(xiàn)［7-8］。針對上述五種變化內(nèi)容，提出產(chǎn)品控制模型（PCM）。

4 PCM概述

4.1 PCM定義

在產(chǎn)品建模過程中，用關(guān)鍵工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和全局設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動草圖、基準(zhǔn)，以及產(chǎn)品的關(guān)鍵點(diǎn)、輪廓線、輪廓面，由這些草圖、基準(zhǔn)，以及產(chǎn)品的關(guān)鍵點(diǎn)、輪廓線、輪廓面組成的產(chǎn)品三維布局結(jié)構(gòu)，稱之為PCM。通過幾何元素的復(fù)制，將與自身關(guān)聯(lián)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(shù)。同時(shí)可以在子裝配體中添加參數(shù)，層層下發(fā)傳遞信息。在構(gòu)建PCM時(shí)，注重最初的產(chǎn)品總體布局，捕獲和抽取各個(gè)子裝配體和零件間的基本特征，以及相互關(guān)聯(lián)性，這是PCM的真正內(nèi)涵。

4.2 表達(dá)關(guān)系

PCM中的所有幾何關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系及裝配關(guān)系都能夠?yàn)橄乱患壪碛茫粌H可以控制子裝配體空間位置的分布和大小，還可以表達(dá)具有配合、約束關(guān)系的零部件間幾何信息和拓?fù)潢P(guān)系。與此同時(shí)，通過預(yù)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(guān)系。PCM主要由基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面，以及草圖和產(chǎn)品的關(guān)鍵點(diǎn)、輪廓線、輪廓面所組成。進(jìn)行自頂向下的設(shè)計(jì)時(shí)，模型將為產(chǎn)品裝配體、子裝配體及具體零件提供統(tǒng)一的基準(zhǔn)和坐標(biāo)。這些基本組成元素是產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的核心［9］。通過編輯基本元素，可以對產(chǎn)品中重要的幾何關(guān)系進(jìn)行修改［10］。

（2）拓?fù)潢P(guān)系。在產(chǎn)品初始設(shè)計(jì)階段，為產(chǎn)品中的各個(gè)子裝配體及零件分配準(zhǔn)確的空間位置及大小是至關(guān)重要的。在PCM中，不但要考慮零件間的定位關(guān)系和相互之間的配合、約束關(guān)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(chǎn)品三維布置圖，從產(chǎn)品的最頂層到零件詳細(xì)設(shè)計(jì)，都能夠充分反映產(chǎn)品的拓?fù)潢P(guān)系，如圖3所示。

（3）裝配關(guān)系。PCM為產(chǎn)品中的關(guān)鍵零部件分配空間位置。進(jìn)行裝配時(shí)，采用原坐標(biāo)系絕對定位，可以確定關(guān)鍵部件在產(chǎn)品中的位置及規(guī)定的空間區(qū)域，非關(guān)鍵部件進(jìn)行貼合、平行、對齊、對中等裝配操作。當(dāng)PCM中控制位置的關(guān)鍵參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，關(guān)鍵零部件位置也發(fā)生變化，其它相關(guān)聯(lián)的零件受裝配約束的影響而自動調(diào)整。

圖3 PCM拓?fù)潢P(guān)系

4.3 PCM的應(yīng)用

（1）產(chǎn)品布局變化。產(chǎn)品中各個(gè)子裝配體及零件在空間位置分配、大小范圍的確定，是產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。PCM通過相關(guān)參數(shù)化技術(shù)，利用產(chǎn)品整體參數(shù)驅(qū)動基準(zhǔn)、產(chǎn)品草圖，以及關(guān)鍵點(diǎn)、輪廓線、輪廓面，在三維空間中構(gòu)建產(chǎn)品整體布局。當(dāng)布局變化時(shí)，通過對產(chǎn)品整體控制參數(shù)進(jìn)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(guān)系協(xié)調(diào)。在變型設(shè)計(jì)中，某一子裝配體發(fā)生變化時(shí)，其它零部件及裝配體也會相應(yīng)發(fā)生變化。PCM在未進(jìn)行詳細(xì)建模前，預(yù)先將裝配體之間、零件之間的關(guān)系抽取出來，在其父層中分配這些關(guān)系，然后通過相關(guān)幾何拷貝將關(guān)系傳遞到下一級。當(dāng)沖突發(fā)生時(shí)，可以在父層中進(jìn)行協(xié)調(diào)。

（3）零件形狀和尺寸變型。純參數(shù)化變型設(shè)計(jì)能很好地對產(chǎn)品的尺寸大小進(jìn)行調(diào)整，而對于零件結(jié)構(gòu)形狀的變化卻很難處理。PCM從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中進(jìn)行抽取，能夠控制產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化。在PCM最底層，零件擁有從產(chǎn)品性能參數(shù)傳遞下來的設(shè)計(jì)參數(shù)，只要對其進(jìn)行調(diào)整和修改，便能解決零件的結(jié)構(gòu)形狀變型問題。

通過上述三個(gè)不同層次的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)變型設(shè)計(jì)中的五大變化，包括從產(chǎn)品布局到零件詳細(xì)設(shè)計(jì)的變化。PCM應(yīng)用示意圖如圖4所示。

圖4 PCM應(yīng)用示意圖

4.4 PCM建模方法

（1）搭建控制模型頂層。在概念設(shè)計(jì)過程中，按照產(chǎn)品的主要功能和要求，用關(guān)鍵工程準(zhǔn)則、全局設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)者自身經(jīng)驗(yàn)，驅(qū)動基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面、草圖，以及產(chǎn)品關(guān)鍵點(diǎn)、輪廓線、輪廓面，建立一個(gè)產(chǎn)品的三維布局框架。

（2）完善模型底層。在頂層控制模型基礎(chǔ)上，按照產(chǎn)品各個(gè)子裝配體的功能，復(fù)制相關(guān)的幾何元素和基準(zhǔn)到自身部件中，形成控制模型的層次結(jié)構(gòu)。模型層次結(jié)構(gòu)與產(chǎn)品裝配層次結(jié)構(gòu)一一對應(yīng)，產(chǎn)品中復(fù)雜的層次關(guān)系通過變型元素和基準(zhǔn)的相關(guān)性復(fù)制表達(dá)，避免了復(fù)雜的參數(shù)引用。在子裝配體中，設(shè)計(jì)者添加輔助的幾何元素和基準(zhǔn)，層層向下傳遞直到零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)為止。

（3）零件詳細(xì)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品裝配。進(jìn)行零件詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)，擁有從頂層或者父層傳遞來的設(shè)計(jì)參數(shù)，并基于這些參數(shù)完成設(shè)計(jì)建模。最后按照絕對坐標(biāo)系對零件進(jìn)行裝配，完成產(chǎn)品的建模。

5 變型設(shè)計(jì)實(shí)例

水平定向鉆進(jìn)是一種新型的非開挖技術(shù)，從石油鉆井領(lǐng)域發(fā)展演變而來，它將水平定向鉆機(jī)作為施工設(shè)備，以可控鉆孔軌跡的方式，在地下不同地層和深度進(jìn)行鉆進(jìn)，并通過專用的控向儀使鉆孔沿設(shè)計(jì)軌跡前進(jìn)，最后抵達(dá)指定位置，然后進(jìn)行回?cái)U(kuò)、回拖，從而達(dá)到鋪設(shè)地下管線的目的［11］。水平定向鉆機(jī)的主要動力由動力頭提供，根據(jù)動力頭提供動力的不同，類型也不同。水平定向鉆機(jī)中動力頭的變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)基于PCM建立，通過動力頭的幾何關(guān)系、拓?fù)潢P(guān)系及裝配關(guān)系建立模型，能實(shí)現(xiàn)對主要參數(shù)進(jìn)行修改，從而實(shí)現(xiàn)快速更新，然后再基于模型對三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行二次開發(fā)。

圖5所示為基于PCM的傳動部分設(shè)計(jì)截圖，可以通過改變局部參數(shù)、系統(tǒng)內(nèi)部自帶公式計(jì)算及幾何尺寸關(guān)聯(lián)，使整個(gè)傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案得到更新。圖6所示為動力頭箱體部分設(shè)計(jì)截圖，此部分參數(shù)引用動力傳動部分，傳動部分的更新能驅(qū)動箱體部分結(jié)構(gòu)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?yún)?shù)，從而實(shí)現(xiàn)箱體尺寸更新，并符合箱體尺寸設(shè)計(jì)要求。這一系統(tǒng)能夠完成從產(chǎn)品的布局到零件的詳細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)不同層次的PCM應(yīng)用。通過修改箱體關(guān)鍵參數(shù)，以及模型內(nèi)部的幾何形狀關(guān)聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)幾何形狀的變化，如圖7所示。

圖5 傳動部分設(shè)計(jì)截圖

6 結(jié)論

筆者分析了產(chǎn)品的層次結(jié)構(gòu)，指出產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)的兩個(gè)方向：橫向變型設(shè)計(jì)、縱向變型設(shè)計(jì)。區(qū)分了單個(gè)零件、裝配體中變型設(shè)計(jì)的差別。

圖6 箱體部分設(shè)計(jì)截圖

筆者同時(shí)提出了產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容：數(shù)量變化、形狀變化、位置變化、連接變化和尺寸變化，對每項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)解釋。

圖7 幾何形狀變化比較

將上述變化內(nèi)容分成三個(gè)層次，利用相關(guān)參數(shù)化和幾何元素相關(guān)性，建立PCM來控制產(chǎn)品零件和裝配體的空間位置及相關(guān)特征，建立產(chǎn)品的總體布局及子裝配體結(jié)構(gòu)模型。PCM能夠?qū)崿F(xiàn)裝配建模過程中產(chǎn)品設(shè)計(jì)知識的共享、傳遞、變更及重用。