農(nóng)業(yè)機(jī)械變量化設(shè)計(jì)方法初探

2013-05-18 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

作者: 柯常忠*謝少波來(lái)源: 萬(wàn)方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 自頂向下設(shè)計(jì) 參數(shù)化建模布局草圖
介紹了基于參數(shù)化技術(shù)的自頂向下的設(shè)計(jì)過(guò)程和實(shí)施方法,以及以布局草圖為核心的自頂向下設(shè)計(jì)的思想,并以三維參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件SolidWorks為平臺(tái),結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例,實(shí)現(xiàn)了以布局草圖為核心自頂向下的零件設(shè)計(jì)過(guò)程。

傳統(tǒng)的CAD技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)過(guò)程的支持建立在幾何建模的基礎(chǔ)之上,各種設(shè)計(jì)活動(dòng)和制造活動(dòng)信息的共享和交換基于幾何模型。人們利用其進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)時(shí)大都采用自下而上的設(shè)計(jì)方法,依靠其零件實(shí)體造型功能先設(shè)計(jì)零件,然后將零件組裝成產(chǎn)品。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,基于微機(jī)平臺(tái)的三維CAD軟件不斷被推出,在微型計(jì)算機(jī)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模技術(shù)。正是有了參數(shù)化建模技術(shù),才有了真正意義上的自頂向下的設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)增加了零件之間的關(guān)聯(lián)性,設(shè)計(jì)層次清楚,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)一信息的傳遞、共享、繼承,特別適用于并行工程和協(xié)同設(shè)計(jì)。采用這種方法也極大地提高了企業(yè)對(duì)市場(chǎng)變化的反應(yīng)速度。

1參數(shù)化技術(shù)和自頂向下設(shè)計(jì)

自頂向下設(shè)計(jì)就是從產(chǎn)品的頂層開始,通過(guò)在裝配中建立零件來(lái)完成整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法。自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是從產(chǎn)品功能要求出發(fā),選用一系列的零件去實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能。其設(shè)計(jì)的主要過(guò)程是:先設(shè)計(jì)出初步方案及其裝配結(jié)構(gòu)草圖,建立約束驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品模型;再通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算,確定每個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù),進(jìn)行零件的詳細(xì)設(shè)計(jì),通過(guò)幾何約束求解將零件裝配成產(chǎn)品;最后對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析,返回修改不滿意之處,直到得到滿足功能要求的產(chǎn)品。設(shè)計(jì)過(guò)程如圖1所示。

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自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)最初考慮的是產(chǎn)品應(yīng)實(shí)現(xiàn)的功能,最后才考慮實(shí)現(xiàn)這些功能的幾何結(jié)構(gòu),它符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程和設(shè)計(jì)人員的思維過(guò)程,而且它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段就將產(chǎn)品的主要功能、關(guān)鍵約束、配合關(guān)系等重要信息確定下來(lái),同時(shí)分配給各子系統(tǒng),這樣各子系統(tǒng)才能很好地配合,避免發(fā)生沖突,便于實(shí)現(xiàn)多個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同,實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)過(guò)程能充分利用計(jì)算機(jī)的優(yōu)良性能,最大限度地發(fā)揮設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)潛力,最大限度地減少設(shè)計(jì)實(shí)施階段不必要的重復(fù)工作,使企業(yè)的人力、物力等資源得到充分的利用,大大地提高了設(shè)計(jì)效率,減少了新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研究時(shí)間。

在CAD中,參數(shù)化技術(shù)是采用參數(shù)預(yù)定義的方法建立圖形的集合約束集,指定一組尺寸作為參數(shù)使其與幾何約束集相關(guān)聯(lián),并將所有的關(guān)聯(lián)式融人到應(yīng)用程序中,然后通過(guò)對(duì)話框以人機(jī)交互方式修改參數(shù)尺寸,最終由程序根據(jù)這些參數(shù)及其變化順序地執(zhí)行表達(dá)式來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的方法。參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中,參數(shù)與設(shè)計(jì)對(duì)象的控制尺寸有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)參數(shù)化尺寸驅(qū)動(dòng)完成對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果的修改。參數(shù)化設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì),它儲(chǔ)存了設(shè)計(jì)的整個(gè)過(guò)程,能設(shè)計(jì)出一族而非單一的在形狀和功能上具有相似性的產(chǎn)品模型。正是有了這種參數(shù)化建模技術(shù),才使得數(shù)據(jù)的改變?cè)诓煌瑢哟?如:不同的子裝配系統(tǒng)和不同的零件)之間的傳遞變得惟一和即時(shí)。這樣,才有了真正意義卜的自頂向下設(shè)計(jì),及以這種設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的并行設(shè)計(jì),后者是團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

    2以"布局草圖為核心"的自頂向下設(shè)計(jì)

由于自頂向下設(shè)計(jì)是從產(chǎn)品的頂層開始,通過(guò)在裝配中建立零件來(lái)完成整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法,為此,我們?cè)诋a(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段,按照該產(chǎn)品的最基本的功能和要求,在設(shè)計(jì)頂層構(gòu)筑布局草圖,用這個(gè)布局草圖來(lái)充當(dāng)產(chǎn)品的頂層骨架。隨后的設(shè)計(jì)過(guò)程基本上都是在這I、基本骨架的基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)制、修改、細(xì)化和完善,最終完成整個(gè)設(shè)計(jì)的過(guò)程〕。

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從產(chǎn)品的空間結(jié)構(gòu)上來(lái)看,布局草圖能夠代表產(chǎn)品模型的主要空間位置和空間形狀,能夠反應(yīng)構(gòu)成產(chǎn)品的各個(gè)子模塊之間的拓?fù)潢P(guān)系,以及其主要運(yùn)動(dòng)功能;從其自身的不斷發(fā)展以及它與后續(xù)設(shè)計(jì)的繼承和相關(guān)關(guān)系上來(lái)看,它是整個(gè)產(chǎn)品自頂向下設(shè)計(jì)展開過(guò)程中的核心,是各個(gè)子裝配之間相互聯(lián)系的中間橋梁和紐帶。因此,在建立布局草圖時(shí),更注重在最初的產(chǎn)品總體布局中捕獲和抽取各子裝配和零件間的相互關(guān)聯(lián)性和依賴性。這就是布局草圖的真正內(nèi)涵。

傳統(tǒng)的裝配是零件之間的互相貼合、定位或者對(duì)齊。但是,在自頂向下設(shè)計(jì)中的裝配卻是子裝配及零件都裝配在同一基準(zhǔn)即布局草圖(它包括基準(zhǔn)點(diǎn)、線、面;空間的點(diǎn)、線、面或者是產(chǎn)品的點(diǎn)、輪廓線、輪廓面等)上,最后用這個(gè)可以不斷變更、發(fā)展的頂層基本骨架來(lái)控制整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。以布局草圖為核心的頂層基本骨架的主要功能包括以下幾點(diǎn)。

a.管理。頂層基本骨架可以被用來(lái)管理大型的裝配設(shè)計(jì),允許設(shè)計(jì)者僅僅調(diào)出頂層裝配的基本骨架到內(nèi)存中,來(lái)控制整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及其更改。頂層基本骨架包含了重要的設(shè)計(jì)基準(zhǔn),如:基座的位置,產(chǎn)品的外形,子裝配,零件及設(shè)計(jì)參數(shù)(如:最重要的尺寸所需要的空間要求)?？梢栽陧攲訉?duì)基本骨架進(jìn)行更改,而這些更改將被會(huì)傳遞到其下的所有子系統(tǒng)中。

b.組織。頂層基本骨架可以增強(qiáng)零件在裝配中的相互關(guān)聯(lián)和依賴性。這些存在于實(shí)際裝配之中的相互關(guān)聯(lián)和依賴關(guān)系可以很好地在最初的總體布局中被捕獲并抽取出來(lái),構(gòu)成頂層基本骨架,為子裝配和零件所享用,在稍后舉出的設(shè)計(jì)實(shí)例中,將體現(xiàn)出這種組織上的"關(guān)聯(lián)性",即當(dāng)我們修改了某個(gè)零件的參數(shù)之后,另外的一個(gè)以這個(gè)零件為參照的零件的參數(shù)也會(huì)相應(yīng)的變更。

c.共享數(shù)據(jù)。一個(gè)有組織的裝配骨架允許信息在不同層次間共享,如果在某一層發(fā)生改變,那么和它相關(guān)聯(lián)的裝配和零件都能夠獲得這種最新的改變。這種好處是使得團(tuán)隊(duì)合作成為可能,在這個(gè)團(tuán)隊(duì)中有不同的子團(tuán)體和個(gè)體,他們分別在進(jìn)行不同的子裝配和零件設(shè)計(jì)時(shí),由于這種數(shù)據(jù)的共享和在內(nèi)存中存在的惟一性,使得一個(gè)復(fù)雜的裝配設(shè)計(jì)在早期就可以分解成不同的、簡(jiǎn)單的子裝配和零件,進(jìn)而分配給不同的子團(tuán)體和個(gè)人,從而體現(xiàn)出自頂向下設(shè)計(jì)思想對(duì)并行工程的支持。

d.變更的傳遞?？梢杂庙攲踊竟羌軄?lái)控制變更。產(chǎn)品的變更結(jié)果是在零件中產(chǎn)生而在產(chǎn)品的頂層實(shí)施。具體方法是:在裝配的頂層通過(guò)對(duì)捕捉到的設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行更改,再通過(guò)參數(shù)設(shè)計(jì)的關(guān)聯(lián)性將這種變更傳遞給下一級(jí)子裝配或零件以及相應(yīng)的模具。

3布局草圖的建立及其功能

a.確定設(shè)計(jì)意圖。所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)都有一個(gè)設(shè)計(jì)意圖,不管它是創(chuàng)新設(shè)計(jì)還是改良設(shè)計(jì)?？傇O(shè)計(jì)師最初的想法、草圖、計(jì)劃、規(guī)格及說(shuō)明都可以用來(lái)構(gòu)成產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖。它可以幫助每個(gè)設(shè)計(jì)者更好地理解產(chǎn)品的規(guī)劃和零件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。

b.定義初步的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)包含了一系列的零件,以及它們所繼承的設(shè)計(jì)意圖。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可以這樣構(gòu)成:在它里面的子裝配和零件都可以只包含一些從頂層繼承的基準(zhǔn)和骨架或者復(fù)制的幾何參考,而不包括任何本身的幾何形狀或具體的零件;還可以把子裝配和零件在沒有任何裝配約束的情況下加人裝配之中。這樣做的好處是,這些子裝配和零件在設(shè)計(jì)的初期是不確定也不具體的,但是仍然可以在產(chǎn)品規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)把它們加人裝配中,從而可以為并行設(shè)計(jì)作準(zhǔn)備。

c.在整個(gè)裝配骨架中傳遞設(shè)計(jì)意圖。重要零件的空間位置和尺寸要求都可以作為基本信息,放在頂層基本骨架中,然后傳遞給各個(gè)子系統(tǒng),每個(gè)子系統(tǒng)就從頂層裝配中獲得了所需要的信息,進(jìn)而它們就可以在獲得的骨架中進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)了,因?yàn)樗麄兓谕辉O(shè)計(jì)基準(zhǔn)。

d.子裝配和零件的設(shè)計(jì)。當(dāng)代表頂層裝配的骨架確定,設(shè)計(jì)基準(zhǔn)傳遞下去之后,可以進(jìn)行單個(gè)的零件設(shè)計(jì)。這里,可以采用兩種方法進(jìn)行零件的詳細(xì)設(shè)計(jì):一種方法是基于已存在的頂層基準(zhǔn),設(shè)計(jì)好零件再進(jìn)行裝配;另一種方法是在裝配關(guān)系中建立零件模型。零件模型建立好后,管理零件之間的相互關(guān)聯(lián)性。用添加方程式的形式來(lái)控制零件與零件之間以及零件與裝配件之間的關(guān)聯(lián)性。

    4實(shí)例應(yīng)用

本節(jié)將通過(guò)儀器板的設(shè)計(jì)實(shí)例來(lái)進(jìn)一步展示上述基于布局草圖的自頂向下設(shè)計(jì)思想。設(shè)計(jì)平臺(tái)是參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件SolidWorks。設(shè)計(jì)步驟如下:

    a.建立布局草圖。

首先,選定產(chǎn)品的重要參考面,由于產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,我們將SolidWorks中的上視基準(zhǔn)面、左視基準(zhǔn)面和前視基準(zhǔn)面作為產(chǎn)品的重要基準(zhǔn)面。然后,在上視基準(zhǔn)面上根據(jù)各零件的形狀和相互之間的位置關(guān)系,做出布局草圖,如圖2所示。

    b.在裝配體中加人新零件。

布局草圖建立之后,就可以插人到裝配的環(huán)境下,作為自頂向下設(shè)計(jì)的骨架,完成零部件的設(shè)計(jì)。我們要在裝配環(huán)境中加入新的零部件,必須給它起個(gè)名字并選取一個(gè)平面(或平坦的表面)。此平面決定了新零件的前參考平面,這名字作為新零件的文件名。創(chuàng)建新零件時(shí),所選的平面/表面是活動(dòng)草圖,系統(tǒng)進(jìn)入編輯零件模式。用標(biāo)準(zhǔn)方法來(lái)創(chuàng)建零件,并且可以參考裝配體中的其他幾何體。當(dāng)創(chuàng)建一個(gè)特征,想要參考其他零件中幾何體時(shí),這個(gè)特征就是所謂的關(guān)聯(lián)特征。比如,參考一根軸的邊在另一個(gè)零件中創(chuàng)建一個(gè)配合孔,可以在軸和孔間創(chuàng)建關(guān)聯(lián)。軸的直徑變化了,那么孔的直徑也相應(yīng)變化。在設(shè)計(jì)這個(gè)儀器板的時(shí)候,可以分別參考布局草圖中的矩形和圓草圖,來(lái)建立新的零件。這樣,我們就建立了一些關(guān)聯(lián)特征。在設(shè)計(jì)水平管和豎直管的時(shí)候,由于交叉管的相貫線很難單獨(dú)生成,如果以豎直管為參照面,那么生成相貫線就容易了,而且當(dāng)改變豎直管的直徑后,水平管也會(huì)相應(yīng)的改變。依照上述方法,可以設(shè)計(jì)出如圖3所示的儀器板。

c布局草圖在產(chǎn)品變更中的作用。

當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后,可以在布局草圖中修改相關(guān)的參數(shù),這樣就會(huì)直接反映到零部件上去。比如改變草圖上圓的半徑或者矩形的長(zhǎng)、寬。那么,零件與之相關(guān)聯(lián)的孔徑或者長(zhǎng)、寬就會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。改變草圖上零件之間的位置關(guān)系,那么儀器板上各個(gè)零件之間的位置關(guān)系也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變。如圖4所示。

5結(jié)束語(yǔ)

在自頂向下的參數(shù)化設(shè)計(jì)中,以布局草圖為核心的上層骨架設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中信息的傳遞、共享、繼承和變更;這種創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)思想和方法不僅支持團(tuán)隊(duì)間的并行設(shè)計(jì)和相關(guān)設(shè)計(jì),而且為有一定設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的技術(shù)人員提供了基于參數(shù)化技術(shù)的自頂向下設(shè)計(jì)方法:以布局草圖作為自頂向下設(shè)計(jì)過(guò)程中信息傳遞的紐帶,在產(chǎn)品的上游設(shè)計(jì)階段,它可以作為產(chǎn)品的整體結(jié)構(gòu)功能框架,然后在裝配的環(huán)境中生成各子裝配和具體零件的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì),它們之間的相關(guān)吐由傳遞和繼承得以體現(xiàn)。