張學(xué)忱， 張啟暉， 范汝祥， 徐 杰

（1. 長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2. 長(zhǎng)春理工大學(xué)0503211班，吉林 長(zhǎng)春 130022）

利用關(guān)聯(lián)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

張學(xué)忱1， 張啟暉2， 范汝祥2， 徐 杰2

（1. 長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022；2. 長(zhǎng)春理工大學(xué)0503211班，吉林 長(zhǎng)春 130022）

分析了產(chǎn)品幾何建模的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，提出了一種基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。闡述了參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的原理，即采用關(guān)聯(lián)參數(shù)建立多個(gè)組件間的關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)化設(shè)計(jì)。利用CATIA平臺(tái)，給出了圓錐滾子軸承基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程，證明了該設(shè)計(jì)方法的可行性。

計(jì)算機(jī)應(yīng)用；參數(shù)化設(shè)計(jì)；關(guān)聯(lián)關(guān)系；標(biāo)準(zhǔn)件

在現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域里，參數(shù)化設(shè)計(jì)不僅已成為CAD領(lǐng)域中使用最廣泛的設(shè)計(jì)技術(shù)之一，而且它也成為了評(píng)價(jià) CAD系統(tǒng)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。目前參數(shù)化設(shè)計(jì)更加能體現(xiàn)出產(chǎn)品現(xiàn)代CAD中的概念設(shè)計(jì)以及并行設(shè)計(jì)思想。通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)不僅可以縮短產(chǎn)品的整個(gè)開(kāi)發(fā)周期，并且可以進(jìn)行形狀相似的系列化產(chǎn)品設(shè)計(jì)[1]。

標(biāo)準(zhǔn)件是機(jī)械工程中常用的零件之一，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件的組件間用關(guān)聯(lián)參數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而對(duì)標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以縮短標(biāo)準(zhǔn)件的整個(gè)開(kāi)發(fā)周期。該文以圓錐滾子軸承為例，給出了基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)方法

參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種設(shè)計(jì)方法，它用圖形幾何約束來(lái)表達(dá)產(chǎn)品的幾何模型，將模型的一部分或幾部分尺寸約束做為參數(shù)與幾何約束相關(guān)聯(lián)，利用尺寸驅(qū)動(dòng)的功能來(lái)改變產(chǎn)品的幾何模型。在參數(shù)化設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者只需將零件的關(guān)鍵尺寸定義為某個(gè)參數(shù)，通過(guò)參數(shù)的修改就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品幾何模型的修改和優(yōu)化。參數(shù)化設(shè)計(jì)極大改善了產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖形的修改方法，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的柔性。在設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，如概念設(shè)計(jì)，三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，工程繪圖，裝配設(shè)計(jì)，工程分析，結(jié)構(gòu)仿真，優(yōu)化設(shè)計(jì)等階段，參數(shù)化設(shè)計(jì)以全新的設(shè)計(jì)方法發(fā)揮著重要的作用[2]。

參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于用參數(shù)、公式、特征等驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品的幾何模型，通過(guò)參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)幾何模型的改變。在產(chǎn)品參數(shù)化建模時(shí)，先分析零件的造型特征并且提取出模型特征參數(shù)，接著就可以定義用戶參數(shù)和公式，進(jìn)行參數(shù)化建模，最后對(duì)模型進(jìn)行檢驗(yàn)[3]。

該文運(yùn)用的機(jī)械設(shè)計(jì)平臺(tái)是CATIA。CATIA是法國(guó)Dassualt systems 公司推出的微機(jī)版專業(yè)CAD/CAM/CAE智能化軟件系統(tǒng)。CATIA不僅提供了大量常用的產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計(jì)的特征，而且用戶還可以根據(jù)產(chǎn)品的特點(diǎn)和開(kāi)發(fā)需求，建立起自己的參數(shù)化特征庫(kù)。CATIA 同時(shí)提供了完備的設(shè)計(jì)能力：從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)到最終產(chǎn)品的形成，可以其精確可靠的解決方案提供完整的2D、3D、參數(shù)化混合建模及數(shù)據(jù)管理手段，從單個(gè)零件的設(shè)計(jì)到最終電子樣機(jī)的建立。在標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)化設(shè)計(jì)中，正是利用 CATIA的強(qiáng)大功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)建立產(chǎn)品的關(guān)聯(lián)參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2 基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的參數(shù)化設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往會(huì)出現(xiàn)因某一局部結(jié)構(gòu)的變化而引起其它相關(guān)結(jié)構(gòu)的變化。在如圖1所示的齒輪傳動(dòng)軸系中，與齒輪連接軸段的直徑變化勢(shì)必引起該齒輪輪轂孔直徑的變化、軸承的內(nèi)圈直徑變化勢(shì)必引起圓錐滾子軸承外圈直徑的變化。

在三維參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，將這種存在關(guān)聯(lián)關(guān)系的零件，按照其關(guān)聯(lián)的線性關(guān)系進(jìn)行裝配設(shè)計(jì)的方法叫基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)方法在裝配環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，并與“自底而上”、“自頂而下”兩種方法結(jié)合應(yīng)用，完全地支持產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的三維設(shè)計(jì)。

基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于提取產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)的特征參數(shù)，建立全面有效的產(chǎn)品參數(shù)，通過(guò)定義體現(xiàn)產(chǎn)品的特征間的依附關(guān)系和約束關(guān)系，形成以關(guān)聯(lián)驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的參數(shù)化約束模型。

在 CATIA環(huán)境下基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的參數(shù)化設(shè)計(jì)過(guò)程為：

圖1 齒輪傳動(dòng)軸系

2.1 提取關(guān)聯(lián)參數(shù)

在裝配環(huán)境下進(jìn)行基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的裝配造型時(shí)，裝配體模型中的參數(shù)大致有三類：

（1） 關(guān)聯(lián)參數(shù) 指在裝配環(huán)境中發(fā)布的參數(shù)。用這些參數(shù)可以構(gòu)成某一裝配層次中零件之間的參數(shù)關(guān)聯(lián)。在確定這些參數(shù)時(shí)，往往需要根據(jù)裝配體的功能特征，提取出由此帶來(lái)的零件間結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)變化特征。例如：選用圓錐滾子軸承時(shí)，外載荷不同，軸承的型號(hào)就不同，帶來(lái)的特征變化就是軸承內(nèi)圈、外圈、滾子、保持架四個(gè)零件相應(yīng)的尺寸參數(shù)的變化。這些相應(yīng)的尺寸參數(shù)就構(gòu)成圓錐滾子軸承的關(guān)聯(lián)參數(shù)。

（2） 外部參數(shù) 指構(gòu)成裝配體的零部件在造型過(guò)程中，引用了裝配環(huán)境下發(fā)布的參數(shù)。由于彼此引用了這些參數(shù)，因而形成了零件間的參數(shù)關(guān)聯(lián)。

（3） 內(nèi)部參數(shù) 指構(gòu)成裝配體的零部件在造型過(guò)程中應(yīng)用了與自身外部無(wú)關(guān)的參數(shù)，不具有關(guān)聯(lián)關(guān)系，僅僅與零部件自身的尺寸有關(guān)。

基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的參數(shù)，反映了產(chǎn)品零部件之間有效的組合關(guān)系，包括了產(chǎn)品零件約束、零件間尺寸關(guān)聯(lián)、特征關(guān)聯(lián)等。因而，在操作過(guò)程中要正確地提取關(guān)聯(lián)參數(shù)。

2.2 定義關(guān)聯(lián)關(guān)系

根據(jù)零件在裝配體中的作用，對(duì)零件經(jīng)過(guò)造型特征分析后，可以先定義所有影響功能作用的工程參數(shù)，形成以數(shù)學(xué)公式、函數(shù)關(guān)系形式表達(dá)的工程規(guī)則。然后通過(guò)規(guī)則編輯，產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的參數(shù)驅(qū)動(dòng)。

2.3 實(shí)現(xiàn)幾何造型

幾何造型可在定義關(guān)聯(lián)關(guān)系之前進(jìn)行，造型后，再進(jìn)行參數(shù)關(guān)聯(lián)；也可以邊幾何造型邊即時(shí)定義關(guān)聯(lián)參數(shù)。設(shè)計(jì)完成后，只要在特征樹(shù)下發(fā)布的關(guān)聯(lián)參數(shù)中修改變量值，即可實(shí)現(xiàn)包含所有零件的關(guān)聯(lián)尺寸和特征的修改，并且可以通過(guò)設(shè)計(jì)表優(yōu)化產(chǎn)品。

由于構(gòu)成裝配體的零件往往個(gè)數(shù)多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這樣就會(huì)給參數(shù)關(guān)聯(lián)帶來(lái)困難，為了更有效地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的建模，要注意以下的問(wèn)題：發(fā)布中的變量要適用、且數(shù)目不宜太多。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中選擇那些對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形狀和裝配位置等起決定作用的尺寸定義為變量，且數(shù)目不可過(guò)多。定義變量后，產(chǎn)品的其他尺寸就可以由它和其他相關(guān)的參數(shù)之間的關(guān)系通過(guò)發(fā)布確定出來(lái)。這樣當(dāng)修改一些變量時(shí)，系統(tǒng)立即自動(dòng)根據(jù)與他們相關(guān)函數(shù)公式計(jì)算出相應(yīng)的尺寸值并修改設(shè)計(jì)[4]。

3 實(shí)例操作

軸承是機(jī)械領(lǐng)域是使用得很廣泛的標(biāo)準(zhǔn)件，型號(hào)多，而且種類全，如果能建立一個(gè)參數(shù)化模型庫(kù)，在實(shí)際產(chǎn)品中根據(jù)要求從庫(kù)中調(diào)用合適的軸承，直接導(dǎo)入到產(chǎn)品的裝配中，必將大大的加快設(shè)計(jì)速度，降低設(shè)計(jì)成本。在本文中，將以圓錐滾子軸承為例說(shuō)明CATIA V5 R17環(huán)境下的基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的參數(shù)化造型方法的具體應(yīng)用。

參照設(shè)計(jì)手冊(cè)選取圓錐滾子軸承的型號(hào)為33006，建立此軸承的三維實(shí)體參數(shù)模型庫(kù)。

3.1 建立參數(shù)

根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》的數(shù)據(jù)可在 CATIA的Product工作臺(tái)建立如下類型的關(guān)聯(lián)參數(shù)：Type（軸承牌號(hào)）；d（軸承內(nèi)徑）；D（軸承外徑）；T；B；C；角度；圓錐滾子數(shù)目；保持架兩端伸出長(zhǎng)度；保持架厚度；上端伸出長(zhǎng)度；圓錐長(zhǎng)度；圓錐折中距離；圓錐大端半徑（見(jiàn)圖2）。

圖2 建立圓錐滾子軸承的關(guān)聯(lián)參數(shù)

3.2 發(fā)布參數(shù)

在裝配體下建立的參數(shù)，貫穿于產(chǎn)品的整個(gè)參數(shù)化造型設(shè)計(jì)過(guò)程，因此要將參數(shù)發(fā)布于裝配Product。發(fā)布后如圖3所示。

圖3 發(fā)布參數(shù)

3.3 建立模型

接著就可以建立圓錐滾子軸承的模型了，在Product下建立各個(gè)主要的零部件，內(nèi)圓環(huán)(Inner-ring);外 圓 環(huán) (Outer-ring);保 持 架(Hold-frame)；滾子(Taper-roller)，其各主要的零部件的參數(shù)就引用關(guān)聯(lián)參數(shù)，這樣對(duì)于其零部件自身來(lái)說(shuō)就是外部參數(shù)，并且同時(shí)建立起了零件與裝配體參數(shù)的連接，模型建立之后如圖4所示。

圖4 建立模型

3.4 生成設(shè)計(jì)表

設(shè)計(jì)表就是整個(gè)通過(guò)圓錐滾子軸承庫(kù)的索引，將《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》上的各種型號(hào)的數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)表中，通過(guò)選擇設(shè)計(jì)表中的某一種型號(hào)的圓錐滾子軸承，設(shè)計(jì)者就可以得到相應(yīng)的圓錐滾子軸承的標(biāo)準(zhǔn)件。如圖5所示，圖5(a)為型號(hào)為330006的圓錐滾子軸承，圖5(b)為型號(hào)為330007的圓錐滾子軸承。由此例可以看出通過(guò) CATIA平臺(tái)的Product下發(fā)布的參數(shù)可以統(tǒng)一控制裝配體下各個(gè)零件的尺寸和位置。

圖5 兩種型號(hào)的軸承模型

4 結(jié) 論

該文提出了基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。通過(guò)圓錐滾子軸承的實(shí)例給出了基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法的具體過(guò)程。在具體的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)，證明了這一參數(shù)化設(shè)計(jì)方法是有效的。同時(shí)也說(shuō)明在實(shí)際的工程應(yīng)用中，這種成熟化的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)及設(shè)計(jì)方法，必將給企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)帶來(lái)更廣闊的前景。

[1] 童秉樞, 李學(xué)志, 吳志軍, 等. 機(jī)械 CAD技術(shù)基礎(chǔ)(第 2版)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2003. 256-267.

[2] 羅海玉. 參數(shù)化設(shè)計(jì)及其關(guān)鍵技術(shù)[J]. 甘肅科技縱橫, 2003, 12(5): 19-20.

[3] 張 冶, 陳志英. 基于裝配約束關(guān)系的零部件參數(shù)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2003, 12: 10-12.

[4] 陳靖芯, 徐 晶, 陸國(guó)民, 等. 基于 CATIA的三維參數(shù)化建模方法及其應(yīng)用[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì), 2003, 20(8): 48-50.

Parametric Design for Standard Parts Based on Correlation Relations

ZHANG Xue-chen1, ZHANG Qi-hui2, FAN Ru-xiang2, XU Jie2
( 1. School of Electromechanical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun Jilin 130022, China; 2. Class 0503211, Changchun University of Science and Technology, Changchun Jilin 130022, China )

Parametric design methods of geometric modeling are investigated. A method of parametric design for standard parts based on correlation relations is proposed. In order to achieve parametric design of standard parts, correlation among components is built using association parameters. A parametric design process of tapered roller bearing is given based on CATIA, which verifies the feasibility of the method.

computer application; parametric design; correlation; standard parts

TP 391.72

A

：1003-0158(2010)01-0181-04

2009-01-15

張學(xué)忱（1963-），女，吉林長(zhǎng)春人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)楣こ虉D學(xué)，機(jī)械現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)與方法，激光微加工技術(shù)。