李 強(qiáng),江瑞田,劉 淵,龔春全,嚴(yán)忠勝,常震羅,董 鵬
(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一一研究所,上海 200090)
泥泵齒輪箱是疏浚工程船舶即挖泥船上廣泛使用的關(guān)鍵動(dòng)力傳輸設(shè)備,連接原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)泥泵工作。近年來(lái)我國(guó)沿海、沿江港口及工業(yè)開(kāi)發(fā)的快速發(fā)展使得圍海造地工程需求巨大,對(duì)圍海造地的工程挖泥船的需求量急劇增加,相應(yīng)的泥泵齒輪箱的需求越來(lái)越大。因該行業(yè)工程具有工期時(shí)間緊迫、施工工程投資回報(bào)快的特點(diǎn),作為關(guān)鍵動(dòng)力傳輸設(shè)備的泥泵齒輪箱,能夠縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期,盡快投入生產(chǎn)就顯得格外重要。
本文結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),針對(duì)泥泵齒輪箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)泥泵齒輪箱進(jìn)行了三維參數(shù)化分析和研究;提出了基于事物特性表的變型設(shè)計(jì)原理和方法;通過(guò)Visual C++、Pro/E,Access 數(shù)據(jù)庫(kù)等工具軟件,開(kāi)發(fā)出泥泵齒輪箱快速變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)并成功應(yīng)用于工程生產(chǎn)實(shí)踐中。該系統(tǒng)的應(yīng)用極大地提高了齒輪箱的設(shè)計(jì)效率、節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間。
產(chǎn)品的主模型以參數(shù)化CAD系統(tǒng)中的特征模型為基礎(chǔ)而產(chǎn)生,它是在產(chǎn)品個(gè)性化需求分析的基礎(chǔ)上,對(duì)CAD模型的特征變量進(jìn)行分析,提取出其中的一些關(guān)鍵參數(shù)來(lái)描述零件拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、形狀特征和尺寸之間的聯(lián)系[1]。
事物特性表是建立可變型設(shè)計(jì)產(chǎn)品的另外一個(gè)重要組成部分,它代表了產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)過(guò)程[2-3]。事物特性表和產(chǎn)品的主模型一一對(duì)應(yīng)。它的邏輯結(jié)構(gòu)和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)表一致,由表列和表行組成,表名代表事物特性表的名稱(chēng),表頭的表列存放主模型中實(shí)現(xiàn)變型設(shè)計(jì)的特征變量、變型后的模型、工程圖等文件,而事物特性表的每一行則代表了一個(gè)其相應(yīng)對(duì)象的變型設(shè)計(jì)實(shí)例。
基于事物特性表的產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是在對(duì)個(gè)性化產(chǎn)品需求分析的基礎(chǔ)上,充分分析產(chǎn)品的幾何形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)出產(chǎn)品的主模型和事物特性表,并且完成主模型——事物特性表——參數(shù)化CAD 參數(shù)變量表三者之間的映射關(guān)系,也就是說(shuō)要建立事物特性表中的表列與參數(shù)化CAD參數(shù)變量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,用事物特性表驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品參數(shù)型CAD系統(tǒng)中的變量表。這樣通過(guò)在事物特性表中輸入一組對(duì)應(yīng)于主模型參數(shù)變量的數(shù)據(jù),就可以自動(dòng)派生出產(chǎn)品的一個(gè)變型實(shí)例,從而動(dòng)態(tài)、快速地生成滿(mǎn)足用戶(hù)需要的產(chǎn)品。
基于產(chǎn)品主模型和事物特性表的產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)技術(shù)主要是根據(jù)用戶(hù)或者設(shè)計(jì)人員的需要,先創(chuàng)建好產(chǎn)品的主模型和事物特性表,然后通過(guò)輸入產(chǎn)品的特征參數(shù)變量,變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)就能借助事物特性表來(lái)驅(qū)動(dòng)參數(shù)化CAD系統(tǒng),快速生成滿(mǎn)足用戶(hù)需求的個(gè)性化產(chǎn)品的模型、工程圖、產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造相關(guān)的圖文檔信息及其他相關(guān)的信息對(duì)象文件,其過(guò)程如圖1所示。
圖1 基于主模型和事物特性表的變型設(shè)計(jì)
挖泥船泥泵齒輪箱動(dòng)力輸入端為電動(dòng)機(jī)/柴油機(jī),動(dòng)力輸出端為泥泵。由于動(dòng)力設(shè)備配置特點(diǎn),泥泵齒輪箱普遍都采用一級(jí)減速的結(jié)構(gòu)形式。泥泵齒輪箱這樣的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了對(duì)于不同輸入功率/轉(zhuǎn)速和輸出功率/轉(zhuǎn)速(減速比),齒輪箱的幾何結(jié)構(gòu)形式完全可以通過(guò)統(tǒng)一相似的外形結(jié)構(gòu)即主模型進(jìn)行表示。通過(guò)對(duì)主模型變型設(shè)計(jì)產(chǎn)生的實(shí)例可以衍生出不同的輸入/輸出的齒輪箱。
泥泵齒輪箱變型設(shè)計(jì)的原理是采用面向?qū)ο蟮姆椒?,以圖2 所示的齒輪箱CAD 模型的結(jié)構(gòu)樹(shù)關(guān)系為“骨架”,通過(guò)基于事物特性表的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)方式,創(chuàng)建與齒輪箱CAD模型結(jié)構(gòu)樹(shù)關(guān)系為基礎(chǔ)的主模型。通過(guò)事物特性表驅(qū)動(dòng)主模型進(jìn)行齒輪箱的變型設(shè)計(jì)。
圖2 泥泵齒輪箱CAD模型
圖3 泥泵齒輪箱主模型結(jié)構(gòu)圖
所有齒輪箱變型實(shí)例都從主模型派生并決定了變型實(shí)例的結(jié)構(gòu),因此齒輪箱主模型的創(chuàng)建是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中最關(guān)鍵的部分。圖3 為齒輪箱主模型的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表齒輪箱一個(gè)零件或部件的主模型。所有的節(jié)點(diǎn)組成整個(gè)齒輪箱的主模型。節(jié)點(diǎn)中包括對(duì)象的CAD 模型、變型參數(shù)對(duì)象、以及相關(guān)信息(參數(shù)間的約束關(guān)系式、與上下級(jí)零部件關(guān)系、材料、重量等)。主模型的信息通過(guò)基于事物特性表的方式建立的數(shù)據(jù)庫(kù)表對(duì)其進(jìn)行描述。數(shù)據(jù)庫(kù)表中體現(xiàn)與齒輪箱CAD 模型一致的結(jié)構(gòu)樹(shù)關(guān)系。通過(guò)結(jié)構(gòu)樹(shù)將各個(gè)獨(dú)立的零部件主模型按照齒輪箱的裝配和邏輯關(guān)系關(guān)聯(lián)在一起。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)能夠訪問(wèn)各個(gè)齒輪箱主模型包括部件、零件、標(biāo)準(zhǔn)件主模型中的每一個(gè)參數(shù)變量對(duì)象。在齒輪箱變型設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)程序訪問(wèn)、修改數(shù)據(jù)庫(kù)表數(shù)值驅(qū)動(dòng)各級(jí)對(duì)象CAD模型實(shí)現(xiàn)變型同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的各級(jí)對(duì)象的管理。齒輪箱主模型的創(chuàng)建流程見(jiàn)圖4。
圖4 泥泵齒輪箱主模型建模流程
2.3.1 齒輪箱CAD模型類(lèi)型分析和分解
按照泥泵齒輪箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi),包括參數(shù)化對(duì)象和標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)象。參數(shù)化對(duì)象為輸入齒輪、輸出齒輪、輸出軸、端蓋等通過(guò)設(shè)計(jì)過(guò)程中的幾何特征關(guān)系、裝配尺寸關(guān)系等參數(shù)化驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)模型造型的對(duì)象。標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)象如油泵、軸承、密封件、螺栓等。
為簡(jiǎn)化齒輪箱主模型和CAD模型,減少運(yùn)算量,標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)象都視為單獨(dú)的零件對(duì)象,有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)件CAD模型庫(kù);通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)查詢(xún)選型調(diào)用CAD模型對(duì)象。即通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)件的變型參數(shù)進(jìn)行配置、選型實(shí)現(xiàn)。另外,為減少主模型的復(fù)雜性,將齒輪箱中的標(biāo)準(zhǔn)件適當(dāng)簡(jiǎn)化,例如聯(lián)接螺栓在齒輪箱CAD 模型中只保留關(guān)鍵的合箱大螺栓,其他螺栓則通過(guò)和對(duì)應(yīng)的部件、零件主模型關(guān)聯(lián),并最終在BOM中列出。
2.3.2 齒輪箱CAD模型的變型參數(shù)定義
變型參數(shù)包括全局參數(shù)、主動(dòng)參數(shù)、從動(dòng)參數(shù)。全局參數(shù)為齒輪箱主模型頂級(jí)參數(shù),包括用戶(hù)提供的技術(shù)參數(shù)如齒輪箱的功率、輸入轉(zhuǎn)速、輸出轉(zhuǎn)速,以及由齒輪箱計(jì)算產(chǎn)生的相關(guān)參數(shù),包括齒輪模數(shù)、齒數(shù)、螺旋角大小、旋向、軸承支點(diǎn)距等參數(shù)。在齒輪箱的主模型中全局參數(shù)以“自上而下”的方式將參數(shù)約束關(guān)系傳遞到部件、零件的主模型及最終的CAD 模型的參數(shù)表中[4]。主動(dòng)參數(shù)是指引起其他參數(shù)變化的變量,它的改變將引起從動(dòng)參數(shù)值的變化。從動(dòng)參數(shù)是指被其他參數(shù)驅(qū)動(dòng)變化的變量,它是在參數(shù)間建立關(guān)聯(lián)時(shí)產(chǎn)生的。
齒輪箱主模型的主動(dòng)、從動(dòng)參數(shù)都與齒輪箱CAD 模型通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)表建立直接或間接的映射關(guān)系。在系統(tǒng)中主動(dòng)參數(shù)定義為主模型對(duì)象對(duì)外的接口。通過(guò)修改主動(dòng)參數(shù)的數(shù)值、數(shù)值范圍、邏輯關(guān)系等以及更新關(guān)聯(lián)的從動(dòng)參數(shù)數(shù)值驅(qū)動(dòng)CAD模型變型。
2.3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)
通過(guò)基于事物特性表的方式建立數(shù)據(jù)庫(kù)見(jiàn)圖5,利用數(shù)據(jù)庫(kù)保存主模型和變型實(shí)例的所有信息。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)驅(qū)動(dòng)主模型變型產(chǎn)生實(shí)例并實(shí)現(xiàn)對(duì)所有對(duì)象信息的有效管理。
數(shù)據(jù)庫(kù)包括主模型數(shù)據(jù)庫(kù)和變型實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)。主模型數(shù)據(jù)庫(kù)表包括圖5 所示的主表(Main table)、參數(shù)表(Parameters table)、零部件主模型表。主表相當(dāng)于齒輪箱CAD模型的結(jié)構(gòu)樹(shù)關(guān)聯(lián)了主模型下的所有信息。
主表中:字段“SuperId”表示上一級(jí)部件的圖號(hào)。字段“SubId”為齒輪箱或齒輪箱裝配件下的部件、零件圖號(hào)或變量名稱(chēng)。字段“Type”:對(duì)象類(lèi)型包括全局參數(shù)、主動(dòng)變型參數(shù)、從動(dòng)變型參數(shù)、部件對(duì)象、零件對(duì)象等(其中主表包括全局參數(shù)、部件對(duì)象、零件對(duì)象3 種類(lèi)型;部件主模型表包括主動(dòng)變型參數(shù)、部件對(duì)象、零件對(duì)象3種類(lèi)型,零件主模型表包括主動(dòng)變型參數(shù)1種類(lèi)型;參數(shù)表為全局參數(shù)、主動(dòng)變型參數(shù)、從動(dòng)變型參數(shù)3種類(lèi)型)。字段“Map”:該變型參數(shù)映射的CAD模型中的參數(shù)以及其它字段等。
零部件主模型表的結(jié)構(gòu)和主表結(jié)構(gòu)一致。參數(shù)表的結(jié)構(gòu)與主表一致并增加了“變型參數(shù)取值范圍(Scope)”字段,“變型參數(shù)約束關(guān)系式(Formula)”字段等參數(shù)信息,所有的變型參數(shù)信息都保存在參數(shù)表中。
圖5 主模型數(shù)據(jù)庫(kù)表結(jié)構(gòu)
這樣結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫(kù)表實(shí)現(xiàn)了上下關(guān)聯(lián)的層次關(guān)系,按照結(jié)構(gòu)關(guān)系可雙向訪問(wèn)數(shù)據(jù)信息??梢詫?shí)現(xiàn)快速創(chuàng)建齒輪箱、部件、零件主模型的結(jié)構(gòu)樹(shù);快速訪問(wèn)齒輪箱的每個(gè)零部件以及零部件對(duì)應(yīng)的取值、表達(dá)式等信息;同時(shí)保證了包括變型參數(shù)、齒輪箱、部件、零件等所有對(duì)象可追溯性。
變型實(shí)例數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)和主模型數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)一致,通過(guò)這樣的結(jié)構(gòu)可以對(duì)變型設(shè)計(jì)后的實(shí)例進(jìn)行便捷地訪問(wèn)和管理。
2.3.4 建立主模型數(shù)據(jù)庫(kù)表與CAD模型參數(shù)表映射關(guān)系
系統(tǒng)通過(guò)訪問(wèn)齒輪箱模CAD模型在主表中建立與CAD模型一致的結(jié)構(gòu)樹(shù)。通過(guò)該結(jié)構(gòu)樹(shù)“自上而下”的訪問(wèn)齒輪箱CAD模型的參數(shù)表。從最底層的零件開(kāi)始按照齒輪箱CAD模型的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)關(guān)系逐級(jí)創(chuàng)建對(duì)象的基本主模型。在創(chuàng)建基本主模型時(shí)建立變型參數(shù)與CAD 模型參數(shù)的映射關(guān)系,通過(guò)主動(dòng)變型參數(shù)的逐級(jí)傳遞,最后與齒輪箱產(chǎn)品的全局參數(shù)建立約束關(guān)系,完成齒輪箱基本主模型的建模?;局髂P蛣?chuàng)建后可根據(jù)系統(tǒng)需要添加附加的信息完成主模型,擴(kuò)展系統(tǒng)的功能。
(1)建立數(shù)據(jù)庫(kù)變型參數(shù)與零件CAD模型的映射關(guān)系
訪問(wèn)齒輪箱CAD 模型結(jié)構(gòu)樹(shù)的末端對(duì)象即零件中CAD 模型的參數(shù)表,提取變型需要的參數(shù),過(guò)濾參數(shù)表中其它多余參數(shù)。提取的參數(shù)相應(yīng)的在數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)表中生成對(duì)應(yīng)的變型參數(shù)。對(duì)提取出來(lái)的變型參數(shù)進(jìn)行命名以增加可讀性。定義變型參數(shù)之間的約束關(guān)系,這樣被約束的變型參數(shù)成為從動(dòng)變型參數(shù),起約束的參數(shù)為主動(dòng)變型參數(shù)。主動(dòng)變型參數(shù)保存在零件主模型表中,同時(shí)將變型參數(shù)所有信息保存在參數(shù)表中。這樣零件CAD 模型的主動(dòng)變型參數(shù)就“暴露”給其上一層的對(duì)象,完成零件的基本主模型定義。
(2)建立數(shù)據(jù)庫(kù)表變型參數(shù)與裝配件CAD模型的映射關(guān)系
齒輪箱CAD模型結(jié)構(gòu)樹(shù)的關(guān)系,完成裝配件下CAD模型的所有零件CAD模型的主模型后,提取各個(gè)零件主模型的主動(dòng)變型參數(shù)以及裝配件的參數(shù)表,在數(shù)據(jù)庫(kù)中生成裝配件對(duì)象對(duì)應(yīng)的變型參數(shù)。通過(guò)建立裝配件的變型參數(shù)與零件主模型的約束關(guān)系,定義裝配件主模型的主動(dòng)變型參數(shù)。通過(guò)這樣的方法按照齒輪箱的樹(shù)狀結(jié)構(gòu)遞歸完成上一級(jí)裝配件主模型創(chuàng)建直至齒輪箱的基本主模型。
(3)建立標(biāo)準(zhǔn)件變型參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)件CAD模型的映射關(guān)系
完成齒輪箱的基本主模型后,根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件與齒輪箱的零部件CAD對(duì)象的裝配關(guān)系、幾何關(guān)系等建立標(biāo)準(zhǔn)件與齒輪箱、部件、零件主模型的關(guān)聯(lián)。訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)象CAD 模型參數(shù)表提取參數(shù);提取的參數(shù)定義為標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)象的變型參數(shù),通過(guò)該變型參數(shù)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件CAD模型庫(kù)。建立標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)象的變型參數(shù)和關(guān)聯(lián)對(duì)象主模型主動(dòng)參數(shù)之間的約束關(guān)系。最終標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)象的變型參數(shù)作為從動(dòng)參數(shù)保存在參數(shù)表中。通過(guò)這種方法使標(biāo)準(zhǔn)件隸屬于齒輪箱的各個(gè)對(duì)象的主模型,將標(biāo)準(zhǔn)件作為一個(gè)零件處理,使得最終完善的齒輪箱主模型更為簡(jiǎn)化,同時(shí)驅(qū)動(dòng)CAD 模型變型的運(yùn)算也簡(jiǎn)化。
完成齒輪箱所有對(duì)象主模型的創(chuàng)建后,即可通過(guò)全局參數(shù)驅(qū)動(dòng)主模型進(jìn)行變型設(shè)計(jì),生成新的產(chǎn)品實(shí)例。變型設(shè)計(jì)時(shí),全局參數(shù)“自上而下”傳遞到齒輪箱下所有對(duì)象主模型的變型參數(shù)中,更新變型參數(shù)。驅(qū)動(dòng)所有零件級(jí)別對(duì)象的CAD 模型后,再依次進(jìn)行上一級(jí)裝配件的參數(shù)驅(qū)動(dòng),同時(shí)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件對(duì)象的變型參數(shù)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件CAD模型庫(kù)。齒輪箱CAD模型中非尺寸關(guān)聯(lián)的裝配關(guān)系則由CAD軟件的自身約束自動(dòng)調(diào)整。最終完成齒輪箱的變型設(shè)計(jì)。
通過(guò)上述的變型設(shè)計(jì)的原理和方法,以VC++6.0 為開(kāi)發(fā)工具,Pro/E 為CAD 造型軟件及Pro/ToolKit開(kāi)發(fā)接口[4],Access為數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái),開(kāi)發(fā)出泥泵齒輪箱的變型設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)。圖6 為系統(tǒng)的主設(shè)計(jì)界面。系統(tǒng)通過(guò)手動(dòng)輸入或外部導(dǎo)入齒輪校核計(jì)算結(jié)果和軸承計(jì)算結(jié)果,用戶(hù)從主界面上選擇齒輪箱的布置方式、輸入齒輪旋向后,系統(tǒng)內(nèi)部就根據(jù)輸入的參數(shù)進(jìn)行匹配檢索。若有相同產(chǎn)品即在界面右側(cè)提示和顯示,否則生成新的產(chǎn)品實(shí)例。同時(shí)系統(tǒng)具有實(shí)例管理、零件、部件級(jí)模型變型設(shè)計(jì)和生成BOM表等功能。
系統(tǒng)的應(yīng)用極大地提高了設(shè)計(jì)效率、節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于上海航道局、天津航道局等多家公司挖泥船泥泵齒輪箱的設(shè)計(jì)中,同時(shí)設(shè)計(jì)的多個(gè)泥泵齒輪箱已經(jīng)在實(shí)船使用。
本文通過(guò)對(duì)挖泥船泥泵齒輪箱的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行分析并結(jié)合設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),提出了基于事物特性表的泥泵齒輪箱主模型的變型設(shè)計(jì)原理和方法。詳細(xì)闡述了泥泵齒輪箱主模型的創(chuàng)建過(guò)程和關(guān)鍵技術(shù);并通過(guò)面向?qū)ο蟮姆绞介_(kāi)發(fā)出了挖泥船泥泵齒輪箱變型設(shè)計(jì)系統(tǒng),成功的應(yīng)用于工程生產(chǎn)實(shí)踐。
圖6 泥泵齒輪箱變型設(shè)計(jì)系統(tǒng)
該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法不僅適合于泥泵齒輪箱,同時(shí)對(duì)于其他復(fù)雜產(chǎn)品的參數(shù)化設(shè)計(jì)而言也有一定的實(shí)用價(jià)值和參考意義。
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