农业机械变量化设计方法初探

2013-05-18 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

作者: 柯常忠*谢少波来源: 万方数据
关键字: 自顶向下设计参数化建模布局草图
介绍了基于参数化技术的自顶向下的设计过程和实施方法,以及以布局草图为核心的自顶向下设计的思想,并以三维参数化设计软件SolidWorks为平台,结合产品设计实例,实现了以布局草图为核心自顶向下的零件设计过程。

传统的CAD技术对设计过程的支持建立在几何建模的基础之上,各种设计活动和制造活动信息的共享和交换基于几何模型。人们利用其进行计算机辅助设计时大都采用自下而上的设计方法,依靠其零件实体造型功能先设计零件,然后将零件组装成产品。随着计算机技术的飞速发展,基于微机平台的三维CAD软件不断被推出,在微型计算机已经完全实现参数化建模技术。正是有了参数化建模技术,才有了真正意义上的自顶向下的设计。这种设计增加了零件之间的关联性,设计层次清楚,实现了设计一信息的传递、共享、继承,特别适用于并行工程和协同设计。采用这种方法也极大地提高了企业对市场变化的反应速度。

1参数化技术和自顶向下设计

自顶向下设计就是从产品的顶层开始,通过在装配中建立零件来完成整个产品设计的方法。自顶向下的产品设计是从产品功能要求出发,选用一系列的零件去实现产品的功能。其设计的主要过程是:先设计出初步方案及其装配结构草图,建立约束驱动的产品模型;再通过设计计算,确定每个设计参数,进行零件的详细设计,通过几何约束求解将零件装配成产品;最后对设计方案进行分析,返回修改不满意之处,直到得到满足功能要求的产品。设计过程如图1所示。

农业机械变量化设计方法初探autocad案例图片1

自顶向下的产品设计最初考虑的是产品应实现的功能,最后才考虑实现这些功能的几何结构,它符合产品设计过程和设计人员的思维过程,而且它在产品设计的最初阶段就将产品的主要功能、关键约束、配合关系等重要信息确定下来,同时分配给各子系统,这样各子系统才能很好地配合,避免发生冲突,便于实现多个子系统的协同,实现并行设计。这种设计过程能充分利用计算机的优良性能,最大限度地发挥设计人员的设计潜力,最大限度地减少设计实施阶段不必要的重复工作,使企业的人力、物力等资源得到充分的利用,大大地提高了设计效率,减少了新产品的设计、研究时间。

在CAD中,参数化技术是采用参数预定义的方法建立图形的集合约束集,指定一组尺寸作为参数使其与几何约束集相关联,并将所有的关联式融人到应用程序中,然后通过对话框以人机交互方式修改参数尺寸,最终由程序根据这些参数及其变化顺序地执行表达式来实现设计的方法。参数化设计过程中,参数与设计对象的控制尺寸有明显的对应关系,通过参数化尺寸驱动完成对设计结果的修改。参数化设计不同于传统的设计,它储存了设计的整个过程,能设计出一族而非单一的在形状和功能上具有相似性的产品模型。正是有了这种参数化建模技术,才使得数据的改变在不同层次(如:不同的子装配系统和不同的零件)之间的传递变得惟一和即时。这样,才有了真正意义卜的自顶向下设计,及以这种设计为基础的并行设计,后者是团队设计的基础。

    2以"布局草图为核心"的自顶向下设计

由于自顶向下设计是从产品的顶层开始,通过在装配中建立零件来完成整个产品设计的方法,为此,我们在产品设计的最初阶段,按照该产品的最基本的功能和要求,在设计顶层构筑布局草图,用这个布局草图来充当产品的顶层骨架。随后的设计过程基本上都是在这I、基本骨架的基础上进行复制、修改、细化和完善,最终完成整个设计的过程〕。

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从产品的空间结构上来看,布局草图能够代表产品模型的主要空间位置和空间形状,能够反应构成产品的各个子模块之间的拓扑关系,以及其主要运动功能;从其自身的不断发展以及它与后续设计的继承和相关关系上来看,它是整个产品自顶向下设计展开过程中的核心,是各个子装配之间相互联系的中间桥梁和纽带。因此,在建立布局草图时,更注重在最初的产品总体布局中捕获和抽取各子装配和零件间的相互关联性和依赖性。这就是布局草图的真正内涵。

传统的装配是零件之间的互相贴合、定位或者对齐。但是,在自顶向下设计中的装配却是子装配及零件都装配在同一基准即布局草图(它包括基准点、线、面;空间的点、线、面或者是产品的点、轮廓线、轮廓面等)上,最后用这个可以不断变更、发展的顶层基本骨架来控制整个产品的设计。以布局草图为核心的顶层基本骨架的主要功能包括以下几点。

a.管理。顶层基本骨架可以被用来管理大型的装配设计,允许设计者仅仅调出顶层装配的基本骨架到内存中,来控制整个产品的设计及其更改。顶层基本骨架包含了重要的设计基准,如:基座的位置,产品的外形,子装配,零件及设计参数(如:最重要的尺寸所需要的空间要求)。可以在顶层对基本骨架进行更改,而这些更改将被会传递到其下的所有子系统中。

b.组织。顶层基本骨架可以增强零件在装配中的相互关联和依赖性。这些存在于实际装配之中的相互关联和依赖关系可以很好地在最初的总体布局中被捕获并抽取出来,构成顶层基本骨架,为子装配和零件所享用,在稍后举出的设计实例中,将体现出这种组织上的"关联性",即当我们修改了某个零件的参数之后,另外的一个以这个零件为参照的零件的参数也会相应的变更。

c.共享数据。一个有组织的装配骨架允许信息在不同层次间共享,如果在某一层发生改变,那么和它相关联的装配和零件都能够获得这种最新的改变。这种好处是使得团队合作成为可能,在这个团队中有不同的子团体和个体,他们分别在进行不同的子装配和零件设计时,由于这种数据的共享和在内存中存在的惟一性,使得一个复杂的装配设计在早期就可以分解成不同的、简单的子装配和零件,进而分配给不同的子团体和个人,从而体现出自顶向下设计思想对并行工程的支持。

d.变更的传递。可以用顶层基本骨架来控制变更。产品的变更结果是在零件中产生而在产品的顶层实施。具体方法是:在装配的顶层通过对捕捉到的设计意图进行更改,再通过参数设计的关联性将这种变更传递给下一级子装配或零件以及相应的模具。

3布局草图的建立及其功能

a.确定设计意图。所有的产品设计都有一个设计意图,不管它是创新设计还是改良设计。总设计师最初的想法、草图、计划、规格及说明都可以用来构成产品的设计意图。它可以帮助每个设计者更好地理解产品的规划和零件的细节设计。

b.定义初步的产品结构。产品结构包含了一系列的零件,以及它们所继承的设计意图。产品结构可以这样构成:在它里面的子装配和零件都可以只包含一些从顶层继承的基准和骨架或者复制的几何参考,而不包括任何本身的几何形状或具体的零件;还可以把子装配和零件在没有任何装配约束的情况下加人装配之中。这样做的好处是,这些子装配和零件在设计的初期是不确定也不具体的,但是仍然可以在产品规划设计时把它们加人装配中,从而可以为并行设计作准备。

c.在整个装配骨架中传递设计意图。重要零件的空间位置和尺寸要求都可以作为基本信息,放在顶层基本骨架中,然后传递给各个子系统,每个子系统就从顶层装配中获得了所需要的信息,进而它们就可以在获得的骨架中进行细节设计了,因为他们基于同一设计基准。

d.子装配和零件的设计。当代表顶层装配的骨架确定,设计基准传递下去之后,可以进行单个的零件设计。这里,可以采用两种方法进行零件的详细设计:一种方法是基于已存在的顶层基准,设计好零件再进行装配;另一种方法是在装配关系中建立零件模型。零件模型建立好后,管理零件之间的相互关联性。用添加方程式的形式来控制零件与零件之间以及零件与装配件之间的关联性。

    4实例应用

本节将通过仪器板的设计实例来进一步展示上述基于布局草图的自顶向下设计思想。设计平台是参数化设计软件SolidWorks。设计步骤如下:

    a.建立布局草图。

首先,选定产品的重要参考面,由于产品的结构比较简单,我们将SolidWorks中的上视基准面、左视基准面和前视基准面作为产品的重要基准面。然后,在上视基准面上根据各零件的形状和相互之间的位置关系,做出布局草图,如图2所示。

    b.在装配体中加人新零件。

布局草图建立之后,就可以插人到装配的环境下,作为自顶向下设计的骨架,完成零部件的设计。我们要在装配环境中加入新的零部件,必须给它起个名字并选取一个平面(或平坦的表面)。此平面决定了新零件的前参考平面,这名字作为新零件的文件名。创建新零件时,所选的平面/表面是活动草图,系统进入编辑零件模式。用标准方法来创建零件,并且可以参考装配体中的其他几何体。当创建一个特征,想要参考其他零件中几何体时,这个特征就是所谓的关联特征。比如,参考一根轴的边在另一个零件中创建一个配合孔,可以在轴和孔间创建关联。轴的直径变化了,那么孔的直径也相应变化。在设计这个仪器板的时候,可以分别参考布局草图中的矩形和圆草图,来建立新的零件。这样,我们就建立了一些关联特征。在设计水平管和竖直管的时候,由于交叉管的相贯线很难单独生成,如果以竖直管为参照面,那么生成相贯线就容易了,而且当改变竖直管的直径后,水平管也会相应的改变。依照上述方法,可以设计出如图3所示的仪器板。

c布局草图在产品变更中的作用。

当产品设计完成后,可以在布局草图中修改相关的参数,这样就会直接反映到零部件上去。比如改变草图上圆的半径或者矩形的长、宽。那么,零件与之相关联的孔径或者长、宽就会相应地发生变化。改变草图上零件之间的位置关系,那么仪器板上各个零件之间的位置关系也会相应发生改变。如图4所示。

5结束语

在自顶向下的参数化设计中,以布局草图为核心的上层骨架设计能够实现产品整个设计过程中信息的传递、共享、继承和变更;这种创新性的设计思想和方法不仅支持团队间的并行设计和相关设计,而且为有一定设计经验的技术人员提供了基于参数化技术的自顶向下设计方法:以布局草图作为自顶向下设计过程中信息传递的纽带,在产品的上游设计阶段,它可以作为产品的整体结构功能框架,然后在装配的环境中生成各子装配和具体零件的细节设计,它们之间的相关吐由传递和继承得以体现。