系列化产品三维模型装配与派生设计理论研究∗

张俊义，唐文秀

（宁夏工商职业技术学院，宁夏银川 750021）

系列化产品三维模型装配与派生设计理论研究∗

张俊义，唐文秀

（宁夏工商职业技术学院，宁夏银川 750021）

围绕系列化产品三维模型虚拟装配，充分考虑同系列中不同产品之间的相似性和兼容性，特别强调系列化设计意识，基于SolidWorks的二次开发，提出了一套完整的适用于系列化产品三维模型装配与派生设计的理论体系，可极大地提高产品的设计效率。

系列化产品；三维模型；装配与派生设计；二次开发

1 引 言

系列化产品之所以成为一个系列，应具有一种相同的核心技术或共有技术、或相同的基本机构尺寸、形式和主要零部件的互换［1］。传统设计模式在新产品开发过程中忽略了系列化产品的这一特性，导致设计过程在总体规划上缺乏连贯性，即在获得设计结果的同时，无法保证设计过程功能的延续，使得现有产品结构和功能设计中包含的设计知识没有充分发挥，最终致使新产品增加不必要的设计和开发过程，浪费了大量的人力、物力、财力和时间。事实上，包含在已有产品原设计过程中的各种思路、方案、应用情况及表现过程对新产品的设计与开发具有重要的借鉴价值。对已经或正在产生的有关设计知识要及时提炼、管理，充分利用经过生产实践考验的产品设计知识，不仅大大缩短生产周期，还可避免设计失误，提高产品的一次成功率，有效地降低成本，提高产品开发速度，最终增强企业的竞争力并赢得市场［2］。

2 理论支撑

面向系列化产品进行开发的典型有效形式是产品族和产品平台。产品族是指共享通用技术并定位于相互关联市场应用的一组产品。产品族中的单个产品称为产品变量。产品族中所有的产品变量具有相似性，它们共享相同的结构和产品技术。产品族是在某个核心技术基础上开发的大量不同产品，这个基础就是产品平台。产品平台是能够被某一系列产品共享的、可复用的模块集合，一般具有相对稳定的结构，利用它能够高效地创造和产生一系列派生产品。产品平台构成了能有效设计和制造一系列产品的通用结构。

产品族以产品平台为基础，通过添加不同的个性模块，以满足不同客户个性化需求的一组相关产品，把产品平台作为产品族设计的基础［3］。一个有效的产品平台是产品族的核心，是产品族内相关系列产品的基础，它具有产品族内所有产品的共性特征。

基于上述基本理论，要实现系列化产品的三维模型虚拟装配与派生设计，关键在于构建一个包含系列化产品最广泛属性的基本装配模型（产品平台），若要获得该系列中某一型号产品的装配模型（产品族），只需按照该型号产品的具体设计要求，在基本装配模型已有的系列化共性基础上，针对模型作出个性化局部调整即可。

3 构建基准装配模型的若干核心单元

共用基准装配模型的各型号装配体在结构形式和零部件数量上虽略有差异，但总体结构在很大程度相同，可充分利用系列化产品的这一特性，按要求进行配置设计，即基准装配模型可看作是一个配置模型，能根据不同需求实例化成不同的具体产品［4］。

基于Solidworks构建的基准装配模型需要通过以下几个核心单元的功能配合，才能保证模型的装配方式定义合理。

3.1 布局草图

基准装配模型中所包含的系列化产品零部件整体装配信息通过布局草图来实现整合。布局草图的绘制要以所确定的驱动参数为基准，草图的每一个元素（线、点）都必须完全定义，多条线重合的地方都统一归整为一条线。两个草图之间相同尺寸的定义只能唯一，没有定义尺寸的草图元素要通过重合、穿透等约束关系与定义尺寸的草图元素关联起来。

布局草图原则上只反映装配体中的定位尺寸，它的目的就是设计人员依赖草图装配零部件。布局草图完成后，将零件模型通过与草图元素发生重合、平行、同心等配合关系逐个装配起来。用布局草图进行产品的自上向下装配时，零件装配的先后顺序没有关系，原因在于每个零件都是和布局草图的元素发生关系，而零件与零件之间没有任何配合关系存在，也正因如此，所有系列产品的通用性和特定性零部件才能共用基准装配模型。用布局草图进行装配设计很好地应用了自上向下的设计思想，可以随意更换设计意图，改变设计策略，零部件之间的独立性非常好［5］。

基于布局草图实现基准装配模型的建立实质上完成了系列化产品各零部件装配过程中的有序化。定位尺寸的调整由程序组件即时驱动更改布局草图来实现，至于零部件自身的定形尺寸，则通过基于模型的零件参数化来获得。具有可驱动性的定位和定形尺寸只需及时作出修改，便可在基准装配模型基础上实现任意型号系列化产品的快速装配设计。布局草图的合理布置将影响各零件之间装配关系的正确性以及零件与布局草图之间的协调性。

3.2 尺寸驱动原则

由布局草图确定零部件模型装配位置后，提取出其中的尺寸驱动信息，之后还必须考虑尺寸驱动的过程。因为驱动尺寸之间并不是孤立的，装配约束关系决定了它们之间必然存在关联，如定位尺寸与定形尺寸之间存在配合关系时，两个尺寸必须同时进行驱动，而单一的定位尺寸便可独立驱动；存在前后承接关系的定位尺寸或定位尺寸与定形尺寸的组合只能在合适的节点进行驱动等。因此，要依据已有的基准装配模型中所包含的装配信息，来仔细剥离各个驱动尺寸，制定出合理的尺寸驱动原则。

3.3 零部件的位姿与尺寸调整

任意型号系列产品的装配过程，实质上是对装配体中所有零部件进行定位和定形操作。定位操作即位姿调整，所谓位姿，包含位置与姿势两层含义，实质上反映的是空间物体的六个自由度。位置调整由平移操作来实现，姿势调整由转动操作来实现。基于布局草图构建的基准装配模型通过草图中的各种元素与零部件的约束达到初始定位操作，系列化产品不同型号的装配体中对应零部件的姿势一般不变，唯一变化的是零部件的空间位置。那么由基准装配模型实现系列产品中其它型号的装配主要是零部件定位操作中的平移操作，此操作的完成由布局草图中各元素相对位置的调整来间接实现。定形操作即零件本身尺寸大小则由驱动尺寸的参数化控制实现与相应的装配体对应。

基准装配模型的建立实质上是为实现装配与派生设计建立了合理的问题目标函数，或称之为求解模型［6］。该模型对各零部件的装配位置关系进行分析，建立了它们之间的装配约束关系和装配层次关系，确定这些零部件的装配特征的同时，完成了包含装配相关信息的装配模型。对该模型根据实际需要进行求解时，所有装配信息和约束条件保持不变，只是调整零部件的空间占位情况和自身尺寸信息。

4 服务于基准装配模型的资源库

为保证系列化产品基于基准装配模型实现装配与派生设计，还需构建模型库、信息资源库及程序组件库。依据产品设计要求，程序组件库从信息资源库提取并整合装配信息，基于模型库驱动基准装配模型，从而实现目标型号产品的装配与派生设计，其结构关系如图1所示。

图1 资源库结构关系图

4.1 模型库

组成系列化产品的零部件按通用性和特定性分为两类，参与到基准装配模型的构建过程中。通用性是指绝大部分零部件在系列化装配体各型号中均存在，此类零部件在基准装配模型中容易表达；特定性是指一些零部件只是在具体到系列化产品某一装配体中才存在，这些零部件同样也要在基准装配模型中进行表达。应充分发掘系列化产品零部件上述典型特征属性，寻找其隐藏在系列化产品各型号之间的内在联系，并以模型的参数化和复用性为前提确定建模思路和规范，基于Solidworks设计一套零部件入库。

4.2 信息资源库

为实现系列化产品基准装配模型和模型库中各零件模型所包含的产品信息及其设计过程的复用，即保证已构建模型的系列化进化特性，利用已有的产品设计信息进行新产品的设计，需要提取模型的系列驱动信息以及布局草图中所包含的装配信息。具体操作时还需要考虑信息种类、提取规则及信息存储方式等要素，以便于后续对信息资源库进行升级。

4.3 程序组件库

程序组件库在接收目标产品信息后，对信息资源库中的数据进行整合，并将来自信息资源库整合后的数据通过对Solidworks软件的二次开发来调用三维平台提供的二次开发函数，由三维平台相应的函数指令对模型库与基准装配模型进行驱动操作。

5 基于基准装配模型的派生设计

不同用户、不同时期对产品性能的要求是各式各样的。企业既要满足市场的需求，又不能无限制地增加产品的品种和规格，否则繁杂混乱的品种和规格会给生产和使用带来无法逾越的障碍［7］。在市场需求日益多样化、个性化的今天，系列化产品必须拥有尽可能宽的市场覆盖范围，才能满足尽可能多用户的需求。系列化机械产品具有应用比较成熟，结构主体比较稳定的特征，因而其不同型号产品涉及的零部件种类并不多，而且各零部件间的装配约束关系基本不变。在拓宽系列化产品使用或覆盖范围的方法中，派生设计是最为有效和便捷的选择。

通过系列化产品的派生设计，可以使企业在一种或几种基本型产品的基础上，根据市场需求和企业的生产技术能力，较快设计出该系列的其它型号产品，满足用户需求，在市场竞争中掌握主动。同时，还可通过系列化派生设计延长产品的生命周期，充分利用企业己有的生产设备能力，使企业获得较好的经济效益。

5.1 派生设计分类

在系列化产品的派生设计中，所要设计的新型号产品本质上依然是技术比较成熟型产品，因为产品的基本组成、结构和功能早在开发系列化产品基本型号时就已确定。因而派生装配设计其实就是根据具体的设计需求，以已有的类似产品或模块作为设计模板，在保持其整体结构和功能基本不变的前提下，对其局部结构的配置和尺寸作出一定范围内的变动、调整，以设计出符合要求的新型号产品［8］。

基于基准装配模型的派生设计与其基本型号装配体的装配设计思路一致，同样是在装配约束信息保持不变的情况下，实现设计过程的参数化，这样可避免因零部件参数化后特征发生改变导致装配模型发生崩溃的问题。由此可见，系列化产品的基于装配模型的派生设计重点仍然是基准装配模型即产品平台的建立过程，该模型的建立旨在建立完整的描述产品装配信息的数据模型，以期不仅可以表达零件的几何模型，而且可以通过表达零件之间的装配关系反映整个产品的功能要求和设计者的设计意图，因而符合自顶向下的设计思想并且支持概念设计［9］。所以在系列化产品的派生设计中必须重视基准装配模型造型的适应性，这样才能使企业减少开发成本，增加产品的种类，满足广大消费者的要求，并在市场经济中求得快速发展。

基准装配模型是进行系列化产品派生设计的基础，因而创新设计主要表现为参数的变化，结构的变动则相对较小，前文阐述的产品基准模型构建的核心单元使装配模型获得了结构稳定性，装配约束信息在设计全程是可靠的，最终只采用相关尺寸驱动参数来控制产品派生设计。因而零件的参数化改变不会引起装配模型的干涉，这在一定程度上支持了产品的概念设计，从而保证产品设计的全过程。

鉴于上述分析情况，系列化产品装配派生设计的研究从以下两个方面来进行，一种是针对装配体结构主体形式不变，仅发生尺寸变化的系列化产品新型号的装配设计；另一种是针对装配体结构主体发生稍许改变的系列化产品新型号的装配设计。

5.2 派生设计模型资源的构建策略及实现过程

针对上述对系列化产品派生装配设计分类情况的研究，服务于参数化设计过程的模型资源可以采取如下构建策略。

（1）新型号装配体主体结构形式不变的情况：①由于装配信息保持不变，信息资源库的升级实质为定形和定位尺寸信息的简单数值升级；②支持装配设计的基准装配模型整体布局不变，可在派生设计过程中重复使用；③基于基准装配模型，配合模型库及升级后的信息资源库完成新型号装配体的派生设计；④程序组件库复用性良好。

（2）新型号装配体主体结构形式存在稍许改变的情况：①装配信息在局部范围内发生变化，零部件模型的数量和结构形式根据实际需求作出反应；②零件数量和结构形式发生变化会引起装配约束不足，因此基准装配模型中布局草图必须在原有基础上进行升级，同时对零部件与布局草图的配合关系进行合理调整；③信息资源库后续升级，定位尺寸和定形尺寸同样需要进行数值升级，数据量有所增加；④程序组件库只具有部分复用性，应根据上述模型库和信息资源库的调整情况作出适当后续开发。

依据派生设计模型资源的构建策略过程，系列化产品派生设计的实现过程如图2所示。

图2 派生设计实现过程

6 结 语

（1）在支持装配与派生设计总体思想的指导下，围绕基准装配模型即产品平台的构建，重点研究了布局草图、尺寸驱动原则以及零部件的位姿与尺寸调整三个核心单元，并对服务于基准装配模型的资源库的构建进行了阐述。

（2）从派生设计的重要性、派生设计分类与派生设计模型资源的构建策略及实现过程探究了系列化产品派生装配设计的新方式。

［1］ 罗 莹.工程机械驱动桥系列化设计工具软件开发［D］.西安：西安理工大学，2008.

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［7］ 丁志浩.产品系列化设计－电动工具的系列化设计［D］.南京：南京理工大学，2004.

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［9］ Aleixosa，Companya，Conterob.Integrated modeling with top－down approach in subsidiary industries［J］.Computers in Industry，2004（53）：97－116.

Research on the Theory of Assembly and Derivative Design for Series Product

ZHANG Jun－yi，TANG Wen－xiu
（Ningxia Vocational Technical College of Industry and Commerce，Yinchuan Ninxia 750021，China）

Based on 3D model virtual assembly for series product，the similarity and compatibility of different products in the same series are fully considered，with a particular emphasis on serialization design.A complete set of theoretical system of as⁃sembly and derivative design for series product is put forward in order to improve the efficiency of product design under the secondary development of Solid Works software.

series product；3D model；assembly and derivative design；secondary development

TH122

A

1007－4414（2013）04－0034－03

2013－05－25

张俊义（1983－），男，山西繁峙人，助教，主要从事机械设计自动化与职业教育研究方面的工作。