面向装配级变型设计的产品建模方法研究

汪永辉

上汽大众汽车有限公司 上海 201800

1 研究背景

随着市场竞争的日益加剧和客户需求的多样化，企业在成本、开发周期等方面面临巨大压力。以基型产品为基础的变型设计能够快速响应市场，缩短设计周期，降低产品开发成本，提高产品质量。建模是变型设计的必要手段，好的建模方法可以有效表达产品的设计知识和变型知识，进而在模型中无阻碍地传递。可见，产品的模型不仅能反映产品的设计结果，而且能描述产品的设计知识和意图［1］。

产品的变型知识在产品、子装配体、零件之间传递的准确性和速度决定了产品变型设计的效率，如何准确、快速地传递变型设计中的信息，是当前企业所面临的主要问题。

2 产品变型设计分析

2.1 产品结构层次

一个装配体可以分解为若干不同层次的子装配体，子装配体又可以分解为若干更下层的子装配体和零件，表现为一定的层次性。装配体、子装配体、零件之间的这种层次关系可以直观地表示成一个装配层次结构［2-4］，如图1所示。

图1 产品装配层次结构

2.2 产品变型设计分类

从图1中可以看出，产品结构可以由横向和纵向来分别描述，将横向定为X轴，纵向定为Y轴，那么产品零件在坐标系中呈离散分布状态［5］。可见，产品变型设计可以定义为两种类型：纵向变型设计和横向变型设计。

X轴方向在某一范围内保持不变，产品设计沿Y轴方向变型，称为产品的纵向变型设计。纵向变型设计指产品主要功能参数发生变化，随之装配结构及装配体之间的关系也发生变化，主要由不同零件的重新配合后产生。

Y轴方向在某一范围内保持不变，在X轴方向上进行产品的变型设计，称为横向变型设计。横向变型设计指产品横向单元的扩充，以及辅助功能的增加。

在产品的横向和纵向变型设计中，又可以分为零件级变型设计和装配级变型设计。

在变型设计中，当X轴、Y轴在某一值上确定时，定位为特定的零件，即零件级变型设计。在这种情况下，变型设计过程相对简单，所牵涉到的关系也比较单一。

当X轴、Y轴在某一较大范围内变化时，表现为特定的装配体，即装配级变型设计。在装配级变型设计中，设计过程相对复杂，涉及的关系较多。产品装配层次结构的关系如图2所示。

图2 产品装配层次结构关系

3 变型设计主要内容

通过总结大量的设计实例［6］，结合上述定义，可将变型设计主要内容归纳为以下几个方面。

（1）数量变化。机械产品结构中零件的轮廓线、轮廓面、工作面，甚至是整个零件均可认为是变型元素，通过改变产品结构中变型元素的数量，以实现产品局部结构的变化。

（2）形状变化。通过改变结构零件的轮廓形状、表面形状、整体形状，以及改变零件的类型和规格，都可以产生不同的产品结构。

（3）位置变化。通过改变产品结构中变型元素之间的布置位置，或者产品模块的空间位置，可以得到结构的变型方案。

（4）连接变化。连接变化有两层含义：一是连接方式，有螺纹连接、焊接、铆接及过盈连接等；二是对于每一种连接方式，都有多种连接结构。通过改变连接方式和连接结构，可以得到不同的结构。

（5）尺寸变化。尺寸包括长度、距离和角度等，通过改变零部件及构件的尺寸，可以改变产品的局部结构。

以上五种变化是相互关联的，一个产品的变型通常包括其中几种变化，因此单纯采用参数化技术显然很难实现［7-8］。针对上述五种变化内容，提出产品控制模型（PCM）。

4 PCM概述

4.1 PCM定义

在产品建模过程中，用关键工程设计准则和全局设计参数驱动草图、基准，以及产品的关键点、轮廓线、轮廓面，由这些草图、基准，以及产品的关键点、轮廓线、轮廓面组成的产品三维布局结构，称之为PCM。通过几何元素的复制，将与自身关联的信息传递到子装配体中，把它们作为子装配体的主要参数。同时可以在子装配体中添加参数，层层下发传递信息。在构建PCM时，注重最初的产品总体布局，捕获和抽取各个子装配体和零件间的基本特征，以及相互关联性，这是PCM的真正内涵。

4.2 表达关系

PCM中的所有几何关系、拓扑关系及装配关系都能够为下一级享用，不仅可以控制子装配体空间位置的分布和大小，还可以表达具有配合、约束关系的零部件间几何信息和拓扑关系。与此同时，通过预留模块接口的方式，PCM为模块间的衔接提供了有利保障。

（1）几何关系。PCM主要由基准点、线、面，以及草图和产品的关键点、轮廓线、轮廓面所组成。进行自顶向下的设计时，模型将为产品装配体、子装配体及具体零件提供统一的基准和坐标。这些基本组成元素是产品详细设计的基础，同时也是产品概念设计的核心［9］。通过编辑基本元素，可以对产品中重要的几何关系进行修改［10］。

（2）拓扑关系。在产品初始设计阶段，为产品中的各个子装配体及零件分配准确的空间位置及大小是至关重要的。在PCM中，不但要考虑零件间的定位关系和相互之间的配合、约束关系，而且要充分考虑子装配体的位置分布、相互接口等问题。PCM可以看作产品三维布置图，从产品的最顶层到零件详细设计，都能够充分反映产品的拓扑关系，如图3所示。

（3）装配关系。PCM为产品中的关键零部件分配空间位置。进行装配时，采用原坐标系绝对定位，可以确定关键部件在产品中的位置及规定的空间区域，非关键部件进行贴合、平行、对齐、对中等装配操作。当PCM中控制位置的关键参数发生变化时，关键零部件位置也发生变化，其它相关联的零件受装配约束的影响而自动调整。

图3 PCM拓扑关系

4.3 PCM的应用

（1）产品布局变化。产品中各个子装配体及零件在空间位置分配、大小范围的确定，是产品概念设计中的一个重要环节。PCM通过相关参数化技术，利用产品整体参数驱动基准、产品草图，以及关键点、轮廓线、轮廓面，在三维空间中构建产品整体布局。当布局变化时，通过对产品整体控制参数进行变更，能有效解决布局变化问题。

（2）装配体之间与零件之间的关系协调。在变型设计中，某一子装配体发生变化时，其它零部件及装配体也会相应发生变化。PCM在未进行详细建模前，预先将装配体之间、零件之间的关系抽取出来，在其父层中分配这些关系，然后通过相关几何拷贝将关系传递到下一级。当冲突发生时，可以在父层中进行协调。

（3）零件形状和尺寸变型。纯参数化变型设计能很好地对产品的尺寸大小进行调整，而对于零件结构形状的变化却很难处理。PCM从产品结构中进行抽取，能够控制产品结构变化。在PCM最底层，零件拥有从产品性能参数传递下来的设计参数，只要对其进行调整和修改，便能解决零件的结构形状变型问题。

通过上述三个不同层次的应用，能够实现变型设计中的五大变化，包括从产品布局到零件详细设计的变化。PCM应用示意图如图4所示。

图4 PCM应用示意图

4.4 PCM建模方法

（1）搭建控制模型顶层。在概念设计过程中，按照产品的主要功能和要求，用关键工程准则、全局设计参数、设计者自身经验，驱动基准点、线、面、草图，以及产品关键点、轮廓线、轮廓面，建立一个产品的三维布局框架。

（2）完善模型底层。在顶层控制模型基础上，按照产品各个子装配体的功能，复制相关的几何元素和基准到自身部件中，形成控制模型的层次结构。模型层次结构与产品装配层次结构一一对应，产品中复杂的层次关系通过变型元素和基准的相关性复制表达，避免了复杂的参数引用。在子装配体中，设计者添加辅助的几何元素和基准，层层向下传递直到零件的详细设计为止。

（3）零件详细设计与产品装配。进行零件详细设计时，拥有从顶层或者父层传递来的设计参数，并基于这些参数完成设计建模。最后按照绝对坐标系对零件进行装配，完成产品的建模。

5 变型设计实例

水平定向钻进是一种新型的非开挖技术，从石油钻井领域发展演变而来，它将水平定向钻机作为施工设备，以可控钻孔轨迹的方式，在地下不同地层和深度进行钻进，并通过专用的控向仪使钻孔沿设计轨迹前进，最后抵达指定位置，然后进行回扩、回拖，从而达到铺设地下管线的目的［11］。水平定向钻机的主要动力由动力头提供，根据动力头提供动力的不同，类型也不同。水平定向钻机中动力头的变型设计系统基于PCM建立，通过动力头的几何关系、拓扑关系及装配关系建立模型，能实现对主要参数进行修改，从而实现快速更新，然后再基于模型对三维设计软件进行二次开发。

图5所示为基于PCM的传动部分设计截图，可以通过改变局部参数、系统内部自带公式计算及几何尺寸关联，使整个传动系统设计方案得到更新。图6所示为动力头箱体部分设计截图，此部分参数引用动力传动部分，传动部分的更新能驱动箱体部分结构尺寸，如箱体孔位的变化等。如果更新尺寸超出原有箱体的极限值，则需要手动输入参数，从而实现箱体尺寸更新，并符合箱体尺寸设计要求。这一系统能够完成从产品的布局到零件的详细设计三个不同层次的PCM应用。通过修改箱体关键参数，以及模型内部的几何形状关联，最终实现几何形状的变化，如图7所示。

图5 传动部分设计截图

6 结论

笔者分析了产品的层次结构，指出产品变型设计的两个方向：横向变型设计、纵向变型设计。区分了单个零件、装配体中变型设计的差别。

图6 箱体部分设计截图

笔者同时提出了产品变型设计中的主要内容：数量变化、形状变化、位置变化、连接变化和尺寸变化，对每项内容进行了详细解释。

图7 几何形状变化比较

将上述变化内容分成三个层次，利用相关参数化和几何元素相关性，建立PCM来控制产品零件和装配体的空间位置及相关特征，建立产品的总体布局及子装配体结构模型。PCM能够实现装配建模过程中产品设计知识的共享、传递、变更及重用。