利用关联关系的标准件参数化设计方法

张学忱， 张启晖， 范汝祥， 徐 杰

（1. 长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022；2. 长春理工大学0503211班，吉林 长春 130022）

利用关联关系的标准件参数化设计方法

张学忱1， 张启晖2， 范汝祥2， 徐 杰2

（1. 长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022；2. 长春理工大学0503211班，吉林 长春 130022）

分析了产品几何建模的参数化设计方法，提出了一种基于关联关系的标准件参数化设计方法。阐述了参数化设计方法的原理，即采用关联参数建立多个组件间的关联，以实现标准件的参数化设计。利用CATIA平台，给出了圆锥滚子轴承基于关联关系的参数化设计过程，证明了该设计方法的可行性。

计算机应用；参数化设计；关联关系；标准件

在现代机械设计领域里，参数化设计不仅已成为CAD领域中使用最广泛的设计技术之一，而且它也成为了评价 CAD系统优劣的重要指标。目前参数化设计更加能体现出产品现代CAD中的概念设计以及并行设计思想。通过参数化设计不仅可以缩短产品的整个开发周期，并且可以进行形状相似的系列化产品设计[1]。

标准件是机械工程中常用的零件之一，对标准件的组件间用关联参数进行关联，从而对标准件进行参数化设计，可以缩短标准件的整个开发周期。该文以圆锥滚子轴承为例，给出了基于关联关系的产品参数化设计实现过程。

1 参数化设计方法

参数化设计是一种设计方法，它用图形几何约束来表达产品的几何模型，将模型的一部分或几部分尺寸约束做为参数与几何约束相关联，利用尺寸驱动的功能来改变产品的几何模型。在参数化设计中，设计者只需将零件的关键尺寸定义为某个参数，通过参数的修改就可以实现对产品几何模型的修改和优化。参数化设计极大改善了产品设计图形的修改方法，提高了产品设计的柔性。在设计的各个阶段，如概念设计，三维结构设计，工程绘图，装配设计，工程分析，结构仿真，优化设计等阶段，参数化设计以全新的设计方法发挥着重要的作用[2]。

参数化设计的关键在于用参数、公式、特征等驱动产品的几何模型，通过参数可以实现几何模型的改变。在产品参数化建模时，先分析零件的造型特征并且提取出模型特征参数，接着就可以定义用户参数和公式，进行参数化建模，最后对模型进行检验[3]。

该文运用的机械设计平台是CATIA。CATIA是法国Dassualt systems 公司推出的微机版专业CAD/CAM/CAE智能化软件系统。CATIA不仅提供了大量常用的产品参数化设计的特征，而且用户还可以根据产品的特点和开发需求，建立起自己的参数化特征库。CATIA 同时提供了完备的设计能力：从产品的概念设计到最终产品的形成，可以其精确可靠的解决方案提供完整的2D、3D、参数化混合建模及数据管理手段，从单个零件的设计到最终电子样机的建立。在标准件的参数化设计中，正是利用 CATIA的强大功能模块来实现建立产品的关联参数化设计。

2 基于关联关系的参数化设计

在产品的结构设计过程中，往往会出现因某一局部结构的变化而引起其它相关结构的变化。在如图1所示的齿轮传动轴系中，与齿轮连接轴段的直径变化势必引起该齿轮轮毂孔直径的变化、轴承的内圈直径变化势必引起圆锥滚子轴承外圈直径的变化。

在三维参数化设计过程中，将这种存在关联关系的零件，按照其关联的线性关系进行装配设计的方法叫基于关联关系的参数化设计方法。该设计方法在装配环境中实现，并与“自底而上”、“自顶而下”两种方法结合应用，完全地支持产品开发的三维设计。

基于关联关系的参数化设计的关键在于提取产品相关联的特征参数，建立全面有效的产品参数，通过定义体现产品的特征间的依附关系和约束关系，形成以关联驱动为基础的参数化约束模型。

在 CATIA环境下基于关联关系的参数化设计过程为：

图1 齿轮传动轴系

2.1 提取关联参数

在装配环境下进行基于关联关系的装配造型时，装配体模型中的参数大致有三类：

（1） 关联参数 指在装配环境中发布的参数。用这些参数可以构成某一装配层次中零件之间的参数关联。在确定这些参数时，往往需要根据装配体的功能特征，提取出由此带来的零件间结构的关联变化特征。例如：选用圆锥滚子轴承时，外载荷不同，轴承的型号就不同，带来的特征变化就是轴承内圈、外圈、滚子、保持架四个零件相应的尺寸参数的变化。这些相应的尺寸参数就构成圆锥滚子轴承的关联参数。

（2） 外部参数 指构成装配体的零部件在造型过程中，引用了装配环境下发布的参数。由于彼此引用了这些参数，因而形成了零件间的参数关联。

（3） 内部参数 指构成装配体的零部件在造型过程中应用了与自身外部无关的参数，不具有关联关系，仅仅与零部件自身的尺寸有关。

基于关联关系的参数，反映了产品零部件之间有效的组合关系，包括了产品零件约束、零件间尺寸关联、特征关联等。因而，在操作过程中要正确地提取关联参数。

2.2 定义关联关系

根据零件在装配体中的作用，对零件经过造型特征分析后，可以先定义所有影响功能作用的工程参数，形成以数学公式、函数关系形式表达的工程规则。然后通过规则编辑，产生关联，进而实现基于关联关系的参数驱动。

2.3 实现几何造型

几何造型可在定义关联关系之前进行，造型后，再进行参数关联；也可以边几何造型边即时定义关联参数。设计完成后，只要在特征树下发布的关联参数中修改变量值，即可实现包含所有零件的关联尺寸和特征的修改，并且可以通过设计表优化产品。

由于构成装配体的零件往往个数多，结构复杂，这样就会给参数关联带来困难，为了更有效地实现产品的建模，要注意以下的问题：发布中的变量要适用、且数目不宜太多。在产品设计中选择那些对产品结构形状和装配位置等起决定作用的尺寸定义为变量，且数目不可过多。定义变量后，产品的其他尺寸就可以由它和其他相关的参数之间的关系通过发布确定出来。这样当修改一些变量时，系统立即自动根据与他们相关函数公式计算出相应的尺寸值并修改设计[4]。

3 实例操作

轴承是机械领域是使用得很广泛的标准件，型号多，而且种类全，如果能建立一个参数化模型库，在实际产品中根据要求从库中调用合适的轴承，直接导入到产品的装配中，必将大大的加快设计速度，降低设计成本。在本文中，将以圆锥滚子轴承为例说明CATIA V5 R17环境下的基于关联关系的参数化造型方法的具体应用。

参照设计手册选取圆锥滚子轴承的型号为33006，建立此轴承的三维实体参数模型库。

3.1 建立参数

根据《机械设计手册》的数据可在 CATIA的Product工作台建立如下类型的关联参数：Type（轴承牌号）；d（轴承内径）；D（轴承外径）；T；B；C；角度；圆锥滚子数目；保持架两端伸出长度；保持架厚度；上端伸出长度；圆锥长度；圆锥折中距离；圆锥大端半径（见图2）。

图2 建立圆锥滚子轴承的关联参数

3.2 发布参数

在装配体下建立的参数，贯穿于产品的整个参数化造型设计过程，因此要将参数发布于装配Product。发布后如图3所示。

图3 发布参数

3.3 建立模型

接着就可以建立圆锥滚子轴承的模型了，在Product下建立各个主要的零部件，内圆环(Inner-ring);外 圆 环 (Outer-ring);保 持 架(Hold-frame)；滚子(Taper-roller)，其各主要的零部件的参数就引用关联参数，这样对于其零部件自身来说就是外部参数，并且同时建立起了零件与装配体参数的连接，模型建立之后如图4所示。

图4 建立模型

3.4 生成设计表

设计表就是整个通过圆锥滚子轴承库的索引，将《机械设计手册》上的各种型号的数据输入数据表中，通过选择设计表中的某一种型号的圆锥滚子轴承，设计者就可以得到相应的圆锥滚子轴承的标准件。如图5所示，图5(a)为型号为330006的圆锥滚子轴承，图5(b)为型号为330007的圆锥滚子轴承。由此例可以看出通过 CATIA平台的Product下发布的参数可以统一控制装配体下各个零件的尺寸和位置。

图5 两种型号的轴承模型

4 结 论

该文提出了基于关联关系的标准件参数化设计方法。通过圆锥滚子轴承的实例给出了基于关联关系的参数化设计方法的具体过程。在具体的三维设计平台上实现了产品的参数化设计，证明了这一参数化设计方法是有效的。同时也说明在实际的工程应用中，这种成熟化的三维设计平台及设计方法，必将给企业的产品设计带来更广阔的前景。

[1] 童秉枢, 李学志, 吴志军, 等. 机械 CAD技术基础(第 2版)[M]. 北京: 清华大学出版社, 2003. 256-267.

[2] 罗海玉. 参数化设计及其关键技术[J]. 甘肃科技纵横, 2003, 12(5): 19-20.

[3] 张 冶, 陈志英. 基于装配约束关系的零部件参数化设计[J]. 机械科学与技术, 2003, 12: 10-12.

[4] 陈靖芯, 徐 晶, 陆国民, 等. 基于 CATIA的三维参数化建模方法及其应用[J]. 机械设计, 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

张学忱（1963-），女，吉林长春人，副教授，硕士，主要研究方向为工程图学，机械现代设计技术与方法，激光微加工技术。