产品参数化设计方法研究

李 鸿

（淮安苏减金象机械制造有限公司，江苏 淮安 223002）

参数化设计是指参数化模型的尺寸用对应关系表示，而不需用确定的数值，变化一个参数，将自动改变与它相关的尺寸。参数化设计是提高设计效率一种方法，基于尺寸驱动的参数化设计[1]，其原理是修改原始几何模型的尺寸参数来满足当前设计要求，从而产生结构相似、尺寸不同的系列产品。本文提出了基于链状结构、星型结构和网状结构的产品结构分解，并通过构建参数传输矩阵方程来确定参数化关系。

1 产品参数化

产品参数化的一般过程可分为三个步骤：第一，产品的结构分解，分析产品各个零部件之间的尺寸关系，建立零件、子装配体、总装配体之间的参数拓扑关系；第二，产品的参数化建模，确定驱动尺寸和从动尺寸的参数关系；第三，修改驱动尺寸，与之关联的从动尺寸按建立的拓扑关系随之改变，以达到设计的要求。

1.1 产品结构分解

图1 链状结构

（1）链状结构。从零件或子装配体的驱动尺寸P1开始，按一定的参数关系推演出与之相关的从动尺寸，然后以这一从动尺寸为驱动尺寸，用相同方法推演出下一个从动尺寸，直至完成所有从动尺寸的推演，如图1 所示。这种参数化关系是建立在零件基础上的“链状”关系，零件的参数化尺寸是“链”的一个节点。其缺陷在于尺寸关系比较凌乱，并且只要链中的一个节点出现异常将影响整个参数关系。

（2）星型结构。星型结构如图2 所示，把装配体Assembly分解成子装配体B0、B1、B2…Bm，每个子装配体中含有若干个零件。采用星型结构建立子装配体零件之间的关系，以图中B1为例确定核心零件集合P10（包含B1中所有驱动尺寸），其余B1中的其它零件都与P10建立关联关系，即P10中的尺寸为驱动尺寸决定其它的从动尺寸。同样在建立子装配体之间的关系时，先确定核心的子装配体集合B0，再把其它的子装配体的接口尺寸与B0相关尺寸关联。

图2 星型结构

这种结构的优点是层次清楚、参数关系明确，当需要添加或删除子装配体时只需建立或删除与核心子装配体的关联关系即可。

（3）网状结构。网状结构如图3 所示，其与星型结构的区别是每个子装配体之间是并列关系，而不是星型结构中的核心子装配体集合；子装配中的零件也是并列的。它们的关系是双向的，任何一个都可作驱动尺寸也可以作从动尺寸。

图3 网状结构

2 参数关系确定与参数传输

对产品进行结构分解后，需要确定参数的传输路径和方式，从而确定各级之间的参数化关系，即确定驱动尺寸与从动尺寸之间的参数关系。以星型结构中B0,B1为例分析参数的传输路径。首先，设计者需要输入核心子装配体集合B0的驱动尺寸，通过参数关系得到B0的从动尺寸B1。同样也可以得到其它子装配体的从动尺寸，从而完成参数化的过程，并可得到原始产品的一个系列产品。参数关系是由比例因子k和关系常数C决定的参数传输矩阵方程来确定。

Λm是由比例因子kmn组成的对角阵，D是由驱动尺寸dn组成的矩阵，D＇是由从动尺寸组成的矩阵，C是由常数因子cn组成的矩阵。

3 产品参数化的应用

根据产品的分解和参数化关系的建立，产品被分解为有确定关系的三级即总装配体级、子装配体级和零件级。在三维CAD软件上，按上述思想建立三维参数化模型。设计者通过改变驱动尺寸，进行参数化，生成系列产品。

施密特望远镜的系列化。首先，对施密特望远镜进行结构分解，把施密特望远镜镜筒分解为六个部分，见图4 。

图4 施密特望远镜镜筒内部结构

整个系统是由它的光学参数和机械尺寸决定的，设定主镜的焦距、直径、厚度以及改正镜的厚度、直径、改正镜到主镜距离为驱动尺寸。根据上述产品分解思想把主镜室和改正镜组确定为核心子装配体，见图5 。

图5 以主镜室和改正镜组为核心零件

确立驱动尺寸和从动尺寸之间的关系，以建立三叶架中的三叶片高度H与主镜直径Z_D的参数关系为例阐述驱动尺寸和从动尺寸之间参数关系的确立。图6 中，三叶片中T_D为从动尺寸，Y_D1、t为不变尺寸，T_D与主镜直径Z_D关联。而在三叶架子装配体内部T_D为驱动尺寸，H为从动尺寸。经分析有：T_D=1*Z_D,H=0.5*T_D－(0.5*t+0.5*Y_D1)，

所以式(1)中的i=2,

对角阵中的比例因子k11＝1,k21=0.5,

关系常数c1=－(0.5*t+0.5*Y_D1)，其余的尺寸同样可以形成式(1)的形式。

图6 确定三叶片高H的参数关系

选用Solidworks作为三维建模环境，建立施密特望远镜模型。用上述方法对各零件、子装配体添加参数关系，得到施密特望远镜的一个系列。

4 结语

参数化方法在施密特望远镜系列化中得到了很好的应用。提出基于星型结构与网状结构对产品进行分解，可以删除、添加零部件而不影响其它结构关系；通过构建参数传输矩阵方程确定参数化关系，两者结合提高了产品的可扩展性，方便产品的再设计。实践证明，通过该方法进行产品的系列化设计，能快速响应市场、缩短设计周期、降低开发成本而且可扩展性好。

[1]魏铁华.模化与系列化设计[J].水利电力机械，1998，2(1):56～60.

[2]谭建荣，宗晔.系列化产品的CAD及工程图输出[J].浙江大学学报，1994，28(3):364～369.

[3]陈喜东.CAD制图中系列化设计的基本方法[J].石油化工高等学校学报，1994，7(4):45～49.

[4]陈修龙，邓昱.实体参数化约束装配系统的开发[J].机械科学与技术，2003，22(3):514～516.