基于参数化思想的电动玩具设计方法研究

程欢，高瞩，吉晓民

(西安理工大学艺术与设计学院，陕西 西安 710054)

0 引言

当前，中国作为世界上最大的玩具生产出口国，生产企业达2万多家，产量占全球的1/3，玩具产业已经成为我国出口导向型产业。［1］其中，电动玩具正成为整个玩具行业的主流产品。随着电动玩具市场的日益规范，玩具设计开始趋向于功能整合，生产企业纷纷推出系列化、品牌化产品，而基于参数化设计思想进行电动玩具创新设计正是这种设计需求的最佳选择。

随着CAD技术的不断发展与优化，参数化设计为方案的重复利用、结构的重组及并行与集合提供了有效方法。对于有共同特征的设计对象可以用一组尺寸参数来约束和控制模型，通过改变零件的部分尺寸，而产生新的对象，快速实现产品系列化设计。文章提出将参数化设计思想应用到电动玩具设计中，利用其结构部分的相似性，通过尺寸和参数来驱动零件模型，实现系列零件的自动生成，通过零件的互换与装配，产生一系列具有相似特征的电动玩具，完成产品的系列化设计。

1 参数化设计思想

参数化设计是用对应关系来表示产品的参数化模型，当改变一个参数尺寸，系统就会自动改变与之相对应的其他尺寸，生成新的产品模型。参数化设计是一种提高效率的设计方法，基于尺寸驱动的参数化设计，通过修改最初已确定的几何模型尺寸参数来适应当前设计需求，从而生成结构类似、尺寸不同的系列产品。

本文采用尺寸驱动法［2］将玩具结构分成若干零部件，以其中之一作为主要驱动尺寸，根据其装配关系与约束条件来确定从动零件的尺寸，如图1所示。本方法必须满足两个条件，即零件模型存在并且模型尺寸必须完全被定义。

图1 尺寸驱动图

2 基于Pro/E的电动玩具参数化设计

美国PTC公司推出的Pro/E软件是一款具有参数化设计特点，且具有强大三维实体造型功能的软件。该软件的参数化模块自带一个具有二次开发功能的程序设计模块，通过运行程序控制系统参数，判断特征出现与否，及驱动具体特征尺寸，即可实现模型的人机交互式参数化设计，进行模型的重绘。［3］

2.1 产品参数化设计

Pro/E作为基于参数化设计思想的大型CAD/CAM/CAE软件，改变模型的一个特征尺寸，系统根据拓扑关系将对模型进行重新生成，随之与其相关联的特征也会发生相应的改变，最终获取新的模型。Pro/E提供了一套从最初的设计到产品建模、模型修改直至系列零件产生的完整方案，实现面向系列化产品的动态设计。［4］如图2所示，柱子的三部分按照约束关系建立模型，任意改变其中一个尺寸，相应的其他两部分随之发生改变。

Pro/E参数化建模的步骤如下:

1)进行产品结构及零件间关系的分析，根据零件间拓扑关系确定各零件的尺寸。

图2 模型尺寸参数的改变重组图

2)使用Pro/E对产品进行参数化建模，确定尺寸间参数关系，生成基型产品。

3)根据产品需求，修改驱动尺寸，随着与之相连的从动尺寸的对应改变，生成新的产品。

将参数化思想引用到电动玩具设计中，玩具的基本结构形式保持不变，对相似的外观，为了保持内部传动结构不变，只需改变齿轮传动比和输出方式。变中有不变，各个部件可以随意调换，几种设计样式可以进行多种组合，达到以最少的成本设计出最多样式的产品。

2.2 产品系列化设计

对产品进行系列化设计，首先要设计确定一个基型产品，基于基型产品的结构关系对其进行横向或纵向扩展，可生成一系列结构相似的产品。［5］任何一件产品，其外形与内部结构都不是单一的整体，可以将其细分并通过装配生成具体产品。对于系列化产品，其外观与内部结构特征具有相似性，通过参数化设计，在基型产品生成后，改变零件的尺寸变量，可得到一系列不同规格的相似产品;将类型相同的产品参数按一定数列进行合理的设计、规划和排列，并对产品的结构和形式进行统一和规定，有目的地指导同类产品发展。［6］产品的系列化设计必须在设计之前认真分析产品特点和演变规律，确定基型产品的基本参数，在系列产品的设计过程中加入通用设计理念，设计不仅要使其形状得以衍变，而且两产品之间还可以互换部件，对于其可以互换的部分要进行必要的尺寸约束和空间定位，直至生成一系列具有相似特征又有所区别的产品族，如图3所示。

图3 系列化产品图

3 应用实践

以人偶电动玩具设计为例，详细介绍利用Pro/E进行参数化建模的过程，及实现电动玩具系列化设计的应用方法。

3.1 总体结构设计

人偶电动玩具主要结构包括电机、减速器、传动机构、外壳等。玩具中马达的选用主要依据马达标准中的空载转速，行走类玩具的转速比一般在80～150之间。人偶电动玩具不属于精密机械，它可以通过调节齿轮的传动得出实际需要的传动比。减速器作为人偶电动玩具重要的组成部分，主要起到驱动作用，是整个玩具参数建模的核心，如图4所示，首先确定减速箱的尺寸，并以满足齿轮的啮合为目标建立起齿轮参数的关系式，如表1所示。

图4 传动方案

表1 齿轮参数关系式

设计先确定一组传动数值，在确保啮合齿轮模数、中心距、齿数总和不变的情况下，通过改变每个齿轮的齿数以及分度圆的大小，设计出不同传动比和输出速度的人偶电动玩具。玩具的传动机构采用皮带传动，运转稳、噪音低，自身通过带打滑起到过载保护作用，结构比较简单，且设计精度要求不高，可满足玩具多个动作的要求，如图5所示。玩具的外壳以人偶为主，图6中3个外壳结构相似，参数化建模时只需修改少量尺寸，增加或减少一些特征结构即可得到新的造型。

图5 皮带传动

图6 外观造型图

3.2 零部件生成

零部件生成主要是在Pro/E中基于特征进行建模，建模步骤如下:

1)二维手绘零件的形状以及大体尺寸。

2)分析各零件的特征以及各零件之间的关系，根据装配关系修改尺寸，达到装配要求。

3)在Pro/E中进行参数化二维草绘并生成三维特征。

4)通过布尔运算添加或减缺特征。

5)细节处理，满足制造要求，如倒角、拔模角度等。

6)检查生成的零件，如需修改，直接在Pro/E左边的特征树上完成。

利用Pro/E对零件进行参数化设计的主要特点是可修改性和重复利用性。在实际建模中，若遇到相同或类似的形状，无需重新设计，只要修改其相应的参数就可以进行模型的再生成。必须指出的是每一特征尺寸都要建立起相应的关系式与参数，以实现通用性和提高设计效率。人偶电动玩具零件所建模型如图7所示。

图7 人偶电动玩具零件模型

3.3 装配

将已建立的人偶电动玩具零件模型进行分类并放入各模型库，供装配时任意调用。玩具组装的依据是各零部件间的配合，要充分考虑到装配的合理性，电动玩具的装配过程如图8所示，本文列举了人偶电动玩具的3种外观造型，由于玩具上身与裙摆的不同搭配可变换出不同的造型，其外观造型达9种(图9)，最终效果图如图10所示。如果考虑人偶电动玩具有三组齿轮传动方案，有车轮和底盘产生的直走和摇摆行走方式，3种裙摆外观，3种上身外观，装配时可任意组合，可搭配组成3×2×3×3=54种形式。

图8 人偶电动玩具装配

图9 外观搭配图

图10 最终效果图

4 结论

利用Pro/E对电动玩具进行三维参数化设计，对于有共同特征的设计对象可以用一组尺寸参数来约束和控制模型，通过改变零件的部分尺寸，产生新的对象，使其建模过程简单方便，设计的质量和效率得以提高，修改零部件尺寸方便，实现了以较少参数构建电动玩具造型变化，快速呈现出三维造型的设计效果，为企业敏捷地跟进市场需求，缩短产品设计与制造周期，实现产品系列化设计提供了可借鉴的应用方法。

［1］姚力宁．儿童智能玩具的设计策略模型［J］．包装工程，2009，30(8):130－131．

［2］孙正兴．基于特征参数化设计中的尺寸约束及其表示［J］．机械设计，1998(5):1 －4．

［3］詹友刚．PRO/ENGINEER中文野火版2．0范例教程［M］．北京:清华大学出版社，2005:5－6．

［4］Hernandez Carlos Roberto Barrios．Thinking parametric design:introducing parametric Gaudi［J］．Design Studies，2006(3):309－324．

［5］叶耘．参数化设计的研究与应用［J］．佳木斯大学学报:自然科学版，2004(1):23－27．

［6］贺焰．浅析产品设计的通用化、系列化、组合化(模块化)［J］．航天标准化，2007(3):9－12．