基于自顶而下的快速变型设计方法的应用

张云化，李充宁，杨保占，张少芳

(天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222)



基于自顶而下的快速变型设计方法的应用

张云化，李充宁，杨保占，张少芳

(天津职业技术师范大学机械工程学院，天津 300222)

为满足客户小批量、多样化定制需求，基于自顶而下设计方法及产品级参数化设计方法，建立零件模型，以骨架模型为基准，完成零部件的装配。自顶而下逐级建立参数及其约束关系，实现控制的传递。基于投影原理生成工程图,提取产品中性结构，设计类似结构新机型时可通过骨架模型参数的变更实现快速变型设计。

自顶而下；Pro/E；变型设计；骨架

随着产品功能的日趋完善，设计难度相应提高，市场全球化使各个产业竞争加剧，产品设计周期已成为企业间重要竞争因素之一。在机械产品数字化设计中，自顶而下(top-down)的设计方法是设计时从整体产品入手，依据产品的结构和功能，将其分解为结构较简单、相对独立的模块分别进行设计，并确立它们之间的相互关系[1]。变型设计是指在原有零部件或产品模型的基础上，通过改变参数及参数之间的约束关系，将设计参数传递到整个设计过程中，进而实现对整体模型的驱动并完成相似结构零部件及其产品的设计[2]。

2K-V型系列减速机具有结构紧凑、传动比大、传动精度高、输出扭矩范围宽、抗冲击能力强、扭转刚度大等优点，已作为基础部件应用于伺服控制机构、工业机器人等高性能传动领域。本文以2K-V 320S型减速机设计为例，验证基于自顶而下的快速变型设计方法的有效性。

1 2K-V 320S型减速机3D模型的建立

Pro/E软件具有强大的3D建模功能，首先草绘零部件的截面，然后将该截面经过特定方式的处理即可完成3D零件的绘制。由Pro/E软件绘制的骨架模型是根据组件内的配合关系创建的特殊3D零件，骨架模型通常由基准轴、基准面、基准坐标系、曲线以及曲面组成，表达产品的设计意图并作为零件和子组件的设计参照。

1.1 骨架模型的构建

在设计的最初阶段，基于整体思想建立总体装配骨架模型，骨架模型可以反映零部件间的空间位置，也可作为划分设计单元的基准和零部件间的装配基准[3]。以2K-V 320S型减速机曲轴传动部件为例，建立表示摆线轮、曲柄轴的位置和几何尺寸的骨架模型,如图1所示。采用同样的原理构建其他部件的骨架模型。骨架模型不具有质量属性，对工程图的生成没有影响。

图1 曲轴传动骨架模型

1.2 零件模型的构建

普通零件主要应用“拉伸”、“旋转”、“孔”、“倒圆角”、“阵列”、“扫描”等特征完成3D模型绘制，摆线轮及渐开线齿轮轮廓较复杂，应用简单的特征难以完成模型的构建，需运用参数方程的求解结果来完成外轮廓的绘制。现以摆线轮为例介绍零件模型的构建过程。新建零件并命名为BAIXIANLUN.PRT,进入建模界面,新建参数并在参数列表中依次输入针轮齿数ZB、短幅系数K1、针齿中心半径RZ、摆线轮齿数ZC等基本参数值，选择笛卡尔坐标系，在弹出的记事本文件中编辑参数方程，如图2所示，使用“拉伸”及通过“边创建图元”命令完成摆线轮外形轮廓的绘制，与轴承、输入轴、行星架配合的孔应用“拉伸”、“移除材料”的方式绘制，绘制完成的摆线轮零件模型如图3所示。

图2 摆线轮轮齿参数方程

图3 摆线轮3D模型构建

1.3 基于骨架模型的2K-V 320S型减速机装配

基于骨架模型的装配有助于减少不必要的父子关系，在后期修改的过程中不会因为修改某个零件而影响到其他零件，零部件的装配顺序不会影响到零部件之间的配合关系。以曲轴传动部件为例，打开QUZHOUCHUANDONG.ASM文件，插入QUZHOUCHUANDONG_SKEL_.PRT骨架模型，以骨架模型基准轴、基准面为约束基准，将设计好的曲柄轴、滚针轴承、圆锥滚子轴承、摆线轮等3D零件装配在骨架模型上，无需过多考虑零件模型之间的配合关系，装配好的曲轴传动部件如图4所示。最后，将单独设计好的部件装入顶级骨架模型中，完成减速机的装配工作，从而完成减速机的3D模型建立。

图4 曲轴传动部件

2 骨架模型的级联约束设置及变型设计的实现

2.1 骨架模型的级联约束设置

按产品装配层次划分，2K-V 320S型减速机可以分为零件层、部件层、产品层。依据产品结构关联特征，自顶而下建立参数及其关系，以零件摆线轮参数ZC(齿数)为例，介绍2K-V 320S型减速机级联约束关系的设置过程。参数的命名规则为装配关系_零件名称_所属特征_尺寸代号。建立顶层骨架参数PRO_SKL_BXL_ZC_D14，激活总装配模型，建立关系， “=”表示被控制，COM_SKL_BXL_ZC_D14：16= PRO_SKL_BXL_ZC_D14：0，表示曲柄传动部件骨架参数中的摆线轮齿数参数由顶层骨架摆线轮齿数参数控制，通过关系PART_BXL_ZC_D14：28=COM_SKL_BXL_ZC_D14：16将约束传递至零件层，实现自顶而下的控制，最终实现零件层特征尺寸均由顶级骨架参数控制，其中“0”、“16”等数字为Pro/E内部对零部件的标识号。2K-V 320S型减速机摆线轮齿数参数级联约束关系设置如图5所示，从图中可以看出，完成参数传递后，顶层骨架的界面中，参数“访问”的状态为“完全”， “源”的状态为“用户定义的”。此时顶层骨架的参数可以修改，修改后的参数通过关系逐级向下传递。部件层和零件层参数界面，参数“访问”的状态为“锁定”， “源”的状态为“关系”，表示参数受关系约束不可以修改，其参数由上一级骨架模型输入参数驱动。零部件层若想解除上层参数的控制，删除上一层对其的约束关系即可。最后检查并调整，以使减速机所有零件参数均由顶级骨架参数驱动，即完成级联骨架参数控制的2K-V 320S型减速机模型的设计。

图5 摆线轮齿数级联约束关系设置

2.2 基于骨架模型的变型设计

320S型减速机和450S型减速机均属于2K-V型减速机系列的标准型产品，拥有相似的零部件及装配关系，以级联骨架约束的320S型减速机模型为模板，通过顶层骨架参数值的修改可完成450S型减速机的变型设计，变型前后的两型号减速机如图6所示。两型号减速机结构相同，结构尺寸不同，可应用于不同工况。只要改变骨架参数就可以实现减速机的变型设计。基于骨架模型的变型设计仅对结构差异处做单独设计，提高了设计效率，降低了设计难度。

图6 变型前后两型号对比图

3 工程图的绘制

在Pro/E绘图环境中可以实现3D模型工程图的投影，通过局部视图、剖视图、放大视图等视图清晰表达零部件结构。基于骨架模型装配的2K-V 320S型减速机是由参数驱动的，依据自顶而下思想的指导，顶层骨架参数根据需要进行更改时，减速机的3D模型随之改变，相关的部件、零件都会随着骨架参数的改变而改变，工程图可以实现自动更新[4]，总体设计可实现同步完成。Pro/E自动生成的尺寸不符合制图要求，需通过调整标注并补充必要尺寸标注完善工程图[5]。用Pro/E软件进行工程图打印时，需设置绘图输出配置，操作繁琐，且效果不佳，因此通常将工程图保存为PDF格式，打印工作可轻松便利地完成[6]，也降低了对工程图意外更改的风险。

4 结束语

基于自顶而下的快速变型设计方法可以实现产品的快速变型设计，为后续的仿真和制造提供数字化模型，满足客户小批量、多样化定制的需求。由2K-V 320S型减速机通过变型设计可获得2K-V 160S、2K-V 450S等型号减速机的3D模型及其工程图，降低了设计难度，提高了设计质量和效率，同时对其他型号减速机的设计也具有较大的参考价值。

[1] 刘英.自顶向下的设计方法在实际机械建模应用中存在的问题[J].机械工程师，2012(4)：33-34.

[2] 鲁玉军，余军合，祁国宁，等.基于事物特性表的产品变型设计[J].计算机集成制造系统，2003,9(10)：840-853.

[3] 王凯，李柏林，陈黎丽，等.基于知识的自顶向下参数化设计与应用[J].制造业自动化，2009,31(9)：163-165.

[4] 应学成. Pro/Engineer野火版5.0完全自学一本通[M].北京：电子工业出版社，2014 .

[5] 詹友刚. Creo 3.0工程图教程[M]. 北京：机械工业出版社，2014 .

[6] 彭宁涛，彭宁琦，张建新，等.Pro/E工程图的快速绘制与优化方法探讨[J].工具技术,2013,47(1)：35-38.

The application of the rapid variant design method based on the top-down

ZHANG Yunhua, LI Chongning, YANG Baozhan, ZHANG Shaofang

(School of Mechanical Engineering, Tianjin University of Technology and Education, Tianjin, 300222, China)

In order to meet the needs of customers in small quantity and diversified customization requirements, it applies the top-down design method and the product level of parametric design method, establishes parts model. This model takes the skeleton model as a benchmark to complete the assembly of parts. Based on the top-down step by step, it establishes the parameters and their constraint relation, achieves the transfer of control. Finally it creates the engineering drawing. At designing new similar structures models through the skeleton model parameters change, this model can realize the rapid variant design and extract the product neutral structure.

top-down; Pro/E; variant design; skeleton

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.020

2015-07-28

天津市科技发展计划项目(043104411)

张云化(1989—)，男，河北魏县人，天津职业技术师范大学硕士研究生，主要研究方向为高性能精密传动系统。

TH122

A

2095-509X(2015)09-0078-03