基于多实体的混合设计方法应用研究

宋洪侠



基于多实体的混合设计方法应用研究

宋洪侠

(大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 116024)

目前通常有两种可用的设计方法：自顶向下和自底向上。骨架式自顶向下设计得到了广泛的研究，但过于抽象不易于掌握，且忽略现有资源的应用及零部件间的位置及特征对关联零部件设计的作用；另外自底向上设计脱离设计布局，设计效率低下。为解决两种设计存在的问题，提出了基于三维多实体的模块化混合设计法。首先根据不同产品的结构特点，划分了三维多实体布局类型，并简要介绍了布局方法。然后结合各种情况详细地阐述了混合设计中最重要的参数关联问题，其中重点探讨了如何将设计加速器的设计结果嵌入到智能布局零件中，以此实现末端需求控制前端设计的反求设计思想。最后结合典型设计案例阐述了混合设计法的应用，表明混合设计法是可行且有效的。

多实体布局；混合设计；模块化设计；参数关联；设计加速器；Inventor

总体而言，任何产品的设计过程都是自顶向下进行的，都要经历从抽象的概念设计到具体的模型及样机的完善过程。目前计算机三维辅助设计、分析与制造无缝衔接变得越来越重要，因此产品的设计过程自然而言被看做计算机辅助设计过程[1]。传统上有两种产品设计方法，即自顶向下设计和自底向上设计[2-3]。自顶向下设计强调布局设计及参数传递，可持续设计及实施性强，但忽略了在位创建零部件的设计需求和现有资源的重用问题。自底向上设计主要基于抽象布局模型分别设计各个独立的零件，然后组装为部件模型，零部件与布局无关联，参数关联中断。而实际的设计过程通常都是在交错运用自顶向下和自底向上完成设计的全过程，二者混用更契合实际的设计过程，即混合设计。那么如何应用混合设计使设计过程更有效、更便捷是本文研究的重点。

1 设计方法概述

1.1 自底向上设计

众所周知，自底向上设计是传统的三维设计方法，目前仍然被广泛地采用。一般是完成全部非标零件模型设计后，通过装配约束将零件组装为部件。零件在组装过程中易出现干涉或接触不到位的问题，无法通过简单编辑达到控制产品的大小、各零部件间相对位置以及主要结构特征的目的。问题源于零部件形状、位置等参数与产品规划布局无关，难于编辑修改，设计效率低下。

1.2 自顶向下设计

研究表明自顶向下设计明显优于自底向上设计[1-10]。主要实现途径为骨架布局设计和多实体布局设计。其中骨架布局统领设计全局的方法多年来已得到广泛的研究，在复杂产品设计上表现上佳[3-5]。此种设计的不足在于过于强调布局的主控作用，忽略了现有资源的重用及在位创建模型的需要，而且对于整机或系统设计经验欠缺的青年设计者而言过于抽象，掣肘了年轻人将设计思想转化为设计模型进而形成产品的创新步伐。相反，多实体布局设计易于掌握和运用，可用于各种产品的设计开发，但研究和应用起步较晚。

1.3 混合设计

随着三维设计软件功能的逐步强大，多实体布局设计已逐渐为人所知并得到利用，即在单个零件文件中创建多个实体以实现布局设计，可根据需要衍生出次级多实体布局或直接转化为零部件，实现自顶向下设计[11]。对年轻的设计人员而言，在丰富的想象力和创造力驱动下，很容易启动设计项目并自如地掌控设计过程及结果，这就是三维多实体布局设计最突出的优点之一。目前，对产品可持续设计性及重用性需求的急剧增加，部件设计层面的参数关联模块化设计越来越重要[1,5]。而多实体自顶向下设计可无条件地实现参数在零件内部的稳定关联。其模块化设计可行性优于骨架式布局，属于所见即所得的设计，易于实现参数和结构形状的直接关联，编辑修改更新方便快捷[10]。另外，设计中会大量采用已有资源，如现存零部件模型、经各类设计加速器生成的零部件、标准件资源库存储的大量标准件、各大公司的产品模型资源等，并根据设计需要，结合装配结构特征，在位创建自适应零部件，以满足结构设计最终目标需求。因此在复杂产品设计中，自底向上和自顶向下设计总是交替运用的，也就是本文提出的基于多实体的混合设计观点。混合设计兼具自顶向下和自底向上两种部件设计技术，其基本设计流程如图1所示。

2 多实体布局方式

根据设计需要，可采用不同的多实体布局方式进行产品设计。本文所涉及的模型都基于Inventor软件平台完成。

2.1 分割式多实体布局

根据产品结构特点，以分割为主生成多实体布局的方式在某些特定产品设计中显现出很高的设计效率，尤其是内外形状比较规范且具有对称性的产品，比如常见的各种魔方玩具的建模设计。另外，此种布局方式特别适用于控制跨多个零件的带有复杂曲线的塑料零部件设计，像各式各样鼠标的建模设计[10-11]。图2为四阶魔方的分割式布局设计(共计58个多实体)。

2.2 叠加式多实体布局

对于内外形状不是很规则或结构比较复杂的产品而言，多采用叠加多实体的布局方式。该种布局方式灵活自由，随意创建想要的独立特征和曲面，对概念设计或创意设计具有极强的可实施性。如图3所示的一款概念机器蟑螂的壳体内外布局(共有23个实体)；图4所示的一款概念月球车的空间布局(共有29个多实体)，均采用叠加式多实体布局方式。

3 多实体布局中的参数关联

布局设计是装配体与子装配体设计的首要环节。布局的优劣决定了设计效率的高低及可持续设计性能的强弱，其中参数关联起决定性作用。

图1 基于多实体的混合设计流程图

图2 四阶魔方分割式多实体布局

图3 概念蟑螂壳体多实体叠加布局

图4 概念月球车多实体叠加布局

3.1 全参数关联

为了提高设计效率，根据各零件间的参数关系及变化规律，可采用关联到单一或几个关键参数的方法来提高设计效率，改善可持续设计性及设计的再利用性。比如本文提到的四阶魔方只设定一个边长参数来控制该种型号魔方的共计58个零件的其他全部参数，只要改变魔方多实体布局零件中正方体边长，魔方的全部零件尺寸都会立即更新。该种参数关联的方式最为简洁、直接、可靠，即通过参数表及参数关系表达式来实现参数的全关联(图5)。

图5 四阶魔方fx参数表部分数据

3.2 跨特征参数关联

在多实体布局中，跨特征投影几何图元是把相关特征进行参数关联的最有效方法之一，同时结合运算表达式、函数，以及并、交、差布尔运算即可实现特征、形状、参数三者间的无缝关联。如图6(a)、(d)所示，旋塞阀的阀杆头部十字形外凸结构与旋塞阀芯上部的十字形内凹结构配合工作，通过旋转阀杆控制阀芯的转动。设计中必须考虑十字形配合特征间形状和参数的关联属性，通过跨特征投影来关联凸、凹形状，通过运算表达式结合round，floor等函数实现阀杆关键尺寸与槽宽及槽深关联(图6(a)、(b))；通过旋转命令完成阀杆新实体的创建，再用“合并”命令修剪阀杆头，从而实现十字形结构及参数的完整关联(图6(c))；最后切除阀杆头部对应的多余特征，完成十字形阀杆头的细化设计(图6(d))。

图6 旋塞阀阀杆与阀芯的跨特征参数关联

3.3 在位创建智能多实体零件

在装配体中通过在位创建多实体零件实现形状及参数的跨零部件关联是另一种实现参数关联的有效方法。各种设计加速器是三维设计软件的重要功能模块，如何在多实体布局设计中关联由设计加速器生成的核心零部件的重要结构参数，以此来确定箱体结构形状及大小，实现部件结构的反求设计呢？

结合简单的直齿轮减速器设计过程说明如何将设计加速器与在位创建多实体智能零件进行关联。如图7(a)所示，首先创建一个装配体文件，由设计加速器设计出功率、转速、扭矩等满足负载需求的一对直齿轮、输入输出轴、深沟球轴承等(此处略去轴承，以利于看清轴结构)。然后分别打开齿轮及轴零件模型，通过f参数表输出减速器箱体设计所需的关键参数，如图7(b)所示的齿轮大径、齿数、中心距、齿宽等参数；然后在装配体中在位创建箱体零件，将齿轮及轴输出的参数衍生到箱体零件中。在创建减速箱体草图及特征时直接引用相关的列出参数，如图7(c)所示。

最后采用分割方式完成上下箱体的初始布局设计，经过简单的细化设计后箱体如图7(d)所示。最后导出为零部件，装入齿轮对、轴、轴承等即可完成减速器的初步设计(图7(e))。这种设计方法可始终确保设计加速器与箱体模型保持有效的关联，如功率、扭矩、转速等发生变化，在装配体中直接编辑设计加速器生成新的齿轮对、轴、轴承，箱体的各部分与其相关联尺寸都能得到立即更新，可大大提高设计效率。

图7 在位创建智能多实体布局零件

3.4 在位创建自适应零件

另一种常见的参数关联方式为在位创建自适应零件。在装配环境下，根据零件或部件间的结构特点和相对位置创建密封件、弹簧、连杆、减震限位装置、柔性件等自适应零部件，是设计过程中常见需求，体现了混合设计的优越性。

4 混合设计典型案例

以概念月球车的设计过程为例说明混合设计的应用。月球车应具有行走、越障、采样、收集信息、能量自给等功能，因此从功能、体积、能耗、防护、自救等多个方面进行设计。设计的关键点应集中在体积小、适应力强、多功能等方面。经过深入分析对比，为实现上述要求的全部功能，采用球形外壳，内部设有镂空的中心支架及十字形承力支架，具有行进支撑机构，信息收集机构、采样机构、自救机构、储能机构等5大机构。

根据总体规划，首先对月球车的各个重要功能模块进行自顶向下设计。采用多实体方法创建如图8(a)所示的月球车多实体布局模型，作为顶层总体设计。含有5个功能模块、壳体及中心支架的简化模型，用来确定各模块空间分布及基本结构尺寸。然后以多实体布局中的各实体作为子装配体的设计基础，根据需求通过衍生实体、曲面、参数等方式将对应的基础实体衍生到下一级多实体零件中。以中心支架frame1为例，先创建frame1零件，然后只衍生多实体布局frame中的frame1实体到frame1零件中，如图9(a)所示。运用本文第3节介绍的方法进行细化设计，进而获得由3个多实体构成的frame1多实体中心支架模型，如图9(b)所示，最后将中心支架多实体模型转化为装配体模型。

图8 月球车自顶向下模块化同步设计

图9 月球车中心支架模块化自顶向下设计

Frame中的球形外壳是月球车的保护壳，同时控制各机构的球形面外观。最终每一个功能模块以一个子装配体的形式装入到总装配体中。5个主要功能模块分别是轮式跳跃行进机构、图像采集系统、太阳能供电系统、采样机械手系统、支撑自救系统、中心支架及承力架等，构成了月球车的主要组成部分，如图8所示。

将各个部件、零件组装后，通过在位创建必要的自适应零件，比如储能拉伸弹簧、腿部缓冲弹簧、控制弹跳的钢丝绳、采样品收纳箱等一系列兼顾其他相关零件位置及形状的自适应零件，再从资源中心中装入所需的标准紧固件，便形成了最终模型，如图10所示。

图10 概念月球车模型

5 结束语

针对常规的骨架式自顶向下设计和传统的零件组装式自底向上设计中存在的问题，本文提出了一种基于多实体的混合设计方法，该方法兼有自顶向下设计与自底向上设计的优点，与实际设计过程更相符。参数关联方法使设计过程更稳定高效，同时将设计加速器成功嵌入到智能化多实体布局模型设计中，获得了结构特征、形状、参数的有效关联结果，避免了模块之间、零件之间、特征之间的设计冲突。并将混合设计法成功地运用到概念月球车的设计中，通过多实体布局模型对不同层级的设计进行控制，具有很好的可持续设计性能，设计效率得到很大提高。

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Application of Middle-out Design Based on Multi-Body Method

SONG Hongxia

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian Liaoning 116024, China)

Generally, there are two alternative design approaches: top-down and bottom-up. At present, the skeleton top-down design has been widely studied, but it is too abstract and not easy to grasp, and meanwhile often ignores the application of existing resources and the role of the location and features of the parts in the design of related parts. In addition, the bottom-up design is detached from the design layout, resulting in low efficiency. To solve the problems, a modular middle-out design method based on 3D multi-body is proposed. Firstly, in accordance with structure characteristics of different kinds of products, types of multi-body layouts are described, and layout approaches are introduced briefly. Then, the most important issue of parameter correlation in middle-out design is discussed in detail, and subsequently the problem of how to embed the design results generated by the design accelerator into the smart layout part is explored, so the reverse design idea is realized as the terminal design requirements control the front-end design. Consequently, the correlation between dynamic characteristics and structure as well as parameters is created effectively. Finally, combined with the typical design case, the application of middle-out design method is illustrated. The result shows that the middle-out modeling approach is feasible and effective.

multi-body layout; middle-out design; modular design; parameter correlation; design accelerator; Inventor

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2018061200

A

2095-302X(2018)06-1200-07

2018-04-12；

2018-05-20

宋洪侠(1966-)，女，黑龙江望奎人，教授，硕士，硕士生导师。主要研究方向为机械设计及理论、工程图学。E-mail：hxsong@dlut.edu.cn