机械产品三维变型设计研究及应用

张悦

摘 要：随着CAD等三维建模技术的发展与应用，机械产品的设计开发技术逐渐成熟。本文梳理了机械产品三维变型设计的研究背景，并分析了其研究现状和发展趋势。接下来对机械产品三维变型设计原理进行分析，并阐述了其基于三维装配模型的设计原则。此外，该设计技术能高效地满足企业的生产需求，应用前景十分可观。

关键词：变型设计；机械产品；主模型；装配；三维

1 研究背景

变型设计是关于设计方法和过程的一种分类定义，通常是指提取已存在的设计根据不同用户的不同要求，做相应的修改以产生一个和原设计相似但又能够满足用户个性化需求的新产品。这种修改保持了原设计的基本原理和总体结构特征，是一种参数的修改或结构的局部调整或两者兼而有之，可以帮助生产企业根据市场需求变化快速地生产新产品，而且可以生产成本、增加收益，使企业竞争力大大提高。在实际的设计工作中，由于变型设计具有上述一系列优点，使得其应用十分广泛，并且多数企业对变型设计体系结构具有迫切需求，因此吸引了众多研究学者的密切关注和深入研究。

2 研究现状及发展趋势

就目前来说，变型设计的研究主要分为产品纵向结构变型设计和产品横向结构变型设计两个方向，国内外已有大量研究人员和学者对此进行了深入研究[1]。基于模块化的变型设计是以功能分析为基础，通过功能相同而性能用途不同的各模块的互联组合而实现各种基型产品和变型产品，一般来说，不能随意改变模块的划分方式，而且模块之间的装配关系通常也是预先确定的，通常情况下不能随意改变，因此限制了其使用范围。基于装配模型的变型设计方法是从零件的三维建模入手，以完成零部件的拼装从而形成完整的机械结构为最终目标，不仅可以表达零件的几何参数，而且可以通过零部件之间的装配关系反映整个产品的功能要求和设计者的设计意图。基于装配模型的智能变型设计框架则为解决变型设计中大量问题提供了一种有效的途径，这种框架使产品的数据管理和设计过程密切结合起来，使企业原有设计资源的重用成为可能，这方面的研究目前正在深入进行。

3 机械产品三维变型设计原理

机械产品的三维变形设计体系结构中，产品的主模型是产品所有零件信息的总和，通常也是由主模型来描述产品的各类参数信息[2]。在不破坏原设计的基本原理和基本结构特征的情况下，利用产品主模型，可以设计多种产品、部件乃至零件的变形，从而派生出零部件的具体描述信息。这类设计需要考虑该部件或者零件的实际荷载能力及结构特征、材料本身的性能、受力性质和相关的配套设施以及运动参数对该机械系统的影响，需要将产品内部具体结构的刚度、强度、功能数据以及运动参数等作为设计的基本要求，再由这些综合参数将设计目标划分并分别移交给结构的具体模块[3]。总的来说，设立主模型或者说主模版主要是对产品及其零部件的相关功能和作用、几何结构以及运动参数的变形空间域进行深入的分析和处理，从而建立机械产品的零部件以及产品的三维主模型、工程图纸主模板以及产品的主结构，从而为整个机械产品的三维变型设计奠定完备的技术基础。目前的CAD系统通常是建立产品的完整几何模型，这种建模方法是从零件的建模开始的，以完成零件的拼装来最终实现整个产品的几何设计。通过基于产品的内部结构控制，由上到下地将装配理念、关联数据以及知识重用的理念统一起来，并建立起合理的驱动及控制系统，从而便形成一个可靠的机械系统。在对机械产品进行设计时，按照预定要求对产品的设计数据进行有效提取，并对主模型的模块赋值，在整个模型框架内获得实例化的模块，然后将这些模块有机组合，这样就能快速、高质量、低成本地生产新产品以满足不断变化的市场的要求。

4 基于机械产品三维装配模型的变型设计原则

基于三维建模及装配技术的机械产品设计工作，不仅仅是针对机械产品的某一个零部件进行设计，并且是立足于机械产品整体使用功能的优化设计。因此，针对机械产品的设计与创新活动，设计人员应该对原设计图纸进行具有创新性的思考，并且可以考虑采用新技术来制造机械产品。在进行一个机械产品的变型设计工作时，设计人员应该首先从工业设计的角度出发，使用三维建模技术对零部件参数进行多次計算和调整，综合考虑各种因素从而找到最佳的设计方案，然后从结构分析的角度入手，设计人员应该利用三维装配技术进行运动仿真找到机械产品仿真运动中的关键细节特点，对传统机械设计中不足的地方做出针对性的改进，最后还应该考虑机械零部件的安装与调配方法的改进。此外，相关工作人员还应该持续关注机械产品的变型设计理论研究成果，在基础理论的指导下，提高自己的机械设计制造技能水平。

5 机械产品三维变型设计的应用

机械产品三维变型设计首先需要结合企业的具体情况，并根据消费市场上的多元化的需求，将相应的基本机械产品原型作为研究对象，设计开发新的变型设计系统。开展具体的机械设计工作时，三维设计系统主要以产品的机械结构模块作为整个设计的基础，然后根据设计需求对相应模块进行调整，并进行合理布局，从而形成一套完整的结构参数控制表。接下来，在三维建模环境下，可以进行设计驱动方案进行运动仿真，一旦发现设计结构不符合标准或相应的要求，可以在此返回至最初的参数页面，对相关参数进行重新修改和调整，以进一步优化机械结构。

6 结语

与传统的机械设计方法相比，三维变型设计大大提高了设计工作的效率和速度，满足了企业的快速和个性化设计的需求。因此，推广和应用三维变型设计技术，可以确保企业在激烈的市场竞争中占据优势。

参考文献

[1] 邓伟刚，面向对象的配置产品变型设计方法研究与实现[D].武汉理工大学，2010.

[2] 秦慧斌，吕明，王宗彦，吴淑芳.机械产品三维变型设计研究与应用[J].中北大学学报，2010，31（5）：453-457.

[3] 朱龙根，机械系统设计[M].中国机械工业出版社，2001.5.

（作者单位：西华大学）