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基于图形单元的快速设计系统的构建

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  • 发布时间:2014-11-09
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目前的 CAD系统大多局限于产 品几何建模 ,对产品设计过程前期信息模型的处理、产品工程意义的表述和动态设计等方面稍有欠缺。面向合理化工程的图形单元技术适时而生 ,许 多学 者在图形单 元的相关研究领域做 出了诸多尝试 ,冲野教 郎 提出了生物型建模的概念 ,谭建荣等 依 据产品信息基因理论 ,系统地讨论了图形相似的基本原理和方法 ,并着手研究 了面 向产 品信息建模 的图形单元技术 ,此外 。学者们在如图形结构单元 的关联模型 、结构单元的单元化建模 以及基于功能模型的单元化设计 等方面亦做 出了有益 的尝试 ,这些研究工作极大地推进 了基于单元技术的产品设计理论 的发展及研究。利用参数化建模技术 ,可将具 有相似结构 与功能的单元模型组织起来 ,建立功能结构单元库,在基于图形单元 的设计 中,将相应 的图形单元按照功能要求进行 自组织 ,可快速生成零件实体模 型。在这-过程中,通过将 图形单元与设计过程、设计信息进行集成建模 ,可有效提高产品结构设计 的 自动化、智能化水平,为基于合理化工程 的 CAD提供 高效 的图形建模工具。

本文在系统总结基于图形单元 的产品设计研究现状的基础上 ,分析 了面 向概念设计 的单元化建模方法 ,并将图形单元技术有机 的结合到概念设计阶段 ,进行 了基 于图形 单元 的快 速设计 系统 的开 发。

该系统通过各拈 间协 同配合,可快速实现零件的自动化设计和智能化建模 。

l 概念设计单元化建模基础所谓图形单元(Graphics Modelon)是指具有-定功能 的结构单元;它根据产 品零件 的拓扑特征 、形状特征 、尺寸特征等 ,将描述 同-特征的点 、线 、面等 图素加 以组合而成;它是工程技术人员思考、创造 的工程语言 ,也是设计、制造和加工的基本单元 。机械产品中的零件尽管各不相 同但都是 由基本机构演变收稿 13期 :2012-08-26;修回 日期:2012-09-24基金项 目:国家 自然科学基金项 目(50975124,50905074);山东省高等学衅技计划项 目(J09LD07)作者简介:王兴祖(1988-),男,山东邹城人,济南大学机械T程学院硕士研究生,研究领域为现代设计方法与理论,(E-mail)xingzude###126.eom;杨波 (1968 ),女 ,黑龙江牡 丹江人 ,济南大学机械T程学 院教授 ,博士 ,硕士生导师,研究领域为现代设计 方法与理论 、协 同设计等 ,(E-mail)me-yangb###ujn.edu en。

2013年 3月 王兴祖 ,等 :基于 图形单元的快速设计系统的构建 ·l01·而来,分析各结构的相似性可大致将其分为轴套类、盘盖类 、叉架类、箱体类 等结 构单元 ,正是彼此 间的相似性 ,为其快速再设计提供了可能。

1.1 概念设计中图形单元的特性机械产品零件 的结构设计 是基于功 能进行 的,在概念设计 的单元 化建模过程 中,图形单元不仅是具有-定功能 的结构 单元 ,也是功 能结构映射 的载体。因此 ,为有效支持整个概念设计过程 ,图形单元应具有以下特性 。

(1)功能性。图形单元是基于功能进行划分 的,因此每个图形单元必定具有特定 的功能。如具有传动作用的齿轮 ,具有 固定作用 的螺纹孔等。

(2)组合性 。图形单元由点 、线 、面组合而成 ,作为结构设计中的基本单元,亦可将 图形单元通过-系列约束关系共同组合成满足特定功能的零件模型。

(3)拓扑结构可变性。不 同于传统 的参数化设计,在基于图形单元的快速概念设计中,图形单元由结构和参数共同来定义 ,当将 图形单元按 照功能需求进行组合形成零件后 ,通过对其拓扑结构进行 动态编辑 ,可实现零件的结构变异设计 ,从而有效支持快速产品创新设计 ,如图 1所示 。

图 1 拓 扑结构可变性(4)继承性。当将 图形单元按 照功 能需求组 合形成零件后 ,经动态 编辑 插入、删除、替换 的图形 单元,必将继承原 图形单元 的约束关系。

(5)演变性。具有特定 约束关 系的几个 图形单元 ,可视 为-个特殊 的整体 ,进而整合、演变为-个新 的图形单元 。在装配体 中,-个或具有特定联 接关系的几个零件亦可视为-个整体 ,进 而演 变为-个可拆卸结构单元H 。

(6)可编程性。图形单元将 点、线、面间的约束关系以代码的形式储存 于计算 机中 ,可通 过编辑代码来定义图形单元并通过相关算法约束单元间的联接关系。

1.2 概念设计 中图形单元的分类图形单元作为设计中的基本单元,其分类应紧密结合零件的设计过程。按 图形单元的完备性及其表现,我们可将图形单元划分为如下五类 ,如表 l所示。

(1)轴套 类 图形 单元 :轴套类 零件 -般为 普通轴 、齿轮轴及衬套等零件 ,主要起到支承和传递动力的作用。其主要 图形单元 可分 为光轴、直齿、斜 齿、锥齿 、人字齿及蜗杆等等。

(2)盘盖类 图形单元 :盘盖类零件- 般为端盖、阀盖及齿轮等零件,主要起到传动、连接和密封的作用。其主要图形单元可分 为圆盘、椭 圆盘、方盘 、凸缘 、肋板、直齿 、斜齿、锥齿、人字齿及蜗轮等等。

(3)叉架类图形单元:叉架类零件-般为拨又、连杆及支座等零件,主要起到支承、拨动和连接 的作用。

其主要图形单元可分为工型杆 、支撑板、肋板 、圆形底板、矩形底板、圆环、连杆大头及连杆小头等等。

(4)箱体类 图形单元 :箱体类零件-般为 阀体 、泵体及减速器箱体等零件 ,主要起到支承 、容纳和保护其他零件的作用。其主要图形单元可分为半球形壳体 、半 圆柱体形壳体、三角形安装板 、正方形安装板、肋板 、圆柱形进出油 口、上箱盖及下箱盖等等。

(5)详细设计图形单元:为完善整个模型结构,在设计的最后 阶段还应进 行工艺详细设计 ,而详细设计 图形单元主要为倒直角 、倒 圆角、通槽、燕尾槽 、T型槽 、V型槽 、型腔 、孑L和螺纹等等。

表 1 主要 图形单元单元分类 主要 图形单元轴套类 w#igI盘盖类 II.I- 叉架类- 臼 。 口 · 箱体类o -l详细- 设计 - - - -叠1.3 概念设计中图形单元的自组织1.3.1 自组织特性图形单元的 自组织 主要包括 拓扑特性 、形状特性和连通域特性 的自组织 。

(1)拓扑关系的自组织拓扑关系是各 图形单元 组合的关键 ,其连接特征主要体现在相关表面之 间的约束 关联 ,而其连接方式主要有 自动、半 自动和手动。

自动 :各单元间的拓扑关系 由系统 自动生成 ,相关表面之间的约束关联主要体现为中心对齐和法 向对齐等 ,如轴套类零件。

半 自动 :各单元间有特定 的搭接关 系,通过交互操作进行模 型构建 ,相关 表面之间 的约束关联 主要体现为中心对齐和法 向对齐等 ,部分零件还需保证角度对齐 ,如盘盖类零件 。

手动 :对于结构复杂且无规则的零 件,通过给定参数和定位关 系进行搭接 ,相关表面之 间的约束关联主要 体现 为 中心对 齐、法 向对齐 和角度对 齐等。

(2)形状特性的 自组织形状特性的 自组织表现在对组合前后 图形单元进行的识别及操作。生成新单元的方法大致可分为创新设计 、原图演变及多 图组合 。对于前两种 图形单元主要保 证各单元 间的拓扑关 系,对于第三类 图形单元 ,还需做有效性检验 、共线处理等后续操作。

· l02· 组合机床与 自动化加工技术 第 3期(3)连通域特性的 自组织连通域特性是图形操作的必要信息,若要满足复杂零件剖视的要求,则需搜索内连通域的轮廓;若要在装配设 计过程中进行 自动消隐,则需对零件 的外轮廓进行识别 。

1.3.2 自组织连接算法图形单元间 的约束关系主要为 中心对 齐、法 向对齐和角度对齐,分析单元 间的连接特性 ,可知无论哪种约束关 系,其关键操作都是最基本 的平移和旋转,其基本算法如下。

(1)平移:若两图形单元名义特征点的坐标分别为 Pl( l,Yl,z1)、P2( 2,Y2, 2),如图2所示。

则 自组织连接时,其平移向量 P,P,和平移坐标变换公式分别为:PlP2 [ l- 2,Yl-Y2, l-。2]010yl-y2(2)旋转 :若两图形单元的法 向量分别为 n ( ,Y , 1)、n2( 2,Y2, 2),如图 3所示 。

齿轮轴虽然轴段众多 ,但其功能主要有两个 ,亦即支承和传递动力及扭矩 。支承部分的基本几何结构为光轴,而传递动力及扭矩大多采用齿轮啮合的方式 ,主要有直齿 、斜齿、人字齿、锥齿及涡轮蜗杆等五种啮合方式 。每个齿轮轴都是 由若干支承部 分及相应啮合部分组成 ,因此需要逐个选择轴段 、输入相关参数 ,并通过 自组织配合,进而实现各轴段 的面面配合及中心线配合。如图 4所示,该齿轮轴有五部分组成,由于轴套类零件的拓扑连接方式为自动,只需依次添加光轴 11、光轴 12、直齿轮 21、光轴 13、光轴l4,并输入相关参数 ,系统便会 自动使各轴段中心线对齐,并保持首尾相连 ,从而建立齿轮轴的概念实体。

- L1 r I I-目 日 -日 图 2 单元对齐点 图 3 单元法向量则 自组织连接时 ,其旋转向量 n和旋转角度 0分别为 :凡nl×凡2[Ylz1-y2 2,X2Yl-X1Y2,X1Y2- 2Y1]rcos(音 / l 2YlY2 1 2 I i)2 基于图形单元的快速设计关键技术基于图形单元 的快速设 计过 程主要 分三个 阶段 :结 构概念设计 ,结 构动态编辑 ,结 构详细设 计。

结构概念设计是通过对基于功能的图形单元进行选择并组合,形成产品的基本结构骨架,此时生成的模型并非最终的实体模型 ,往往还需要-些动态编辑 ,结合图形置换与迭代原理的插入 、删除和替代算法 ,可对这-基本骨架进行更-步调整。概念设计并非设计的最终 目标 ,应进-步上升 为详 细设计 。为完善结构 ,最后还应进行工艺结构详细设计 ,例如添加倒角、键槽或螺纹等 ,亦 即通过添加特定工艺结 构,完善整个零件设计 ,进而提高设计效率 。

2.1 结构概念设计作为实际设计 的第 -步,结构概念设计 的 目标是获得产品的基本骨架 。其核心问题是建立功能与几何之间的联系 ,实现不 同类型的设计 知识的捕获和映射 。此处 以齿轮轴 的概念设计为例 ,介绍概念设计及其 白组织配合技术的实现过程。

图 4 齿轮 轴2.2 结构动态编辑结构动态编辑是对 已建好 的表征零件基本骨架的概念设计结果进行结构编辑与重组。基于图形置换与迭代原理的插入、删除、替代算法 ,可快速修改骨架模型而不局限 于固定的拓扑结构。

插入是在 已构建好 的模型 中,把需要 的新 图形单元放置在适合的位置,并添加新的配合关 系,从而组成新模型的操作。

删除是将模 型中-个或几个 图形单元删 除,去除相关配合关系 ,并建立新模型的操作 。

替代是把-个或几个图形单元去替换模 型中-个需要修改的图形单元,添加新的配合关系,从 而组成新模型的操作。添加 的新图形单元继承了原单元的名称、配合关系等信息。

如图 5所示 ,用斜齿轮替换 图中直齿轮 ,则需删除直齿轮及其拓扑连接关系,并添加相应参数 的斜齿轮,新齿轮继承了原直齿轮的拓扑关系。

2.3 结构详细设计所谓结构详 细设计是指为完善零件结构 ,在 已完成的零件模型上根据功能需求添加各种典型工艺结构的详细设计过程〃立lT艺数据库存储各种典型的工艺结构 ,设计过程中通过 CAD系统与数据库的实时交 换 ,可智能化 的为所选 轴段添 加倒角 、键槽、螺纹等,进而完成设计 ,完善整个结构设计并提高设计效率。如图6所示 ,便是为齿轮轴添加键槽 。

图 5 齿轮轴的啮合 单元替换 图 6 添加键槽1 j 0 0 0 l 2 O 0 1 -2 0 0 --。................L 1J l O 0 v/O- ll1 l y l

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