焦湘婷

（浙江农林大学，杭州 311300）



机械产品三维变型设计研究及其应用

焦湘婷

（浙江农林大学，杭州 311300）

摘 要：本文主要阐述机械产品的三维变型设计原理及具体设计要点，深入研究特征、零件、部件以及产品四个方面的机械产品三维变型设计。此外，以起重机械金属结构的特征为研究重点，顺利完成了选型系列产品的个性设计，更好地满足了企业的生产需求，有效提高了该类产品的设计质量和效率，从而更好地推广和应用了三维变型设计技术。

关键词：机械产品 变型设计 主模型 结构草图 工程图

目前，模块化和参数化的变型设计理念已应用于各类机械加工中，也在一定程度上解决了机械产品变形设计中存在的问题，并使其达到了规范化的标准和要求。

1 设计原理

机械产品的三维变型设计体系结构中，产品的主模型是产品零件信息的集合，主要是对产品信息进行描述。利用产品主模型能够设计多种产品或零件的变形，从而派生出对各类零件的具体描述信息。其中，需要考虑该零件的实际荷载能力及特征、材料本身的特殊性质、受力能力和功能的配套设施以及运动参数对结构的影响，将产品内部结构的强度、功能数据以及运动参数等作为设计的目标，再由这些参数将设计的目标移交给结构的具体模块。总的来说，创建主模型以及主模版主要是对产品及其零部件的相关功能和作用、几何的具体形状以及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件以及产品的三维主模型、工程用图主模板以及产品的主内部结构，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。

机械产品中，装配结构变型主要是由于相关零件进行连接时发生了相应的改变或者变异等现象所引起。整个结构体系由特征层、零件层、部件层以及产品层几个方面组成。通过利用产品的内部结构控制，由上到下将装配的理念、数据之间的关联以及知识重用的理念进行有机统一，并建立健全完备的驱动机制，将上述四个层次进行组合，从而形成一个封闭式的循环系统。在对机械产品进行设计时，要按照一定的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结合，从而快速完成整个起重机的金属结构设计流程体系。

2 机械产品变型设计

产品变型设计主要是基于对产品本身的功能、原理以及大体框架结构保持基本不变的情况，根据现有需求的变化对机械产品的局部进行变形，呈现出拥有新功能的另一种产品来满足不同工作要求。起重机金属结构的三维变型设计主要包括在零部件的主模型、主文档以及产品主结构之上，通过对产品形状、特征、零件主模型的有机结合进行交互式建模，再进行资源的有效配置和组合，从而完成设计。机械产品变型设计共有四个层次，下面将对此做出具体的分析和总结。

2.1 特征层次的变型设计

产品结构中，几何形状作为最小的组成部分，其变形出的产品是整个产品变形设计的前提和基础。通常，特征层次的变型设计主要是利用对几何形状的改变，使零件与部件之间的匹配接口进行改变。利用几何形状的具体特征，采取相关的变形设计手段，在几何图形中利用尺寸驱动的特征模拟出设计草图，并对特征定义及参数进行调整和改变，并实现压缩与释放等三维特征操作，从而对几何的特征进行变换。双立柱式堆垛机的下横梁作为整个机器的承载力，在其上面设置配套的附属结构移动式的通讯器、测距仪器以及限位装置等，有利于机器限速、供电以及安全等作用。附属结构主要在下横梁上，安装于关键零件矩形管的侧面。其中，安装孔需要根据具体情况进行大小、形状以及间距等设计。具体设计中，需要按照普遍安装的位置确定好建立孔特征的位置，并由人机交互的设计界面操作驱动特征草图的尺寸，同时修改其相关特征的定义参数以及压缩与释放特征，设计具有差异性的安装孔，从而有效实现下横梁附属结构接口处的变形设计方案。

2.2 零件层次的变型设计

几何形状的特征是组成零件的基本要素。其中，构成形状特征的几何图素之间存在不变的拓扑关系，而变形设计则主要是通过对特征赋予不同的参数值进行设计和实现。零件的变型设计主要是对组成零件的相关几何特征进行改变，即通过压缩和释放等操作，对相应的参数数据进行调整和修改，而不需要对几何图素的位置进行改变，从而大大简化零件的设计流程，提高整个设计工作的效率和设计水平。在金属结构中，各个钣金的零部件主要是焊接而成。零件作为最基础的元素，在整个造型过程中主要运用特征对模型和设计图进行构建和表现。利用对零部件的分析和研究，将具有相同特征的零部件进行集合。在掌握零部件具体情况的基础上，在众多零部件中选取最符合标准的零件模块，以满足机械产品的功能需求和个性化要求，从而为零件的变形设计提供相应的设计基础。具体如图1和图2所示，其中图1为堆垛机螺栓联接板标准模块，图2为螺栓联接板标准模块的变型设计。

图1 螺栓联接板图

2 螺栓联接板标准模块的变型设计

2.3 装配体层次的变型设计

这一层面的变型设计主要是利用综合应用的主模型、事物特性表以及相关匹配的控制草图技术，对产品进行变形设计。具体地，首先要提前创建好相应模块的主模型以及事物特性表，后由相关的技术设计人员或者用户将产品的具体参数输入，由变形设计系统利用事物特性表对主模型进行驱动，从而以高效率的速度设计出满足永续个性需求的产品模型。结构控制草图能够将产品中的结构进行按层分解，并形成各种零部件。根据零件的属性，将关键数据平面以及空间位置和方向利用轴进行表示。信息数据顺利创建后，被各个零部件引用，从而使产品内部的零件有机结合，实现对整个模型的全面把控。图3和图4分别为前、后截面结构控制草图，图5为堆垛机载货台吊架的三维变型设计主模型。

图3 前截面结构控制草图

图4 后截面结构控制草图

图5 堆垛机载货台吊架三维参数化装配主模型

2.4 产品层次的变型设计

依据产品系列的分布情况以及相互覆盖的形式，模块化产品主要可以分为横系列、纵系列以及跨系列三种变型设计。

横系列的变型设计主要基于同一个规格特征的基础之上。通过变形、增减特定模块等方式，形成一个新的变形产品。该设计方式的特征就是不改变基础产品的主体参数，只是针对产品的功能特性、组织结构、布局位置以及控制操作方式进行改进和调整。该手段在产品变形设计中最容易实现。纵系列的变型设计主要是基于同一类型的产品对不同的规格和结构展开模块式设计。其中，规格的差异主要体现在工程存在约束性、相关操作的性能不同，一定程度上对结构样式以及尺寸大小造成影响。跨系列的变型设计则是交叉运用横系列和纵系列的变形设计，从而形成一种横系列与纵系列共同作用下的变型设计。

一般来说，产品的变型设计主要采用从上到下和从下到上相结合的设计模式。在对产品进行变型设计的过程中，主要有以下三种操作手段。一是搭配。一个最终的产品可以与不同的零件或者模块进行搭配，并形成配套的接口，从而形成一个统一的整体产品。二是互换。主要是将一些功能相同、当时存在性能不同的模块进行替换。三是参数化变型。该操作手段主要依据客户的个性化需求，在零部件的库存无法检索到相应的零件搭配以及互换来满足需求时，需要将产品构建的事物属性以及工程约束进行三维数据化变形操作，从而满足客户的具体化要求。

3 机械产品三维变型设计的应用

机械产品三维变型设计需要结合企业的具体情况以及市场上的多元化需求，将桥式和门式的起重机桥架、堆垛机金属结构作为产品的研究对象，设计开发起重设备金属结构的变型设计系统。利用基于产品特征的四个层次的产品变形设计技术，结合相关的零件形状特征以及主模型的交互式建模和配置手段进行有机组合，从而有效完成起重设备金属结构的三维变型设计。设计中，三维设计系统主要以机械结构的模块作为整个设计的根本。设计人员要根据设计需求对金属结构的整体进行调整，并进行合理布局和设计，从而形成一套完整的结构参数控制表。此外，需要调用模型的驱动模块进行，利用技术结构中的三维主模型实现驱动。在此基础上，利用金属结构的三维主模型，采用从上到下和从下到上相结合的设计模式，对产品进行优化配置和设计。一旦发现金属结构的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，以进一步实现对金属结构的优化设计。如果金属结构的设计符合各个方面的标准和要求，则需要调用相关的工程图对整个模块进行调整和更新。

4 结论

研究机械产品的三维变型设计及其应用，利用四个层次的变形设计，有效实现了起重机械装备产品以及相关零部件的三维模型变型设计。与传统的变形设计相比，大大提高了整个设计的效率和速度，满足了企业的个性化和快速设计的需求，确保企业在激烈的市场竞争中占据优势，从而更好地推广和应用三维变型设计技术。

参考文献

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[2]张强，仲梁维.集成知识工程和实例推理技术的产品变型设计研究[J].现代制造工程，2013，（4）：126-130.

[3]秦慧斌，王宗彦，吕明，孙卫东.堆垛机金属结构三维变型设计研究与实现[J].机械设计与研究，2011，（2）：102-106.

Research and Application of Three Dimensional Variant Design for Mechanical Products

JIAO Xiangting
(Zhejiang Agricultural and Forestry University,Hangzhou 311300)

Abstract:This paper mainly expounds the design principle and the s pecific des ign of the 3D variant des ign of mechanical products, and further studies the 3D variant design of mechanical products i n four aspects:characteristics, c omponents, parts a nd products. In addi tion, with the c haracteristics of heavy metal structure as the research focus, the successful completion of the selection of series product design, better meet the production needs of enterprises, effe ctively improve the design quality and efficiency of the product, and the technology is widely spread and application.

Key words:Mechanical Products,variant design,mas ter model,structure sketch, engineering drawing automatic adjustment