顾寄南，朱林童

（江苏大学制造业信息化研究中心，江苏 镇江 212013）

1 引言

当前激烈的市场竞争中，小批量、多品种制造能力已成为制造业一种重要的竞争优势。传统机械制造业的设计大多是提取已有的设计实例，在不破坏已有设计的基本原理和结构特征的情况下来生产和原有设计相似的新产品。文献[1]论述了机械产品三维广义参数化设计的内涵、设计步骤和关键技术；文献[2]采用自顶向下的设计方法针对产品的设计流程进行了创新，实现了团队间的并行工作；文献[3]通过变更模板的骨架零件的设计参数驱动整个产品的自动更新，实现了由模板快速映射为产品的设计实例；文献[4]建立了一个曲柄滑块机构的参数化设计与仿真系统；文献[5]使零部件参考装配体的结构尺寸进行布局和定位，简化了设计参数；文献[6]采用分层递阶的多骨架建模方法，对设计参数进行分类管理和分层控制；文献[7]在设计减速机过程中自顶而下逐级建立了参数及其约束关系，实现了控制的传递，并基于投影原理生成工程图，提取产品中性结构，通过骨架模型参数的变更实现了快速变型设计。上述方法主要根据已有的产品形态或已经成型的设计思路，形成了产品参数化的由顶向下设计的构建，大幅提高了产品的优化设计及变型设计效率。但是，不能排除在一些新的应用领域，或是面对客户一个新的产品需求时，缺少完全可以借鉴的已有产品或机械结构的情况。这时，就需要工程师具备从原型设计快速进入简单功能验证的能力。

为了将原型设计的思路准确反映到后期的具体结构设计中，尝试了通过自顶向下的参数化关联将原型设计信息与后期设计信息相关联，并提供了协同设计的信息传递及保证设计信息源统一的方法[8]。

2 设计方法

本节将阐述这一机械原型创新设计方法的设计流程。

2.1 产品的概念设计

设计的第一步是产品的概念设计，这往往需要工程师根据新的产品需求以及以往的设计经验画出草稿，对机械结构进行大概的构建。草稿不是精确的设计，即草稿代表了关键几何信息的存在但并不包含精确的几何信息。给各个图元附上参数名和参数值之后，草稿就可以作为控制几何信息信息源统一的工具，即使草稿图元没有反应准确几何信息，它们所代表的参数也会作为精确模型的设计参考。在后面的设计中所有尺寸都可以通过调用全局变量参数名的方式来获取参数值，以此来实现设计文件对整体模型的控制[9]，如图1所示。是一个简单的四连杆机构的概念设计。

图1 概念设计Fig.1 Conceptual Design

事实上，草稿的作用不仅是作为所设计结构的设计简图，同时也是作为一个全局变量的数据接口，方便设计者在后期的变型设计的数据信息变更并保证信息源统一。

2.2 产品的骨架设计

骨架模型是根据装配体内各元件之间的关系在产品顶层构建的产品布局图，由基准点、线、面组成骨架零件，表达产品的设计意图。通过骨架自顶向下传递产品的约束信息，按照产品结构逐层完成零部件的设计，只要改变骨架模型的几何信息，关联的组件将随之相应的变化，实现自上而下的骨架驱动。在三维设计平台中，骨架通常分为运动骨架和标准骨架。

运动骨架可以模拟运动构件主要形态。用线条勾画机构的主要形态，并通过关系将上节概念设计中的各个参数对应到骨架模型中对应的图元上，这样运动骨架的驱动信息源就被绑定到上节所建立的参数接口中了。通过三维设计平台为运动骨架添加恰当的运动副、约束和驱动电机，就可以对所设计的机构做初步的运动学仿真。这种工具使工程师在尚未进行零件的详细外观设计之前已经具备初步的运动验证和分析的能力，如图2所示。

图2 关系声明与运动骨架Fig.2 Relations Declaration and Motion Skeleton

运动骨架是把整个机构的运动简化到一个平面上了，显然平面的信息是有限的，设计者在顶层还需要一个能包含构件空间位置信息的顶层设计参考，而另一个骨架工具—骨架模型，可以很好的满足设计师的要求。标准骨架可以用来确定各个构件的空间位置，如图3所示。在确定了各个构件的空间位置之后，设计者可以方便的在骨架的适当位置进行模块或零件的包络设计或是轮廓设计。这些包络和轮廓只包含模块或零件的整体形状即可，在骨架设计完成之后，设计者可以将这些包络或者轮廓发布出去，作为具体的模块或零件的详细设计参考基准。

图3 标准骨架Fig.3 Standard Skeleton

有了标准骨架的空间位置参考，以及包络和轮廓的可发布功能，设计者实际上就可以在骨架中完成部分结构的详细设计，并通过发布将这部分详细设计准确体现到具体的零部件设计中去。同时骨架提供的位置参考功能，使设计者可以在一张草绘中完成结构的布局与设计，然后，将草绘中对应的图元投影到在骨架中已建立的对应的基准面上，实现将二维描绘的草绘快速转为三维模型的功能，极大方便设计者对结构的构思与创建，如图4所示。

图4 草绘与三维模型转换Fig.4 Sketcher into 3D Model

在骨架中进行的结构详细设计并不是必要的，但是，如果某个模块或零件有相当数量与之相互参考的模块或零件，那么把用于了参考的特征的详细设计在骨架中完成，会极大的方便其他相关零件的详细设计，也正符合机械设计中参考统一的原则。

2.3 产品的详细设计

如果说草稿和骨架相当于文章的大纲，那么各个模块结构件和零件的功能实现和外观设计就是所谓的详细设计，而这一部分的知识正是传统自底向上的设计方法所针对的功能，所以这里不做赘述。

但是，一个完整的机械产品的所有设计任务都由一个或一组人来完成几乎是不可能的，往往要将其分解为机构较简单、相对独立的模块分别进行设计，并确定它们之间的相互关系。在一个大型的机械产品设计过程中，往往每个模块都会有专门负责的工作小组。为了使效率最大化，上层设计者希望所有的小组可以同时进行设计工作，而不是因为某种约束关系使得某个模块必须后于另一个相关模块的设计。这就需要模块之间的联系越少越好。上节提到的标准骨架就正给我们提供了协同设计的思路，设计者可以通过发布几何的方式将在骨架中建立的重要几何信息发布出去，所有的模块或零部件都是用这些发布出来的几何信息作为参考，而彼此间的参考就会变少，强化了模块的独立性。这时就可以把设计任务交由其他小组或小组其他成员进行同步的详细设计。这种设计思路克服了零部件先后设计次序的限制，实现了无缝的协同设计且不会发生设计干涉。如图5所示。

图5 协同设计流程Fig.5 Collaborative Design Process

通过骨架发布几何的途径创建零部件的另一个优势是：经过详细设计的零部件会根据骨架参考完成自动装配，这极大缩减了装配设计的成本[10]。

3 应用实例

织网机是指生产网用的机械，网结形成的主要部件有上钩、孔板、下钩、梳钩、梭子和线盘，其中孔板机构与上钩、下钩协调运动完成上钩勾线、经线绕圈、下钩拉线等动作，连线成网。

本节将上文中介绍的原型创新设计与协同设计的方法应用于织网机的孔板机构的设计中。

孔板机构的运动是孔板前后和上下运动的合成，两种运动都拟采用通过凸轮连杆机构实现。具体设计流程如下：

（1）在绘图工具中设计机构简图，如图6所示。

图6 孔板机构概念设计Fig.6 Conceptural Design of Reed Mechanism

使用任意的CAD工具画出机构简图，导入到参数化的三维平台中定义机构中的机架高度、滚子直径、连杆长度等重要参数作为全局变量，以方便设计的调用和保证信息源统一。

（2）建立运动骨架与标准骨架，如图7所示。

图7 孔板机构运动骨架与标准骨架Fig.7 Motion Skeleton and Standard Skeleton of Reed Mechanism

在运动骨架中添加恰当的运动副与约束，如连杆之间添加销连接，凸轮与滚子添加高副连接等，并调用概念设计中的全局变量作为尺寸参数，重新生成之后的运动骨架就可以作为运动分析验证的工具。

在标准骨架中，建立若干基准平面，这些平面包含主副凸轮与机架等构件的空间位置信息。对于某些相关性较高的构件，如大齿轮，在骨架中可以对其部分曲面进行适当的详细设计，并在骨架设计完成时，将这些曲面发布出去作为其他详细设计的参考。

（3）负责具体模块的小组或小组成员，在接收到来自骨架的发布信息后，就可以此为基准进行零部件的详细设计了，如图8所示。

图8 协同设计流程Fig.8 Collaborative Design Process

顶层的设计人员将大齿轮的轮廓与位置信息发布出去，其他设计人员以此为基准对齿轮及其上凹槽凸轮进行细节设计，设计完毕的大齿轮会根据原几何包络自动装配到原装配体中，而不需要重新定义大齿轮的位置。

4 结论

产品的设计是一个渐进的过程，一般经过概念设计、参数化设计和详细设计三个阶段。所介绍的机械结构原型设计方法具有如下优点：（1）符合产品设计人员的创新设计思路；（2）产品参数的信息源得到了统一；（3）可发布的几何信息方便了子系统的创建与并行设计。通过织网机孔板机构的结构设计应用实例说明，验证了此方法的科学性和有效性。