泥泵齿轮箱变型设计系统的研究与开发

2013-06-01江瑞田龚春全严忠胜常震罗

机电工程技术 2013年2期

李强，江瑞田，刘渊，龚春全，严忠胜，常震罗，董鹏

（中国船舶重工集团公司第七一一研究所，上海 200090）

0 前言

泥泵齿轮箱是疏浚工程船舶即挖泥船上广泛使用的关键动力传输设备，连接原动机驱动泥泵工作。近年来我国沿海、沿江港口及工业开发的快速发展使得围海造地工程需求巨大，对围海造地的工程挖泥船的需求量急剧增加，相应的泥泵齿轮箱的需求越来越大。因该行业工程具有工期时间紧迫、施工工程投资回报快的特点，作为关键动力传输设备的泥泵齿轮箱，能够缩短产品的设计和生产周期，尽快投入生产就显得格外重要。

本文结合设计经验，针对泥泵齿轮箱的结构特点对泥泵齿轮箱进行了三维参数化分析和研究；提出了基于事物特性表的变型设计原理和方法；通过Visual C++、Pro/E，Access 数据库等工具软件，开发出泥泵齿轮箱快速变型设计系统并成功应用于工程生产实践中。该系统的应用极大地提高了齿轮箱的设计效率、节约了设计时间。

1 基于事物特性表的产品变型设计

1.1 产品主模型和事物特性表

产品的主模型以参数化CAD系统中的特征模型为基础而产生，它是在产品个性化需求分析的基础上，对CAD模型的特征变量进行分析，提取出其中的一些关键参数来描述零件拓扑结构、形状特征和尺寸之间的联系[1]。

事物特性表是建立可变型设计产品的另外一个重要组成部分，它代表了产品变型设计过程[2-3]。事物特性表和产品的主模型一一对应。它的逻辑结构和关系型数据库系统的数据表一致，由表列和表行组成，表名代表事物特性表的名称，表头的表列存放主模型中实现变型设计的特征变量、变型后的模型、工程图等文件，而事物特性表的每一行则代表了一个其相应对象的变型设计实例。

基于事物特性表的产品变型设计的关键是在对个性化产品需求分析的基础上，充分分析产品的几何形状和拓扑结构，设计出产品的主模型和事物特性表，并且完成主模型——事物特性表——参数化CAD 参数变量表三者之间的映射关系，也就是说要建立事物特性表中的表列与参数化CAD参数变量之间的对应关系，用事物特性表驱动产品参数型CAD系统中的变量表。这样通过在事物特性表中输入一组对应于主模型参数变量的数据，就可以自动派生出产品的一个变型实例，从而动态、快速地生成满足用户需要的产品。

1.2 产品变型设计过程

基于产品主模型和事物特性表的产品变型设计技术主要是根据用户或者设计人员的需要，先创建好产品的主模型和事物特性表，然后通过输入产品的特征参数变量，变型设计系统就能借助事物特性表来驱动参数化CAD系统，快速生成满足用户需求的个性化产品的模型、工程图、产品设计制造相关的图文档信息及其他相关的信息对象文件，其过程如图1所示。

图1 基于主模型和事物特性表的变型设计

2 挖泥船泥泵齿轮箱变型设计的原理、方法及关键技术

2.1 挖泥船泥泵齿轮箱的结构特点

挖泥船泥泵齿轮箱动力输入端为电动机/柴油机，动力输出端为泥泵。由于动力设备配置特点，泥泵齿轮箱普遍都采用一级减速的结构形式。泥泵齿轮箱这样的结构特点决定了对于不同输入功率/转速和输出功率/转速（减速比），齿轮箱的几何结构形式完全可以通过统一相似的外形结构即主模型进行表示。通过对主模型变型设计产生的实例可以衍生出不同的输入/输出的齿轮箱。

2.2 泥泵齿轮箱变型设计的原理和方法

泥泵齿轮箱变型设计的原理是采用面向对象的方法，以图2 所示的齿轮箱CAD 模型的结构树关系为“骨架”，通过基于事物特性表的数据库结构方式，创建与齿轮箱CAD模型结构树关系为基础的主模型。通过事物特性表驱动主模型进行齿轮箱的变型设计。

图2 泥泵齿轮箱CAD模型

2.3 齿轮箱主模型的创建及关键技术

图3 泥泵齿轮箱主模型结构图

所有齿轮箱变型实例都从主模型派生并决定了变型实例的结构，因此齿轮箱主模型的创建是系统设计过程中最关键的部分。图3 为齿轮箱主模型的结构示意图。图中的每个节点代表齿轮箱一个零件或部件的主模型。所有的节点组成整个齿轮箱的主模型。节点中包括对象的CAD 模型、变型参数对象、以及相关信息（参数间的约束关系式、与上下级零部件关系、材料、重量等）。主模型的信息通过基于事物特性表的方式建立的数据库表对其进行描述。数据库表中体现与齿轮箱CAD 模型一致的结构树关系。通过结构树将各个独立的零部件主模型按照齿轮箱的装配和逻辑关系关联在一起。通过数据库系统能够访问各个齿轮箱主模型包括部件、零件、标准件主模型中的每一个参数变量对象。在齿轮箱变型设计时通过程序访问、修改数据库表数值驱动各级对象CAD模型实现变型同时进行相应的各级对象的管理。齿轮箱主模型的创建流程见图4。

图4 泥泵齿轮箱主模型建模流程

2.3.1 齿轮箱CAD模型类型分析和分解

按照泥泵齿轮箱的结构特点进行分类，包括参数化对象和标准件对象。参数化对象为输入齿轮、输出齿轮、输出轴、端盖等通过设计过程中的几何特征关系、装配尺寸关系等参数化驱动实现模型造型的对象。标准件对象如油泵、轴承、密封件、螺栓等。

为简化齿轮箱主模型和CAD模型，减少运算量，标准件对象都视为单独的零件对象，有相应的标准件CAD模型库；通过标准件库查询选型调用CAD模型对象。即通过标准件的变型参数进行配置、选型实现。另外，为减少主模型的复杂性，将齿轮箱中的标准件适当简化，例如联接螺栓在齿轮箱CAD 模型中只保留关键的合箱大螺栓，其他螺栓则通过和对应的部件、零件主模型关联，并最终在BOM中列出。

2.3.2 齿轮箱CAD模型的变型参数定义

变型参数包括全局参数、主动参数、从动参数。全局参数为齿轮箱主模型顶级参数，包括用户提供的技术参数如齿轮箱的功率、输入转速、输出转速，以及由齿轮箱计算产生的相关参数，包括齿轮模数、齿数、螺旋角大小、旋向、轴承支点距等参数。在齿轮箱的主模型中全局参数以“自上而下”的方式将参数约束关系传递到部件、零件的主模型及最终的CAD 模型的参数表中[4]。主动参数是指引起其他参数变化的变量，它的改变将引起从动参数值的变化。从动参数是指被其他参数驱动变化的变量，它是在参数间建立关联时产生的。

齿轮箱主模型的主动、从动参数都与齿轮箱CAD 模型通过数据库表建立直接或间接的映射关系。在系统中主动参数定义为主模型对象对外的接口。通过修改主动参数的数值、数值范围、逻辑关系等以及更新关联的从动参数数值驱动CAD模型变型。

2.3.3 数据库表结构设计及关键技术

通过基于事物特性表的方式建立数据库见图5，利用数据库保存主模型和变型实例的所有信息。通过数据库驱动主模型变型产生实例并实现对所有对象信息的有效管理。

数据库包括主模型数据库和变型实例数据库。主模型数据库表包括图5 所示的主表（Main table）、参数表（Parameters table）、零部件主模型表。主表相当于齿轮箱CAD模型的结构树关联了主模型下的所有信息。

主表中：字段“SuperId”表示上一级部件的图号。字段“SubId”为齿轮箱或齿轮箱装配件下的部件、零件图号或变量名称。字段“Type”：对象类型包括全局参数、主动变型参数、从动变型参数、部件对象、零件对象等（其中主表包括全局参数、部件对象、零件对象3 种类型；部件主模型表包括主动变型参数、部件对象、零件对象3种类型，零件主模型表包括主动变型参数1种类型；参数表为全局参数、主动变型参数、从动变型参数3种类型）。字段“Map”：该变型参数映射的CAD模型中的参数以及其它字段等。

零部件主模型表的结构和主表结构一致。参数表的结构与主表一致并增加了“变型参数取值范围（Scope）”字段，“变型参数约束关系式（Formula）”字段等参数信息，所有的变型参数信息都保存在参数表中。

图5 主模型数据库表结构

这样结构的数据库表实现了上下关联的层次关系，按照结构关系可双向访问数据信息。可以实现快速创建齿轮箱、部件、零件主模型的结构树；快速访问齿轮箱的每个零部件以及零部件对应的取值、表达式等信息；同时保证了包括变型参数、齿轮箱、部件、零件等所有对象可追溯性。

变型实例数据库的结构和主模型数据库结构一致，通过这样的结构可以对变型设计后的实例进行便捷地访问和管理。

2.3.4 建立主模型数据库表与CAD模型参数表映射关系

系统通过访问齿轮箱模CAD模型在主表中建立与CAD模型一致的结构树。通过该结构树“自上而下”的访问齿轮箱CAD模型的参数表。从最底层的零件开始按照齿轮箱CAD模型的树状结构关系逐级创建对象的基本主模型。在创建基本主模型时建立变型参数与CAD 模型参数的映射关系，通过主动变型参数的逐级传递，最后与齿轮箱产品的全局参数建立约束关系，完成齿轮箱基本主模型的建模。基本主模型创建后可根据系统需要添加附加的信息完成主模型，扩展系统的功能。

（1）建立数据库变型参数与零件CAD模型的映射关系

访问齿轮箱CAD 模型结构树的末端对象即零件中CAD 模型的参数表，提取变型需要的参数，过滤参数表中其它多余参数。提取的参数相应的在数据库参数表中生成对应的变型参数。对提取出来的变型参数进行命名以增加可读性。定义变型参数之间的约束关系，这样被约束的变型参数成为从动变型参数，起约束的参数为主动变型参数。主动变型参数保存在零件主模型表中，同时将变型参数所有信息保存在参数表中。这样零件CAD 模型的主动变型参数就“暴露”给其上一层的对象，完成零件的基本主模型定义。

（2）建立数据库表变型参数与装配件CAD模型的映射关系

齿轮箱CAD模型结构树的关系，完成装配件下CAD模型的所有零件CAD模型的主模型后，提取各个零件主模型的主动变型参数以及装配件的参数表，在数据库中生成装配件对象对应的变型参数。通过建立装配件的变型参数与零件主模型的约束关系，定义装配件主模型的主动变型参数。通过这样的方法按照齿轮箱的树状结构递归完成上一级装配件主模型创建直至齿轮箱的基本主模型。

（3）建立标准件变型参数与标准件CAD模型的映射关系

完成齿轮箱的基本主模型后，根据标准件与齿轮箱的零部件CAD对象的装配关系、几何关系等建立标准件与齿轮箱、部件、零件主模型的关联。访问标准件对象CAD 模型参数表提取参数；提取的参数定义为标准件对象的变型参数，通过该变型参数调用标准件CAD模型库。建立标准件对象的变型参数和关联对象主模型主动参数之间的约束关系。最终标准件对象的变型参数作为从动参数保存在参数表中。通过这种方法使标准件隶属于齿轮箱的各个对象的主模型，将标准件作为一个零件处理，使得最终完善的齿轮箱主模型更为简化，同时驱动CAD 模型变型的运算也简化。

2.4 驱动齿轮箱主模型的变型

完成齿轮箱所有对象主模型的创建后，即可通过全局参数驱动主模型进行变型设计，生成新的产品实例。变型设计时，全局参数“自上而下”传递到齿轮箱下所有对象主模型的变型参数中，更新变型参数。驱动所有零件级别对象的CAD 模型后，再依次进行上一级装配件的参数驱动，同时根据标准件对象的变型参数调用标准件CAD模型库。齿轮箱CAD模型中非尺寸关联的装配关系则由CAD软件的自身约束自动调整。最终完成齿轮箱的变型设计。

3 泥泵齿轮箱变型设计系统及工程应用

通过上述的变型设计的原理和方法，以VC++6.0 为开发工具，Pro/E 为CAD 造型软件及Pro/ToolKit开发接口[4]，Access为数据库平台，开发出泥泵齿轮箱的变型设计应用系统。图6 为系统的主设计界面。系统通过手动输入或外部导入齿轮校核计算结果和轴承计算结果，用户从主界面上选择齿轮箱的布置方式、输入齿轮旋向后，系统内部就根据输入的参数进行匹配检索。若有相同产品即在界面右侧提示和显示，否则生成新的产品实例。同时系统具有实例管理、零件、部件级模型变型设计和生成BOM表等功能。

系统的应用极大地提高了设计效率、节约了设计时间。该系统已成功应用于上海航道局、天津航道局等多家公司挖泥船泥泵齿轮箱的设计中，同时设计的多个泥泵齿轮箱已经在实船使用。