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(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

現(xiàn)代制造業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，從零件到裝配，都存在不同程度的系列化問(wèn)題。例如鉚釘標(biāo)準(zhǔn)件，即使是同一類(lèi)型號(hào)的標(biāo)準(zhǔn)件，尺寸規(guī)格也有可能是不同的，但設(shè)計(jì)師往往因?yàn)椴煌?guī)格的尺寸重復(fù)設(shè)計(jì)，不僅使得設(shè)計(jì)效率低、周期長(zhǎng)，還增加了零件制造成本[1]。為了從CAD系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)中獲得滿足設(shè)計(jì)要求的標(biāo)準(zhǔn)件，對(duì)零件的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)提出了更高的要求，其中參數(shù)化建模又是其中的核心問(wèn)題。

陳靖芯[2]提出了利用CATIA軟件中的公式編輯器f(x)對(duì)碟簧零件建立三維模型，在參數(shù)化建模之前，首先利用公式編輯器定義碟簧零件的幾何參數(shù)，通過(guò)公式將系統(tǒng)參數(shù)與用戶參數(shù)連接起來(lái)，從而達(dá)到用戶參數(shù)驅(qū)動(dòng)三維參數(shù)模型的目的，再利用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)表來(lái)驅(qū)動(dòng)CATIA的三維模型，改變數(shù)據(jù)表中的參數(shù)就可以相應(yīng)生成不同的零件模型，為參數(shù)化建模的方法提供了理論依據(jù)，然而對(duì)于碟簧零件參數(shù)化建模的過(guò)程描述較少。沈燕輝等[3]主要研究了以汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)件螺栓為例的參數(shù)化建模方法，利用系統(tǒng)參數(shù)與尺寸約束驅(qū)動(dòng)圖形的參數(shù)化建模方法，對(duì)螺栓零件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，其中螺栓的一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)未知，通過(guò)另一個(gè)與其相關(guān)聯(lián)參數(shù)的公式求得，在所有尺寸參數(shù)已知的條件下才能對(duì)零件的幾何外形進(jìn)行全約束，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)零件的參數(shù)化建模，這為本文研究多目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)的零件模型提供了思路和理論依據(jù)。

本文以參數(shù)化建模為研究對(duì)象，參數(shù)化建模有多種方法，對(duì)于不同類(lèi)型的零件，參數(shù)化設(shè)計(jì)方法又不完全相同，部分零件參數(shù)化過(guò)程中含有一個(gè)甚至多個(gè)未知設(shè)計(jì)參數(shù)，此時(shí)需要在傳統(tǒng)方法建?；A(chǔ)上，進(jìn)一步按設(shè)計(jì)使用要求來(lái)實(shí)現(xiàn)零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)建模?；谝陨系姆治?，零件的參數(shù)化建模可分為三個(gè)層次：僅結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)的零件模型；設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)的零件模型；多目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)的零件模型。這三個(gè)模型為CAD/CAE軟件參數(shù)化建模方法提供有效的思路和實(shí)現(xiàn)方法。

1 參數(shù)化設(shè)計(jì)

參數(shù)化設(shè)計(jì)是定義幾何圖形的尺寸大小并約束尺寸關(guān)系[4]，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是改變參數(shù)的大小，即可相應(yīng)地改變零件圖形大小。參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)人員而言，方便修改和設(shè)計(jì)零件的草圖。用戶僅僅需要修改參數(shù)化零件模板的參數(shù)值即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)零件的建立。或者只需將零件的關(guān)鍵部分定義為某個(gè)參數(shù)，通過(guò)對(duì)參數(shù)的修改實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[5]。

2 標(biāo)準(zhǔn)件參數(shù)化建模的過(guò)程和實(shí)現(xiàn)方法

參數(shù)化設(shè)計(jì)是參數(shù)化建模的核心技術(shù)，如何篩選與應(yīng)用參數(shù)化建模的方法，關(guān)鍵在于參數(shù)、公式、表格、特征等驅(qū)動(dòng)圖形達(dá)到改變模型的目的。主要包括三種參數(shù)化建模方法：系統(tǒng)參數(shù)與尺寸約束驅(qū)動(dòng)模型、用戶參數(shù)和公式驅(qū)動(dòng)模型、利用表格數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型[6-7]。文中采用第三種方法進(jìn)行參數(shù)化建模，結(jié)合第一種方法對(duì)二維圖形進(jìn)行尺寸與特征約束。

利用表格數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的參數(shù)化建模方法介紹如下：在機(jī)械設(shè)計(jì)中，對(duì)于系列化零件(例如通用件、標(biāo)準(zhǔn)件等等)，它們的尺寸都可通過(guò)查表獲得?？蓱?yīng)用表格驅(qū)動(dòng)幾何圖形實(shí)現(xiàn)這一功能，以表格的形式在相應(yīng)的文件中存放與模型有關(guān)的數(shù)據(jù)，再利用“設(shè)計(jì)表”將模型的參數(shù)(系統(tǒng)參數(shù)或者用戶參數(shù))與表格中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)，建立表中參數(shù)與三維模型參數(shù)的聯(lián)系，通過(guò)選擇不同的數(shù)據(jù)就可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的驅(qū)動(dòng)。

上文可知本文零件的參數(shù)化建模可分步進(jìn)的三個(gè)層次：僅結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)的零件模型；設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)的零件模型；多目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)的零件模型。創(chuàng)建三個(gè)層次標(biāo)準(zhǔn)件的參數(shù)化建模模板，建模流程如下圖1。

圖1 零件參數(shù)化建模流程

3 模型實(shí)現(xiàn)

CATIA是CAD/CAE/CAM一體化的軟件，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)制造和造船等行業(yè)[8-9]。其自身就帶有可視化尺寸驅(qū)動(dòng)與參數(shù)驅(qū)動(dòng)功能，方便參數(shù)化建模，無(wú)需或極少的編程即可實(shí)現(xiàn)三維參數(shù)化建模，因此本文選擇CATIA進(jìn)行模型的參數(shù)化創(chuàng)建。通過(guò)使用圖1中三個(gè)模塊的參數(shù)化建模方法，建立起零件的參數(shù)化建模模板，現(xiàn)以墊圈和六角螺栓為例，簡(jiǎn)述參數(shù)化模型的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

3.1 僅結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)的零件模板參數(shù)建模

墊圈是一個(gè)簡(jiǎn)單的拉伸實(shí)體，選擇航標(biāo)HB1-521-1983的墊圈為其基本造型特征，其主要的尺寸特征參數(shù)有：直徑d1、d2、d3和墊片高度h，如圖2。

從墊圈標(biāo)準(zhǔn)件手冊(cè)查出尺寸信息，得知該零件的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)都已知，在CATIA對(duì)墊圈的各尺寸參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，草圖中即可利用對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行約束并通過(guò)公式對(duì)其參數(shù)化，通過(guò)三維特征操作得到完整的一個(gè)墊圈的參數(shù)化模板，導(dǎo)入同系列的尺寸表可自動(dòng)生成墊圈零件庫(kù)，圖3為通過(guò)建模、特征參數(shù)生成的墊圈三維參數(shù)化模型。

圖3 模型樹(shù)中的參數(shù)關(guān)系

3.2 設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)的零件模板參數(shù)建模

在零件的參數(shù)化建模中，若有一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)未知，可以通過(guò)另一個(gè)與之有公式關(guān)系的結(jié)構(gòu)參數(shù)求出，零件在實(shí)際中的設(shè)計(jì)目標(biāo)和使用要求主要體現(xiàn)為“載荷、變形量”等層面[10]。航標(biāo)零件中的螺栓HB1-101-2002，僅考慮螺栓受到了“擠壓力”，六角頭螺栓的功能參數(shù)為：螺栓所受到的工作剪力F、擠壓強(qiáng)度σp。上述的兩個(gè)功能參數(shù)與螺栓其他結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的計(jì)算關(guān)系如表1。

表1 僅受擠壓力的螺栓參數(shù)

注：[σp]螺栓材料許用擠壓應(yīng)力，MPa。

已知螺栓材料，在機(jī)械手冊(cè)中查出許用擠壓應(yīng)力[σp]。將查到的值帶入表中的公式里，取擠壓應(yīng)力σp為最大值等于[σp]，按照表1中的兩個(gè)公式求出在擠壓應(yīng)力最大值時(shí)螺栓的剪切面直徑d0(等于螺栓直徑d)，依次也可求出Lmin(等于螺栓桿與孔壁擠壓面的高度l3)。算出d和l3后，其他結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)可通過(guò)查詢?cè)撀菟▏?guó)家標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)的參數(shù)得到，在CATIA中按照?qǐng)D1中的建模流程創(chuàng)建螺栓的參數(shù)化模型，得到圖4。

圖4 螺栓的參數(shù)化建模

3.3 多目標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)驅(qū)動(dòng)的零件模型

六角螺栓是一個(gè)經(jīng)常使用的元件，建模時(shí)要先考慮螺栓在實(shí)際中的設(shè)計(jì)目標(biāo)和使用要求主要體現(xiàn)為“擠壓、剪切”等層面。與之對(duì)應(yīng)可將六角頭螺栓的功能參數(shù)定義為：螺栓所受到的工作剪力F、擠壓強(qiáng)度σp和剪切強(qiáng)度τ。上述的三個(gè)功能參數(shù)與螺栓其他結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的計(jì)算關(guān)系如表2。

針對(duì)表2中所示六角螺栓功能、結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，在已知螺栓材料后，在機(jī)械手冊(cè)中查出許用擠壓應(yīng)力[σp]和螺栓材料許用剪切應(yīng)力[τ]。將查到的值帶入表中的公式里，取擠壓應(yīng)力σp為最大值等于[σp]，同理取剪切應(yīng)力τ為最大值等于[τ]。可按如下4個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)功能參數(shù)驅(qū)動(dòng)的螺栓零件設(shè)計(jì)建模：

表2 承受擠壓和工作剪力的螺栓參數(shù)

注：[τ]螺栓材料許用剪切應(yīng)力，MPa； [σp]螺栓材料許用擠壓應(yīng)力，MPa。

1)實(shí)際工程中，已知螺栓所受的工作載荷F，用表2中的公式①和公式③計(jì)算出螺栓受擠壓力下的直徑d01。

2)通過(guò)表中公式②求出螺栓受剪切力下的直徑d02，Lmin(等于螺栓桿與孔壁擠壓面的高度l3)。

3)通過(guò)上面步驟求出兩個(gè)螺栓剪切面的直徑，因此螺栓的直徑d=max{d01，d02}，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)通過(guò)查詢螺栓手冊(cè)中的參數(shù)表。

在CATIA按照?qǐng)D1中的參數(shù)化建模流程創(chuàng)建螺栓零件的參數(shù)化模型，上面兩個(gè)例子都有詳細(xì)介紹，此處不再詳述，通過(guò)拉伸、旋轉(zhuǎn)切除、螺紋等特征操作命令得到六角螺栓模型，如圖5。

圖5 六角螺栓的建模

4 結(jié)論

以參數(shù)化建模為研究對(duì)象，基于CATIA簡(jiǎn)述建立可重用三維參數(shù)化模型的方法。本文的創(chuàng)新點(diǎn)是通過(guò)創(chuàng)建基于草圖的特征和變換特征建立三層次不

同情況類(lèi)型的零件模型，總結(jié)了零件的基本建模流程，針對(duì)不同特征類(lèi)型的航標(biāo)零件，選擇相應(yīng)模塊的參數(shù)化建模方案，為CAD/CAE軟件參數(shù)化設(shè)計(jì)提供了新的思路和實(shí)現(xiàn)方法。得出結(jié)論為：

1)建立了三層次不同情況類(lèi)型的參數(shù)化零件模型，以參數(shù)化設(shè)計(jì)為理論依據(jù)，縮短了零件的建模周期，為后期CAD系統(tǒng)零件庫(kù)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

2)參數(shù)化建模方法包含模型的創(chuàng)建信息，充分利用表格數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型建模方法能有效提高設(shè)計(jì)工作效率和航標(biāo)件質(zhì)量，縮短了飛機(jī)整體的設(shè)計(jì)時(shí)間。