基于混合模式的复杂产品可视化设计系统研究与实现.doc

基于混合模式的复杂产品可视化设计系统研究与实现（1.安徽农业大学工学院 安徽 合肥 230036；2.安徽建筑工业学院机电工程学院 安徽 合肥 230601）摘要：对复杂产品可视化设计系统的开发流程和系统功能进行了详细地研究，并以轮式装载机主减速器产品的设计为例，在对产品设计流程分析的基础上，构建了主减速器可视化设计系统的开发流程。基于B/S和C/S混合开发模式，开发出工程车辆主减速器可视化设计系统。给出了系统的框架结构，对组成系统的各个功能模块进行了详细介绍。该系统具有支持主减速器的结构参数优化、零部件三维参数化设计和虚拟装配等功能。通过实例对开发的主减速器可视化设计系统进行了验证。关键词：可视化设计；混合模式；主减速器；虚拟装配； Design and Implementation of Visual Design System in Complicated Products Based on B/S and C/S ModeAbstract：The system function and technical flow of visual design were researched synthetically. By combing the technologies of ASP.NET with secondary development of UG CAD system, a CAD system in main reducer based on B/S and C/S hybrid mode has been built. The system has the functions as optimal design of structure parameter，parts of three-dimensional parametric design and virtual assembly. The frame structure and function modules of the system are discussed in detail. The main reducer CAD system has carried on the confirmation through the concrete example. Compared with the traditional design method, this method upgrades the designing ability and efficiency of the enterprise.Key words: visual design; main reducer; B/S and C/S; virtual assembly; 80 引言复杂产品设计的好坏对整个产品的性能起着决定性的作用。复杂产品往往因为牵涉零部件较多，设计计算量和绘图工作量均较大。传统的设计方法是研究人员利用某种计算机语言按照相应的原理编制计算机程序，该种方法最主要的弊端在于程序确乏通用性，对于制造企业一般的工程设计人员来说难以掌握。同时对于供应商参与的产品开发中,每个部件是由相对独立的各个供应商设计和制造,再运到总装厂或总装车间进行装配,这种情况下进行的产品开发,由于设计人员间缺乏有效的沟通,所以给产品的整体设计和装配带来了困难。可视化优化设计是近年兴起的一种新型优化设计方法，该方法强调在整个设计过程中全面应用计算机技术进行模型构建、功能模拟和过程仿真等。目前国内已经有一些学者在此方面进行了卓有成效的研究，其中东北大学的闻邦椿院士、武汉理工大学的陈定方教授等一些专家学者就在此方面进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。文献2以3 - TPT 并联运动机床为研究实例,利用VB开发了该机床的运动学可视化设计系统；文献3以ADAMS为平台,结合Pro/E中的三维可视化模型,建立了多体振动系统虚拟样机,以及利用软件ANSYS和虚拟样机相结合建立了柔性体.在虚拟样机环境下,运用装配过程可视化、动力学可视化、工作过程及运动学可视化方法对系统进行设计研究；文献4探讨了运用面向对象程序设计语言开发可视化有限元软件的设计技术和实现方法。上述研究表明可视化设计越来越受到重视，但是就目前的研究情况来看，集产品的设计计算、三维建模、虚拟装配和网络协同整个设计流程为一体的集成可视化设计还不多见。本文基于可视化设计方法，综合运用计算机技术和零部件三维参数化设计技术开发了一种复杂产品可视化设计集成系统,该系统集产品的设计方案、性能计算、三维零部件参数化设计和虚拟装配技术于一体的功能，在给定设计参数情况下，自动完成产品的设计流程，并以工程车辆中的主减速器为例，验证了系统的正确性。1 可视化设计系统的开发流程通过对安徽省内几十家大中小型汽车零部件生产企业的企业实地考察得知：大多数企业的产品开发依然以传统的设计流程为主，主要有设计方案分析、初步的性能计算、零部件图纸设计、样件试制和产品试验等若干流程，在设计过程中时常出现设计计算错误、产品零部件装配时出现干涉和试验时因为性能较差达不到国标或行业标准而开发失败等问题，严重影响了产品设计进度和产品开发成功率。结合调研情况，经过详细的分析后，提出了如图1所示的产品可视化设计系统的设计流程。由图1可知，按照模块化设计方法将整个产品设计流程分为3大模块：产品设计方案和性能分析计算模块、产品零部件参数化模块和基于web端的产品数据可视化模块。产品设计方案和性能分析计算模块主要包括产品的设计方案确定和基本性能参数的计算，并保存设计数据；产品零部件参数化模块主要包括优化设计和三维零部件参数化设计；产品数据可视化模块主要包括产品的虚拟装配和设计过程中产品数据管理系统。图1 主减速器可视化设计系统开发流程同时针对设计人员对该系统的不同操作权限，该系统开发采用多级用户控制方式，同时为了实现协同设计，设计分析的数据应该能够在系统内实现共享，且设计人员应该可以同时或不同时在系统上进行操作，互不干扰，生成的数据统一在服务器数据库中存储。2可视化设计系统功能模块 根据对产品设计流程的分析，可视化设计系统应包括以下几部分功能要求：具有可视化操作界面，方便用户输入相应的初始设计参数；能够完成包括初始方案提出、性能参数分析和优化设计在内的运算模块功能；能够进行产品变型设计，自动生成三维零部件模型；能够基于网络环境对设计的产品相关参数和三维模型进行数据查询、下载等功能；具有相应的数据管理系统。综上所述，可视化设计系统采用基于Client/Server(C/S)和Browser/Server(B/S)混合模式进行开发，web端主要实现产品相关数据操作功能和数据交换等功能；客户端主要实现产品的设计方案和性能计算模块、结构参数优化设计模块、模块化设计和零部件三维模型的生成等功能。3 研究实例主减速器是汽车、工程机械中车桥总成的一个重要的部件，主要包括主动齿轮、从动齿轮、隔套、主动齿轮轴承、主动齿轮油封、主减速器壳等20多个零部件，结构架构如图2所示。在设计主减速器时，主减速器的结构形式、减速比、齿轮和轴承等零部件的设计随着主减速器使用的对象不同而不同。针对主减速器产品的开发，设计了可视化设计系统，主要包括基于VC.NET开发了主减速器设计方案和性能计算软件、基于VB和UG软件开发了主减速器零部件参数化设计模块和基于ASP.NET开发了基于网络环境下的主减速器虚拟装配和数据管理模块，其中虚拟装配模块基于VRML技术开发主减速器的虚拟装配，数据库采用Sql Server软件进行设计。图2 主减速器结构架构图3.1 主减速器设计方案和性能计算模块 主减速器设计方案和性能计算模块主要是根据用户输入主减速器的设计要求，通过初步的性能计算，从而产生主减速器的设计方案，并对主减速器的相关部件进行性能分析。图3为开发出的主减速器系统设计方案和性能方案模块，该模块中基于主减速器设计方案的选型、初步性能参数和性能计算，整个模块操作简便。图3 系统设计方案和性能方案模块界面3.2 主减速器结构参数优化模块主减速器结构参数优化模块主要是以主减速器齿轮体积最小和齿轮受力最少为目标函数，对其进行优化设计。对于装载机主减速器的设计一般多采用螺旋锥齿轮，设计时在保证其性能的前提下，应尽量使主减速器机构紧凑。因此，选取主减速器的体积最小为优化目标之一。由于主减速器体积主要取决于一对啮合齿轮的体积，故取啮合齿轮的体积和为目标函数之一。 （1）式中：主动齿轮体积；从动齿轮体积；为了保证主减速器齿轮的强度，取单位齿宽长度上所承受载荷最小为优化目标。由参考文献5知，单位齿宽长度上所承受的载荷为：（2）式中：啮合压力角，一般取；啮合的圆锥齿轮重叠系数；差速器传递的转矩； 上述分目标函数的优化条件中具有相互制约，难以实现使各分目标函数同时达到最优。为实现总体最优，将各分目标函数加权求和形成一个统一的总目标函数。若已知某分目标函数的变动范围为，则称为指标的容限，于是该指标的加权因子为即总目标函数可写为： （5）根据螺旋锥齿轮的结构特点,一般选取从动齿轮齿面宽，主动齿轮端面模数，主动齿轮齿宽中点螺旋角，主动齿轮齿数和从动齿轮齿数为优化设计变量。因此设计变量有5个，记作： 通过随机方法产生100个个体作为初始种群，交叉率取0.25，变异率取0.02，二进制编码长度为15。以设计变量作为解的代码，上述约束方程式作为检验函数，优化设计的目标是寻求使目标函数达到最小，即适应度函数达到最大的待求参数，适应度值误差式中：适应度函数最大值；：适应度函数最小值。当则告收敛，结束遗传算法的优化。通过编写遗传优化程序，即可求解得到优化结果6。3.3主减速器零部件参数化设计模块 UG软件提供了UG OPEN/API和UG OPEN/GRIP两种二次开发模块，其中UG OPEN/API模块以模型参数化设计为主，通过对模版文件进行修改得到新的模型；UG OPEN/GRIP模块运用函数进行模型生成，本设计采用两种方法结合的形式进行主减速器CAD系统的开发，对于能够实现全部参数化的采用模版文件方式进行设计；对于不能全部参数化的部件进行基于函数编写方式，如主减速器齿轮。基于UG的二次开发的参数化结构图如图4所示7： 图4 零部件参数化设计步骤图主减速器零部件参数化设计模块是以UG软件和VB相结合开发的设计模块。首先在模块中通过修改原有模板零部件设计变量数值并保存；接着在UG软件中通过调用该数据库文件自动生成部件的三维模型。基于VB开发的主减速器零部件模块化设计系统界面如图5所示。 图5 主减速器参数化设计模块3.4 主减速器虚拟装配模块主减速器虚拟装配模块是以虚拟现实建模语言vrml为基础进行程序编写的，首先将在UG中生成的主减速器零部件三维模型转化为vrml文件格式即后缀为.wrl的文件，将各零部件在VrmlPad中进行装配8。具体实现过程：在vrml编辑器中，用引入型节点Inline导入各零件的wrl文件，再调整转换型节点Transform的translation、rotation字段值来调整各零件的位置和角度，使各零件按照相对位置组成装配体，通过调整center字段值调整各零件的旋转中心。将装配结果文件上传数据库，并在IE浏览器中安装vrml插件。如图6所示为基于vrml和A开发的主减速器虚拟装配模块界面。图6 主减速器虚拟装配界面3.5 实例验证取某装载机主减速器为研究对象，发动机最大扭矩539，主减速器传动比4.33，变速器一档传动比6.2，所用车型轮胎半径453mm，主减速器齿轮材料，首先进行方案和初步参数计算，在此基础上进行优化设计，得出优化结果，接着在主减速器参数化设计模块中进行三维零部件的生成，最后在主减速器虚拟装配模块中生成虚拟样机并进行干涉检测，总体设计流程如图7所示，从而完成整个主减速器的整个设计流程。4 结论 文中对可视化设计系统的研发流程和系统功能进行了宏观性地研究。以轮式装载机的主减速器开发为例，对其进行可视化设计系统的开发。该系统具有以下特点:能够快速地建立企业所需的主减速器零部件三维模型,显著地缩短了企业产品的研发周期,符合市场竞争的需要； 面向装配,能够提供相应的零部件,适应装配设计的需求。 图7 某型号主减速器流程设计 参考文献：1毕春长,丁予展.工程建设机械驱动桥主减速器BP神经网络辅助优化设计J.建筑机械,2000,(4): 35-372闻邦椿，张国忠，柳洪义.面向产品广义质量的综合设计理论与方法M.北京：科学出版社,20073孙伟,李朝峰,闻邦椿等.基于VB的可视化设计计算系统的研究与实现J.中国机械工程,2008,19(19):2325-23284张楠，侯晓林，闻邦椿.基于虚拟样机多体振动系统的可视化设计研