产品族工程模块化设计

产品族工程模块化设计

图论是生产工艺或产品建设的重要技术参考。产品工程图绘图的传统方法是按照三视图投影法一个图元一个图元地精确绘制二维CAD图,或应用三维建模软件(如UG、Pro/E、Catia等)先生成产品三维模型,然后投影生成二维工程图。传统产品的CAD模型是几何图素(点、线和圆等)的简单叠加,只是描述了产品的可视化外形,没有包含设计过程,无法构成产品系列。而产品的变更往往导致工程图的变更,传统的方法是在原有的CAD图纸上进行修改。这种方法对于小修小改,效率较高,但是当产品尺寸发生了较大范围的变化时,由于传统设计方法没有记彔下设计对象内部元素之间相互关系,所以修改过程不仅繁琐,而且容易出错。传统方法的不足之处在于:(1)无法支持快速的设计修改和有效地重用以前的设计结果。(2)无法保证设计的一致性修改维护。为了克服上述不足,引入了参数化设计技术为此,本文提出了一种基于模板技术的工程图生成方法。通过分析产品结构,划分产品对应的工程图族,利用各类产品工程图的相似性,构建出参数化工程图模板,根据客户需求,驱动参数化模板衍生出需要的工程图,通过直接参数化驱动工程图,实现了参数化工程图的快速生成。1工程制图模式1.1图族与变量的相似性产品族是一系列具有共同特征、相同零部件或子系统的同类产品,基于产品族的概念,将产品族对应的工程图称为图族,即零部件拓扑形状不变、各零部件的尺寸和相对位置满足某种约束关系的同类产品的工程图。模板技术是基于产品族的这种相似性而产生的,其基本思想是从一组相似的对象中抽象出一种共同的框架。模板技术已经应用到了许多领域图1所示为某产品对应的工程图示例,(a)和(b)对应的两个产品功能相同,且组成结构相似,只是其中的尺寸约束有所不同,所以可以归为一个图族。为此,可以将其中之一进行抽象化定制为模板。1.2从不同角度对造林树种进行分析完整的工程图除应该符合行业、企业的觃范和标准之外,往往包含不同的视图表达方法、尺寸标注、标题栏、明细表、技术要求、注释等。对于一类产品来说,在一定时期内其工程图均具有相对固定的图纸栺式,如图面布局、视图类型等,变化的部分一般为几何模型视图和尺寸标注等,其余部分变化相对较小。据此,工程图可以划分为可变部分和固定部分两部分。相应地将可变部分提取出来,分析其中的尺寸约束关系和工程属性,定制成参数化可变模板,固定部分则定制为相应的固定模板。具体分类如图2所示。2参数化变量模型2.1参数化设计技术参数化设计(ParametricDesign)是根据产品零部件的性能参数,确定其几何形状或结构尺寸的一种设计方法。基本思想是在现有图形轮廓的基础上,明确尺寸之间的约束关系,通过尺寸驱动技术,实现关键尺寸参数的更改驱动整个图形轮廓形状、大小、位置等的更新。参数化设计利用产品或零部件组成形状上的相似性,形成系列化,各几何尺寸和设计对象的特征尺寸间的关系可以用一组参数关系描述。参数化技术中的关键特征是约束,分为尺寸约束和几何拓扑约束。尺寸约束用于描述几何元素的形状、位置和方向等几何信息,拓扑约束则用于描述几何元素之间的连接、相互位置、方向等拓扑关系。通过更改驱动尺寸参数、通过约束关联对整个几何图形进行自动更新。在工程设计中,通过分析大量的机械、电子、建筑等系列产品的图纸,可以发现,同一种基本结构形式的产品,除了定位尺寸和定形尺寸不同外,其工程图结构具有相似性。对于结构定型的产品,根据用户需求提供不同觃栺的产品型号,以形成系列。2.2参数化模型的构建参数化建模方式多样,一种是程序式建模,一种是采用人机交互式建模,两种建模方法各有优缺点。(1)气调优化工程特点优点:(1)充分利用现有CAD建模功能,以可视化方式建模,“可见即可得”,直观性好;(2)修改之处确切,易于修改维护;(3)对设计人员的要求低,一般学过CAD软件的人员都可以快速上手;(4)适用于任何产品模型的构建。缺点:(1)参数化驱动修改难度大,需要进行二次开发;(2)灵活性不高。(2)产品模型自动映射优点:(1)运行速度快,便于后续工作的展开;(2)灵活性好,便于控制;(3)较适用于觃则形状的产品(如直齿轮),可以提取模型的数学模型、关键参数作为自变量实现产品模型自动映射。缺点:(1)不直观,且需要熟悉CAD软件底层函数的功能;(2)修改维护难度较大,每一点修改都要对底层程序进行修改,容易出错,且繁琐;(3)设计人员需懂编程知识,并具有一定的二次开发基础,要求较高。由分析可知,目前人机交互式建模更有优势,所以采用人机交互方式进行参数化模板的定制。3图族模板库和三维建模技术工程图参数化驱动技术的关键是工程图参数化模板库的构建,工程图模板主要包括可变模板和固定模板,模板库的构建首先要分析产品,按照几何拓扑信息和结构相似性将产品进行分类,每一类产品分别构建相应的图族模板,放入模板库。可变模板具有参数化的特征,保证了工程图参数全相关,可以根据用户需求,快速合成标准和非标准的产品工程图。由于现有的一般计算机辅助设计软件所生成的工程图不符合我国的国家标准和企业标准,需要定义相应的配置文件,觃范字体样式、高度、箭头形式、大小、线型、投影类型等参数。工程图参数化驱动流程如图3所示。4电梯产品品牌电梯是一种重要的垂直方向运输工具,属于系列化、通用化、标准化程度较高的交通工具。目前,国内电梯公司的电梯生产模式都是采用多数零部件外购、少部分自制,然后组装的生产过程。但是,目前电梯企业AutoCAD图纸大部分没有参数化,无法快速响应客户需求,自动生成相应的轿厢井道图纸。为了满足企业提出的轿厢井道图纸自动化生成的应用需求,以本文所提模板技术和参数化技术为支撑,主要研究工作包括三部分。(2)客户无特殊指定可变模板需要考虑电梯井道设计的相关约束。一般是先根据井道测量数据,具体选配电梯轿厢等。轿厢包括标准和非标准的,具体根据客户及井道尺寸确定,如果井道尺寸大于等于井道极限标准尺寸且客户无特殊指定,则轿厢和开门宽均选配标准的,当客户无指定且井道的测量数据小于极限尺寸时,此时轿厢必须进行非标准设计,并进行相应的约束判断。以Pro/EWildfire3.0、Pro/TOOLKIT和MicrosoftVisualStudio.NET2003为开发工具,开发了可动模板参数化设计系统,该系统具有数据输入、参数校核、模型更新等功能。在该系统中,将上述约束和测绘数据与电梯额定载重相关联,并构建了参数化表达式,通过系统界面,用户输入数据,系统即可自动进行参数校验并生成相应的电梯轿厢和井道土建图三维模型。(3)添加设计及程序可变模板和固定模板制定好后,即可生成井道土建图,图4是井道土建图生成模块界面,该模块包括固定模板加载、可变模板加载、参数检测、明细表更新、图纸更新等功能。点击“加载DXF模板”,可调出数据库中的固定模板。按照客户需求,通过人机交互的方式经过参数化驱动可变模板部分零件结构,在界面中点击“获取三维模型”,即可获得相应的可变模板。在“总体参数”部分填入相应参数,并通过“更新明细表”按钮自动完成明细表填写。最后,通过“更新图纸”按钮将可变模板与固定模板相组合,生成相应的工程图,工程图可以导入到AutoCAD中进行再编辑,并打印输出图纸。5结构参数化技术特点为快速生成系列产品的工程图,本文提出了基于模板的参数化工程图的设计和生成方法。该方法已经成功应用于某企业的井道土建图参数化设计系统中,辅助设计和工程图绘图。该方法具有如下特点:(1)所提方法将工程图模板分为可变模板和固定模板,可变模板采用参数化技术驱动生成系列产品视图模板,固定模板则充分利用现有资源定制而成,通过融合二者实现了客户需求的快速响应,大大提高了工程图的生成速度。(2)可以支持设计的一致性维护工作。通过参数化技术,在设计修改时,某一局部的改动会自动反映到相关部分的变动,并进行相应的约束检查,为设计提供了导航。(3)无需专业绘图人员。在工程图模板库构建完毕后,只需根据用户需求或测量数据即可获得符合行业标准的工程图,节省人员开支。(1)井道模板的设计对企业电梯井道图族进行了分类,分为客梯、2T和3T货梯、1T货梯、病床电梯,进一步根据对重和开门方式对电梯井道土建图进行了细化,最终划分为客梯侧对重、客梯后对重、2T或3T货梯中分门、2T或3T货梯旁开门、1T货梯后对重中分门、1T货梯后对重旁开门、1T货梯侧对重中分门、1T货梯侧对重旁开门、病床电梯旁开门、病床电梯中分门。每一种电梯井道土建布置图可以作为一个图族,根据轿厢觃栺不同有小部分变化,因此,初步制定了10种模板,每种模板包括相应的可动模板和固定模板。例如,对于某电梯井道土建布置图,