基于結構設計單元的系列閥門產品快速設計

2013-05-30 方憶湘河北科技大學機械電子工程學院

　　基于結構設計單元的系列閥門產品快速設計實現模式，并以典型閥門產品蝶閥為例，給出了其結構設計單元的層次劃分。以通用CAD軟件CAXA實體設計為支撐平臺，構建相關結構設計單元參數化模型庫，并利用CAXA實體設計提供的二次開發接口ICAPI開發了應用程序，實現了參數驅動和快速裝配。

　　機械產品的系列化設計通常遵循基本相同(或相似)的設計流程，并擁有與設計流程相匹配的零/部件典型結構。同時，機械產品通常由相關部件和零件構成，其部件則由下一級子部件和零件構成;以此類推，可認為產品是由零件按照有序、特定的裝配關聯關系裝配而成的。因此，面向行業應用和產品設計過程，研究分析特定系列化產品的結構與設計特點，通過合理的模塊化結構設計單元劃分并構建其參數化驅動模型，實現基于結構設計單元的系列產品快速設計。

1、閥門產品結構設計單元的劃分

　　閥門產品包括蝶閥、球閥、閘閥和插板閥等，廣泛應用于化工、石油和冶金等工業領域的管路流體輸送系統，是典型的系列機械產品。分類進行的產品系列化設計通常在公稱壓力(PN)、公稱通徑(DN)、驅動方式三個維數方向上展開，并通過系列維數方向的組合而形成相關的系列產品。同時，系列閥門產品結構主要由閥門主體結構與驅動裝置兩大組成部分構成，并遵循圖1所示的閥門產品設計流程。

圖1 閥門產品設計流程

1.1、結構設計單元概念

　　結構設計單元的概念具有廣泛含義，它可以是一個零件、或一個復雜裝配結構體的局部典型設計結構形式、或由多個零件組成的部件(子裝配)，也可以是具有設計關聯關系的零件集合(組合件)。向下可自動分解為相關零件，向上可組合成相應部件。綜合而言，結構設計單元是指構成某一產品的、具有一定的裝配和設計關聯關系并可獨立參數驅動的零件、部件、組件或局部典型結構的設計關聯體。

　　本文結構設計單元的劃分，其出發點與產品模塊化設計中側重于產品或零/部件的形狀結構分類的設計思想相近，但真空技術網(http://smsksx.com/)認為更應該強調設計關聯性和遵循特定產品的設計慣例。

1.2、閥門產品結構設計單元劃分

　　合理劃分結構設計單元是實現系列閥門產品快速設計的基礎。系列閥門產品設計在總體設計參數(設計問題的描述及產品屬性)定義之下，按照設計過程確定的零/部件生成順序，其產品結構和尺寸參數具有很強的繼承性和設計關聯性，產品上級構件的結構形式與尺寸參數，定義或導航了下級結構構件的生成。因此，本文基于產品設計流程、零/部件生成順序并綜合考慮產品設計者的思維方式和工作慣例，將特定閥門產品的零/部件設計分解為以結構設計單元為基本驅動元素的設計關聯體，提供閥門產品快速設計的高效參數化驅動單元，從而將復雜的設計問題逐級分解成相對獨立并簡化的設計子問題，并通過預先構建和定義相關設計單元之間(以及設計單元內部)的裝配關聯和約束關系，實現零/部件造型設計與快速裝配。典型閥門產品(蝶閥)的結構設計單元劃分見圖2。圖2中的實心黑色菱形表示聚合關系，空心箭頭表示泛化關系。

圖2 典型閥門產品(蝶閥)結構設計單元劃分

2、結構設計單元庫的構建與參數化模型驅動

　　閥門產品快速設計所需結構設計單元庫的構建，以國產通用CAD軟件CAXA實體設計為支撐平臺，采用模板方式構建結構設計單元參數化模型;利用CAXA實體設計提供的二次開發接口ICAPI，采用C++程序語言構建應用程序，實現參數化模型的賦值與驅動。

2.1、結構設計單元庫的構成

　　閥門產品結構設計單元的劃分，基于產品零/部件結構功能分類和設計關聯性。如圖2所示的典型閥門產品蝶閥的結構設計單元劃分，分別構建了包含閥體、蝶板、上下支承填料組件、連接支架和閥桿在內的主體結構部件子結構相關設計單元及驅動裝置子結構設計單元，并在CAXA實體設計環境下利用其“自定義設計元素庫”完成結構設計單元庫的構建。

　　以其中最具代表性的蝶閥閥體設計為例，其子結構設計單元庫包括了筒身、上支承、下支承、筒身加強結構和地腳支承等結構設計單元，由CAXA實體設計環境下的設計元素庫中拖出閥體設計元素，則彈出如圖3所示的子結構設計單元庫構成界面，點擊其中的相關結構設計單元即可進行相關參數賦值與驅動。

2.2、結構設計單元參數化模型構建與驅動

　　結構設計單元是具有一定的裝配和設計關聯關系并可獨立參數驅動的設計關聯體。故閥門產品相關結構設計單元的劃分兼顧了設計進程中的設計關聯性和復雜設計問題的逐級子問題分解，既保證設計進程的高效性，又考慮設計問題的關聯性和易實現性。

　　圖3所示閥體子結構設計單元庫，依據設計關聯性和高效性給出了閥體設計的結構設計單元構成，并分別構建其參數化模型，實現參數賦值和驅動。

圖3 蝶閥閥體相關子結構設計單元庫構成界面

　　以蝶閥閥體的筒身設計單元為例，將構成筒身結構設計關聯最為緊密的兩個端法蘭和筒壁作為一個設計單元(裝配體)來設置。參數化模型的構建，給出了結構設計單元自身的設計基準，并通過相關結構參數約束了3個零件的裝配關聯關系，保證了單元模型的整體驅動。模型驅動在設計知識庫的支持下，通過調入筒身公稱通徑、結構長度、法蘭型號(標準件)和筒身壁厚等關鍵設計參數進行參數賦值和驅動;如果需要，可以針對連接端法蘭的詳細參數構成進行非標修改賦值。該結構單元參數化模型構建與驅動界面如圖4所示。