齿轮变速器产品的个性设计原型系统

齿轮变速器产品的个性设计原型系统

1用于产品设计的设计近年来，个性产品在市场上越来越受到重视，个性产品的理论、方法和技术已成为行业研究的热点。在深入讨论个性产品的时代设计问题的角度上，文献从大调整的角度讨论了个性化产品的设计。彭飞等人提出了个性化产品定制系统的管理体系，主要用于产品的预测性设计。个性产品的开发模式可分为以企业为中心和以客户为中心两种.前者是企业提供尽可能多的规格、型号、功能和性能等产品,客户通过选配来满足对产品的个性需求;但由于企业无法预知客户复杂多变的需求,因此客户常常选不到自己想要的个性产品.后者是将产品及产品设计过程向客户开放,允许客户参与产品设计的各个阶段,客户需要什么,企业就生产什么,只有这样才能真正满足客户的多种多样的个性需求.因此,在个性产品设计过程中,必须允许客户参与产品设计.本文从客户参与个性产品设计的要求出发,研究基于Web的个性产品设计系统的原理方案和关键技术,探讨相关的设计理论问题.2层结构模式设计为了满足客户参与产品设计的需求,在进行设计系统的总体方案设计时,应遵循如下的设计原则:(1)开放性原则;(2)分布性原则;(3)过程性原则;(4)动态性原则;(5)参与性原则.据此,本文提出了基于Web的个性产品设计系统,如图1所示.其中,基于Web的个性产品设计系统采用B?S多层结构模式,即分为用户层、界面层、应用服务层和数据层.主要的应用子系统有界面子系统、需求分析子系统、产品设计子系统、产品数据管理子系统和数据库子系统等.(1)界面子系统.该子系统提供了用户操作设计系统的界面.用户分为企业内部的专业设计人员、企业外部的专业设计人员和非专业的客户.(2)需求分析子系统.该子系统主要用于对客户提出的需求进行预处理,对不同的需求描述信息进行规格化处理.(3)产品设计子系统.快速产品选配模块主要用于基于菜单选配的个性产品设计;个性零部件设计模块主要用于基于特征参数驱动的零部件设计,客户通过修改零部件的外部特征参数,完成零部件的个性设计;个性产品装配模块主要用于零部件装配和产品变结构设计.(4)产品数据管理子系统.用于对产品和零部件的结构、版本、设计过程等信息的管理.(5)数据库子系统.该子系统管理与维护网络数据库,提供数据层定义,维护数据的完整性、安全性,它响应应用服务层的请求,支持SQL操作.3客户参与个性设计的关键技术随着计算机技术和网络技术的飞速发展,在建立基于Web的应用系统时,网络软硬件技术、网络数据库技术、分布式计算、安全保障技术等问题已有许多成熟的解决方案和技术.本文着重探讨与客户参与个性设计相关的应用服务层关键技术.3.1特征选取上的限制零件信息模型用于定义和描述在设计、加工阶段与零件(部件)相关的特征信息,根据个性产品的设计需要,提出了如图2所示的零件信息模型.零件信息模型设计的基本思想是采用面向对象技术,将零件的几何参数、设计参数和管理信息按其应用特征建立相应的特征信息,再将全部的特征信息集成为一个零件集成信息模型,并在零件信息模型基类的基础上建立每个(族)零件的原型类;同时,由该类建立与三维CAD系统和零件设计系统的交互,通过参数驱动实现对零件模型和设计模型的修改.将零件的全部特征划分为私有特征和公有特征,根据用途不同再将公有特征分为可变特征参数和装配特征,如图3所示.零件的公有特征的选定受多方面的制约.从个性产品设计来说,公有特征越多越好,但过多的公有特征会使设计变得失控.另外,可变特征参数与装配特征之间存在关联,即特征参数改变后可能影响到装配特征;反之,装配特征改变后可能影响可变特征参数.零件信息模型将复杂的对几何模型进行的操作和对设计系统的使用封装起来,为客户驱动设计提供了易于理解的两方面驱动:可变特征参数驱动和装配特征驱动.使一般客户对产品设计的驱动成为可能.零件信息模型的建立和客户参与设计的过程如下:Step1.采用基于特征的三维CAD系统建立零件的几何信息模型;Step2.确定零件的公有可变特征参数和装配特征信息,同时建立零件的设计模型,可变特征参数和装配特征信息与零件中的其他特征建立关联;Step3.定义零件的接口模块;Step4.客户通过用户界面调用接口模块,修改零件的公有可变特征参数和装配特征信息,并由设计驱动模块调用设计模块和CAD功能模块实现零件的个性设计.3.2产品结构配置信息模型产品结构配置信息模型定义和描述在技术设计阶段的产品结构和配置关系,是产品零部件装配关系的一种表达方式.产品的结构配置模型支持产品的分层分解描述.产品一般可分解成产品—组件—部件—零(部)件等多个层次,产品结构描述了产品中零件之间的树状配置关系.层次分解的最底层为零件(部件),它是企业零部件管理的最小单位.产品结构配置信息模型如图4所示.同一点上的零件族或部件族必须具有同相的公有装配特征,可通过公有装配特征来判断是否可以装配上.根据设计的需要,结构配置信息模型具有如下特点:(1)支持子结构族和零(部)件族的描述.子结构族就是具有相同外部特征而内部结构不同的一组子结构.零件族就是具有相同公有特征而内部几何、拓扑特征参数不同的零件.(2)运用零件的公有装配特征信息进行产品的装配特征分析,建立零件间的装配关系,实现产品的预装配.(3)建立产品的全局可变特征和装配特征信息,支持产品级的客户参与个性设计.3.3接口类的生成零件信息模型中所含的特征各不相同,且存在大量的非结构化数据,为此,本文设计了统一的接口类,便于零件信息模型的集成、信息交互和管理;另外,在网络环境下,采用可扩展标记语言XML描述需共享的数据(及其结构),使其从一个软件系统传递到另一个软件系统中,解决了零件信息模型不易流动的问题.为了支持用户的二次开发,采用以控件的形式提供系统的统一接口类,即在零件信息模型共享类和设计系统共享类的外层再建一个具有统一接口特性的接口类,以满足控件共享和非结构化数据的双重要求.接口类提供5个基本操作函数:(1)SetSeg(SegString)用于写入接口类属性值.SegString为一字符串,格式为“属性名=属性值;属性名=属性值;…”,可一次写入多个属性值.(2)GetSeg(SegString,ReturnString)用于读取接口类属性值.SegString为一字符串,用于描述欲读取的属性名,格式为“属性名;属性名;…”;ReturnString为属性的返回值,格式为“属性名=属性值;属性名=属性值;…”.(3)DriveFunction(FunctionNameString,Seg)为执行指定的共享控件类.FunctionNameString为一字符串,是欲执行的已注册的共享类名;Seg为执行控制参数,用于设定控件执行状态.(4)XMLIN(XMLFileName,Seg)为由XML文档驱动执行指定的共享控件类.XMLFileName为一XML文档文件名;Seg为执行控制参数,用于设定控件执行状态.(5)XMLOUT(SegString,XMLFileName,Seg)用于生成XML文档.SegString为生成XML文档的执行参数;XMLFileName为输出的XML文档文件名;Seg为执行控制参数,用于设定控件执行状态.接口类设计原理如图5所示.4web系统原型的建立遵循本文提出的系统设计原则和系统方案,我们解决了相应的关键技术问题,建立了一个基于Web的个性产品设计系统原型,并用于齿轮变速箱产品的个性设计,实现了系统的预定功能.(1)最优速比两速齿轮变速箱产品采用两对渐开线斜齿轮,通过牙嵌离合器选择不同的速比,产品的应用范围:输入转速n1<2000rpm,用于减速传动;功率P<12kW;最大传动比imax<4.结构简图如图6所示.(2)产品设计、方案两速变速箱个性设计系统的功能:支持专业客户和非专业客户的参与设计.非专业客户采用提交式需求描述方法参与产品设计;专业客户采用参与式需求描述方法可直接对产品模型进行操作.个性设计内容包括产品结构设计、箱体设计、轴系设计、齿轮设计等.系统方案为网络操作系统采用Windows2000Server;网络数据库采用SQLServer;应用服务层构件采用Java和VB语言;界面层采用ASP,XML技术;零件三维CAD系统采用SolidWorks2003;零件二维设计系统采用AutoCAD2004等.系统框架如图7所示.(3)装配关联特征的设计过程在产品实例建模过程中,为每一种零件提供一个参数驱动三维模型,为每个设计过程提供相应的设计功能模块(控件).其他的建模工作可由系统提供的建模工具进行定制.变速箱中的主要零件有齿轮、轴和箱体.主要的装配关系有齿轮传动、齿轮与轴的装配和轴与箱体等.建模具体步骤如下:Step1.建立零件的几何模型、产品结构配置和开发设计控件,采用三维CAD系统SolidWorks建立齿轮、轴、箱体零件的三维几何信息模型,提取各零件的驱动参数.建立产品族的配置结构和BOM,确定产品中各零件的配置关系,形成面向产品族的结构配置文件.采用VB开发用于齿轮设计、轴设计的设计功能控件(OCX,DLL).Step2.确定零件的公有可变特征参数.a.确定齿轮零件的可变特征参数,包括齿数z,模数mt,螺旋角β,齿宽b和中心孔尺寸D.确定齿轮装配特征,即齿轮啮合特征z,mt,β,b;和齿轮孔特征D和b.相应的XML数据如下:b.确定轴的可变特征参数,包括可变轴段数m,每个可变轴段的轴段特征(轴段类型Ti、轴段长Li、直径di、联接方式Pi、是否为外伸轴段Oi等);确定轴段的装配特征,包括花键轴段特征、圆柱轴段特征、外伸轴段特征.相应的XML数据如下:c.确定箱体的装配特征,包括安装特征——类型=四角螺栓联接;参数=X尺寸(SX1),Y尺寸(SY1),螺栓孔直径(D1);轴位置特征——类型=水平两侧外伸;参数=输入轴偏移量(AX),轴高(H1),中心距(AA);输入轴轴端特征——类型=圆柱单键;参数=定位偏移量(Q1),直径(DD1),轴段长(L1),键尺寸;输出轴轴端特征——类型=圆柱单键;参数=定位偏移量(Q2),直径(DD2),轴段长(L2),键尺寸.XML数据从略.Step3.定义零件的装配关联特征.ASM1=齿轮1:啮合特征‖齿轮2:啮合特征;ASM2=齿轮3:啮合特征‖齿轮4:啮合特征;ASM3=齿轮1:孔特征‖轴1:第4轴段特征;ASM4=齿轮2:孔特征‖轴2:第5轴段特征;ASM5=齿轮1+齿轮2:中心距‖箱体:中心距AA;ASM6=齿轮3+齿轮4:中心距‖箱体中心距AA;ASM7=箱体孔1:直径‖轴1:第2轴段特征.…XML数据从略.Step4.建立特征驱动的设计过程.主要内容有:填写驱动参数列表;填写设计功能控件名;填写读取参数列表;指定输入的XML文档名;指定输出的XML文档名等.相应的XML数据如下:Step5.建立客户驱动界面.对于每一个产品、部件和零件,均可以提供一个客户驱动界面,也可以采用系统提供的通用客户驱动界面.通用客户驱动界面首先要求建立产品的客户驱动设计环境并加载产品族结构配置文件,然后加载每个零件的公有特征信息、零件装配关联信息和特征驱动的设计过程信息等.当客户选定某个零件(或部件)时,系统提供该零件的可变特征和装配特征,修改这些参数后提交.系统则按特征驱动设计过程定义的信息进行产品设计,并将设计结构反馈到界面上,