自顶向下的产品装配建模系统研究及实现.docx

自顶向下的产品装配建模系统研究及实现3王先逵,许忠信,雷田玉,高志,刘向锋清华大学精密仪器与机械学系,北京100084文摘机械产品从概念设计到详细设计的过程中,产品装配模型起着一个核心作用。现有的大多数装配建模系统均采用自底向上从零件到装配的建模方法,这种方法不能支持产品设计的全过程,不适应并行设计的需要。为适应并行工程对产品装配建模系统的需要,提出了将产品装配建模过程作为一个智能设计过程,以自顶向下的方式建造产品装配模型的方法,并介绍了用该方法开发的变速箱装配建模系统(GBAMS)。该系统支持产品生命周期中多种设计活动的集成,对并行工程的实施具有重要意义。关键词装配建模;自顶向下;并行工程;变速箱分类号TH12要求,无法支持产品设计的全过程,尤其是产品的概念设计。2)由于每个零件是用特征单独定义的,缺乏相互联系。当某些设计条件改变时,该方法建立的产品模型不能实现相关零部件的联动修改。3)过早进行零件的定义与描述容易造成零件之间关系的不一致性、过分约束和零件冗余。由此引起返工及造成产品装配出现问题。近年来,为适应激烈的市场竞争,要求产品设计从传统的串行开发模式转向并行工程(CE)开发模式。自底向上的产品装配建模系统所存在的以上缺陷给并行工程实施带来不少困难。并行工程面向整个产品生命周期,要求系统能支持产品设计全过程。传统的观点认为,装配建模是基于特征的零件几何建模的一种延伸,有关这方面的工作几乎都是在零件特征模型的基础上提供一个装配建模环境,一种描述零件之间连接关系的方法1,2。装配建模者的目标是在保持零件空间适应性的前提下,在分层式装配模型中确定单个零件的位置。在这些系统中,产品装配建模包括如下步骤:1)建立基于特征的零件模型;2)描述零件之间的位置配合关系;3)通过坐标变换将已经设计好的零件模型拼装到一起生成装配模型。这种基于特征从零件到装配的方法称为自底向上的产品建模方法。实际的设计过程通常开始于概念设计这一较高层次,整个过程应该从产品的概念设计、装配结构设计到零件的详细设计3。而这种自底向上的设计方法颠倒了人们设计思维的顺序,是与人们正常的实际的设计顺序和设计方法相反、相矛盾的。它存在的问题是:1)基于特征的零件模型,不能表达产品的功能1CE对装配建模系统的要求为适应并行工程的需要,实现计算机对设计全过程的支持,自顶向下的产品装配建模系统应满足如下功能要求:1)支持产品的功能表达系统应提供和人类专家设计思维过程相一致的建模工具,能将产品的功能要求映射成相应的设计概念。2)支持产品多层次抽象表达自顶向下的产品装配建模过程是一种逐步求精的求解过程。在概念设计阶段,零部件的详细几何结构是不确定的,无法对其进行表达。详细几何结构是在设计过程中逐步细化和具体化的。系统应提供产品设计不同抽象层次表达方法,以简化和方便设计过程。3)支持产品生命周期中多种设计活动的集成面向并行工程的产品装配建模环境应能支持与装配有关的多种设计活动的集成。与装配模型有关的设计活动如图1所示。不同的设计活动具有不同的信息模型,系统应能在装配模型的基础上推导出各种设计活动的信息模型。收稿日期:1997203226第一作者:男,1932年生,教授3国家“八六三”高技术项目,863251120320126王先逵,等:自顶向下的产品装配建模系统研究及实现13用户要求公差分析装配工艺向计装配结构设计4装配模型自顶向下的设计过程中将对设计方案进行多次评估,在评估分析之后,所做的修改应不违反产品的功能要求,自动保持产品功能不变。为此,要求系统将产品建模过程中所用到的设计知识和设计约束全部保存在知识库中,从而使产品模型具有联动修改效应,在修改中自动维护产品数据的一致性。为了克服传统建模方法的缺陷,满足并行工程的要求,在CIMS环境下,以数控铣变速箱为研究对象,建立了自顶向下的变速箱装配建模系统GBAMS(assemblymodelingsystemforgearbox)。该系统将产品装配建模作为一个逐步求精的智能设计过程,支持产品从概念设计至零件详细设计。装配图装配工艺零件详细···设计设计设计图2GBAMS总体结构2.2概念设计模块概念设计的目的是产生一个满足用户功能要求的结构概念模型,其主要任务是进行功能分解以及结构概念设计。对于复杂的机构设计系统,在确定了系统的总功能后,不可能立即找出相应的实体结构。因此,首先要对总功能进行分解,将其分解为一些能找到相应实体结构概念的基本功能。从功能角度看,任何一个复杂的机械系统或部件的功能都可分解为主功能、辅助功能、控制功能、驱动功能及联接支撑功能等几个组成部分,其中主功能是决定系统性能的最重要因素,而其它功能均是为实现主功能服务的,它们依赖于主功能,受实现主功能的结构的限制。根据以上分析,采用了基于核心生成法的结构概念设计求解