基于公理化的液压机参数化系统开发.pdf

第 4期 2 0 1 1 年 4月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g nM a n u f a c t u r e 1 1 7 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 0 4 一 Ol 1 7 - 0 3 基于公理化的液压机参数化 系统开发 术 田雨 陈 兴 玉 ’ 周口师范学院， 周 口 4 6 6 0 0 1 中国电子科技集团公司第三十八研究所 ， 合肥 2 3 0 0 3 1 Re s e a r c h o n p ar a m e t r i c s y s t e m f or h y d r a u l i c p r e s s wi t h a x i o m a t i c d e s i g n TI AN Yu ， CHEN Xi ng y u Z h o u k o u N o r ma l U n i v e r s i t y ， Z h o u k o u 4 6 6 0 0 1 ， C h i n a 2 T h e C h i n a E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y Gr o u p C o r p o r a t i o n 3 8 t h R e s e a r c h I n s t i t u r e ， He f e i 2 3 0 0 3 1 ， C h i n a 中图分类号 T H1 6文献标识码 A 1 1 I 1 l 面 目前大部 分液压机产 品 的设计 都停 留在二维辅 助设计 阶 段 ， 工程师没有直观的印象 ， 且后期的仿真和验证不能很好地进 行。随着我国制造业信息化工作的推广和发展， 如何运用先进的 手段 和技 术来促进产品 的设计和制造是对液压机产品提出的具 体要求。 国内外学者采用参数化 、变量化 以及 自动装配等技术对通 用零部件和行业产品典型结构件的设计 知识 表达及 固化等进行 了研究 ， 实现了设计师的快速研发I l。 首先以公理化设计理论中的独立性公理 为基础 ，对产 品研 发过程进行改进 ， 以减少设计的耦合与迭代。然后基于公理化理 论， 对液压机产品参数化快速设计系统的开发进行规划， 中间各 个功能模块则基 于参数化技术和 自动装配技术 。 2 公理化设计 公理化设计[4 1 A x i o m a t i c D e s i g n 是一种科学的产 品设计方 法。其 目的是通过建立评估全部没计活动的准则， 并提供实现这 -k来稿 1 3期 2 0 1 0 0 6 0 2 -k基金项 目 周 口师范学院青年科研基金重点项 目 z k n u q n 2 0 0 8 3 6 ～⋯一～⋯一一～一一⋯’～一一⋯⋯一r 一一一⋯～⋯⋯⋯一一一一一一～⋯一一⋯～⋯】 一】H 额定功率 和排量之 比f - p , ／ Q 轮廓的数学模型的方法。 通过计算分析比较 ， 使用该方法改进后的 式中 尸 卜额定功率； Q ，_ ～ 压缩机实际排量。 转子能够明显提高压缩机的工作性能。为了保证设计范围的可行 ． 、 图 3普通 S MR D型转子的阴阳转子横断面 4总结 提 出了一种基于三次样条密封线的双螺杆压缩机乍成 转子 性， 对数学模型和其约束条件都经过仔细地研究。 经优化后的轮廓 模型汪实了用这种方法对改进转子轮廓面是可行和有效的。 参考文献 1 郁 永章 ， 孙嗣莹 ， 陈洪俊 ． 容积式压缩机技术 手册 ． 北京 机械工业 出版 社 ． 2 0 0 0 57 6 ～6 6 8 2金涛 ， 童水光．逆 向工程技术 E M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 3 8 3施法中计 算机辅助几何设计与非均匀有理 B样 条[ M] ． 北京 北 京航空 航天大学 出版社 ， 1 9 9 4 4邢子文． 螺杆压缩机研究进展及应用趋势． 通 机械 ， 2 0 0 6 1 3 0 ～ 3 3 5孙家广． 计算机图形学．北京 清华大学出版社 ， 1 9 9 8 6 Ho r me s J Gi t t e r t J ， l , i a n K， e t a 1 ． Ma t e r i a l s f o r L I GA a n d L 1 GA b a s e d mi c r o s y s t e n l s [ J ] ． Nu c l e a r l n s t r mn e n t s a n d Me t h o d s i n P h y s i c s R e s e a r c h ， ， 】0 3， Bl 1 9 3 32 3 4l 7 Ku s s u l E． B a i d y k T． Ru i z Hu e r t a L． e t a 1 ． De v e l o p me n t o f mi e r o ma e h i n e t o o l p r o t o t y p e s f o r mi c r o f a c t o r i e s J ] ． Mi c r o me c h Mi c r o e n g ， 2 0 0 2 ， 1 2 6 7 9 5 - 8 1 2 1 1 8 田 雨等 基于公理化的液压机参数化系统开发 第4 期 些准则的各种手段来改进产品设计。S u h 教授认为产品的设计可 以由四个域和域之间的映射组成。即用户域 C A 、 功能域 F R 、 物理域 D P 和过程域 P V 组成。 不同域之间通过 映射建立关 系， 如图 1 所示。 若用户要实现 功能 F R S ， 则应要求有对应 的设计参数 D P S 。 而为了确定 D P S ， 则 必须了解功能 F R S的子功能。如此映射就能实现功能域与物理 域间的关联。物理域与过程域之间的映射关联类似。 ＼ 1 1 ／ ／ 图 1公理化设计中的域及其相互映射 公理化设计主要有两条设计公理 独立性公理 和信息公理 。 独立公理是保证设计功能需求 之间的独立性； 信息公理式在 满足独立公理的所有设计方案中，最优设计所含的信息内容最 少。产品的设计过程可表达为 职 l F R2 ●●● FR n I 2。 ‘ ’ 1 n A 2 l A2 2 ⋯A 2 l ⋯ 』 4 一 DP． DP ●●● De 式中 F R 1 ， 2 ， ⋯， m ～产品的功能需求； D Q I ， 2 ， ⋯， n 产品的设计参数； 卜 设计矩阵； A广一 设计参数对功能需求的影响程度， 若 ， 则表明 对 F R 。 没有影响。 如果 则设计可分为三种类型 1 非耦合设计 对角阵； 2 弱耦合设计 A 一上三角阵或下三角阵； 3 耦合设计 A既非三角阵也非对角阵。 3 产品设计过程公理化分析 基于公理化理论， 产品设计功能需求可有 4 个 F R 产品设 计基本信息 、 F R2 产品三维模型 、 职 验证产品的机械特性 和 解 生成产品图样 。 相应的设计参数是 明 基本的设计数据 、 D P 2 三维结构 特征参数 、 D 运动参数、 载荷、 约束条件及材料特性等 和 D 工程图数据 。F R 的设计方程式是 F RI FR2 F R3 FR4 O 0 X x X O x X X X o X X o X DJp I DP2 D D 上式所描述的设计是一个耦合设计，需要多次迭代和近似。 F R。 受 D P 1 和 D P 4 的影响 ； F R 受 DP l 、 D P 和 D 只的影响。 这个没计 方程式表明该设计过程是非常复杂的 或具有高度的不确定性 。 为保证产品设计过程满足独立公理 ， 应进行上式的解耦 。 为 此， 重新定义 F R． 为产品设计信息数据库 、 F R 为产品三维模 型、 F R 为产品性能校验、 F R 为二维工程图的生成 ； D Jp l 为详尽的产 品设计数据、 D P 2 为三维结构特征参数 、 D 为运动参数、 载荷 、 边 界条件及材料特性等、 DP 4 为辅助工程图数据。改进后的设计过 程可表示为 FRl 肼2 咫 3 FR4 0 O 0 x X o o X X X Q X X o X ， J JD I D D P 1 DP4 改进后的设计矩阵为下三角阵，因而该设计属于公理化设 计中的弱耦合设计。为进一步描述功能和设计参数间的关系， 可 以分别对 F R 和 D P i 进行较细 的分解和映射 。 4 参数化软件系统设计 面向对象软件 系统的公理化 设计方法 【 5 】 A D O O S S ， A x i o m a t i c D e s i g n o f O b j e c t O r i e n t e d S o f t w a r e S y s t e m s 是将公理化 设计与面向对象软件设计相结合的软件设计方法， 其过程如图2 所示。 在明确客户属性的基础上， 通过构造软件分级、 定义设计矩 阵及构造面向对象模型， 完成软件产品。 区 分 叶 完整设计矩 阵 图 2面 向对象软件系统的公理化设计过程 对于液压机参数化软件系统的开发，首先要明确需要进行 开发的模块， 然后再涉及到代码的界面的制定和代码的编写。由 第 2 节可知产品弱耦合设计的大致过程。鉴于此， 可将系统分为 4个模块 。 、 、 ％ 和 ，每个模块还可进行细分 详见下文所 述 。M 根据用户输入的设计参数调用数据库中的设计信息， 产 生产品设计信息数据供设计人员设计； 完成产品的三维建模； M3 完成产品结构分析、 运动分析和动力学仿真； 生成产品二 维工程图。如图 3 所示。C代表弱耦合设计； s 代表无耦合设计。 l r ．卜 竺 卜 卜叫竺 卜 竺 I 图 3产品公理化软件设计流程 对于 。 设计参数输入和处理模块，可以进行子功能的划 分， 形成对应的子功能模块。 M， 也可以划分为三个无耦合的子功 能模块， 具体如图4所示， 液压机参数化软件架构流程图。 图中 ， 。一液压机总体设计参数输入模块； 。 一油路总体设计参数输入模块； M 。一管路总体设计参数输入模块； M 厂 油缸总体设计参数输入模块； 。 ， 机身总体设计参数输入模块； M 厂 电气系统总体设计参数输入模块 ； 厂一 辅具总体设计参数输人模块 ； 厂 三维模型展现和装配重构模块； ， 结构分析模块； 朋 厂运 动分析模块 ； No ． 4 A p r ． 2 0 1 1 机 械 设 计 与 制 造 1 1 9 厂 动力学仿 真模块 ； 肘厂 生成工程图模块 。 图 4液压机参数化设计软件开发流程图 5功能模块设计 由上 一 节可得 液压机参 数化软件 系统 的基本功能 模块 构 成 ， 本节主要介绍各功能模块的具体设计和使用。 软件开发 中， 使用面向对象语言 v c 、 三维软件平 台 S o l i d Wo r k s 和 S Q L数据 库作为开发工具。 通过访 问 S o l i d Wo r k s 的底层开 发接 口 A P I 进 行三维模 型 的生成和装配重构操作 ； S Q L数据库存储产 品的开发信息 ，按照 产品的属性信息设定相应的存储字段 ；利用 MF C对话框进行设 计参数输入的交互 界而 ； 利用 S o l i d Wo r k s自带插件 C o s mo s Wo r k s 进行液压机应 力应变分析和验证 ； 利用 S o l i d Wo r k s 插件 A n i m a t o r 进行液压机滑动头 的运动仿真 ， 以检查运动干涉 ； 利用 S i m i u l i n k 进行油缸 的动力学仿真 ；利用 S o l i d Wo r k s 底层开发接 口进行工 程图的定制和修改。 限于篇幅， 下面以设计参数输入模块、 三维模 型建立和重构 以及结构分析为例进行模块设计和使用 的阐述。 图 5机身设计参数输入界面 图 6机身装 配体设 汁流程 如图5所示， 为机身焊接件的总体设计参数输入界面； 如图 6所示， 为机身装配体的设计流程。设计人员首先根据工程设计 知识 ， 通过界面输入机身设计参 数 工作台面离地面高度 、 喉深 、 落料孑 L 直径和机身总高等。系统根据输入的参数值进行冲突判 断， 辨别是否有输入不合理的情况。 若有参数值 相冲突 ， 则系统提 示设 计者重新输入 ； 若无 ， 则 系统对参数进行解释匹配 ， 进人数据库检索相类似实例 。若在实 例库 中存在相 同的实例， 则直接输出实例三维装 配模型 ； 若无 ， 则 加载最相似实例 ， 进行相似实例的重构 。 对于机身装配体 的三维模型重构 ，可 以通过将机身参数分 配到其构成组件 ， 对各构成组件进行参数化修改 ， 然后再装配成 新的机身模型 。具体实现技术将在另文闸述。 重构后的机身装配模型， 需要进行结构分析验证， 以便存入 到实例库 。在本系统中 ， 结构分析软件 为 S o l i d Wo r k s 无缝集成插 件 C o s m o s Wo r k s 如图 7 所示 ， 为结构分析结果。 b 合力位移 d 安全系数 图 7机身结构分析 6结论 茸先分析 了基 于公理 化的产品设 汁及产品改进设计过程 ， 建立了基于公理化的产品设计系统软件升发流程和功能模块结 构。进而针对液压机参数化软件系统 的构造 ， 分析了液压机参数 化软件系统的功能模块结构 ， 采用面向埘象软件 系统 的公理化设 计方法 ，开发 了基 于 S o | i d Wo r k s 的液压机参数化设计系统各个 模块 。通过某企业的应用表明 ， 该系统能大大地缩短产品设计周 期， 提高产品设计质量， 避免了设计师的设计迭代。 该系统的构建以公理化设计理论为指导，融合了基于三维 C A D平 台的知识驱 动等技术 ，为液压机产品的快 速设计奠定 了 基础 。在后期的工作中 ， 准备针对液压缸的动力学仿真继续做深 入的工作 ， 构建出面 向液压机 的多视图虚拟样机 。 参考文献 1 侯亮 ， 徐燕 申， 李森等． 基于参数化造型 、 变量优化 的广义模块化设计 [ J1． 组合机床与 自动化加工技术 ， 2 0 0 1 8 1 3 ～ 1 5 2杨欣 ， 贾晶霞 ， 佟金等． 农业机械典型部件装配关联设 汁[ J ] 计 算机辅助 设计与图形学学报 ， 2 0 0 6 ， 1 8 1 1 5 6 ～ 1 5 9 3吴 义忠 ， 蒋武 ， 陈立平． 嵌入式典 型零部件快速设计 系统E J ] ． 计算机辅助 没计与图形学学报 ， 2 0 0 4 ， 1 6 1 2 1 7 2 4 ～ 1 7 2 9 4 S u h N P ． T h e p ri n c i p l e o f d e s i g n l M j ． O x f o r d O x f o r d U n i v e r s i t y P r e s s ， 1 9 9 0 5 S u h N P ．Ax i o ma t i c d e s i g n a d v a n c e s a n d a p p l i c a t i o n [ M] ．O x f o r d O xfo r d Un i v e r s i t y Pr e s s ， 2 0 01 6Tr a n s a t i o n s o f t h eAS ME， J o u r n a l o f En g i n e e r i ng f o r Po we r ， 1 9 8 0 7 F un a z a k i ， k ． ， T a r u k a wa ， Y． ， Ku d o ．T． ， e t a l ， He a t t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c s o f a n i n t e g r a t e d c o o l i n g c o n f i g u r a t io n o f u l t r a h i g h t e mp e r a t u r e t u r b i n e bl a d e s e x p e r i me n t a l a n d n u me r i c a l i n v e s t i g a t i o n s ， 2 0 01