基于結構設計單元的系列閥門(mén)產(chǎn)品快速設計

　　基于結構設計單元的系列閥門(mén)產(chǎn)品快速設計實(shí)現模式，并以典型閥門(mén)產(chǎn)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(shí)體設計為支撐平臺，構建相關(guān)結構設計單元參數化模型庫，并利用CAXA實(shí)體設計提供的二次開(kāi)發(fā)接口ICAPI開(kāi)發(fā)了應用程序，實(shí)現了參數驅動(dòng)和快速裝配。

　　機械產(chǎn)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(shí)，機械產(chǎn)品通常由相關(guān)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(lèi)推，可認為產(chǎn)品是由零件按照有序、特定的裝配關(guān)聯(lián)關(guān)系裝配而成的。因此，面向行業(yè)應用和產(chǎn)品設計過(guò)程，研究分析特定系列化產(chǎn)品的結構與設計特點(diǎn)，通過(guò)合理的模塊化結構設計單元劃分并構建其參數化驅動(dòng)模型，實(shí)現基于結構設計單元的系列產(chǎn)品快速設計。

1、閥門(mén)產(chǎn)品結構設計單元的劃分

　　閥門(mén)產(chǎn)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(yè)領(lǐng)域的管路流體輸送系統，是典型的系列機械產(chǎn)品。分類(lèi)進(jìn)行的產(chǎn)品系列化設計通常在公稱(chēng)壓力(PN)、公稱(chēng)通徑(DN)、驅動(dòng)方式三個(gè)維數方向上展開(kāi)，并通過(guò)系列維數方向的組合而形成相關(guān)的系列產(chǎn)品。同時(shí)，系列閥門(mén)產(chǎn)品結構主要由閥門(mén)主體結構與驅動(dòng)裝置兩大組成部分構成，并遵循圖1所示的閥門(mén)產(chǎn)品設計流程。

圖1 閥門(mén)產(chǎn)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(gè)零件、或一個(gè)復雜裝配結構體的局部典型設計結構形式、或由多個(gè)零件組成的部件(子裝配)，也可以是具有設計關(guān)聯(lián)關(guān)系的零件集合(組合件)。向下可自動(dòng)分解為相關(guān)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(chǎn)品的、具有一定的裝配和設計關(guān)聯(lián)關(guān)系并可獨立參數驅動(dòng)的零件、部件、組件或局部典型結構的設計關(guān)聯(lián)體。

　　本文結構設計單元的劃分，其出發(fā)點(diǎn)與產(chǎn)品模塊化設計中側重于產(chǎn)品或零/部件的形狀結構分類(lèi)的設計思想相近，但真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為更應該強調設計關(guān)聯(lián)性和遵循特定產(chǎn)品的設計慣例。

1.2、閥門(mén)產(chǎn)品結構設計單元劃分

　　合理劃分結構設計單元是實(shí)現系列閥門(mén)產(chǎn)品快速設計的基礎。系列閥門(mén)產(chǎn)品設計在總體設計參數(設計問(wèn)題的描述及產(chǎn)品屬性)定義之下，按照設計過(guò)程確定的零/部件生成順序，其產(chǎn)品結構和尺寸參數具有很強的繼承性和設計關(guān)聯(lián)性，產(chǎn)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(chǎn)品設計流程、零/部件生成順序并綜合考慮產(chǎn)品設計者的思維方式和工作慣例，將特定閥門(mén)產(chǎn)品的零/部件設計分解為以結構設計單元為基本驅動(dòng)元素的設計關(guān)聯(lián)體，提供閥門(mén)產(chǎn)品快速設計的高效參數化驅動(dòng)單元，從而將復雜的設計問(wèn)題逐級分解成相對獨立并簡(jiǎn)化的設計子問(wèn)題，并通過(guò)預先構建和定義相關(guān)設計單元之間(以及設計單元內部)的裝配關(guān)聯(lián)和約束關(guān)系，實(shí)現零/部件造型設計與快速裝配。典型閥門(mén)產(chǎn)品(蝶閥)的結構設計單元劃分見(jiàn)圖2。圖2中的實(shí)心黑色菱形表示聚合關(guān)系，空心箭頭表示泛化關(guān)系。

圖2 典型閥門(mén)產(chǎn)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(dòng)

　　閥門(mén)產(chǎn)品快速設計所需結構設計單元庫的構建，以國產(chǎn)通用CAD軟件CAXA實(shí)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(shí)體設計提供的二次開(kāi)發(fā)接口ICAPI，采用C++程序語(yǔ)言構建應用程序，實(shí)現參數化模型的賦值與驅動(dòng)。

2.1、結構設計單元庫的構成

　　閥門(mén)產(chǎn)品結構設計單元的劃分，基于產(chǎn)品零/部件結構功能分類(lèi)和設計關(guān)聯(lián)性。如圖2所示的典型閥門(mén)產(chǎn)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(guān)設計單元及驅動(dòng)裝置子結構設計單元，并在CAXA實(shí)體設計環(huán)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(shí)體設計環(huán)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(diǎn)擊其中的相關(guān)結構設計單元即可進(jìn)行相關(guān)參數賦值與驅動(dòng)。

2.2、結構設計單元參數化模型構建與驅動(dòng)

　　結構設計單元是具有一定的裝配和設計關(guān)聯(lián)關(guān)系并可獨立參數驅動(dòng)的設計關(guān)聯(lián)體。故閥門(mén)產(chǎn)品相關(guān)結構設計單元的劃分兼顧了設計進(jìn)程中的設計關(guān)聯(lián)性和復雜設計問(wèn)題的逐級子問(wèn)題分解，既保證設計進(jìn)程的高效性，又考慮設計問(wèn)題的關(guān)聯(lián)性和易實(shí)現性。

　　圖3所示閥體子結構設計單元庫，依據設計關(guān)聯(lián)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(shí)現參數賦值和驅動(dòng)。

圖3 蝶閥閥體相關(guān)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(guān)聯(lián)最為緊密的兩個(gè)端法蘭和筒壁作為一個(gè)設計單元(裝配體)來(lái)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(guò)相關(guān)結構參數約束了3個(gè)零件的裝配關(guān)聯(lián)關(guān)系，保證了單元模型的整體驅動(dòng)。模型驅動(dòng)在設計知識庫的支持下，通過(guò)調入筒身公稱(chēng)通徑、結構長(cháng)度、法蘭型號(標準件)和筒身壁厚等關(guān)鍵設計參數進(jìn)行參數賦值和驅動(dòng);如果需要，可以針對連接端法蘭的詳細參數構成進(jìn)行非標修改賦值。該結構單元參數化模型構建與驅動(dòng)界面如圖4所示。

圖4 蝶閥閥體之筒身結構單元參數化模型構建與驅動(dòng)