三維參數(shù)化總布置設計系統(tǒng)

1、基于Pro/ENGINEER的卡車三維參數(shù)化總布置設計系統(tǒng)    摘  要：介紹了在建立零部件圖形庫、底盤參數(shù)數(shù)據(jù)庫、底盤設計標準庫的基礎上，通過Pro/ENGINEER軟件進行二次開發(fā)建立的集成于Pro/ENGINEER環(huán)境下的卡車底盤參數(shù)化三維總布置設計系統(tǒng)。該系統(tǒng)的研制在一定程度上實現(xiàn)了卡車底盤的虛擬設計與虛擬開發(fā)。詳細闡述了系統(tǒng)開發(fā)的基本原理和主要方法。    關鍵詞： 卡車    總布置    計算機輔助設計    參數(shù)化1&

2、#160; 引言    產(chǎn)品設計通?？梢苑譃閯?chuàng)新設計和變型設計兩類，在機械、汽車行業(yè)中，創(chuàng)新設計較少，大量的是變型設計，也就是在原有產(chǎn)品的基礎上，按市場需求進行局部換型和調(diào)整、重組。變型設計的實現(xiàn)過程可以最大限度地利用企業(yè)已有的成熟產(chǎn)品資源，具有很強的靈活性和適應性，這也就要求企業(yè)實施平臺化戰(zhàn)略。    卡車是一種多品種、多系列的產(chǎn)品，新技術、新產(chǎn)品日益廣泛的應用使得卡車的底盤的更新和換型周期不斷縮短。卡車性能主要取決于底盤，卡車底盤設計制造水平的不斷提高是卡車行業(yè)賴以發(fā)展的基礎。同時，底盤作為平臺戰(zhàn)略的主要對象，它的快速設計與開發(fā)對

3、企業(yè)產(chǎn)品平臺化戰(zhàn)略的實施也必將產(chǎn)生積極的作用。    車輛的總布置是整車開發(fā)的基礎，其水平對整車產(chǎn)品質(zhì)量和性能起決定性作用。現(xiàn)慣用的是二維平面方法，它要求總布置人員素質(zhì)要高，必須對產(chǎn)品零部件相當熟悉且總布置工作必須做細，總布置過程當中要基本完成全部部件的布置，部件設計人員不獨立進行部件的布置。這種做法的優(yōu)點是總布置人員站在整車的高度全局統(tǒng)籌考慮，一般不易發(fā)生由于部件之間缺乏溝通造成的干涉等矛盾；缺點是要求總布置人員具有相當豐富的專業(yè)知識和經(jīng)驗并且對各種繁雜的產(chǎn)品具有較深入的了解，對零部件掌握程度高，否則由于部件人員介入晚，一旦總布置出現(xiàn)問題極易影響開發(fā)進度和質(zhì)量。

4、    針對汽車總布置的性質(zhì)和特點，結(jié)合企業(yè)實際，以大型CAD/CAE/CAM三維軟件Pro/ENGINEER為基礎進行二次開發(fā)，研制了卡車底盤總布置設計系統(tǒng)，同時采用部件設計人員參與部件布置、總布置與部件布置相結(jié)合同步進行的開發(fā)思路，使該系統(tǒng)操作簡單，設計過程直觀、高效，適用于輕卡底盤變型設計與開發(fā)。2 Pro/ENGINEER軟件    Pro/ENGINEER是美國PTC公司（Parametric Technology Corporation，參數(shù)技術公司）開發(fā)的三維造型設計系統(tǒng)，它以單一數(shù)據(jù)、參數(shù)化、基于特征、全相關性以及工程

5、數(shù)據(jù)再利用等改變了傳統(tǒng)機械設計的觀念，為工業(yè)產(chǎn)品設計提供完整的解決方案，成為當今世界機械CAD領域的新標準，廣泛應用于造型設計、機械設計、模具設計、加工制造、機構(gòu)分析、有限元分析及關系數(shù)據(jù)庫管理等各個領域。Pro/ENGINEER復合式建模工具較之純參數(shù)化的系統(tǒng)更靈活和自由，可以有效利用已有的產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)并充分發(fā)揮其在新產(chǎn)品設計中的價值，特別是其自頂向下的設計思路，運用Layout和骨架來傳遞和交流設計意圖，大大提高了設計效率。Pro/ENGINEER軟件還提供了強大的裝配功能，包括定義不同零部件之間的位置約束關系，生成爆炸視圖，進行零部件之間的干涉檢查，并計算裝配體的距離、總重、重心等各種物

6、理屬性等。3 底盤總布置設計系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖1為卡車底盤總布置設計系統(tǒng)基本框架結(jié)構(gòu)。4 三維參數(shù)化總布置的實現(xiàn)4.1 基礎環(huán)境建立    （1）硬件設施。局域網(wǎng)基礎上的高性能PC機或工作站，主服務站（總布置）對硬盤、內(nèi)存、顯卡等要求要高。    （2）軟件設施。具備Pro/ENGINEER產(chǎn)品中Pro/ENGINEER、Pro/ASSEMBLY等模塊，可進行三維建模、CAD轉(zhuǎn)化、曲面、骨架等功能支持。    （3）功能模塊的配置。根據(jù)不同用戶分Pro/ENGINEER的功能模塊。  &#

7、160; （4）工作目錄環(huán)境設置。設定服務區(qū)域及模型存放位置。    （5）建立零件標準啟動模板。使各用戶的零件特征具有一致性。    （6）建立裝配標準啟動模板。在同一環(huán)境下的裝配實現(xiàn)。    （7）配置統(tǒng)一使用環(huán)境。對長度、密度等配備同一基準。    （8）配置統(tǒng)一繪圖環(huán)境。設定可以輸出生產(chǎn)用圖的背景，包括圖框、符號庫等。    （9）標準件、常用件、汽標件、廠標件整理。自動調(diào)用已存在的零部件庫及標準件庫。4.2  明確設計任務，界

8、定關聯(lián)范圍    根據(jù)設計任務書的要求和各零部件的分組情況，確定各自部件，為模塊化建立基礎。4.3  導入主產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定義及骨架模型建立方法    根據(jù)各總成間的構(gòu)建情況，設定傳遞接點和要素，用以控制設計意圖在各系統(tǒng)間的傳遞，同時為骨架傳遞確定初步要素。同時建立整車基準坐標系和各總成坐標系，各總成坐標系與整車坐標系可無關聯(lián)聯(lián)系。如圖2所示。圖2 建立整車基準坐標系和各總成坐標系4.4  約定(Conventions)    在設計之前仍需對整個過程進行約定，包括對象(Object)的文件

9、命名約定、產(chǎn)品庫與標準庫中典型的對象類型、庫文件夾結(jié)構(gòu)、角色（Roles）和授權（艾俊 路桂婷（北汽福田汽車股份有限公司）izations）等的約定，以及諸如采用標準化的格式、記錄本人的工作任務、接受信息來源、輸出信息方向、變更的影響范圍等等，以使項目的組織管理及設計過程的了解有據(jù)可考。 設計流程、任務范圍界定、任務描述由各系統(tǒng)的設計人員在未開始設計之前，先靜下心來，描述自己在該項目中的角色，設計內(nèi)容，與周圍的信息交流內(nèi)容和形式，并將其記錄在文檔中，存檔于數(shù)據(jù)庫，同時與所設計的子系統(tǒng)相關聯(lián)，有利于理順設計思路，流暢設計過程，便于后續(xù)自頂向下設計方法的開展。同時為后續(xù)新項目的快速啟動奠定基礎。4

10、.5  零部件三維參數(shù)化模型    傳統(tǒng)的設計過程中，原有的幾何模型是設計者用固定的尺寸值得到的，零件的結(jié)構(gòu)形狀不能靈活地改變，一旦零件尺寸發(fā)生改變必須重新繪制相應的幾何模型。所謂參數(shù)化設計即以一定量的參數(shù)控制零件的幾何模型，通過修改參數(shù)而改變幾何模型，從而改變零件的結(jié)構(gòu)尺寸。利用參數(shù)化技術進行設計時，圖形的修改非常容易，用戶構(gòu)造幾何模型時可以集中于概念和整體設計，因此可以充分發(fā)揮創(chuàng)造性，提高設計效率。我們知道卡車產(chǎn)品一經(jīng)定型，在其眾多系列變型產(chǎn)品中，一些零部件的結(jié)構(gòu)基本不變，通常都是個別的地方有所改動或改變總成的位置更換總成，如切換發(fā)動機、變動軸距等.

11、在原車基礎上進行變型車設計能充分體現(xiàn)出參數(shù)化的優(yōu)勢。卡車底盤總布置設計首要任務是確定底盤各總成的基本結(jié)構(gòu)型式和空間大致位置，在只考慮零部件主要尺寸的前提下進行總成及零部件的空間位置及基本結(jié)構(gòu)參數(shù)的動態(tài)修改。為此，首先必須抽取各零部件的總體參數(shù)，即與總布置有關的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表征零部件外形輪廓的長、寬、高等的尺寸，零部件的定位基準等，通過這些總體參數(shù)控制零部件的簡化模型，進行變量化、參數(shù)化設計。在底盤裝配時，通過修改相應參數(shù)就可以實現(xiàn)汽車零部件的快速布置和基本結(jié)構(gòu)尺寸的動態(tài)修改，這個用Layout來進行總布置的方法是卡車參數(shù)化總布置所要達到的一個目標。4.6  卡車參數(shù)化設計模型的控

12、制點    卡車總布置是從動力總成開始的，動力總成在整車中的定位參數(shù)有：動力線與0Z面（一般取車架上平面較大平面為0Z平面）的夾角，動力總成的設計基準點（一般取曲軸中心線與發(fā)動機缸體后端面的交點）坐標、動力總成在XOY面內(nèi)的傾角（此參數(shù)在一般在裝化油器的汽油車中出現(xiàn)），而此定位參數(shù)靠發(fā)動機前懸置和變速器吊架來保證。動力總成包括發(fā)動機、離合器、變速器。發(fā)動機在本車型設計中被分為發(fā)動機本體、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)等五個模塊：發(fā)動機本體其所要控制的要素為發(fā)動機軟墊安裝點、離合器殼在發(fā)動機上的安裝點、進排氣口、進出水口，進出油口及發(fā)動機的部分外形（主要為油

13、底殼外形和發(fā)動機上表面） ；發(fā)動機其他模塊則需要控制的要素為與發(fā)動機的聯(lián)接位置和在車架上的安裝位置。離合器在本車型設計中所要控制的要素為離合器殼外形、離合撥叉與分泵的接觸點、離合器分泵安裝點、變速器操縱支架安裝點以及離合殼與發(fā)動機、變速器的安裝點。變速器在本車型設計中所要控制的要素為變速器外形、變速器與吊架安裝點、輸入輸出軸的參數(shù)、裝手制動器的位置。    在總布置的骨架中需有動力總成的定位參數(shù)和與前后發(fā)動機懸置的安裝點，在以后的設計中動力總成的位置可以靠改這些參數(shù)來實現(xiàn)。動力總成分組做的動力總成骨架需要與總布置中的動力總成的參數(shù)一樣。在動力分組在以后的設計中，只

14、能在動力總成骨架中修改骨架和增加中一些參數(shù)，不能刪除初定的參數(shù)，否則就會造成總布置再生的失敗。在動力總成中進一步創(chuàng)建發(fā)動機本體、進氣系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、供油系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)、離合器、變速器子總成；在這些子總成里面首先創(chuàng)建這相子總成的骨架零件。然后根據(jù)骨架創(chuàng)建各子總成的零件，或?qū)⒘慵惭b在骨架上。當其中一零件需要其他零件的面做參考時，盡量不從同一級關系的零件中去取參考，從此一級零件的骨架上或上一級的零部件上去取參考，如傳動軸的中間支撐由車架提供安裝點，在傳動軸的骨架中，萬向節(jié)一定要建立為十字軸的骨架，同時為了以后的可調(diào)性和傳動軸隨動性，每一個傳動軸采用兩段，由中間軸線和與通過與十字軸連接的孔中心線與傳

15、動軸骨架裝配。4.7 參數(shù)化底盤總成裝配樹型結(jié)構(gòu)    在裝配體中各個組成的零件和子部件之間構(gòu)成了裝配關系樹。在建立底盤裝配模型之前，需要先建立好底盤參數(shù)化總裝配的樹型結(jié)構(gòu)。參數(shù)化總裝配樹型結(jié)構(gòu)的根節(jié)點為我們所要建立的底盤文件，各大總成作為樹型結(jié)構(gòu)的一級子節(jié)點，對于復雜的總成如包含有縱梁、橫梁的車架還有二級甚至三級子節(jié)點。父節(jié)點與子節(jié)點之間的關系由相關參數(shù)聯(lián)系，這些參數(shù)包括配合參數(shù)和安裝定位參數(shù)（尺寸參數(shù)、位置參數(shù)）。    圖3所示即為卡車底盤總體裝配樹簡單結(jié)構(gòu)示意圖。在該樹型結(jié)構(gòu)中，不同分支的節(jié)點之間存在著限制或約束關系，所以在確

16、定總成及零部件的安裝位置時，需要對該節(jié)點增加相關參數(shù)或安裝位置的限定。骨架模型是最好的傳遞設計意圖的工具，同時保證了信息傳遞途徑的單向性，因而這種方式是高度可靠的。在承擔設計意圖方面，它有三種功能 ：（1）可作為元件間的設計截面來創(chuàng)建和使用骨架，建立安裝關系；（2）劃分空間聲明，控制元件位置，實現(xiàn)分塊同步設計；（3）確定組件的運動，控制元件連結(jié)的運動。當將車身與貨廂等作為總成，以骨架或約束與底盤系統(tǒng)結(jié)合后就形成了卡車參數(shù)化總布置系統(tǒng)。4.8  總成及零部件裝配方式    由于底盤總成及零部件位置關系的復雜性，在進行底盤總布置時采用了兩種裝配方式 ：骨架裝

17、配及約束裝配，如圖所示。骨架裝配具有思路簡單，操作快捷、方便的特點。約束裝配可以實現(xiàn)不同零件之間復雜的裝配關系。骨架裝配時零件根據(jù)組件內(nèi)的上下關系創(chuàng)建的特殊零件模型，使用它不必創(chuàng)建元件并將其裝配到一起，就可以發(fā)展設計規(guī)范，骨架零件是組件的一個三維布局，創(chuàng)建組件時可將其用作構(gòu)架。圖 Top-down下的骨架裝配與約束裝配圖 骨架空間占位進行(排氣)零件設計    可以使用骨架在不開發(fā)元件的情況下，創(chuàng)建組件的三維布局、模擬運動、空間設計并顯示組件設計。然后，使用該骨架作為中心參照，通過將信息經(jīng)組件結(jié)構(gòu)向下傳遞，就可以改變該骨架以更新元件。同時在開發(fā)下級模型時就可以使用

18、組件中的這些塊臨時地開發(fā)空間聲明，如圖所示在骨架模型中直接進行排氣系統(tǒng)的設計。約束裝配（Assembly）可以實現(xiàn)的形式可分為貼合、對齊、定向、插入等來實現(xiàn)元件間的組合。圖4.9 干涉檢查及基本運動校核    在進行總布置設計時，一項重要的工作就是對各相對運動的零部件進行運動校核。其中包括轉(zhuǎn)向輪極限轉(zhuǎn)角和鋼板彈簧極限動載時的運動干涉情況。在Pro/ENGINEER中，干涉檢查是靜態(tài)的，只有當用戶發(fā)出命令時才進行。但可以通過Analysis中的Modle Analysis來輸入一定參數(shù)，從而進行初步分析。鋼板彈簧是卡車底盤廣泛采用的懸架型式之一。對于發(fā)動機前置車型，

19、前鋼板彈簧的極限上跳可能與布置在其上方的發(fā)動機油底殼發(fā)生干涉；對于后驅(qū)動車型，后鋼板彈簧的調(diào)動范圍將影響與后橋凸緣相連的傳動軸參數(shù)的設計選擇。因此必須對鋼板彈簧的運動進行校核。通過將正反彎曲的兩段圓弧前輪轉(zhuǎn)向的運動校核是總布置設計必須進行的工作，其目的是檢查轉(zhuǎn)向輪與轉(zhuǎn)向直拉桿、車架之間的運動間隙。車輪運動實際是由轉(zhuǎn)向節(jié)繞主銷的轉(zhuǎn)動引起的。在進行車輪裝配時，我們通過引入曲線與曲面約束來進行模擬運動。這樣，在進行車輪轉(zhuǎn)向的檢查時，只要調(diào)整轉(zhuǎn)向節(jié)與前軸之間定義的Angle約束的角度大小，就可以實現(xiàn)前輪轉(zhuǎn)向角度的調(diào)整，還可以得到任意角度下車輪與轉(zhuǎn)向直拉桿、車架等的運動間隙情況。4.10 質(zhì)量參數(shù)計算&

20、#160;   汽車的質(zhì)量參數(shù)是總布置設計必須考慮和確定的參數(shù)。它直接影響著汽車的性能和型式。    在Pro/ENGINEER中已經(jīng)提供了計算整車總質(zhì)量及質(zhì)心坐標的菜單，計算對象為零件、裝配部件以及裝配樹中包含的實體，利用該模塊可以計算和控制他們的質(zhì)量和其他質(zhì)量參數(shù)，如體積、質(zhì)心以及轉(zhuǎn)動慣量等。該模塊既可以計算整個零件和裝配體，也可以有選擇地計算其中一部分實體或裝配部件。當我們采用相同的模板（含相同的質(zhì)量單位、基準等），運行相應的模塊，則可以進行總布置中所有質(zhì)量參數(shù)的迅速計算。5 三維圖的轉(zhuǎn)化    Pro/EN

21、GINEER中提供了相應的功能模塊來創(chuàng)建三維實體零件所對應的各種工程圖。工程圖中的各個視圖以及三維實體都是相互關聯(lián)的，如果在一個視圖中修改了尺寸，那么所有視圖、實體模型中的相關部分都會被更新并且重新生成，反之亦然。各種尺寸標注、注釋、表格和文本等都可以經(jīng)過約定和共用模板進行操作。完成三維模型建模，確定各部件總成狀態(tài)后，就可以從整車模型中取出所需的零件、部件的三維模型，并轉(zhuǎn)化為二維工程圖，同時，分總成可以通過建立連接關系，自動生成相應的明細表。6  零部件圖形庫與參數(shù)數(shù)據(jù)庫6.1  整車零部件三維參數(shù)化模型庫    產(chǎn)品系列化、零部件通用化和零件

22、設計標準化是汽車設計的基本要求之一，也是平臺化戰(zhàn)略的特點之一。對于整車的變形設計，其零部件更是具有很大程度的繼承性。對于特定的企業(yè)尤其如此。為提高裝配設計效率和已設計零件的使用率，有必要建立整車各相關零部件模型庫，其中的零部件能夠表示底盤零部件常見的結(jié)構(gòu)形式，模型的總體參數(shù)實現(xiàn)參數(shù)化。當設計零件的基本拓撲形狀與模型庫中標準零件相同時，則可以直接調(diào)用模型庫中的模型進行參數(shù)修改，使整車總布置設計效率得到了極大的提高。同時，該模型庫也是開放的，設計人員不僅可以調(diào)用模型庫中已有的模型，還可以把新結(jié)構(gòu)形式的零部件添加到模型庫中，準確并完善的零部件數(shù)據(jù)庫使我們的總布置工作如同“堆積木”，實現(xiàn)模塊化操作，效率會更高。6.2  整車車型參數(shù)數(shù)據(jù)庫    汽車設計在某種程度上也是一種積累的過程。企業(yè)已有產(chǎn)品以及國內(nèi)外樣車的車型數(shù)據(jù)，蘊涵著設計者的經(jīng)驗和知識，對于設計新產(chǎn)品具有很重要的借鑒作用。車型參數(shù)數(shù)據(jù)庫將車型尺寸及結(jié)構(gòu)型式數(shù)據(jù)信息和產(chǎn)品開發(fā)過程集成起來，創(chuàng)造出一種透明度很高的虛擬環(huán)境，能適應復雜多變的變型設計的需求，保證在整