基于结构设计单元的系列阀门产品快速设计

    机械产品的系列化设计通常遵循基本相同（或相似）的设计流程，并拥有与设计流程相匹配的零/部件典型结构。同时，机械产品通常由相关部件和零件构成，其部件则由下一级子部件和零件构成；以此类推，可认为产品是由零件按照有序、特定的装配关联关系装配而成的。因此，面向行业应用和产品设计过程，研究分析特定系列化产品的结构与设计特点，通过合理的模块化结构设计单元划分并构建其参数化驱动模型，实现基于结构设计单元的系列产品快速设计。

    1 阀门产品结构设计单元的划分

    阀门产品包括蝶阀、球阀、闸阀和插板阀等，广泛   应用于化工、石油和冶金等工业领域的管路流体输送系统，是典型的系列机械产品。分类进行的产品系列化设计通常在公称压力（PN）、公称通径（DN）、驱动方式三个维数方向上展开，并通过系列维数方向的组合而形成相关的系列产品。同时，系列阀门产品结构主要由阀门主体结构与驱动装置两大组成部分构成，并遵循图1所示的阀门产品设计流程。

图1 阀门产品设计流程

    1.1 结构设计单元概念

    结构设计单元的概念具有广泛含义，它可以是一个零件、或一个复杂装配结构体的局部典型设计结构形式、或由多个零件组成的部件（子装配），也可以是具有设计关联关系的零件集合（组合件）。向下可自动分解为相关零件，向上可组合成相应部件。综合而言，结构设计单元是指构成某一产品的、具有一定的装配和设计关联关系并可独立参数驱动的零件、部件、组件或局部典型结构的设计关联体。    

    本文结构设计单元的划分，其出发点与产品模块化设计中侧重于产品或零/部件的形状结构分类的设计思想相近，但更强调设计关联性和遵循特定产品的设计惯例。

    1.2 阀门产品结构设计单元划分

    合理划分结构设计单元是实现系列阀门产品快速设计的基础。系列阀门产品设计在总体设计参数（设计问题的描述及产品属性）定义之下，按照设计过程确定的零/部件生成顺序，其产品结构和尺寸参数具有很强的继承性和设计关联性，产品上级构件的结构形式与尺寸参数，定义或导航了下级结构构件的生成。因此，本文基于产品设计流程、零/部件生成顺序并综合考虑产品设计者的思维方式和工作惯例，将特定阀门产品的零/部件设计分解为以结构设计单元为基本驱动元素的设计关联体，提供阀门产品快速设计的高效参数化驱动单元，从而将复杂的设计问题逐级分解成相对独立并简化的设计子问题，并通过预先构建和定义相关设计单元之间（以及设计单元内部）的装配关联和约束关系，实现零/部件造型设计与快速装配。典型阀门产品（蝶阀）的结构设计单元划分见图2。图2中的实心黑色菱形表示聚合关系，空心箭头表示泛化关系。    

图2 典型阀门产品（蝶阀）结构设计单元划分

    2 结构设计单元库的构建与参数化模型驱动

    阀门产品快速设计所需结构设计单元库的构建，以国产通用CAD软件CAXA实体设计为支撑平台，采用模板方式构建结构设计单元参数化模型；利用CAXA实体设计提供的二次开发接口ICAPI，采用C++程序语言构建应用程序，实现参数化模型的赋值与驱动。

    2.1 结构设计单元库的构成

    阀门产品结构设计单元的划分，基于产品零/部件结构功能分类和设计关联性。如图2所示的典型阀门产品蝶阀的结构设计单元划分，分别构建了包含阀体、蝶板、上下支承填料组件、连接支架和阀杆在内的主体结构部件子结构相关设计单元及驱动装置子结构设计单元，并在CAXA实体设计环境下利用其“自定义设计元素库”完成结构设计单元库的构建。

    以其中最具代表性的蝶阀阀体设计为例，其子结构设计单元库包括了筒身、上支承、下支承、筒身加强结构和地脚支承等结构设计单元，由CAXA实体设计环境下的设计元素库中拖出阀体设计元素，则弹出如图3所示的子结构设计单元库构成界面，点击其中的相关结构设计单元即可进行相关参数赋值与驱动。

♂

    2.2 结构设计单元参数化模型构建与驱动

    结构设计单元是具有一定的装配和设计关联关系并可独立参数驱动的设计关联体。故阀门产品相关结构设计单元的划分兼顾了设计进程中的设计关联性和复杂设计问题的逐级子问题分解，既保证设计进程的高效性，又考虑设计问题的关联性和易实现性。

    图3所示阀体子结构设计单元库，依据设计关联性和高效性给出了阀体设计的结构设计单元构成，并分别构建其参数化模型，实现参数赋值和驱动。

图3 蝶阀阀体相关子结构设计单元库构成界面

    以蝶阀阀体的筒身设计单元为例，将构成筒身结构设计关联最为紧密的两个端法兰和筒壁作为一个设计单元（装配体）来设置。参数化模型的构建，给出了结构设计单元自身的设计基准，并通过相关结构参数约束了3个零件的装配关联关系，保证了单元模型的整体驱动。模型驱动在设计知识库的支持下，通过调入筒身公称通径、结构长度、法兰型号（标准件）和筒身壁厚等关键设计参数进行参数赋值和驱动；如果需要，可以针对连接端法兰的详细参数构成进行非标修改赋值。该结构单元参数化模型构建与驱动界面如图4所示。    

图4 蝶阀阀体之筒身结构单元参数化模型构建与驱动

    3 基于结构设计单元的产品快速设计实现

    图3给出的子结构设计单元库，除包含设计单元自身零/部件构成之间的几何拓扑关系、尺寸参数、装配约束等信息之外，还包含通过施加与设计流程关联的不同设计单元之间的装配关联信息，实现与设计进程同步的快速装配，并根据需要在模型上附加零件的材料、质量和数量等非几何信息。

    3.1 结构设计单元间的装配关联定义和约束

    在具有高设计关联性的结构设计单元划分的基础上，定义和约束不同结构设计单元间的装配关联，是实现基于结构设计单元的产品快速设计的关键。本文第2.2节各结构单元参数化模型构建中均设定了其设计基准，故通过设计单元的基准捕捉来实现结构设计单元之间的装配关联定义和约束。

    CAXA实体设计通过其二次开发接口ICAPI，为用户提供了坐标捕捉与变换的功能。在CAXA实体设计环境下，每个设计空间都有一个全局坐标系，进入该设计空间的每个结构设计单元都有其局部坐标系和锚点（装配基准）。

    就装配情况而言，首先进入设计空间的结构设计单元为装配基础构件（装配基件），其坐标系为父坐标系；然后进入设计空间的结构设计单元为待装配件，其坐标系为子坐标系。利用ICAPI提供的锚点捕捉与坐标变换功能，通过捕捉装配基件和待装配件的锚点坐标，确定不同结构设计单元的相对位置，结合预先设定的不同结构设计单元之间的装配关联信息，并通过施加必要的坐标变换，由应用程序实现自动和快速装配。图5所示为进入设计空间的结构设计单元锚点位置及其子坐标系与父坐标系的变换关系，其中A为子对象的锚点相对于子坐标系的变换矩阵，P为子对象的锚点相对于父坐标系的位置变换矩阵。子坐标系相对于父坐标系的变换矩阵为A^-1P。

图5 锚点位置和子、父坐标系的变换关系

♂

图6 典型阀门产品快速设计实现流程（蝶阀）

    3.2 基于结构设计单元的阀门产品设计流程

    基于特定阀门产品结构设计单元及其装配关联关系，在相关设计知识库支持下，依据相关设计流程完成产品快速设计。典型阀门产品基于结构设计单元的快速设计实现流程如图6所示。图6中的实箭头表示设计流程，虚箭头表示各种支持库提供的相关数据支持。该快速设计实现流程对应产品结构设计单元划分及生成顺序，并在不同设计进程节点由知识库提供领域设计知识支持。通过结构设计单元参数化模型的构建，以及不同结构设计单元间的装配关联定义和约束，实现设计单元参数化模型的赋值和驱动，并实现与设计进程同步的快速装配。阀门产品快速设计进程及其快速装配实现过程如图7所示。

图7 阀门产品设计进程及其快速装配实现过程

    由图7所示可知，首个结构设计单元筒身进入设计空间后，上支承、下支承、筒身加强结构、地脚支承等结构设计单元顺次进入设计空间，并通过应用程序构建的不同结构设计单元的锚点（设计基准及装配基准）捕捉功能，自动捕捉拟装配关联基准或以人机交互方式提供基准关联数据，实现快速装配。其他结构设计单元在相同设计空间中，以相同方式完成装配，直至生成整个装配模型。

    4 结语

    对系列机械产品的计算机辅助设计而言，依据产品设计与结构特点合理划分结构设计单元，构建其相应的参数化模型，并建立不同设计单元之间的装配关联关系，是实现快速设计的重要基础和前提。阀门产品具有典型的系列化产品设计特征，其结构设计单元的划分和产品设计流程与设计惯例密切相关，并通过装配基础构件（装配基件）与待装配件设计基准的捕捉和坐标变换，确定不同结构设计单元之间的相对位置和设计关联关系，实现与设计进程同步的快速装配，可有效地提高设计工作效率。