基于公理化的液压机参数化系统开发

基于公理化的液压机参数化系统开发
田雨;陈兴玉
【摘要】Based on axiomatic design, the traditional product development process is analyzed and improved. Using SolidWorks as the platform,VC++ and SQL as the tools ,the parametric system for HP machine is built. The system's modules ,the connections between different modules and the realization of function modules are discussed. Taking YH30 HP machine as an example ,the structure and using methods of the system are elaborated. lt is showed that the parametric system can reduce the cycle of design and enhance the quality of design.%基于公理化设计思想,对传统产品设计过程进行了分析和改进.以SolidWorks为开发平台,利用VC++语言和SQL数据库开发了面向液压机产品的参数化造型系统.讨论了独立性公理指导的参数化软件系统的模块构成、各模块之间的连接关系及功能模块的具体实现.通过YH30型液压机参数化设计软件系统开发实例,说明了系统架构和使用方法.应用表明,可大大缩短产品设计周期,提高设计质量.
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2011(000)004
【总页数】3页(P117-119)
【关键词】公理化设计;液压机;参数化设计;软件模块
【作者】田雨;陈兴玉
【作者单位】周口师范学院,周口,466001;中国电子科技集团公司第三十八研究所,
合肥,230031
【正文语种】中文
【中图分类】TH16
1 引言
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[1～3]。

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]（Axiomatic Design）是一种科学的产品设计方法。

其目的是通过建立评估全部设计活动的准则，并提供实现这些准则的各种手段来改进产品设计。

Suh 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（CA）、
功能域（FR）、物理域（DP）和过程域（PV）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FRS，则应要求
有对应的设计参数DPS。

而为了确定DPS，则必须了解功能FRS 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。

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FR 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：
式中：FRi（i=1，2，…，m）—产品的功能需求；
DPj（j=1，2，…，n）—产品的设计参数；
[A]—设计矩阵；
Aij—设计参数对功能需求的影响程度，若Aij=0，则表明DPj对FRi没有影响。

如果m=n，则设计可分为三种类型：
（1）非耦合设计：A—对角阵；
（2）弱耦合设计：A—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：FR1（产品设计基本信息）、FR2（产品三维模型）、FR3（验证产品的机械特性）和FR4（生成产品图样）。

相应的设计参数是：DP1（基本的设计数据）、DP2（三维结构特征参数）、DP3（运动参数、载荷、约束条件及材料特性等）和DP4（工程图数据）。

FRs的设计方程式是：
上式所描述的设计是一个耦合设计，需要多次迭代和近似。

FR1受DP1和DP4的影响；FR2受DP1、DP2和DP4的影响。

这个设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FR1为
产品设计信息数据库、FR2为产品三维模型、FR3为产品性能校验、FR4为二维工程图的生成；DP1为详尽的产品设计数据、DP2为三维结构特征参数、DP3为运动参数、载荷、边界条件及材料特性等、DP4为辅助工程图数据。

改进后的设计过程可表示为：
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FRi和DPi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]（ADOOSS，Axiomatic Design of Object-Oriented Software Systems）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。

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M1、M2、M3和M4，每个模块还可进行细分（详见下文所述）。

M1：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；M2：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；M4：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。

图3 产品公理化软件设计流程
对于M1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。

M3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：M11—液压机总体设计参数输入模块；
M12—油路总体设计参数输入模块；
M121—管路总体设计参数输入模块；
M122—油缸总体设计参数输入模块；
M13—机身总体设计参数输入模块；
M14—电气系统总体设计参数输入模块；
M15—辅具总体设计参数输入模块；
M2—三维模型展现和装配重构模块；
M31—结构分析模块；
M32—运动分析模块；
M33—动力学仿真模块；
M4—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。

在软件开发中，使用面向对象语言VC++、三维软件平台SolidWorks 和SQL 数据库作为开发工具。

通过访问SolidWorks 的底层开发接口（API）进行三维模型的生成和装配重构操作；SQL 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MFC 对话框进行设计参数输入的交互界面；利用SolidWorks 自带插件CosmosWorks进行液压机应力应变分析和验证；利用SolidWorks 插件Animator进行液压机滑动头的运动仿真，以检查运动干涉；利用Simiulink进行油缸的动力学仿真；利用SolidWorks 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 机身装配体设计流程
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、落料孔直径和机身总高等。

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，进入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阐述。

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SolidWorks 无缝集成插件CosmosWorks。

如图7 所示，为结
构分析结果。

图7 机身结构分析
6 结论
首先分析了基于公理化的产品设计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开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，采用面向对象软件系统的公理化设计方法，开发了基于SolidWorks 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CAD 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
【相关文献】
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［J］.组合机床与自动化加工技术，2001（8）：13～15
2 杨欣，贾晶霞，佟金等.农业机械典型部件装配关联设计［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2006，18（1）：156～159
3 吴义忠，蒋武，陈立平.嵌入式典型零部件快速设计系统［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2004，16（12）：1724～1729
4 Suh N P.The principle of design［M］.Oxford：Oxford University Press，1990
5 Suh N P.Axiomatic design：advances and application ［M］.Oxford：Oxford University Press，2001
6 Transations of the ASME，Journal of Engineering for Power，1980
7 Funazaki，k.，Tarukawa，Y.，Kudo.T.，et al，Heat transfer characteristics of an integrated cooling configuration of ultra-high temperature turbine blades：experimental and numerical investigations，2001。