基于ProE構(gòu)建的卡車三維參數(shù)化總布置設(shè)計系統(tǒng)

1、基于Pro/E構(gòu)建的卡車三維參數(shù)化總布置設(shè)計系統(tǒng)2009年01月07日  CAD世界網(wǎng)  -1 引言產(chǎn)品設(shè)計通?？梢苑譃閯?chuàng)新設(shè)計和變型設(shè)計兩類，在機(jī)械、汽車行業(yè)中，創(chuàng)新設(shè)計較少，大量的是變型設(shè)計，也就是在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，按市場需求進(jìn)行局部換型和調(diào)整、重組。變型設(shè)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(yīng)性，這也就要求企業(yè)實施平臺化戰(zhàn)略?？ㄜ囀且环N多品種、多系列的產(chǎn)品，新技術(shù)、新產(chǎn)品日益廣泛的應(yīng)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(shè)計制造水平的不斷提高是卡車行業(yè)賴以發(fā)展的基礎(chǔ)。同時，

2、底盤作為平臺戰(zhàn)略的主要對象，它的快速設(shè)計與開發(fā)對企業(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(chǔ)，其水平對整車產(chǎn)品質(zhì)量和性能起決定性作用?，F(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(dāng)熟悉且總布置工作必須做細(xì)，總布置過程當(dāng)中要基本完成全部部件的布置，部件設(shè)計人員不獨立進(jìn)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(dāng)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(jìn)

3、度和質(zhì)量。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(chǔ)進(jìn)行二次開發(fā)，研制了卡車底盤總布置設(shè)計系統(tǒng)，同時采用部件設(shè)計人員參與部件布置、總布置與部件布置相結(jié)合同步進(jìn)行的開發(fā)思路，使該系統(tǒng)操作簡單，設(shè)計過程直觀、高效，適用于輕卡底盤變型設(shè)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(shù)公司)開發(fā)的三維造型設(shè)計系統(tǒng)，它以單一數(shù)據(jù)、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)性以及工程數(shù)據(jù)再利用等改變了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計的觀念，為工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計提供完整的解決

4、方案，成為當(dāng)今世界機(jī)械CAD領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于造型設(shè)計、機(jī)械設(shè)計、模具設(shè)計、加工制造、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析及關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理等各個領(lǐng)域。Pro/ENGINEER復(fù)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(shè)計中的價值，特別是其自頂向下的設(shè)計思路，運用Layout和骨架來傳遞和交流設(shè)計意圖，大大提高了設(shè)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(guān)系，生成爆炸視圖，進(jìn)行零部件之間的干涉檢查，并計算裝配體的距離、總重、重心等各種物理屬性等。3 底盤總布置設(shè)計系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)  圖1為卡車底

5、盤總布置設(shè)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(chǔ)環(huán)境建立(1)硬件設(shè)施。局域網(wǎng)基礎(chǔ)上的高性能PC機(jī)或工作站，主服務(wù)站(總布置)對硬盤、內(nèi)存、顯卡等要求要高。(2)軟件設(shè)施。具備Pro/ENGINEER產(chǎn)品中Pro/ENGINEER、Pro/ASSEMBLY等模塊，可進(jìn)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。(4)工作目錄環(huán)境設(shè)置。設(shè)定服務(wù)區(qū)域及模型存放位置。(5)建立零件標(biāo)準(zhǔn)啟動模板。使各用戶的零件特征具有一致性。(6)建立裝配標(biāo)準(zhǔn)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、

6、密度等配備同一基準(zhǔn)。(8)配置統(tǒng)一繪圖環(huán)境。設(shè)定可以輸出生產(chǎn)用圖的背景，包括圖框、符號庫等。(9)標(biāo)準(zhǔn)件、常用件、汽標(biāo)件、廠標(biāo)件整理。自動調(diào)用已存在的零部件庫及標(biāo)準(zhǔn)件庫。4.2 明確設(shè)計任務(wù)，界定關(guān)聯(lián)范圍根據(jù)設(shè)計任務(wù)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(chǔ)。4.3 導(dǎo)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(shè)定傳遞接點和要素，用以控制設(shè)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(zhǔn)坐標(biāo)系和各總成坐標(biāo)系，各總成坐標(biāo)系與整車坐標(biāo)系可無關(guān)聯(lián)聯(lián)系。如圖2所示。  圖2 建立整車基準(zhǔn)坐標(biāo)系和各總成坐標(biāo)系4.4 約定(Conventio

7、ns)在設(shè)計之前仍需對整個過程進(jìn)行約定，包括對象(Object)的文件命名約定、產(chǎn)品庫與標(biāo)準(zhǔn)庫中典型的對象類型、庫文件夾結(jié)構(gòu)、角色(Roles)和授權(quán)(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(biāo)準(zhǔn)化的格式、記錄本人的工作任務(wù)、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(shè)計過程的了解有據(jù)可考。 設(shè)計流程、任務(wù)范圍界定、任務(wù)描述由各系統(tǒng)的設(shè)計人員在未開始設(shè)計之前，先靜下心來，描述自己在該項目中的角色，設(shè)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(shè)計的子系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，有利于理順設(shè)計思路，流暢設(shè)計過程，

8、便于后續(xù)自頂向下設(shè)計方法的開展。同時為后續(xù)新項目的快速啟動奠定基礎(chǔ)。4.5 零部件三維參數(shù)化模型傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，原有的幾何模型是設(shè)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(yīng)的幾何模型。所謂參數(shù)化設(shè)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(shù)進(jìn)行設(shè)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(shè)計，因此可以充分發(fā)揮創(chuàng)造性，提高設(shè)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

9、發(fā)動機(jī)、變動軸距等.在原車基礎(chǔ)上進(jìn)行變型車設(shè)計能充分體現(xiàn)出參數(shù)化的優(yōu)勢。卡車底盤總布置設(shè)計首要任務(wù)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(jìn)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(guān)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(zhǔn)等，通過這些總體參數(shù)控制零部件的簡化模型，進(jìn)行變量化、參數(shù)化設(shè)計。在底盤裝配時，通過修改相應(yīng)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(jìn)行總布置的方法是卡車參數(shù)化總布置所要達(dá)到的一個目標(biāo)。4.6 卡車參數(shù)化設(shè)計

10、模型的控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(shè)計基準(zhǔn)點(一般取曲軸中心線與發(fā)動機(jī)缸體后端面的交點)坐標(biāo)、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(jī)前懸置和變速器吊架來保證。動力總成包括發(fā)動機(jī)、離合器、變速器。發(fā)動機(jī)在本車型設(shè)計中被分為發(fā)動機(jī)本體、進(jìn)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(jī)本體其所要控制的要素為發(fā)動機(jī)軟墊安裝點、離合器殼在發(fā)動機(jī)上的安裝點、進(jìn)排氣口、進(jìn)出水口，進(jìn)出油口及發(fā)動機(jī)的部分外形(主要為油底殼外形和發(fā)動機(jī)上表面) ;發(fā)

11、動機(jī)其他模塊則需要控制的要素為與發(fā)動機(jī)的聯(lián)接位置和在車架上的安裝位置。離合器在本車型設(shè)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(jī)、變速器的安裝點。變速器在本車型設(shè)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(jī)懸置的安裝點，在以后的設(shè)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(shè)計中，只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

12、就會造成總布置再生的失敗。在動力總成中進(jìn)一步創(chuàng)建發(fā)動機(jī)本體、進(jìn)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(dāng)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(guān)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

13、零件和子部件之間構(gòu)成了裝配關(guān)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(fù)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(guān)系由相關(guān)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(guān)系，所以在確定總成及零部件的安裝位置時，需要對該節(jié)點增加相關(guān)參數(shù)或安裝位置的限定。骨架模型是最好的傳遞設(shè)計意圖的工具，同時保證了信息傳遞途徑的單向性，因而這

14、種方式是高度可靠的。在承擔(dān)設(shè)計意圖方面，它有三種功能 ：(1)可作為元件間的設(shè)計截面來創(chuàng)建和使用骨架，建立安裝關(guān)系;(2)劃分空間聲明，控制元件位置，實現(xiàn)分塊同步設(shè)計;(3)確定組件的運動，控制元件連結(jié)的運動。當(dāng)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(guān)系的復(fù)雜性，在進(jìn)行底盤總布置時采用了兩種裝配方式 ：骨架裝配及約束裝配，如圖3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(fù)雜的裝配關(guān)系。骨架裝配時零件根據(jù)組件內(nèi)的上下關(guān)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

15、配到一起，就可以發(fā)展設(shè)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3 Top-down下的骨架裝配與約束裝配  圖4 骨架空間占位進(jìn)行(排氣)零件設(shè)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(shè)計并顯示組件設(shè)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組件中的這些塊臨時地開發(fā)空間聲明，如圖4所示在骨架模型中直接進(jìn)行排氣系統(tǒng)的設(shè)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54.9

16、干涉檢查及基本運動校核在進(jìn)行總布置設(shè)計時，一項重要的工作就是對各相對運動的零部件進(jìn)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(dāng)用戶發(fā)出命令時才進(jìn)行。但可以通過Analysis中的Modle Analysis來輸入一定參數(shù)，從而進(jìn)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(jī)前置車型，前鋼板彈簧的極限上跳可能與布置在其上方的發(fā)動機(jī)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(shè)計選擇。因此必須對鋼板彈簧的運動進(jìn)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

17、是總布置設(shè)計必須進(jìn)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(jìn)行車輪裝配時，我們通過引入曲線與曲面約束來進(jìn)行模擬運動。這樣，在進(jìn)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)計算汽車的質(zhì)量參數(shù)是總布置設(shè)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(biāo)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

18、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(dāng)我們采用相同的模板(含相同的質(zhì)量單位、基準(zhǔn)等)，運行相應(yīng)的模塊，則可以進(jìn)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/ENGINEER中提供了相應(yīng)的功能模塊來創(chuàng)建三維實體零件所對應(yīng)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(guān)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(guān)部分都會被更新并且重新生成，反之亦然。各種尺寸標(biāo)注、注釋、表格和文本等都可以經(jīng)過約定和共用模板進(jìn)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

19、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(guān)系，自動生成相應(yīng)的明細(xì)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設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)化是汽車設(shè)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(shè)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(shè)計效率和已設(shè)計零件的使用率，有必要建立整車各相關(guān)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(dāng)設(shè)計零件的基本拓?fù)湫螤钆c模型庫中標(biāo)準(zhǔn)零件相同時，則可以直接調(diào)用模型庫中的模型進(jìn)行參數(shù)修改，使整車總布置設(shè)計效率得到了極大的提高。同時，該模型庫也是開放的，設(shè)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(zhǔn)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(shè)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(shè)計者的經(jīng)驗和知識，對于設(shè)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