机床外观设计混合建模技术研究.pdf

1 5 0 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 6期 2 0 1 0年 6月 文章编 号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 0 0 6 0 1 5 0 0 3 机床外观设计混合建模技术研究 术 蔡 帝干 静 四川大学 制造科学与工程学院， 成都 6 1 0 0 6 5 St u d y o n t h e h y b r i d mo d e l i n g f or ma c h i n e t o o l a p p e a r a n c e d e s i g n CAI Di ， GAN J i n g S c h o o l o f Ma n u f a c t u r i n g S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ， S i c h u a n U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 6 5 ， C h i n a 中图分类号 T H1 2 ， T G 5 0 2 文献标识码 A 随着机床市场日臻成熟， 竞争更加激烈。 纵观国际名牌机床， 品质卓越， 功能完善， 外形美观大方。国内机床企业面临巨大挑 战， 除了研发机床功能、 结构、 工艺外， 逐步意识到外观没计能有 效提高产品附加值。 然而， 没计师受传统开发思维、 软硬件等因素 制约， 外观设计手段单一， 常采用 MD T ， P R O ／ E等参数化软件⋯ ， 操作复杂， 复杂装配环境下信息量过大i2 1 ， 往往在详细设计后期， 才参与外观设计 ， 局限大， 导致概念设计详细设计阶段的评估受 到严重影响l引 。研究一种建模技术， 加快建模速度， 提高效率。 ★来稿 日期 2 0 0 9 0 8 2 2 基金项 目 成都市科技计划资助项 目 0 5 H J D Z 3 1 5 ． ● ●●‘●-．“●●t ． ●●●．．- -●●． ， ● ●●’●． ． ● ●●。● ． ． ‘ -●●．． ． ． ●●‘⋯ ． ●●-． ． ． ． ●●●●．．‘ ●● ●．．-．●‘●． ． ● ●●●．． ． ． ●●●．． _ _ ●●●．． ． ‘．●_．． ． ‘ -●‘● ．-．． ●●．． ． ． ●●●t ⋯ ●●●．． ． ． ●●．．． ． ● ●●●- t I 1 ●●●． 川●●‘⋯．- ●●． ． “●●_．． ． ● -●‘， 表 3超冗余机器人关节参数 2 0 0 3 ， 4 3 5 9 4 - - 3 5 9 9 5结论 提出了一种新型的超冗余度机器人关节的设计方案。 设计实 例表明 新型关节克服了以， 乇 万向关节传动的缺陷， 具有良好的 驱动性能， 且优化设计‘ 后的新型关节模块体积尺寸小、 重量轻、 输 出力矩大，能有效驱动 5 个模块组成的 1 0自由度的超冗余度机 器人， 有良好的工程应用前景。 参考文献 1 Ta k a n a s h i N， Ao k i K， Ya s h i ma S ．A Ga i t c o n t r o l f o r t h e Hy p e r r e d u n d a n t R o b o t O - R O - C H I [ A ] ． P r o c e e d i n g s o f R O B O M E C ’ 9 6 [ C ] ， U b e ， J a p a n ， 1 9 9 6 2 S h a m ma s E ． Wo l f A ． C h o s e t H ． T h r e e d e g r e e s o f f r e e d o m j o i n t for s p a t i a l h y p e r - r e d u n d a n t r o b o t s [ J ] ． Me c h a n i s m a n d Ma c h i n e T h e o r y ， 2 0 0 6 ， 4 1 2 1 7 0 -- 1 9 0 3 S h a mma s E， Wo l f A ， B r o w n H B， e t a 1 ． N e w j o i n t d e s i g n for T h r e e - -d i me n s i o n a l h y p e r r e d u n d a n t r o b o t s[ A] ． P r o c e e d i n g s o f ， 2 0 0 3 1 E E E ／ R S J l n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n I n t e l l i g e n t R o b o t s a n d S y s t e m s I R OS 2 0 0 3 [ c ] ， 4 朱兴龙， 周骥平， 颜景平． 一种新型的三自由 度垂直相交运动解耦液压伺服 关节的设汁Ⅲ． 中国 机械工程， 2 0 0 2 ， 1 3 2 1 1 8 2 4 - 1 8 2 7 5 应申舜， 秦现生， 任振国等． 基于人工肌肉的机器人驱动关节设计与研究 ⋯． 机器人， 2 0 0 8 ， 3 0 2 1 4 2 ～ 1 4 6 6 叶长龙， 关鼎． 蛇形机器人的耦台驱动模块化单元设计 J 1 ． 沈阳工业大学 学报， 2 0 0 4 ．2 6 5 5 2 8 - 5 3 0 7 孙立宁， 于凌涛， 杜志汀等． 并联机器人胡克铰工作空间研究与应用[ J ] ． 机 械工程学报 ， 2 0 0 6 ， 4 2 8 1 2 0 - - 1 2 4 8 赵铁石， 林永光， 缪磊等． 一种基于空间连杆机构的蛇形机器人[ n 机器 人 ， 2 0 0 6 ， 2 8 6 6 2 9 -- 6 3 5 9 薛锦达． 十字轴式万向传动轴的原理及其结构[ J ] ． 机械制造， 1 9 9 7 7 1 4 l 6 1 O 朱兴龙， 周骥平． 运动解耦机理分析与解祸关节设计[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 5 ， 1 6 8 4 7 斗 47 7 1 1 孙靖民． 机械优化没计[ M] ． 北京 机械 ] 业出版社， 2 0 0 5 l 3 顾思聪． MAT [ AB语言及机械_】 _ 程应用[ ⋯ ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 8 1 4邵红艳． 齿轮传动优化没计的遗传算法实现 [ J ] _ 机械设计与制造 ， 2 0 0 8 9 l 8 8 ～ 1 8 9 l 5 李阿楠， 王三民 圆柱齿轮传动优化设计的遗传算法及 M A T L A B 实现[ J ] ． 机械设计 制造 ， 2 0 0 5 1 1 4 -- 6 1 6 李斌， 马书根， 王越超等． 一种具有三维运动能力的蛇形机器人的研究[ J ] ． 机器 人． 2 0 0 4 ， 2 6 6 5 0 8 ～ 5 0 9 1 7 陈丽， 马1 ； 根， 王越超等． 蛇形机器人侧向运动的研究[ J ] ． 机器人， 2 0 0 3 ， 2 5 3 2 4 6 - -2 4 9 第 6期 蔡 帝等 机床外观设计混合建模技术研究 1 5 1 1 传统建模技术与混合建模技术 1 ． 1 传统建模技术及其对比 参数化建模技术， 将没汁要求、 原则 、 办法、 结果川 灵活可变 的参数表示， 设汁过 ⋯1 f 根据实际情况对设i t J J H 以更改， 适合 于后期详 设计阶段。非参数化建摸技术， 于段灵活， 精度较低 ， 易编牟 } { 『 f l ， 九繁琐约 ， 便于修改， 适用于前期慨念设计阶段 。 将两种传统建摸技术埘比 ， 1 昕示 表 1传统建模技术对 比 在钊‘对外观设计的慨念设计阶段，两种建模技术各有优势 与 足， 如表 1 所示。参数化建模， 精度高， 但效率低， 操作繁琐， 真实 感差； 非参数化建模， 效率高， 易修改， 似尺寸精度低。 单一的建模技 术无法满足机床外观建模的要求， 因此， 考虑结合两者， 综合运用。 1 - 2混合建模技术 混合建模足⋯种慨念设计初 ，利用参数化干 非参数化软 件， 迅速建 针对外脱造型设汁摸型的技术 1 要求速贷决。 2 模 达到一定精度， 实感燃， 价准确有效 、 采用混合建模原 冈 ① 产品改c f 案， 片1 F 详细 程 ， 证主要尺寸工 F 确， 完整 表达没计患 慨念设计初期， 馍 改动量大， 混合建模节省 建摸 时f H 】 ， 缩缸 开发川驯。 结合参数化建模和非参数化建 模技术技术优点， 锞址模型和I 装 的精度及尺寸， 义便于修改， 提高效率， 易于建 复杂曲面 2 混合建模思路 、 原则及流程 2 ． 1混合建模思路 混合建模心路， l i l ． l 1 所示 图 1混 谴 思路 2 _ 2混合建模原则 1 先主后次， 从整体到局部 整体认识形体、 比例， 从复杂产品 中挑选出最单纯大形， 省略对整体影响不大的细节。 2 根据可视化 效果， 适 精简模型。 3 保证总k、 宽、 高尺寸正确。 4 lj 画关键特 如对真实感贡献较大的机床警示标志， 管线， 机床商标等细节。 2 ． 3 混合建模流程 1 自 ，』 期准备 分析客户需求， 制定计划表， 了解建模数据类 型与程度， 采用软件平台， 提交文档类型， 并制定详细的进度安排。 2 分析模 分析建模方式 建模必要性 任何复杂形体可 慨括或分解为衙单肜体的细合。 方面， 将机床抽象为简单几何 体， 根据情况采用有针对性方式建馍。另一方面， 分析建模必要 性， 影响外观可视化效果的模型呵忽略 建， 节肯硬件资源， 提 高运行速度， 减少J 二 作 ， 缩短开发周期。 3 尺寸处 理 主要尺寸 ， 结构1 二 程师通过三视图提取 ， 内部 孩心和主要覆盖件的不可变更尺寸， 般按图纸或参数化模型来 获取。次要 寸， 外观设计时无需去洲量、 非重要零件的尺寸， 可 凭借视觉感受或图片来调整。 4 参数化建模 根据尺寸 ， 通过拉仲， 旋转， 切削， 钻孔 ， 阵 列， 抽壳， 倒角等操作建立参数化模型。 5 参数化装配 按j c { _ r 程图进行参数化装配。 6 参数检测 一方面进行尺寸检测 ， 注意零件 与装配体尺 ，它们足影响最终模型的重要因素。 另一方面1 二 涉榆测。 对于干 涉部分， 乖定义配合或查看零件尺寸是否有误 混合建模不要求 离精度模型， 因此不需检测精度 7 数据交换 将模型转换到非参数化建模软件 l 1 l1 8 非参数化建模 通过多边肜、 研片、 N U R B S等方式变换基 本型体， 逐步逼近模型， 再将其细化。 该建模技术存机床外观混合 建模t 用于建立次要尺寸部分、 非重要零件和可视化细节， 增加 真实感和表现力 9 觉检测 借助照片， 检查模型整体形态感、 真实感， 相似度。 1 0 后期输出及处理 渲染效果图， 动画， 或输出为虚拟交互 文件 。 3 提高建模效率的技巧 3 ． 1适 当简化 结构 结构越复杂， 建模越 难。简化或通过其他方式表现产品中非 主要特征。如一台普通数控车床外观覆盖件中， 有可见结构缝_ 三卜 多条， 采用贴图或平面软件绘制， 能有效减小模型量， 如图2 所示。 一 一 a 建模， 1 6 5 4 面， 1 8 3 K B b 平面绘制， 1 2 面， 1 3 9 K B 图2建模与平面绘制结构缝对比 3 ． 2使用贴图 机床上常有散热孔、 网等密集特征， 参数化建馍， 文件大， 运算 速度慢， 计算机负担大。 使用贴 ， 真实感能达到要求， 文件小， 占 l 5 2 机 械 设 计 与 制 造 No ． 6 J u n ． 2 0 1 0 用系统资源少。 对比采用贴图和建模两种方式来表现机床网状结 构， 贴图模型大小 1 4 3 K B ， 参数化模型大小 4 ． 7 MB ， 如图3所示。 ■_ a 实物照片 b 贴图表现 图 3实物照片 与贴 图表现对 比 3 ．3建立标准零件模型库 机床中有大量标准零件， 如螺钉， 螺母 ， 弹簧， 警示灯， 各类电 机等。 简单形体采用参数化建模， 复杂、 无尺寸形体采用非参数化 建模， 并建立对应的标准零件模型库。 使用时， 通过缩放， 平移， 旋 转， 复制等操作建立适当模型， 减少重复劳动， 提高效率[6 1 。 3 ．4合理的数据转换 数据转换中会出现面的丢失， 破洞等问题。 转换格式有很多， 常用有 I G E S ， S T L ， V R ML等 。通过参 数化建模 软件 S o l i d w o r k s 2 0 0 6 建立基本立方体， 圆锥体， 圆柱体， 球体和外壳覆盖件 模型， 如表2所示。 存储为上述三种常见格式， 采用默认精度值导 入非参数化建模软件 3 d s ma x 中进行对比。 表 2不同转换格式对比 注释 S L D P R T为 S o l i d w o r k s 零件格式 如表2所示， 比较分析可知， I G E S文件大， 面数多， 对硬件要 求高， 不适合快速表现。V R M L格式小， 面数少， 但精度不够， 也 不能达到目标。而S T L 格式， 面数达到精度要求， 文件大小、 硬件 要求适中， 是相对最优方式。 3 ． 5 针对性方式建模 建模前， 应正确认识机床形态， 分析模型， 了解两种建模方式 擅长建立的模型， 如图4所示。例如， 机床上大量暴露在外不规 则管线与机电设备， 采用非参数化建模， 效率高， 有效增加真实 感。采用不同方式建模零件特征， 如表 3 所示。 一 一 a 管线与机 电设备 b 混合建模效果 图4管线机电设备照片与混合建模效果对比 表 3采用不同方式建模零件的特征 4应用实例 将混合建模技术运用于数控车床建模， 如图5所示。首先分 析模型。 主体由底座、 壳体、 滑门组成。 从工程图提取外观覆盖件 主要尺寸 ， 在 S o l i d w o r k s 采用拉伸、 切除、 抽壳等方式建立参数化 模型并装配。然后进行参数检测， 无误后转为S T L格式。 一 一 图 5机床照片 接着， 分析次要尺寸为右侧机构及管线、 控制面板等， 对照图 片在 3 d s ma x 中建立非参数化模型． 对于细节部分，如左侧阵列 孔， 铭牌， 警示标志， 机床标志等采用贴图来表现。最后将 S T L格 式导人 3 d s m a x ， 并在适当位置添加螺钉、 螺母、 电机等标准零件， 进行整合， 完成混合建模。 5 结束语 机床外观混合建模技术， 结合了参数化建模和非参数化建模 两种技术， 避免了两者在外观设计时单独使用的缺陷， 发挥各自 优势， 提出概念设计阶段外观设计的一种新方法。通过项目实例 多次应用， 证明该技术有效提高了机床建模效率， 短时间内提供 多种机床外观设计方案，满足中等硬件条件下企业设计的需求， 提高市场竞争力及研发能力。 参考文献 1 刘文剑， 金天国． 产品自顶向下设计的研究现状及发展方向[ J ] | 计算机集 成制造系统七I MS ， 2 0 0 2 ， 8 1 l ～ 7 2楼轶超， 林兰芬 ， 董金祥． 面向产品数字化预装配的装配建模技术研究[ J ] _ 计算机应用与软件， 2 0 0 5 ， 4 2 2 3 G．Di Gi r o n i mo， An t o n i o L a n z o t t i ， Ama l i a Va n a c o r e ， C o n c e p t d e s i g n f o r q ua l i - t y i n v i r t u a l e n v i r o n m e n t [ J 1 ． C o m p u t e r s a n d G r a p h i c s ， 2 0 0 6 ， 3 0 1 0 1 1 - 1 0 1 9 4 祁新梅． 机械产品建模技术研究现状及趋势[ J 】_ 合肥工业大学学报， 2 0 0 0 ， 1 2 2 3 5 S ． B u t d e e ， H y b ri d f e a t u r e m o d e l i n g o f s p o rt s h o e s o l e d e s i g n [ J ] ． C o m p u t e r I n d u s t r i a l E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 2 4 2 2 7 1 - 2 7 9 6 Ho n g mi n g Ca i ， W e i p i n g He ， Di n g h u a Zh a n g ， A s e ma n t i c s t y l e d riv i n g m e t h o d for p r o d u c t s ’ a p p e a r a n c e d e s i g n E J ] ． Ma t e r i a l s P r o c e s s i n g T e c h n o l o g Y ， 2 0 0 3 ， 1 3 9 2 3 3 - -23 6