机械产品的并行设计-天津大学研究生e-Learning平台.doc

机械产品的并行设计 张高尉 天津大学机械学院机械制造及其自动化专业2011级硕士生 摘要：介绍了并行设计的设计理念，并行设计模式要求各个学科的技术人员同时参与设计过程，在设计时，各个学科相互之间通过共享数据库适时进行设计参数信息的交互。对并行设计过程做了简要的概述，并行设计的过程主要是产品总体数学模型建模和基于骨架得三维实体Top-down建模。 关键词：并行设计、Top-down、骨架、Pro/E、数学模型 前言* 由于市场竞争越来越激烈，为了适应快速多变的市场，要求设计人员必须采用合理的设计方法，缩短设计周期，提高设计效率。并行工程正是在这种背景下提出的。IDA对并行工程的定义为：并行工程是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行、一体化设计的工作模式[1]。并行工程需要采用并行设计的哲理来实现产品的并行开发。 传统的串行设计模式是阶段性、顺序性的设计理念，即，在某一阶段只进行某一项特定的设计内容，完成之后再进入下一个阶段。这种理念不能满足现代高速发展的时代要求，而采用并行设计，可以在一定的时间内同时进行多项设计，这样可以缩短设计周期。 并行设计注重产品设计数据的集成和共享，并行设计是一个复杂的系统性、综合性设计。经过数十年的发展，并行设计已经能够有了很大的发展。 1 机械产品并行设计模式 机械产品开发是一个设计——校验——反馈的过程，在传统的串行设计模式下，设计是由单一学科的工程技术人员完成的，然后其他学科人员再根据设计参数对产品进行校验，再反馈给设计人员进行修改设计。这种设计模式对于简单的产品设计还可以适应，但是对于大型机械产品，需要反复的校验、反复的修改设计，非常耗时，难以适应快速多变的市场竞争。并行设计的设计模式可以缩短设计的周期，提高设计质量。 并行设计从设计之初就要求开发者考虑到产品生命周期中的所有因素，比如产品的材料、质量、静力性能、动力性能、成本、使用寿命、升级、维修以及对环境的影响等等[1]。因此，在设计过程中各方面的工程技术人之间要密切的配合，每个部门之间不是孤立的团队，而是要实时共享设计数据，反馈给其他部门，设计过程中各个部门都在进行工作，这种工作模式避免了单一设计后再反馈的时间消耗，，而且由于在设计之初就分析产品整个生命周期的影响因素，所以设计过程能够考虑全面周到，可以减少反复修改设计过程。 2 并行设计过程 设计就是确定设计变量取值的过程，并行设计强调在这个过程中通过各个学科间的协同作用，避免冲突，共同来确定设计变量。为了便于各学科间的信息交互，并行设计首先是确定影响产品性能的约束变量，建立产品的变量约束数学模型。这个模型是取得最优解的解空间模型，在设计过程中，各个学科的技术人员通过这模型来检验设计参数的取值。 2.1机械产品的数学模型 由于并行设计是多学科同时进行设计，所以为了协调各学科设计的同时进展，必须有一个数学模型作为各科之间进行交流和校验的平台，这个平台要能够综合考虑产品设计的各个方面，包括机械性能，使用性能等。 对于不同的机械产品，其建模方法也不尽相同，但总体思路是相同的。首先确定影响机械产品运行的约束因子，比如载荷、工作环境等；然后对产品进行理论分析，比如静力学、动力学、运动学等多学科的综合分析，建立各个约束变量之间的耦合关系[2]。下面简单介绍一下产品数学模型建立的分析过程。 例如对于一个二自由度的串联机械手（如图1所示）而言，机械手的工作空间是设计之初就必须考虑的，而机械手的工作空间由手臂的长度和各个关节的转角所决定，这样就可已建立一个工作空间的几何模型，该模型的影响因子是转角和长度。 （1） 式中L1为与原点关节相连的杆的长度，1为其转角；L2另外一个杆的长度，2为其转角。x，y为末点的坐标。 图 1 平面二自由度机械手臂 除了工作空间外，还要考虑机械手的响应速度和工作误差，响应速度受到驱动的直接影响，即驱动电机的响应是机械手响应速度的直接影响因子，此外还有手臂的质量m和关节处的摩擦力f等，电机提供转矩，所以电机的转矩M和响应速度s成正比（电机本身就是一个响应系统），而质量与加速度成反比，与响应速度也成反比，摩擦力是阻力，也是响应速度的阻碍因子，根据上述分析，可以列出响应的数学模型。 （2） S为速度，f 为等效摩擦力，为摩擦力偶的等效距离，K，均为系数。 机械结构的强度和刚度也在考虑范围之内，首先对构件进行静力学分析和变形分析，列出变形量和载荷之间的关系，从而验证设计参数是否合格。 （3） 总之在设计之初要建立各个变量之间的约束关系。设计就是一个约束不断被满足的过程[2]，在设计时不断校验参数值是否符合要求，并实时反