CN114896726A - 一种支持产品快速变型设计的配置方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持产品快速变型设计的配置方法及系统，该方法包括：根据设计要求构建产品的设计空间模型；将产品的设计空间模型按功能结构进行划分，得到多个设计区域；基于设计区域，对产品的设计空间模型进行骨架构建，得到骨架模型；对骨架模型的连接接口进行变更，完成变型配置。该系统包括：产品结构解析模块、设计区域划分模块、骨架模型构建模块和产品变型配置模块。该装置包括存储器以及用于执行上述支持产品快速变型设计的配置方法的处理器。通过使用本发明，能够有效提高在产品变型设计过程中产品的变型设计能力，缩短产品的开发周期。本发明作为一种支持产品快速变型设计的配置方法及系统，可广泛应用于智能制造领域。

Description

一种支持产品快速变型设计的配置方法及系统

技术领域

本发明涉及智能制造领域，尤其涉及一种支持产品快速变型设计的配置方法及系统。

背景技术

产品制造是中国智能制造发展战略的主攻方向，而产品设计是产品生产制造的重要组成部分。在实际生产过程中，变型设计是产品设计的主要类型。变型设计是在保持产品基本功能、基本原理和基本结构实现方案不变的前提下，对产品的某些局部功能和结构进行调整、变更以适应新的要求，或是通过对产品的结构形式和尺寸进行调整、变更以满足不同工作性能的要求。在客户多样化、个性化的市场需求驱动下，以基型产品为基础的变型设计，能有效的缩短设计周期，保证产品质量，能够最大限度的响应市场需求。变型设计的研究对于产品设计具有重要的意义。

产品变型设计是一个反复的迭代过程，由于产品零部件之间复杂的关联关系以及不同的关联强度，作用于单个零件的设计更改将导致一个或多个零部件的改变，从而引起一连串其它零部件骨牌效应的改变。一处小小改动都有可能涉及大量的设计变动，导致最终不得不重新设计产品。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种支持产品快速变型设计的配置方法及系统，能够有效提高在产品变型设计过程中产品的变型设计能力，缩短产品的开发周期。

本发明所采用的第一技术方案是：一种支持产品快速变型设计的配置方法，包括以下步骤：

根据设计要求构建产品的设计空间模型；

将产品的设计空间模型按功能结构进行划分，得到多个设计区域；

基于设计区域，对产品的设计空间模型进行骨架构建，得到骨架模型；

对骨架模型的连接接口进行变更，完成变型配置。

进一步，还包括元素库构建步骤，具体包括：

基于先验知识，按设计区域制作设计元素，并对设计元素配备连接接口，得到元素库。

进一步，所述根据设计要求构建产品的设计空间模型这一步骤，其具体包括：

获取设计要求对产品结构进行解析；

根据产品的负载数量、作用力位置、作用力大小、作用力方向、运行工况和制造方式，确立设计边界；

根据设计边界构建产品的设计空间模型。

进一步，所述功能结构包括装配结构、焊接结构和受力支撑结构，每个设计区域对应一个功能。

进一步，所述基于设计区域，对产品的设计空间模型进行骨架构建，得到骨架模型这一步骤，其具体包括：

将设计区域参数化，得到由基准点、线、面组成的产品结构模型；

对产品结构模型中各设计区域的空间位置和空间形状进行勾画；

在每两个设计区域的连接处设置6自由度连接平面，构建参数集描述连接平面的空间位置并通过样条曲线连接所有连接平面；

得到骨架模型；

所述骨架模型自顶向下传递产品的约束及参数信息；

所述参数信息包括装配信息、尺寸大小和空间位置参数。

进一步，所述对骨架模型的参数信息进行修改，完成变型配置这一步骤，其具体包括：

根据需求对骨架模型的连接接口进行变更，激活变更设计规则；

根据变更设计规则从预构建的元素库中调取具备对应连接结构的设计元素，并通过骨架模型的装配信息和空间位置参数进行装配，完成变型配置设计。

本发明所采用的第二技术方案是：一种支持产品快速变型设计的配置系统，包括：

产品结构解析模块，用于根据设计要求构建产品的设计空间模型；

设计区域划分模块，用于将产品的设计空间模型按功能结构进行划分，得到多个设计区域；

骨架模型构建模块，基于设计区域，对产品的设计空间模型进行骨架构建，得到骨架模型；

产品变型配置模块，用于对骨架模型的连接接口进行变更，完成变型配置。

进一步，还包括：

元素库构建模块，用于按功能结构制作设计元素，并对设计元素配备连接接口，得到元素库。

本发明方法及系统的有益效果是：本发明通过骨架模型的构建实现了装配结构和建模结构的分离，反映了各设计区域之间的关联信息，且每个设计区域内部建模结构相互独立，从而减少了模型中的相互关联信息，保证了模型稳定性的同时提高了变型设计的效率。

附图说明

图1是本发明一种支持产品快速变型设计的配置方法的步骤流程图；

图2是本发明具体实施例自行车曲柄的设计需求及设计空间；

图3是本发明具体实施例曲柄设计区域划分及对应的骨架模型与接口设计的示意图；

图4是本发明具体实施例元素库部分示意图；

图5是本发明具体实施例曲柄变型设计的示意图；

图6是本发明具体实施例整体流程图；

图7是本发明一种支持产品快速变型设计的配置系统的结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1和图6，本发明提供了一种支持产品快速变型设计的配置方法，该方法包括以下步骤：

S1、根据设计要求构建产品的设计空间模型；

S1.1、获取设计要求对产品结构进行解析；

S1.2、根据产品的负载数量、作用力位置、作用力大小、作用力方向、运行工况和制造方式，确立设计边界；

S1.3、根据设计边界构建产品的设计空间模型。

具体地，设计人员根据已有的设计知识及前期项目经验，结合该产品不同的应用工况、不同的载荷数量以及作用位置等设计需求，确立该产品的最大设计空间，并定义该产品不同的功能结构，构建该产品的功能结构模型。

S2、将产品模型按功能结构进行划分，得到设计区域；

具体地，所述的设计区域划分是指将已经定义好的设计空间按功能结构划分为不同的设计区域，所述的设计区域划分的最基本的划分原则是每个设计区域仅涉及到一个功能，以设计区域为产品建模的要素，将一个设计区域视作一个设计模块，减少每个设计区域的关联性，使每个设计区域都有相对独立的建模结构。

所述功能结构包括装配结构、焊接结构和受力支撑结构，每个设计区域对应一个功能，个设计区域只涉及一个负载或者支持一种作用力。

S3、基于设计区域，对产品的设计空间模型进行骨架构建，得到骨架模型；

S3.1、将设计区域参数化，得到由基准点、线、面组成的产品结构模型；

S3.2、对产品结构模型中各设计区域的空间位置和空间形状进行勾画；

S3.3、在每两个设计区域的连接处设置6自由度连接平面，构建参数集描述连接平面的空间位置(如平面之间的距离、偏转角度等)并通过样条曲线连接所有连接平面；

S3.4、得到骨架模型；

具体地，所述骨架模型自顶向下传递产品的约束及参数信息，所述的骨架模型构建是在设计区域划分的基础上，对各设计区域的参数化定义由基准点、线、面组成的产品结构模型，反映产品各设计区域之间的关联关系和配置框架；所述的骨架模型勾画了产品各设计区域的主要空间位置和空间形状等，并作为最终构建设计元素的参考。通过所述的骨架模型自顶向下传递产品的约束及参数信息，结合各设计区域的功能设计需求，确定各设计区域的建模结构及参数。

S4、基于先验知识，按设计区域制作设计元素，并对设计元素配备连接接口，得到元素库。

具体地，所述的元素库建立是针对每个设计区域，以基于知识的设计方法构建出的所有设计元素的集合，是一种新的知识库的表现形式；所述的元素库中的每个设计元素都配备了指定的连接接口，保证配置后的设计元素在接口处能平顺过渡。通过基于知识的设计方法将设计人员、专家的设计和变型知识以设计参数、设计规则、设计约束、设计特征等方式转化为一系列具有相同功能但不同设计的设计元素，得到该产品的设计元素库。

在产品设计过程中，设计元素被视为一种新的知识集成方式，允许设计人员对设计区域的需求、功能和物理结构之间的关系进行建模。而这些集成了设计和变型知识的设计元素使得变型设计的过程是可控的，即可变型对象被局限在一定设计区域内。

S5、对骨架模型的参数信息进行修改，完成变型配置。

S5.1、通过内嵌于设计元素的设计规则，根据需求对连接接口进行变更，激活相应的变更设计规则；

S5.2、根据修改信息从预构建的元素库中调取设计元素，并通过连接接口与其它设计元素关联，完成变型配置。

具体地，产品变型配置模型中各个设计元素的位置和方向是通过骨架模型来管理的，只要改变骨架模型的参数信息，关联的设计元素随之呈现相应变化，实现了骨架驱动的产品参数化变型设计。

在整个设计过程中，设计元素库是动态可变的，即可以根据需求添加、修改、替换、删除库中的设计元素，以便针对不同的需求生成最优的解决方案。同时，随着设计流程的推进，设计人员会积累了更多的信息和知识，以致他们可以通过修改产品中涉及的设计元素来获得具有更优性能的解决方案。

以曲柄机构为例：

曲柄机构作为自行车的主要零部件之一，由于曲柄的主要工作原理基本相同，如果针对每种自行车都设计相应的曲柄结构不仅费事、不经济，而且也不便于维修。本实施例利用快速变型的配置方法针对不同的偏好及个性化需求，构建具有不同结构的曲柄设计方案，在减少设计生产成本、缩短产品设计周期的同时保证曲柄设计的多样化。

曲柄结构的最大设计空间及初步结构示意如图2所示。这种曲柄的设计空间包含两个装配孔，其中装配孔1固定，装配孔2上有垂直于孔径的负载F。

1)首先是对曲柄进行结构解析：结合现有的工程知识，两个装配孔的位置及相关支撑结构是曲柄设计过程中最重要的设计结构。

2)由于两个装配孔不同的装配形式以及负载工况(装配孔1是固定安装在自行车骨架轴上，装配孔2上有负载，且负载的作用效果是变化的)，该曲柄结构被划分为3个独立的设计区域，即两头含有装配孔的设计区域1和设计区域3以及这两个区域的过渡设计区域2。

根据设计区域的划分以及各设计区域不同的功能需求，建立了一个由四个用户自定义坐标系(User Coordinate System,UCS)构成的骨架模型，其中两端的UCS位置定义在两个装配孔的中心位置，另外两个位于设计区域2的两端，相邻UCS通过构建的B-spline样条曲线连接，且样条曲线的两端分别与各自所在UCS的x轴相切，从而确保不同设计元素连接处能平顺过渡，YZ平面则是构建连接接口的参考界面，如图3所示。

相邻UCS之间的空间为该设计区域的最大设计空间，而UCS的6个自由度分别定义了相邻设计区域之间接口的位置和方向。

3)设计人员根据现有的工程知识结合实际设计需求构建了6个不同的接口形状，作为装配体中各设计元素的结合接口，便于实现产品各设计区域的平顺过渡，同时丰富设计元素的多样性，如图3中a)-f)所示。

4)构建完整的设计元素库是生成式参数化设计方法实现产品变型设计的基础，是支持产品变型设计和配置设计的知识库。

设计元素的建立是一个基于知识的设计过程。首先通过骨架模型的参数化定义，确定每个设计区域的整体参数。

所述设计元素是通过三维建模软件里的参数化设计功能实现的。首先在相邻UCS的YZ平面上建立所需接口的参数化草图，然后以骨架模型之间的样条曲线为中心线，通过放样命令可以实现实体模型的构建。

在设计元素的构建过程中，设计与变型知识是通过不同的接口数量(如图3中a)-f))及类型、不同的接口排列结合不同的设计理念(是否可拆卸、采用何种制造方式等)来实现的。

不同的接口数量及类型代表了不同的设计方案，而不同的接口组合又实现了设计方案的多样化。同时，设计元素的构建也需充分考虑制造工艺带来的设计约束，并将相关的工艺及加工知识通过参数或规则的形式集成到模型中，如包边设计元素的厚度及折弯角、冲压设计元素的冲压深度、铸造设计元素的拔模角、增材制造设计元素的壁厚及孔径大小等。

通过这样的设计流程，设计和变型知识就被转化成一系列可以被CAD系统理解的参数特性表、设计规则和几何特征之间的约束关系等。

随着负载的变化通过激活不同的设计规则来实现设计元素的自动配置更新。通过调节UCS的6个自由度和接口的参数可以实现该设计元素的变型设计，如整个设计元素的长度、位置、接口大小等。

采用相同的设计流程，根据不同的设计概念和设计原理(如不同的加工方式或者不同的装配方式)，结合图3中构建的接口形状，创建满足不同需求的具有相同功能的设计元素。这些具有相同功能但不同拓扑结构的设计元素的集合就构成了各设计区域的设计元素库。设计区域1的设计元素库如图4所示。

5)完成所有设计区域的设计元素库建模后，最后一步是配置出适合当前需求的曲柄设计。

在这个实例中，利用Autodesk Inventor三维软件中iLogic功能开发了曲柄配置设计插件。该插件将iLogic规则作为对象直接嵌入到各个设计元素中，如可以通过iLogic规则中的Component.Replace("Part1:1","OtherPartfilename.ipt",True)命令来实现设计元素的替换。

通过选定接口a)，会激活对应的iLogic规则来选中三个设计区域中含有接口a)的设计元素。然后以骨架模型中UCS的位置以及定义的接口参数作为参考，将选定的设计元素以坐标重合的方式装配在一起，摒弃了传统装配零件之间的互相贴合、定位或对齐的装配模式，配置出满足需求的曲柄设计方案。

随着客户需求的变化，曲柄的设计方案也要进行相应的变型设计。通过激活插件中不同的iLogic条件语句，曲柄的变型设计有以下两种方式：一是通过更改骨架模型或者接口的设计参数来改变曲柄的形状，然后通过参数自上而下的传递，实现变型设计的自动更新；二是通过设计元素的变更来实现模型更新，激活不同的iLogic语句来选择适合新需求的设计元素，构建具有不同拓扑结构的曲柄设计方案，如图5所示。

此外，当现有的设计元素库无法满足当前变型设计需求时，设计人员会收集所有关于新需求的设计知识，从而建立新的满足需求的设计元素，并将其加入设计元素库。

与此同时，相应的iLogic规则库也要进行对应的更新，以此来建立满足最新需求的曲柄设计方案。如无法构建合适的设计元素，则需要对设计需求进行重新定义，找到当前设计约束下的最优设计方案。

如图7所示，一种支持产品快速变型设计的配置系统，包括：

产品结构解析模块，用于根据设计要求构建产品的设计空间模型；

设计区域划分模块，用于将产品的设计空间模型按功能结构进行划分，得到多个设计区域；

骨架模型构建模块，基于设计区域，对产品的设计空间模型进行骨架构建，得到骨架模型；

产品变型配置模块，用于对骨架模型的连接接口进行变更，完成变型配置。

具体地，还包括：

元素库构建模块，用于按功能结构制作设计元素，并对设计元素配备连接接口，得到元素库。

上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

一种支持产品快速变型设计的配置装置：

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现如上所述一种支持产品快速变型设计的配置方法。

上述方法实施例中的内容均适用于本装置实施例中，本装置实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于实现如上所述一种支持产品快速变型设计的配置方法。

上述方法实施例中的内容均适用于本存储介质实施例中，本存储介质实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种支持产品快速变型设计的配置方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据设计要求构建产品的设计空间模型；

将产品的设计空间模型按功能结构进行划分，得到多个设计区域；

基于设计区域，对产品的设计空间模型进行骨架构建，得到骨架模型；

对骨架模型的连接接口进行变更，完成变型配置。

2.根据权利要求1所述一种支持产品快速变型设计的配置方法，其特征在于，还包括元素库构建步骤，具体包括：

基于先验知识，按设计区域制作设计元素，并对设计元素配备连接接口，得到元素库。

3.根据权利要求2所述一种支持产品快速变型设计的配置方法，其特征在于，所述根据设计要求构建产品的设计空间模型这一步骤，其具体包括：

获取设计要求对产品结构进行解析；

根据产品的负载数量、作用力位置、作用力大小、作用力方向、运行工况和制造方式，确立设计边界；

根据设计边界构建产品的设计空间模型。

4.根据权利要求3所述一种支持产品快速变型设计的配置方法，其特征在于，所述功能结构包括装配结构、焊接结构和受力支撑结构，每个设计区域对应一个功能。

5.根据权利要求4所述一种支持产品快速变型设计的配置方法，其特征在于，所述基于设计区域，对产品的设计空间模型进行骨架构建，得到骨架模型这一步骤，其具体包括：

将设计区域参数化，得到由基准点、线、面组成的产品结构模型；

对产品结构模型中各设计区域的空间位置和空间形状进行勾画；

在每两个设计区域的连接处设置6自由度连接平面，构建参数集描述连接平面的空间位置并通过样条曲线连接所有连接平面；

得到骨架模型；

所述骨架模型自顶向下传递产品的约束及参数信息；

所述参数信息包括装配信息、尺寸大小和空间位置参数。

6.根据权利要求5所述一种支持产品快速变型设计的配置方法，其特征在于，所述对骨架模型的连接接口进行变更，完成变型配置这一步骤，其具体包括：

根据需求对骨架模型的连接接口进行变更，激活变更设计规则；

根据变更设计规则从预构建的元素库中调取具备对应连接结构的设计元素，并通过骨架模型的装配信息和空间位置参数进行装配，完成变型配置设计。

7.一种支持产品快速变型设计的配置系统，其特征在于，包括：

产品结构解析模块，用于根据设计要求构建产品的设计空间模型；

设计区域划分模块，用于将产品的设计空间模型按功能结构进行划分，得到多个设计区域；

骨架模型构建模块，基于设计区域，对产品的设计空间模型进行骨架构建，得到骨架模型；

产品变型配置模块，用于对骨架模型的连接接口进行变更，完成变型配置。

8.根据权利要求7所述一种支持产品快速变型设计的配置系统，其特征在于，还包括：

元素库构建模块，用于按功能结构制作设计元素，并对设计元素配备连接接口，得到元素库。

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