1 引言
隨著個性化時代的到來,增加產(chǎn)品的多樣性及其個性化成為在這個競爭激烈的市場中取得勝利的重要手段。產(chǎn)品的多樣化和個性化要求企業(yè)能夠?qū)⒖蛻粜枨、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理與配置、智能設(shè)計、生產(chǎn)協(xié)作管理等過程有機地結(jié)合在一起,因此傳統(tǒng)的設(shè)計方法和規(guī)模生產(chǎn)都已經(jīng)不能適應(yīng)市場需求的個性化變遷。各行各業(yè)中產(chǎn)品個性化的大量增加使得非標設(shè)備在各種機械和自動化產(chǎn)品中得到大量運用。在機電設(shè)備市場中,非標設(shè)備占有的市場份額不斷攀升。相對于通用設(shè)備,非標設(shè)備一般都是單件小批量生產(chǎn),其在保證多樣性的前提下也導致生產(chǎn)成本較高,同時由于客戶需求的多樣化,非標設(shè)備的設(shè)計變更也非常頻繁。因此,如何采用新的設(shè)計方法來進行非標設(shè)備的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計并快速地以低成本將其推向市場是目前急待解決的問題。
本文在分析現(xiàn)有的有關(guān)理論和實踐資料的基礎(chǔ)上,首先對模塊化設(shè)計技術(shù)和可適應(yīng)設(shè)計技術(shù)做了理論上的探討,然后結(jié)合非標設(shè)備測漏機的模塊化設(shè)計過程,把模塊化設(shè)計技術(shù)和可適應(yīng)設(shè)計技術(shù)相結(jié)合,從而提出一種非標設(shè)備模塊化可適應(yīng)設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)方法。
2 模塊化設(shè)計技術(shù)
以數(shù)字化、集成化、并行化、網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ),以縮短產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期為目標的模塊化設(shè)計技術(shù)是快速設(shè)計出滿足用戶個性化需求的機械產(chǎn)品的有效手段。
模塊化設(shè)計首先在對一定范圍內(nèi)的產(chǎn)品或系統(tǒng)進行功能分析的基礎(chǔ)上,劃分并設(shè)計出一系列功能獨立、結(jié)構(gòu)獨立的基本單元模塊,并使模塊系列化、通用化、標準化,通過模塊的選擇和組合組成不同的產(chǎn)品或系統(tǒng),以滿足不同的需求。模塊按其結(jié)構(gòu)和功能可以分為基本模塊、必選模塊和可選模塊,各個模塊按一定的選擇規(guī)則層層構(gòu)成上層模塊,最終形成產(chǎn)品。模塊化后的機械產(chǎn)品具有下列特點:互換性強,便于維修;質(zhì)量高、成本低,能解決多品種、小批量和大批量加工之間的矛盾;有利于企業(yè)采用先進技術(shù)改造舊產(chǎn)品,開發(fā)新產(chǎn)品;有利于縮短產(chǎn)品的設(shè)計、制造和供貨期限。模塊化產(chǎn)品族的主結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
圖1 模塊化產(chǎn)品族的主結(jié)構(gòu)示意圖
模塊化設(shè)計與傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計在兩個方面表現(xiàn)出明顯的差異:第一,在遵循標準的前提下,模塊創(chuàng)新是分散進行的,具有相當?shù)莫毩⑿;第二,協(xié)調(diào)機制不再依靠一體化的組織,而是網(wǎng)絡(luò)化的知識集成。模塊化設(shè)計技術(shù)的關(guān)鍵在于模塊結(jié)構(gòu)的標準化以及科學地、有節(jié)制地劃分模塊。
3 可適應(yīng)設(shè)計技術(shù)
可適應(yīng)設(shè)計是一種新的設(shè)計模式,它兼顧經(jīng)濟效益和環(huán)境效益?蛇m應(yīng)設(shè)計的理念要求在設(shè)計某一產(chǎn)品,系統(tǒng)時,不是僅僅考慮此單一產(chǎn)品/系統(tǒng)的實現(xiàn),也應(yīng)該考慮到可能的產(chǎn)品系統(tǒng)的衍生、擴展、提升等適應(yīng)能力的可能性,并從結(jié)構(gòu)上考慮其實現(xiàn)性?蛇m應(yīng)設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計方法相比具有許多優(yōu)勢,可適應(yīng)產(chǎn)品可重用于新產(chǎn)品開發(fā)中,從而縮短開發(fā)時間和降低開發(fā)成本。當通過維護和維修后產(chǎn)品功能仍無法滿足需求時,可適應(yīng)產(chǎn)品通過更換或重構(gòu)某些零部件或模塊來獲取新的功能,而不是丟棄或回收產(chǎn)品。這樣可以最大程度上減少產(chǎn)品對環(huán)境的影響,真正實現(xiàn)綠色設(shè)計。由此可見,模塊化設(shè)計技術(shù)是可適應(yīng)設(shè)計的核心,但模塊化設(shè)計技術(shù)又不能代表可適應(yīng)設(shè)計技術(shù)。因為模塊化產(chǎn)品并不一定具有適應(yīng)性,也不能應(yīng)對新功能需求的變化。
可適應(yīng)設(shè)計能夠適應(yīng)社會經(jīng)濟、環(huán)境、資源的動態(tài)變遷;能夠適應(yīng)技術(shù)進步;能夠適應(yīng)用戶個性化需求;能夠適應(yīng)全生命周期內(nèi)產(chǎn)品與社會的協(xié)調(diào)。可適應(yīng)產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)對環(huán)境的影響見圖2。
圖2 可適應(yīng)設(shè)計產(chǎn)品對環(huán)境的影響
可適應(yīng)設(shè)計的構(gòu)成要素見圖3。產(chǎn)品的設(shè)計需求通過劃分為獨立的功能、物理結(jié)構(gòu)來進行建模,產(chǎn)品的設(shè)計方案通過可適應(yīng)平臺架構(gòu)中的產(chǎn)品族結(jié)構(gòu)來進行建模,實現(xiàn)所需的設(shè)計功能與所需的可適應(yīng)產(chǎn)品的模塊通過可適應(yīng)接口來進行連接,可適應(yīng)設(shè)計知識的建模通過知識的獲取、表達及應(yīng)用來完成。
圖3 可適應(yīng)設(shè)計的構(gòu)成要素
對非標設(shè)備的可適應(yīng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)包括:面向大批量定制的非標設(shè)備需求建模方法,模糊需求的定量表達方法,需求相似性度量方法;非標設(shè)備功能建模理論,多功能和替換功能的建模方法,產(chǎn)品功能的層次化建模理論;可適應(yīng)設(shè)計中可以靈活地添加、刪除或修改功能單元,需要研究功能的獨立性與功能組合方法;產(chǎn)品可適應(yīng)設(shè)計模型,設(shè)計方案滿足功能需求的方法,建立設(shè)計方案與功能模型的映射機制;可適應(yīng)定性和定量評價體系,設(shè)計制造知識管理與重用方法,設(shè)計方案評價與優(yōu)化理論等。
4 可適應(yīng)設(shè)計應(yīng)用實例一測漏機可適應(yīng)模塊化設(shè)計系統(tǒng)
近年來,我國工業(yè)制造行業(yè)得到快速發(fā)展,其相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量與安全性能檢測也變得日益重要,其中氣密性檢測是保證其質(zhì)量與安全的一項重要手段。氣密性檢測儀(測漏機)廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、飛機、制冷設(shè)備、家用電器、燃氣設(shè)備用具、住宅設(shè)備等各種機電設(shè)備的零部件生產(chǎn)檢驗中,由于檢驗對象的多樣化與非標化,這就對測漏設(shè)備的設(shè)計與生產(chǎn)提出了更多的要求,同時也要求對各種非標測漏設(shè)備采用可適應(yīng)的設(shè)計方法與思路。
4.1 測漏機可適應(yīng)模塊化設(shè)計系統(tǒng)的規(guī)劃
可適應(yīng)模塊化設(shè)計系統(tǒng)(Adaptable Modularize Design System,AMDS)的構(gòu)基于于PDM(Product Data Management,產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)技術(shù)層次結(jié)構(gòu)的理論。PDM是一門用來管理所有與產(chǎn)品相關(guān)信息(包括零件信息、配置、文檔、CAD文件、結(jié)構(gòu)、權(quán)限信息等)和所有與產(chǎn)品相關(guān)過程(包括過程定義和管理)的技術(shù)。PDM的功能主要體現(xiàn)在:電子倉庫與文檔管理功能;產(chǎn)品流程及設(shè)計過程管理;產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與配置管理;產(chǎn)品生命周期管理;分類及檢索功能;集成開發(fā)接口。測漏機可適應(yīng)模塊化設(shè)計系統(tǒng)總體框架見圖4。
圖4 測漏機可適應(yīng)模塊化設(shè)計系統(tǒng)總體框架
最底層的數(shù)據(jù)層包括PDM數(shù)據(jù)庫、PDM電子倉庫、產(chǎn)品配置數(shù)據(jù)庫。在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,凡是最終可以轉(zhuǎn)換成計算機描述和存儲的數(shù)據(jù),都可以納入PDM的數(shù)據(jù)管理范圍,例如:產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和配置、零件定義及設(shè)計數(shù)據(jù)、CAD繪圖文件、工程分析及驗證數(shù)據(jù)、制造計劃及規(guī)范、NC編程文件、圖像文件(照片、造型圖、掃描圖等)、產(chǎn)品說明書、軟件產(chǎn)品(程序、庫、函數(shù)等“零部件”)、各種電子報表、成本核算、產(chǎn)品注釋等、項目規(guī)劃書、多媒體音像產(chǎn)品、硬拷貝文件、其它電子數(shù)據(jù)等。
構(gòu)建于PDM數(shù)據(jù)層之上的PDM平臺層包括產(chǎn)品管理、模塊管理、零件管理、文檔管理、工作流程管理、用戶權(quán)限管理等功能,從而實現(xiàn)對產(chǎn)品全生命周期中相關(guān)的數(shù)據(jù)、文檔、流程等的統(tǒng)一集中管理,可在企業(yè)范圍內(nèi)為產(chǎn)品設(shè)計和制造建立一個并行化的協(xié)作環(huán)境,大大提升產(chǎn)品開發(fā)和管理效率。PDM平臺層中的應(yīng)用擴展和集成工具可以起到一個集成框架的作用,各種應(yīng)用程序諸如CAD/CAM/CAE/CAPP、OA、ERP等將通過各種各樣的方式,如應(yīng)用接口、開發(fā)(封裝)等,直接作為一個個對象而被集成進來,使得分布在企業(yè)各個地方、在各個應(yīng)用中使用(運行)的所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)得以高度集成、協(xié)調(diào)、共享,所有產(chǎn)品研發(fā)過程得以高度優(yōu)化或重組,從而縮短設(shè)計所需時間,提高設(shè)計效率。CAX系統(tǒng)與PDM系統(tǒng)相集成,可以充分利用現(xiàn)有零部件資源,縮短產(chǎn)品設(shè)計時間;可以迅速向客戶提出正確的報價和展示產(chǎn)品原型;可以追溯整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)的產(chǎn)品情況等。
最上層的擴展應(yīng)用層按照非標測漏設(shè)備的設(shè)計流程來進行組織。首先輸入客戶需求,同時對客戶需求進行歸類保存,然后利用系統(tǒng)的檢索功能在產(chǎn)品族中進行相似產(chǎn)品的查詢,從已有的設(shè)計中找到與新需求最接近的已有設(shè)計樣本,再根據(jù)新的功能或特性要求,進行模塊的替換或修改,得到新的設(shè)計,利用各種軟件進行基于虛擬設(shè)備的靜、動態(tài)分析,最終得到最佳設(shè)計方案,并進行方案的預(yù)裝配。最終設(shè)計方案定型后,再進行設(shè)計系統(tǒng)的維護,包括用戶需求的維護、模塊參數(shù)的維護、參數(shù)權(quán)重設(shè)置等。
4.2 測漏機可適應(yīng)模塊化設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用
測漏機可適應(yīng)模塊化設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)建工作流程如圖5所示。
圖5 測漏機可適應(yīng)模塊化設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)建工作流程
構(gòu)建產(chǎn)品可適應(yīng)模塊化設(shè)計系統(tǒng)的關(guān)鍵業(yè)務(wù),是正確的產(chǎn)品基型劃分以及對基型的模塊化分解。
正確的基型劃分基于對產(chǎn)品架構(gòu)的準確解析,產(chǎn)品基型劃分后,同時對產(chǎn)品基型進行模塊化分解,結(jié)構(gòu)塊被劃分成不同的參數(shù)等級,因而其結(jié)構(gòu)塊也是產(chǎn)品系列。組合產(chǎn)品的開發(fā)步驟首先是明確要求、劃分功能結(jié)構(gòu),然后確定分功能的作用原理、選擇方案和評價,最后計算導出產(chǎn)品尺寸,調(diào)整尺寸,形成產(chǎn)品的主結(jié)構(gòu)和各種主文檔,將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進一步進行標準化后,形成模塊化設(shè)計準則及有關(guān)標準規(guī)定。
其中產(chǎn)品編碼系統(tǒng)由企業(yè)自行設(shè)定,可由專業(yè)的SolidWorks編碼管理器插件進行定義和管理。面向物料的管理可以在編碼系統(tǒng)中任意定制符合企業(yè)特點的編碼規(guī)則,編碼系統(tǒng)的管理具有可維護性,可以在系統(tǒng)中對編碼進行修改、刪除、增加和唯一性校驗。
在模塊化開發(fā)平臺的基礎(chǔ)上,可以很方便地進行產(chǎn)品設(shè)計,通過產(chǎn)品配置設(shè)計、變型設(shè)計可以實現(xiàn)產(chǎn)品快速報價,也可以快速設(shè)計產(chǎn)品和制造過程。利用構(gòu)建好的可適應(yīng)模塊化平臺進行測漏機新產(chǎn)品設(shè)計選型生產(chǎn)流程如圖6所示。
圖6 測漏機新產(chǎn)品設(shè)計選型生產(chǎn)流程
在對非標新產(chǎn)品進行設(shè)計時,首先通過構(gòu)建好的可適應(yīng)模塊化設(shè)計平臺查找符合條件的基型產(chǎn)品,再從中選擇出與之最接近的產(chǎn)品設(shè)計,如果對最貼近的產(chǎn)品圖紙滿意,就可以在其基礎(chǔ)上按訂貨零件要求在已有設(shè)計上作出局部的調(diào)整與修改,進行總體方案設(shè)計。這個總體方案的設(shè)計過程就需要可適應(yīng)設(shè)計平臺中模塊庫、產(chǎn)品庫、標準庫的參與,同時對新產(chǎn)品的專用卡具和需要作出修改的基型模型進行設(shè)計改進,在設(shè)計完畢后借助模塊化生產(chǎn)平臺的參與完成產(chǎn)品的總裝和驗收。如果對最貼近的產(chǎn)品圖紙不滿意,那就需要重復選型過程或者進一步充實測漏產(chǎn)品型譜系列。由圖示設(shè)計選型過程可見,采用可適應(yīng)模塊化平臺的設(shè)計方法,可以大大減少設(shè)計時間和重復勞動,提高設(shè)計效率,從而保證新設(shè)計所消耗的成本最低。
5 結(jié)語
本文論述了把可適應(yīng)設(shè)計技術(shù)和模塊化設(shè)計技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于非標設(shè)備測漏機的設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)建,以及利用構(gòu)建好的設(shè)計平臺完成新產(chǎn)品的設(shè)計選型的基本流程。其作用在于利用已有設(shè)計實現(xiàn)新產(chǎn)品的快速開發(fā)與投產(chǎn),從而提高企業(yè)在進行各種非標產(chǎn)品的設(shè)計和制造領(lǐng)域的核心競爭力,進一步提高中國制造在全球制造鏈的地位,把“中國制造”更好更快地升級為“中國智造”。
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本文標題:非標設(shè)備模塊化可適應(yīng)設(shè)計系統(tǒng)的實現(xiàn)與應(yīng)用
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