圖1 中北大學(xué)機(jī)械與動力學(xué)院CAD/CAM室主任王宗彥

一、前言

    在移動互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，制造企業(yè)與客戶的距離越來越近，客戶甚至可以直接定制產(chǎn)品，驅(qū)動制造。這也就是移動互聯(lián)為制造業(yè)帶來一種新的設(shè)計(jì)模式——定制設(shè)計(jì)。所以今天我的演講題目是“面向定制的模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)”，將圍繞模塊化設(shè)計(jì)和參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)，討論如何進(jìn)一步提升機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率。

    目前模塊化產(chǎn)品平臺是企業(yè)信息化的基礎(chǔ)工作，在未來定制設(shè)計(jì)模式下企業(yè)的核心業(yè)務(wù)就是面向快速定制的設(shè)計(jì)方式，即在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中應(yīng)該盡量減少新設(shè)計(jì)零部件和適應(yīng)性設(shè)計(jì)零部件的數(shù)量，加大變型設(shè)計(jì)零部件和標(biāo)準(zhǔn)件的比例，用盡可能少的零部件種類組合成盡可能多種類的產(chǎn)品，即以盡可能少的產(chǎn)品內(nèi)部多樣化，產(chǎn)生盡可能多的產(chǎn)品外部多樣化。

圖2 通過內(nèi)部模塊化實(shí)現(xiàn)外部多樣化

    達(dá)到這種通過最少內(nèi)部模塊化實(shí)現(xiàn)外部多樣化的一種有效的解決方法就是將模塊化設(shè)計(jì)與參數(shù)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)快速定制的目的。目前在模塊化與參數(shù)化設(shè)計(jì)中還存在著一些不足：

    第一，產(chǎn)品系列化、標(biāo)準(zhǔn)化程度低，特別是單件小批量生產(chǎn)模式的產(chǎn)品；

    第二，還沒有一種有效的模塊劃分方法和劃分粒度評價(jià)方法，缺少一個(gè)有效的支持模塊化設(shè)計(jì)的人機(jī)協(xié)作的環(huán)境；

    第三，當(dāng)前的參數(shù)驅(qū)動技術(shù)，大多還停留在零件模型上，產(chǎn)品級的參數(shù)化設(shè)計(jì)還未見報(bào)道，基于特征的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)、變型設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)的來源（設(shè)計(jì)計(jì)算或設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)）還未見研究，對提高設(shè)計(jì)效率不明顯；

    第四，現(xiàn)有的模塊化設(shè)計(jì)和基于實(shí)例推理技術(shù)的變型設(shè)計(jì)方法，缺乏有效的數(shù)據(jù)搜索功能，還不能解決企業(yè)設(shè)計(jì)資源重用問題，尚缺少行之有效的實(shí)施手段；

    第五，當(dāng)前的參數(shù)化變型設(shè)計(jì)研究尚未和有限元分析進(jìn)行集成分析，模型變型設(shè)計(jì)后的工程有效性沒有校核，因此，導(dǎo)致三維參數(shù)化變型設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用范圍受到限制；

    第六，還沒有建成一套完整的模塊化和參數(shù)化有機(jī)結(jié)合的方法體系，尚未建立某一產(chǎn)品的快速定制平臺；

    第七，設(shè)計(jì)從3D開始認(rèn)識不足，2D依然為考核手段。

    因此我們必須進(jìn)一步深入研究模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)。

二、模塊化設(shè)計(jì)

    模塊化設(shè)計(jì)思想起源于上個(gè)世紀(jì)，1900年德國的家具公司想要生產(chǎn)一種“理想書架”，由底座、架體和頂板三種模塊，強(qiáng)調(diào)在幾何尺寸上可以實(shí)現(xiàn)連接和互換�？山M合成不同書架產(chǎn)品。到1920年，德國一家公司把銑床進(jìn)行了模塊劃分，可以方便的組裝成用戶需求的產(chǎn)品，得到了比較好的效果。到20世紀(jì)50年代，歐美一些專家把模塊化設(shè)計(jì)作為一種先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法提出來。目的是為了提高設(shè)計(jì)效率，使設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌騻鬟f和繼承，以利于進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)和生產(chǎn)水平，在汽車等產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。到20世紀(jì)70-80年代，大量模塊化產(chǎn)品進(jìn)入實(shí)用階段，特別是電子設(shè)備中得到成功應(yīng)用（大規(guī)模集成電路），模塊化理論取得了很大進(jìn)展。

    模塊是模塊化產(chǎn)品的基本元素，模塊定義為一組同時(shí)具有相同功能和相同結(jié)合要素，具有不同性能或用途甚至不同結(jié)構(gòu)特征，但能互換的單元。模塊化一般是指使用模塊的概念對產(chǎn)品或系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)和組織。模塊化設(shè)計(jì)是在對一定范圍內(nèi)的不同功能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進(jìn)行功能結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計(jì)出一系列模塊，通過模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市場不同需求的設(shè)計(jì)方法。

    模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在這種方法具有采用互換性的一定功能和聯(lián)接要素的單元進(jìn)行組合而形成產(chǎn)品的特征，它強(qiáng)調(diào)以功能分析為基礎(chǔ)，以市場預(yù)測為導(dǎo)向，把功能不同或者功能相同而性能不同的模塊進(jìn)行組合和互換，形成多種通用、變形的產(chǎn)品，使產(chǎn)品系列具有很大的適應(yīng)性，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品便于維修。這種設(shè)計(jì)方法不僅能滿足用戶多品種的要求，而且縮短設(shè)計(jì)周期，使企業(yè)在市場競爭中獲得主動權(quán)。

    模塊化設(shè)計(jì)的支撐理論有以下三個(gè)：第一個(gè)是系統(tǒng)論原理，任何模塊化的事或物都可看成是一個(gè)系統(tǒng)，開展模塊化工作要善于運(yùn)用系統(tǒng)論的原理才能取得良好的系統(tǒng)效果；第二個(gè)是相似性原理，分析和識別大量不同產(chǎn)品和過程中的相似性，挖掘存在于產(chǎn)品和過程中的幾何相似性、結(jié)構(gòu)相似性、功能相似性和過程相似性，利用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化方法減少產(chǎn)品內(nèi)部的多樣化，提高零部件和生產(chǎn)過程的可重用性；第三個(gè)是重用性與標(biāo)準(zhǔn)化原理，通過采用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化的方法，充分挖掘和利用這些單元，將定制產(chǎn)品的生產(chǎn)問題通過產(chǎn)品重組和過程重組，全部或部分轉(zhuǎn)化為批量生產(chǎn)的問題，從而以較低的成本、較高的質(zhì)量和較快的速度生產(chǎn)出個(gè)性化產(chǎn)品。

    不同層次的模塊化有產(chǎn)品級模塊化、部件級模塊化、零件級模塊化三種。一個(gè)典型的產(chǎn)品級模塊化例子，大眾有這樣一個(gè)產(chǎn)品開發(fā)平臺對帕薩特與邁騰作為一個(gè)統(tǒng)一的產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩款車型的快速開發(fā)。其理念是“同級別車之間，看得見的地方都不同，而看不見的地方都相同”。部件級模塊化比如發(fā)動機(jī)、內(nèi)嚙合齒輪泵、汽車輪胎等的開發(fā)。零件級模塊化比如SolidWorks中的標(biāo)準(zhǔn)件庫。

圖3 大眾PQ46平臺實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品級模塊化設(shè)計(jì)

三、參數(shù)化設(shè)計(jì)

    參數(shù)化技術(shù)的研究始于20世紀(jì)60年代，Sutherland在開發(fā)Sketchpad系統(tǒng)中，提出了利用幾何約束技術(shù)進(jìn)行圖形修改的思想。1978年麻省理工學(xué)院機(jī)械工程系的一篇“CAD零件的特征表示”揭開了特征設(shè)計(jì)的序幕。20世紀(jì)90年代PTC公司的Pro/E實(shí)現(xiàn)了三維參數(shù)化造型理論，SDRC的I-DEAS實(shí)現(xiàn)了三維變量化造型理論，形成了基于特征的實(shí)體建模技術(shù)。美國波音公司的747就采用CAD技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無紙化設(shè)計(jì)，后面出現(xiàn)的所有CAD系統(tǒng)都是采用該技術(shù)。

    參數(shù)化技術(shù)是以幾何約束關(guān)系建立產(chǎn)品的參數(shù)化模型，修改參數(shù)化模型的參數(shù)可得到同系列不同尺寸的產(chǎn)品。參數(shù)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動化的一種有效方法。參數(shù)化設(shè)計(jì)是以約束來表達(dá)產(chǎn)品模型的形狀特征，以一組參數(shù)來控制設(shè)計(jì)結(jié)果，從而能通過變換一組參數(shù)值方便的創(chuàng)建一系列相似的零部件，這種參數(shù)驅(qū)動的方式便于用戶的修改和設(shè)計(jì)。而我的報(bào)告主題就是要將模塊化與參數(shù)化的結(jié)合，利用參數(shù)化技術(shù)將模塊“變活”“變異”實(shí)現(xiàn)變型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，將參數(shù)添加到模塊中，可實(shí)現(xiàn)模塊結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)化，更易于模塊匹配和連接。

    參數(shù)化技術(shù)利用三維平臺本身具備的參數(shù)驅(qū)動機(jī)制，可以對模板模型的幾何數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)化修改，實(shí)現(xiàn)模型和工程圖的關(guān)聯(lián)驅(qū)動。將設(shè)計(jì)知識與經(jīng)驗(yàn)融入三維模型是實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)模型的全約束十分復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)模塊參數(shù)化，需確定模塊的主從參數(shù)，明確參數(shù)變化規(guī)律，并建立參數(shù)化模板模型。由用戶控制的，即能夠獨(dú)立變化的參數(shù)一般只有幾個(gè)，稱之為主參數(shù)或主約束；其他約束可由圖形結(jié)構(gòu)特征確定或與主約束有確定關(guān)系，稱它們?yōu)榇渭s束。

    產(chǎn)品級參數(shù)化設(shè)計(jì)流程中，首先進(jìn)行零件幾何形狀分析，然后進(jìn)行零件參數(shù)分析，依次建立零部件的主模型、主文檔、主結(jié)構(gòu)，最后實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品級參數(shù)化設(shè)計(jì)。

圖4 模塊化產(chǎn)品族的主結(jié)構(gòu)示意圖

四、關(guān)鍵技術(shù)

    選擇典型產(chǎn)品為模板，按照模塊化設(shè)計(jì)的原理，把產(chǎn)品分解成相對獨(dú)立的模塊，對每一模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)，將設(shè)計(jì)知識和經(jīng)驗(yàn)融入三維模型，并實(shí)現(xiàn)的模型驅(qū)動、分析校核以及二維工程圖的自動更新。它不僅包括傳統(tǒng)參數(shù)化所涵蓋的由特征尺寸的修改而形成的結(jié)構(gòu)相同但尺寸不同的零部件的參數(shù)化，而且包括局部結(jié)構(gòu)有變化的相似零部件的變型設(shè)計(jì)，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)件、工程圖相關(guān)信息自動快速更新，并實(shí)現(xiàn)零部件尺寸、數(shù)量、重量等的精確設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)快速定制設(shè)計(jì)。

    這其中涉及三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：

    基于模板的參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)：模板是參數(shù)化設(shè)計(jì)的對象，選擇典型產(chǎn)品作為模板。在創(chuàng)建參數(shù)化模板的過程中需要采用相似性原則和最大化原則，應(yīng)盡可能多的考慮模型可能發(fā)生的變化，同時(shí)考慮采用配置設(shè)計(jì)時(shí)可能存在的各種配置組合，使模板的功能最全，通過不同情況對模板進(jìn)行相應(yīng)的程序處理而得到所需的變型結(jié)果。

    參數(shù)化有限元分析技術(shù)：利用APDL的程序語言或第三方開發(fā)語言（如VB）組織管理ANSYS的有限元分析命令流，就可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、加載參數(shù)化載荷與求解以及參數(shù)后處理結(jié)果的顯示，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程。在參數(shù)化的分析過程中可以修改其中的參數(shù)達(dá)到反復(fù)分析各種尺寸、不同載荷大小的多種設(shè)計(jì)方案或者系列化產(chǎn)品，極大的提高分析效率，減少分析成本。

    工程圖調(diào)整技術(shù)：參數(shù)化后直接生成的工程圖布局較差、視圖位置交叉、視圖范圍超出圖紙邊界、尺寸飄移、注釋錯位等缺陷而不適于直接指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，所以必須對其進(jìn)行優(yōu)化，以滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。調(diào)整內(nèi)容包括：位置自動調(diào)整。主要包括視圖位置調(diào)整、尺寸位置調(diào)整、注解（零件序號、焊接符號、粗糙度、各種注釋等）位置調(diào)整；比例自動調(diào)整；視圖自動斷裂；懸空內(nèi)容自動刪除；中心線、中心符號線自動添加；BOM表信息自動處理。

圖5 工程圖調(diào)整技術(shù)

    C/S/W體系結(jié)構(gòu)技術(shù)：C-客戶端安裝應(yīng)用程序主要負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的創(chuàng)建與維護(hù)；S-服務(wù)器負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)文檔的管理；W-工作站安裝模型驅(qū)動工程圖優(yōu)化程序，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)文檔和工藝信息的生成。

圖6 C/S/W體系結(jié)構(gòu)技術(shù)

本文根據(jù)中北大學(xué)機(jī)械與動力學(xué)院CAD/CAM室主任王宗彥在“第十屆中國制造業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新數(shù)字化國際峰會”上的發(fā)言整理而成，已經(jīng)本人確認(rèn)。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

轉(zhuǎn)載請注明出處：拓步ERP資訊網(wǎng)http://www.ezxoed.cn/

本文標(biāo)題：面向定制的模塊化參數(shù)化設(shè)計(jì)

本文網(wǎng)址：http://www.ezxoed.cn/html/solutions/14019317449.html