基于PDM系統(tǒng)的機床整體及模塊化設(shè)計探討

張曉毅

（沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明 650203）

現(xiàn)代機床模塊化設(shè)計概念是根據(jù)市場需求和產(chǎn)品型譜規(guī)劃，設(shè)計出一系列具有不同結(jié)構(gòu)和用途，而功能相同并可互換的機床功能模塊（包括組件、部件等）和一些功能模塊的設(shè)計法，然后根據(jù)用戶特殊需求，通過模塊的不同組合形成完整的機床產(chǎn)品。

自頂向下（TOP－DOWN）的設(shè)計手段是一種自上而下、逐步細(xì)化的設(shè)計過程，設(shè)計意圖的變更、產(chǎn)品主任設(shè)計師的設(shè)計思路和嚴(yán)格的尺寸控制等設(shè)計要素可以自頂向下地傳遞，直到底層的零件和圖紙為止，從而在設(shè)計過程中做到良好的協(xié)同和提高設(shè)計的準(zhǔn)確性。

機床模塊化設(shè)計水平是衡量機床設(shè)計先進研發(fā)能力的標(biāo)志之一，具有縮短技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)制造周期、替身產(chǎn)品系統(tǒng)快速升級能力、降低產(chǎn)品成本和提高產(chǎn)品維修性等優(yōu)點，而自頂向下的設(shè)計手段可以使產(chǎn)品的修改性大大提高，修改的工作量也大大降低，同時還能保證各部件設(shè)計的一致性。如何在機床總體設(shè)計中將兩者有機結(jié)合，目前成為了產(chǎn)品研發(fā)解決方案中最重要的環(huán)節(jié)之一。

1 基于PDM的模塊化設(shè)計方法

1．1 PDM系統(tǒng)現(xiàn)狀簡介

PDM（Product Data Management）產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，是管理產(chǎn)品數(shù)據(jù)和產(chǎn)品研發(fā)過程的工具。本文討論的是PTC公司開發(fā)的Pro Engineer三維設(shè)計軟件和其開發(fā)的WindChill PDM系統(tǒng)，兩者結(jié)合能夠很好地將不同的設(shè)計信息共享。部件設(shè)計師將設(shè)計完成的機床部組上傳至服務(wù)器中，其他部件設(shè)計師可看到該部組的設(shè)計信息，產(chǎn)品設(shè)計師也可根據(jù)需求組成不同的機床產(chǎn)品。WindChill系統(tǒng)提供產(chǎn)品結(jié)構(gòu)管理功能，可以實現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的描述，提供零部件隸屬關(guān)系查詢，提供產(chǎn)品結(jié)構(gòu)比較、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)報表、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)版本和有效性控制等一系列功能。

1．2 自頂向下結(jié)合模塊化設(shè)計方法探討

在機床設(shè)計中，整個機床產(chǎn)品是由各個部件組裝而成，例如床身、立柱、滑枕等部件，這些部件可以看作不同的模塊。所有機床產(chǎn)品中，部分模塊的幾何尺寸和功能相同，例如床身的跨距以及導(dǎo)軌的尺寸相同，可以考慮這同一系列的機床產(chǎn)品共用該模塊。結(jié)合機床整體設(shè)計思路，總結(jié)自頂向下設(shè)計結(jié)合模塊化設(shè)計方法，總體流程框圖如圖1所示。

（1）市場與技術(shù)調(diào)研，資料收集

市場調(diào)研和技術(shù)調(diào)研是產(chǎn)品開發(fā)最重要的步驟之一，也是產(chǎn)品系列研發(fā)成敗的關(guān)鍵。通過市場和技術(shù)調(diào)研，了解國內(nèi)外市場需求和產(chǎn)品發(fā)展方向以及新技術(shù)的應(yīng)用情況，知悉國內(nèi)外競爭對手的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，明確產(chǎn)品的市場和技術(shù)定位等，對系列產(chǎn)品的開發(fā)具有重要的戰(zhàn)略意義。

（2）模塊基型產(chǎn)品性能及尺寸要素的確定

根據(jù)調(diào)研情況和資料收集結(jié)果，分析國內(nèi)外市場需求，較準(zhǔn)確地得到基型產(chǎn)品的技術(shù)和性能參數(shù)，運用虛擬樣機及有限元等分析技術(shù)，通過建立基型產(chǎn)品機床部件及整機結(jié)構(gòu)的數(shù)字化分析模型，對其進行定量的分析、計算、評價和修改，進而完成所需的優(yōu)化設(shè)計。采用數(shù)字化虛擬樣機方案設(shè)計，設(shè)計與分析并行，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗和類比方法相比，一方面可以在多個設(shè)計方案中選擇最優(yōu)者，減少設(shè)計的盲目性，另一方面機床結(jié)構(gòu)分析貫穿了整個設(shè)計過程，能準(zhǔn)確地把握機床結(jié)構(gòu)與其動、靜態(tài)特性之間的關(guān)系，這樣確定的基型產(chǎn)品整機結(jié)構(gòu)設(shè)計方案為產(chǎn)品的可靠性、高精度和精度保持性奠定了良好的基礎(chǔ)，也為機床的系列化、模塊化設(shè)計制造奠定了良好的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程如圖2所示。

（3）系列產(chǎn)品機床性能參數(shù)確定及模塊劃分

綜合分析國內(nèi)外相關(guān)系列產(chǎn)品的模塊劃分方式、技術(shù)參數(shù)和性能對比，在基型產(chǎn)品模塊設(shè)計參數(shù)的基礎(chǔ)上，延伸出系列產(chǎn)品合理型譜規(guī)劃，在型譜規(guī)劃中就需要明確產(chǎn)品模塊的功能、參數(shù)和系列產(chǎn)品中借用關(guān)系的模塊化設(shè)計理念，杜絕對單一產(chǎn)品規(guī)劃后進行模塊整合時出現(xiàn)性能參數(shù)基本相近，但是數(shù)據(jù)重用性不高的傳統(tǒng)設(shè)計模式，把模塊化設(shè)計的思想延伸到產(chǎn)品設(shè)計的整個過程中。

（4）基于WindChill的機床總體布局設(shè)計及總體骨架模型建立

根據(jù)各模塊的功能和參數(shù)劃分，產(chǎn)品設(shè)計師可以根據(jù)自頂向下的設(shè)計思想，首先確定產(chǎn)品的總體布局，根據(jù)布局建立型譜基型產(chǎn)品的總體骨架，包括各個部組的坐標(biāo)位置和各個部組的主要設(shè)計參數(shù)骨架。然后創(chuàng)建出機床的整機三維組件模型，再在該模型中建立各部組的三維組件模型。此時建立的機床整機三維模型組件中只包含有各部組的“*．a(chǎn)sm”組件文件和坐標(biāo)系總骨架模型，各部組的組件文件中也只包含各部組的一級骨架模型（包含該部組的主要設(shè)計參數(shù)），如圖3所示。

（5）基于自頂向下設(shè)計方法的各模塊子骨架模型建立及部件設(shè)計

產(chǎn)品設(shè)計師將總骨架模型和整機三維模型通過與Pro/E相關(guān)聯(lián)的WindChill PDM系統(tǒng)導(dǎo)入服務(wù)器中，并在服務(wù)器中將各部組骨架模型以任務(wù)的形式分發(fā)給部件設(shè)計師。部件設(shè)計師接收到任務(wù)后可打開部組模型看到該部組的主要設(shè)計參數(shù)，體會產(chǎn)品設(shè)計師設(shè)計思路和要求等信息，然后就可以對該部組進行設(shè)計。

部件設(shè)計師在完成部件模型設(shè)計后，將該部組也同樣導(dǎo)入到PDM系統(tǒng)的服務(wù)器中，其他部件設(shè)計師可以參考該部組的設(shè)計信息來對本部組進行相應(yīng)的設(shè)計或修改。這樣就通過WindChill PDM系統(tǒng)完成了一個機床產(chǎn)品進行協(xié)同設(shè)計。

（6）系列機床產(chǎn)品模塊優(yōu)化及整機性能分析評價

根據(jù)構(gòu)建的主要零部件的三維CAD模型，在此基礎(chǔ)上建立整機多方案的虛擬樣機模型及有限元模型，結(jié)合需求工況，對模塊化設(shè)計的各方案進行運動學(xué)、動力學(xué)等的仿真分析和計算，以及裝配干涉檢查，根據(jù)分析計算結(jié)果，經(jīng)綜合比較、評價，優(yōu)化出接近靜、動態(tài)等目標(biāo)函數(shù)的整機及各模塊優(yōu)化匹配設(shè)計方案，得到各模塊及組成整機后的優(yōu)化模型，為機床的系列化、模塊化設(shè)計優(yōu)化調(diào)整提供保障，并根據(jù)CAD模型和Wind-Chill系統(tǒng)的管理，生成并管理產(chǎn)品技術(shù)文件及數(shù)據(jù)，并通過與ERP系統(tǒng)的對接，實現(xiàn)生產(chǎn)計劃的控制。

2 模塊化設(shè)計方法應(yīng)用

基于WindChill PDM系統(tǒng)的自頂向下設(shè)計和模塊化設(shè)計方法已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我公司產(chǎn)品設(shè)計中，經(jīng)過2年使用，在系統(tǒng)中已經(jīng)成功開發(fā)了3大系列共10多個產(chǎn)品品種（如圖4及圖5所示）。

3 結(jié)語

通過有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，對比使用WindChill系統(tǒng)并采用自頂向下和模塊化設(shè)計方法后，產(chǎn)品開發(fā)周期縮短30%，產(chǎn)品數(shù)據(jù)量減小17%，新產(chǎn)品開發(fā)后設(shè)計失誤率降低了45%，而且通過WindChill系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)零件庫、通用零件庫和外購零件庫等管理，有效減少了重復(fù)工作量，提升了設(shè)計效率?？傊?，利用WindChill系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理功能和自頂向下設(shè)計方法以及模塊化設(shè)計理論，可以有效地減小系列產(chǎn)品設(shè)計的工作量，提高設(shè)計效率及產(chǎn)品集成度，對行業(yè)產(chǎn)品開發(fā)模式具有較強的借鑒意義。

［1］戴曙．金屬切削機床設(shè)計［M］．北京:機械工業(yè)出版社，1985．

［2］陳心昭，權(quán)義魯．現(xiàn)代實用機床設(shè)計手冊［M］．北京:機械工業(yè)出版社，2006．

［3］成大先．機械設(shè)計手冊第五版［M］．5版．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008．

［4］馬祥英，李素平．論數(shù)控機床模塊化設(shè)計［J］．機械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2007（7）．

［5］齊爾麥，徐燕申，謝艷．模塊化數(shù)控機床概念設(shè)計的研究［J］．組合機床與自動化加工技術(shù)，2003（1）．

［6］趙中敏．模塊化設(shè)計在現(xiàn)代機床制造中的作用［J］．中國設(shè)備工程，2006（9）．

［7］李春梅，崔鳳奎．組合機床模塊化設(shè)計CAD系統(tǒng)［J］．機械工人:冷加工，2005（4）．

［8］吳俊庭，萬立．機床產(chǎn)品設(shè)計中的模塊化技術(shù)研究［J］．中國機電工業(yè)，2007（12）．