非標(biāo)設(shè)備的可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺研究*

王太勇 成 兵 肖新華 梁若愚 李 煜 葛銀明

(天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)構(gòu)理論與裝備設(shè)計(jì)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

市場競爭的日趨激烈化，使得傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)方式已經(jīng)不能適應(yīng)市場需求的快速變化，增加產(chǎn)品多樣性及其個性化成為占領(lǐng)市場滿足客戶需求的重要手段［1］。產(chǎn)品個性化的增加使得機(jī)械產(chǎn)品中出現(xiàn)大量非標(biāo)設(shè)備，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法在非標(biāo)設(shè)備的設(shè)計(jì)方面顯得力不從心。產(chǎn)品需求的變化也促進(jìn)了生產(chǎn)方式的轉(zhuǎn)變，在這種趨勢下，傳統(tǒng)的規(guī)模生產(chǎn)已經(jīng)不能適應(yīng)市場需求的變化，個性化的產(chǎn)品需要進(jìn)行小批量甚至單件定制生產(chǎn)，生產(chǎn)批量的減少在一定程度上意味著生產(chǎn)成本的增加。因此，如何快速進(jìn)行新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)以滿足市場并在最短的時間內(nèi)以低成本將新產(chǎn)品投放市場是亟需解決的問題。

在產(chǎn)品市場需求分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)在已有的成熟產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行系列劃分，并在功能分析的基礎(chǔ)上對全產(chǎn)品族進(jìn)行模塊劃分，從而一步步建立產(chǎn)品的可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺，以期在該平臺上能通過模塊的選擇、組合、升級、變型構(gòu)成滿足不同顧客定制需求的產(chǎn)品，從而大大縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中即可在平臺上對產(chǎn)品進(jìn)行靜、動態(tài)分析，不斷優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，提高各項(xiàng)性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)在可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺上的動態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 測漏設(shè)備的模塊化技術(shù)研究

近年來，我國車輛、內(nèi)燃機(jī)等行業(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(xiàng)重要手段。在汽車行業(yè)，汽缸體、各種閥門、變速箱體等在出廠前，每一種零部件都需進(jìn)行嚴(yán)格的氣密性檢驗(yàn)。這就對測漏設(shè)備的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)提出了更多的要求。近年逐漸興起的模塊化設(shè)計(jì)方法成為測漏設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)快速響應(yīng)市場的重要手段。針對測漏設(shè)備，其模塊化技術(shù)的研究主要在以下幾個方面:

(1)基于廣義模塊化設(shè)計(jì)方法［2］規(guī)劃測漏產(chǎn)品型譜系列

以功能、結(jié)構(gòu)和尺寸等較典型的產(chǎn)品為基礎(chǔ)，采用結(jié)構(gòu)典型化、零部件模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的原則，設(shè)計(jì)出其他各種尺寸參數(shù)的產(chǎn)品［3］，使其能覆蓋整個產(chǎn)品族。由于測漏產(chǎn)品選型的影響因素較多，故在研究測試型式(干式、干濕式、濕式)、所用介質(zhì)(空氣、氦氣、水、油)、測試方法(壓差、流量)、總體結(jié)構(gòu)(固定式，回轉(zhuǎn)式，移動式)等參數(shù)和規(guī)范基型尺寸基礎(chǔ)上，建立產(chǎn)品型譜系列。

(2)進(jìn)行測漏產(chǎn)品族功能分解和模塊劃分

以被測工件為核心，將測漏產(chǎn)品劃分為通用模塊和專用模塊，并建立相應(yīng)的模塊庫，建立起科學(xué)合理的模塊系統(tǒng)。模塊化產(chǎn)品族的開發(fā)模式可分為兩種，一是以固定尺寸標(biāo)準(zhǔn)形成產(chǎn)品結(jié)構(gòu)尺寸系列，這樣的一組產(chǎn)品其內(nèi)部接口完全相同，且在功能域、技術(shù)域、物理域等設(shè)計(jì)域內(nèi)具有標(biāo)準(zhǔn)接口，適合以構(gòu)建產(chǎn)品不同配置系列的方法構(gòu)造產(chǎn)品族;二是當(dāng)上述方法不能滿足設(shè)計(jì)要求時，則以參數(shù)化方法進(jìn)行產(chǎn)品族設(shè)計(jì)，即以一個參數(shù)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表達(dá)一組產(chǎn)品，當(dāng)所有參數(shù)被賦予一確定值時，可以唯一確定一個產(chǎn)品［4］。在產(chǎn)品族模塊劃分完成后，需要對其進(jìn)行編碼，完成唯一性確認(rèn)，以企業(yè)自身特點(diǎn)為準(zhǔn)則建立符合企業(yè)自身需求的編碼系統(tǒng)，并以其對模塊進(jìn)行編碼。

(3)建立模塊的全參數(shù)三維模型

如選擇以參數(shù)化方法進(jìn)行產(chǎn)品族設(shè)計(jì)，則提煉各模塊的主要參數(shù)，建立主要參數(shù)和其他參數(shù)的約束關(guān)系，通過參數(shù)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)通用模塊變異，從而在市場需求變化時，通過模塊升級和變型實(shí)現(xiàn)相應(yīng)模塊的更換，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速可適應(yīng)設(shè)計(jì)，以響應(yīng)市場需求變化。

2 PDM技術(shù)平臺創(chuàng)建

產(chǎn)品的三維模塊庫創(chuàng)建完成后需將其入庫，即錄入到PDM(Product Data Management:產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)庫當(dāng)中。PDM能實(shí)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，使企業(yè)各部門和人員在統(tǒng)一平臺上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真、分析、工藝、制造等活動，能充分整合企業(yè)資源、打通數(shù)據(jù)壁壘，提升產(chǎn)品開發(fā)和管理效率，并提供供應(yīng)商、服務(wù)商和客戶參與產(chǎn)品開發(fā)過程的渠道。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法和平臺中影響企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)的瓶頸問題有信息孤島問題、數(shù)據(jù)安全問題、數(shù)據(jù)一致性問題和知識管理問題。通過PDM系統(tǒng)，將現(xiàn)有的流程固化，包括簽審流程、變更流程等，實(shí)現(xiàn)在正確的時間將正確的數(shù)據(jù)傳遞給正確的工作人員，保證最終數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效;通過PDM與外圍其他信息系統(tǒng)的整合，消除原來科研生產(chǎn)過程中各個信息系統(tǒng)的孤島，使得信息流更為順暢?？梢詾楣に?、試驗(yàn)、生產(chǎn)、服務(wù)提供準(zhǔn)確的BOM數(shù)據(jù)源。增強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中項(xiàng)目管理的閉環(huán)可控性，有效地降低設(shè)計(jì)風(fēng)險，保證設(shè)計(jì)工作順利完成。

在PDM平臺上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程的異地協(xié)同，不同設(shè)計(jì)場所的設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的實(shí)時傳遞，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段的空間壁壘，保持設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性，從而縮短設(shè)計(jì)所需時間，提高設(shè)計(jì)效率。非標(biāo)設(shè)備零部件設(shè)計(jì)與生產(chǎn)效率的提高關(guān)鍵在于提高原有設(shè)計(jì)圖紙的使用率，并提高非標(biāo)件生產(chǎn)批量，因此需要實(shí)現(xiàn)零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化，這些功能甚至企業(yè)資源管理和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAX)應(yīng)用集成等功能都可以在PDM系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)［5］。

3 可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺的構(gòu)建

在PDM平臺的基礎(chǔ)上，構(gòu)建基于CAD/CAE/CAM/PDM與廣義模塊化設(shè)計(jì)思想的可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺，市場需求的新變化將轉(zhuǎn)化為規(guī)范的用戶需求信息和設(shè)計(jì)過程中所需的各種技術(shù)參數(shù)，通過可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺，基于用戶功能需求對用戶群進(jìn)行分類，并根據(jù)用戶需求信息和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)確定合理的產(chǎn)品參數(shù)規(guī)格范圍。利用平臺的檢索功能，從已有的設(shè)計(jì)中找到與新需求最接近的已有設(shè)計(jì)樣本，根據(jù)新的功能或特性要求，對原有的設(shè)計(jì)進(jìn)行模塊的升級或變型，從而獲得所需的性能;將原有功能特性進(jìn)行調(diào)整，得到新的設(shè)計(jì)，對新設(shè)計(jì)進(jìn)行靜、動態(tài)分析，以使結(jié)果得到最優(yōu)化，最終獲得滿足新要求的最佳設(shè)計(jì)方案。

可適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)平臺是參數(shù)化平臺與模塊化平臺相結(jié)合的產(chǎn)物，是一種滿足柔性設(shè)計(jì)的平臺?？蛇m應(yīng)設(shè)計(jì)平臺能夠適應(yīng)未來的需求變化，當(dāng)面對新的需求而要設(shè)計(jì)新的產(chǎn)品時，通過查找與之最接近的設(shè)計(jì)，并在已有設(shè)計(jì)上作出局部的調(diào)整與修改，得到所需設(shè)計(jì)方案，將可以大大減少設(shè)計(jì)時間和重復(fù)勞動，提高設(shè)計(jì)效率，從而保證新設(shè)計(jì)所消耗的成本最低。圖1顯示了基于可適應(yīng)產(chǎn)品平臺的升級和變型過程［6］。

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，產(chǎn)品的生產(chǎn)目標(biāo)是低成本、高質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)化，尤其在賣方主導(dǎo)的市場環(huán)境下，客戶難以參與到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中。而在可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺中，客戶可以通過開放給他們的客戶端，在設(shè)計(jì)初期就可以調(diào)用已有設(shè)計(jì)對其新設(shè)計(jì)要求有形象的了解，并在設(shè)計(jì)全程參與其中，及時對設(shè)計(jì)方案作出修正。同時，產(chǎn)品的可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺集設(shè)計(jì)、優(yōu)化、仿真、管理等功能于一體。

4 基于可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺的封堵缸計(jì)算過程

封堵缸是氣密檢測設(shè)備中在指定位置進(jìn)行封堵的裝置。封堵缸缸徑有其特定的系列值，可以從所規(guī)定的系列值中選擇合適的缸徑。由于缸徑的選擇受多項(xiàng)參數(shù)的影響，所以在封堵缸的設(shè)計(jì)計(jì)算中比較繁瑣，工作量很大。在可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺上，基于該平臺的PDM系統(tǒng)，將全部參數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)庫中的值，在程序運(yùn)行時調(diào)用所需參數(shù)，從而將封堵缸缸徑計(jì)算規(guī)范化和快速化。圖2為封堵缸計(jì)算流程圖。

5 結(jié)語

本文論述了一種基于CAD/CAE/CAM/PDM與模塊化設(shè)計(jì)思想相結(jié)合的可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺。旨在最大限度的利用原有設(shè)計(jì)資源，從而實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)與投產(chǎn)，增強(qiáng)企業(yè)對市場需求變化的適應(yīng)能力，增強(qiáng)企業(yè)競爭力。

傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展到現(xiàn)在遇到了諸多的瓶頸，提高企業(yè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)水平，以信息化帶動制造業(yè)的新發(fā)展，不失為現(xiàn)代制造企業(yè)脫胎換骨實(shí)現(xiàn)企業(yè)升級的一種重要手段。沒有落后的產(chǎn)業(yè)，只有落后的技術(shù)，以信息化技術(shù)改造傳統(tǒng)制造企業(yè)，必將使我國制造業(yè)水平得到更大的提高與發(fā)展。

［1］程強(qiáng)，劉志峰，蔡力鋼，等.基于公理設(shè)計(jì)的產(chǎn)品平臺規(guī)劃方法［J］.計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，2010，16(8):1587－1596.

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［6］李佃鵬.基于模塊化技術(shù)的氣密檢測設(shè)備產(chǎn)品族可適應(yīng)設(shè)計(jì)平臺構(gòu)建［D］.天津:天津大學(xué)，2012.