基于參數(shù)化設(shè)計的自卸車快速設(shè)計系統(tǒng)開發(fā)

陳韜，伍麗娜，張凱，王維

(1. 中汽研汽車檢驗中心(武漢)有限公司，湖北 武漢 430056；2. 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300)

0 引言

近年來，國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入力度不斷增大，適用于城市建設(shè)的自卸車、渣土車的市場需求日益增多。據(jù)統(tǒng)計，2019年自卸車年銷量在11萬輛左右。產(chǎn)品更新?lián)Q代周期縮短，制造企業(yè)面臨著大規(guī)模定制化的產(chǎn)品需求以及客戶需求的動態(tài)多變性[1]，需要盡量縮短產(chǎn)品的設(shè)計與制造周期，降低產(chǎn)品研發(fā)成本的同時對客戶個性化和多樣化的需求進行快速響應(yīng)，為客戶提供質(zhì)優(yōu)價廉的自卸車產(chǎn)品。但國內(nèi)自卸車生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模普遍較小，技術(shù)力量薄弱，無法形成標準化的基礎(chǔ)配置車型，產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計停留在初級開發(fā)層面，設(shè)計效率低下，產(chǎn)品開發(fā)周期長，創(chuàng)新性不足，無法滿足大規(guī)模定制化產(chǎn)品需求，嚴重制約了自卸車行業(yè)的發(fā)展[2]。

目前，國內(nèi)的研究學者針對大規(guī)模定制化的參數(shù)化設(shè)計方法進行了諸多研究，如龔京忠等[3]基于FPBS的機械系統(tǒng)模塊化設(shè)計方法與應(yīng)用研究，提出行為相容性的建模方法及產(chǎn)品模塊識別方法;陳旭等[4]進行汽車底盤模塊劃分及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模型建立，對汽車底盤結(jié)構(gòu)模塊化體系進行研究；曹建平等[5]基于FPBS的產(chǎn)品平臺構(gòu)建研究，對面向產(chǎn)品族設(shè)計的核心內(nèi)容進行研究。

自卸車上裝具有相同或者相似的外形特征，總體上可劃分為矩形廂體和U型廂體兩大特征，根據(jù)整車總質(zhì)量不同，上裝特征外形尺寸有所差異，其生產(chǎn)、研發(fā)設(shè)計適用于模塊化、參數(shù)化設(shè)計理念。為了解決面向大規(guī)模定制化需求下自卸車上裝的設(shè)計問題，本文基于產(chǎn)品配置設(shè)計研究基礎(chǔ)，在產(chǎn)品開發(fā)階段對客戶個性化需求、產(chǎn)品特征需求進行分析，以三維軟件二次開發(fā)為設(shè)計手段，采用自頂向下的建模方式，借助尺寸方程式建模方法，通過三維模型與程序控制交互控制的方式，實現(xiàn)設(shè)計變化過程中三維模型的快速生成。搭建以客戶個性化需求為導向，具備完善的變型機制自卸車快速設(shè)計平臺。將產(chǎn)品定制的生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為批量化生產(chǎn)[6]。

1 模塊化產(chǎn)品配置設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能模塊劃分

產(chǎn)品模塊化設(shè)計，是實現(xiàn)面向大規(guī)模定制設(shè)計的重要方法，它把產(chǎn)品分解成相互高度獨立或相互依賴性很小的部件，部件間可通過標準接口建立一個柔性的產(chǎn)品體系結(jié)構(gòu)[7](圖1)。自卸車產(chǎn)品模塊劃分是基于對產(chǎn)品需求分析，對自卸車產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)拆解，各結(jié)構(gòu)模塊分類聚合，提煉出不同產(chǎn)品的基本功能模塊(圖2)，其中包括1)一級基本模塊：車廂總成模塊、副車架總成模塊；2)二級基本模塊：側(cè)板總成、底板總成、前板總成、后門總成；縱梁總成、橫梁總成、后支座總成。

圖1 自卸車快速設(shè)計系統(tǒng)流程圖

圖2 自卸車系統(tǒng)功能模塊劃分

1.2 特征參數(shù)確定

1)產(chǎn)品特征參數(shù)確定

產(chǎn)品特征參數(shù)可定位目標產(chǎn)品族或產(chǎn)品系列，而產(chǎn)品性能能夠確定目標產(chǎn)品族或產(chǎn)品系列中具體產(chǎn)品型號[8]。因此，在配置設(shè)計階段,可通過提取歷史配置產(chǎn)品的配置參數(shù)和性能指標信息[9-11]，快速準確地預(yù)知配置產(chǎn)品的關(guān)鍵性能參數(shù)。

自卸車上裝基本模塊相關(guān)因素和系統(tǒng)特征之間存在通用關(guān)聯(lián)特性，其映射關(guān)系如圖3、圖4所示，車廂模塊可用4個特征參數(shù)類型進行表征，分別是：車廂長、車廂寬、車廂高以及底板厚度；副車架模塊可用4個特征參數(shù)類型進行表征，分別是：縱梁長、大梁寬、縱梁厚及橫梁厚。

圖3 車廂模塊映射關(guān)系

圖4 副車架模塊映射關(guān)系

2)模塊特征參數(shù)確定

在產(chǎn)品進行配置設(shè)計過程中，利用產(chǎn)品特征參數(shù)的映射、聚類和匹配分析，從模塊化產(chǎn)品族中有效地提取公共平臺要素[1]。自卸車二級基本模塊具有典型的模塊化架構(gòu)，組成模塊之間的耦合度較低，從產(chǎn)品模塊幾何相關(guān)性和物理相關(guān)性入手，基于產(chǎn)品與模塊特征之間的結(jié)構(gòu)相關(guān)特性，由產(chǎn)品特征參數(shù)映射出各功能模塊特征參數(shù)。

產(chǎn)品模塊的特征參數(shù)值可映射為子模塊的特征參數(shù)值。即對?Pi?[q1i,q2i，…，qni]T∈SPF，SPF為產(chǎn)品系列組。n1表示產(chǎn)品系列包含的產(chǎn)品個數(shù)，pi(i∈[1，n1])表示產(chǎn)品系列組中的某個產(chǎn)品。可用一組的特征參數(shù)類型表征同一細分組中的所有產(chǎn)品，即SPF：{t1,t2…，tn2}，其中ti(i∈[1,n2])表示產(chǎn)品系列組中產(chǎn)品的第i個特征參數(shù)類型，n2表示產(chǎn)品特征參數(shù)類型的個數(shù)[1]。

圖5 車廂模塊映射矩陣

圖6 副車架模量映射矩陣

2 參數(shù)化建模系統(tǒng)設(shè)計

2.1 參數(shù)化建模方法

目前，參數(shù)化建模通常有兩種方法：一是程序驅(qū)動。所謂程序驅(qū)動，就是完全依靠代碼來驅(qū)動三維建模軟件實現(xiàn)參數(shù)化建模；二是尺寸驅(qū)動。尺寸驅(qū)動有兩種形式，一種是指利用程序代碼連接尺寸數(shù)據(jù)庫，通過邏輯外置的方式，改變主參數(shù)驅(qū)動三維建模軟件實現(xiàn)參數(shù)化建模；另一種尺寸驅(qū)動方式是指借助三維建模軟件中方程式功能，建立模型全局變量參數(shù)，自頂而下建立三維模型，通過程序代碼修改模型中方程式，實現(xiàn)參數(shù)化建模[14]。

程序驅(qū)動方法對代碼編輯能力要求較高，并且結(jié)構(gòu)特征復(fù)雜的模型需要較高的邏輯運用能力。因此國內(nèi)諸多學者在研究參數(shù)化建模時，大多采用的是尺寸驅(qū)動的第一種方式，通過分析發(fā)現(xiàn)，這種借助外部數(shù)據(jù)庫的建模方式較為繁瑣，不僅需要模型重建，還需將建模特征樹導入外部數(shù)據(jù)庫中，再用程序代碼進行驅(qū)動。該種方式適用于產(chǎn)品配置較多、模型特征較少的標準零部件參數(shù)化設(shè)計，而自卸車上裝部件產(chǎn)品配置相對較少、模型特征復(fù)雜且各模塊特征參數(shù)之間存在明顯的關(guān)聯(lián)性。因此，該種方式并不適用于專用車類產(chǎn)品的參數(shù)化建模。

本文采用自頂而下的方式建立自卸車各模塊三維模型模板文件，根據(jù)產(chǎn)品特征參數(shù)與子模塊特征之間的映射關(guān)系，搭建各尺寸方程式并將關(guān)聯(lián)參數(shù)設(shè)置成全局變量，通過程序驅(qū)動方程式的方式建立各模塊參數(shù)化模型。

2.2 開發(fā)與運行環(huán)境選擇

在Windows7系統(tǒng)下，考慮三維建模軟件二次開發(fā)API接口配置的語言函數(shù)庫，API接口是1個多層次的樹形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以使用VB、VB.NET、C#等高級匯編語言與三維建模軟件鏈接，基于三維建模軟件中的API函數(shù)，調(diào)用基于OLE(對象的嵌入與鏈接)和COM(組件對象技術(shù))各類對象的方法和屬性，建立合適的專用功能模塊。本文采用Visual Studio2012作為開發(fā)平臺，基于VB.NET編程語言進行編程實現(xiàn)，以Access2013組織外部驅(qū)動參數(shù)及結(jié)構(gòu)樹管理數(shù)據(jù)，自卸車上裝功能模塊模板模型創(chuàng)建基于三維建模軟件實現(xiàn)[15]。系統(tǒng)開發(fā)工具選擇如表1所示，二次開發(fā)方案工作流程如圖7所示。

表1 系統(tǒng)開發(fā)工具選擇

圖7 二次開發(fā)方案工作流程圖

2.3 參數(shù)化模型建立

在三維建模軟件中，利用自頂向下的建模方式，設(shè)定車廂模塊中的車廂長、車廂寬、車廂高、底板厚作為系統(tǒng)全局變量。通過計算，設(shè)置底板模塊、側(cè)板模塊、前板模塊、后門模塊中各特征尺寸與全局變量之間約束條件，推導出相應(yīng)的關(guān)系方程式建立基于全局變量參數(shù)的底板模塊模型、側(cè)板模塊模型、前板模塊模型、后門模塊模型；同理，建立自卸車副車架模塊模板文件，最終建立自卸車整車模型如圖8所示。

圖8 自卸車車廂方程式模型

2.4 系統(tǒng)運行

通過系統(tǒng)可以查看非標部件的三維預(yù)覽圖、系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)樹以及其他關(guān)鍵參數(shù)信息，根據(jù)用戶需要，選擇非標部件及標準件的驅(qū)動尺寸參數(shù)，自動生成三維參數(shù)化模型。系統(tǒng)實現(xiàn)的功能包括：

1)查看自卸車關(guān)鍵零部件信息及生產(chǎn)廠家(圖9)；

圖9 自卸車關(guān)鍵部件信息庫

2)上裝非標結(jié)構(gòu)部件可根據(jù)用戶指定的關(guān)鍵參數(shù)自動生成三維模型(圖10)；

圖10 自卸車參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)界面一

3)通過自動選型，基于特定配置規(guī)則，自動生成自卸車裝配三維模型(圖11)。

圖11 自卸車參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)界面二

3 結(jié)語

到目前為止，在文獻有關(guān)的報道中，大多是采用邏輯外置的尺寸驅(qū)動形式，有部分采用的是程序驅(qū)動方式，通過對自卸車上裝結(jié)構(gòu)的拆解分析，這兩種通用的參數(shù)化設(shè)計方式均無法適用于自卸車上裝結(jié)構(gòu)的特殊性。本文針對自卸車上裝設(shè)計過程中，重復(fù)設(shè)計、開發(fā)周期長、設(shè)計效率低等問題，提出一種全新的參數(shù)化設(shè)計方式，搭建自卸車快速設(shè)計系統(tǒng)。該平臺基于大規(guī)模定制化產(chǎn)品需求，利用自卸車上裝結(jié)構(gòu)參數(shù)化、模塊化設(shè)計概念和基本設(shè)計方法，并采用自頂向下的設(shè)計方式，借助方程式設(shè)計理念自動化、智能化建立參數(shù)化模型。實際運行結(jié)果表明：面向大規(guī)模定制的自卸車上裝參數(shù)化設(shè)計在理論上是可行的，在系統(tǒng)設(shè)計實踐中解決了自卸車制造企業(yè)應(yīng)對用戶個性化需求而產(chǎn)生的設(shè)計變更問題，在一定程度上大大提升了企業(yè)在大規(guī)模定制化需求環(huán)境下的競爭力。