0 引言
日趋激烈的市场竞争，要求机械产品研发趋向于更快、更好、更新的设计模式。在当前迅速发展的三维建模技术、信息技术、网络化协同技术、数据库技术的积极推动下，大型复杂产品的研制生产模式由传统的瀑布式串行方式逐渐向并行化、数字化、智能化方向发展。结合现代企业跨组织协同、分布式团队和设计资源分散性的特点，研究面向大型复杂产品的并行式网络化协同设计方法已经成为产品跨时间、跨空间、多学科设计领域的研究热点。对于结构型式固化程度高或相似件较多的产品引入参数化设计技术，使得快速设计更加切实可行。
目前，国内外学者对网络化协同设计和参数化设计进行了大量研究，并取得了不少成果。为解决复杂产品设计过程中信息、资源共享与集成问题，提出了一个面向服务的、开放式的协同设计平台；结合多学科协同设计优化理论，提出一个基于SORCER的面向复杂产品的协同设计系统，并给出了系统的架构以及工程软件工具封装与集成为服务的方法；基于产品信息模型进行设计信息的通信与交流；依托PDM环境，基于参数化布局模型特征实现远程协同设计；描述了异域异构分布式协同设计的结构模型、环境模型、过程模型与集成模型；结合参数化设计技术，通过用户交互的形式，实现多用户实时状态下多点协同设计；研究了支持变型设计的产品建模方法和参数传递结构；在零部件级的参数化技术的基础上，结合层次型数据表技术，实现对产品级三维参数化模型进行联合驱动。但是，从总体上讲，针对网络化协同设计过程的相关研究还不够深入，存在以下问题：
(1)设计过程信息共享程度低、传递速度慢，且多为静态信息；
(2)网络化协同设计平台架构繁多，协同交互方式种类较多，尚难以提供一个广普的构建方法；
(3)单机运行模式、集中求解的研究较多，分布式并行驱动求解的相关研究相对较少；
(4)网络化协同设计与参数化设计没能有机地结合起来。
针对以上不足，本文在已开发的面向多用户的铸造起重机数字化设计平台的基础上，提出了以“多客户端/单服务器/多工作站”(Multi Client Single Server Multi Workstation，简称C/S/W)为工作模式，以辅助开发的Message信息模块为各端实时通讯的工具，构建了基于分布式并行驱动求解的参数化协同设计模型。以铸造起重机小车架设计过程为例，对其进行逐层分解，划分参数等级，动态实时的提交设计参数，完成参数化模型驱动、参数化有限元分析、到产品图纸生成的自动化一体设计。
1 参数化协同设计关键技术
1.1 分布式模块化设计
针对一个复杂产品设计问题的不同方面所涉及到不同领域的专门知识，它们不可能为一个单一的设计者所精通。因此一个设计问题的不同方面，可以由这些在不同学科方面具有核心竞争力的人或机构来解决。定义一个复杂产品设计问题，可以在客户需求的驱动下，根据质量机能展开原理(QFD)实现产品功能分解成一系列模块化子问题。如不同型号、不同工作级别、不同起重量、不同跨度的铸造起重机金属结构具有较高的相似性，各个组成部分具有独立的功能。根据功能及结构独立性原则，按照“产品—部件—子部件”的模式可以分解为桥架、附属结构、小车架等若干子问题，如图1所示。
图1 铸造起重机金属结构模块划分
根据模块相似性原则，对每一个子问题设计模块接口(接口草图、接口尺寸)，按照既定的编码规则进行模块编码。每个模块代表着设计问题的一部分，通过公共程序解决其共性问题，编制部分程序解决其特性问题，交互式的对内部数据和方法进行操作和管理。各个设计模块对一个共享的产品信息模型共享，实现产品信息的通信和交互。
1.2 参数化设计
参数化设计是以几何关联约束、尺寸约束、结构特征约束为技术基础，包括对结构形式相似的系列三维模型的主动尺寸直接修改使其他从动尺寸间接更新而得到的三维模型，与三维模型参数相同的有限元分析校核，与三维参数化模型相关联的工程图的视图比例、位置、尺寸、序号、注释、BOM表等相关信息的自动更新与优化调整，以及工艺信息统计等内容。遵循分步建模、对称建模、模板最大化等原则，采用采用自顶向下和自底向上相结合的布局草图装配方法，建立全息参数化模板，将几何信息和非几何信息全部用参变量进行动态表征。采用基于逐层分解、分级驱动的原则，如图2所示，即按照产品的分解层次，以“零件—子部件—部件—产品”的顺序，实现产品级的参数化变型设计。
图2 驱动原则
1.3 网络化协同设计平台
网络化协同设计平台是指在广域网环境下，分布在异地的设计人员，在基于计算机的虚拟协作环境中，围绕同一个产品设计任务，承担相应的部分设计任务，并行、交互、协作地进行设计工作，共同完成设计任务的设计方法。平台的构建涉及到用户的并行工作过程、用户访问控制以及冲突消解的解决方案，其拓扑结构如图3所示。
图3 网络化协同设计平台的拓扑结构
支持多用户依托该平台进行并行交互式的工作，用户根据客户端平台可以自主的设计新产品，提交部件参数，直接通过平台完成部件设计任务。服务器存储数据、产品文档，实时接收与维护数据，保证数据能够同步更新，有条不紊的工作。参数化模型驱动、有限元分析校核及工程图优化调整过程耗时较长，计算量较大，是设计过程的瓶颈所在。为了消除瓶颈点设定多台工作站进行并行求解计算工作，基于同一个数据库和同一个电子仓库，以项目为单位，将任务自由分配给请求的工作站，根据其运算能力的强弱，实时获取求解任务，一旦任务执行完成，出现空闲工作站，就自动将尚未完成的任务重新分配，实现多台工作站实时请求，并行驱动求解的工作状态，最后将产品文档检入到电子仓库中。
2 分布式并行驱动环境组成
2.1 运行环境的体系结构
基于客户机/服务器(Client/Server，C/S)架构的应用程序，具有较强的事务处理和数据处理能力，数据的协调性、完整性和保密性较高，但是面对不同的硬件设备，项目成员的不断变化，C/S网络架构适应性很差，不能满足这种变化要求；基于浏览器/服务器(Browser/Server，B/S)的网络架构在一定程度上大大简化了客户端，即一个Web浏览器就可充当客户端的角色，但它在完成项目管理、权限分配、角色制定、任务分工等复杂的工作时又显得非常困难。结合B/S和C/S各自的优势，提出了如图4所示的具有混合网络模式的三层体系结构，依次是支撑层、功能层和用户层。
图4 运行环境的体系结构
(2)功能层
功能层由平台服务层、应用服务层及应用系统层组成。以平台服务层为基础，分布式协同控制机制负责用户通讯，信息交互传递；角色权限管理模块给用户分配角色，划分任务；产品信息模型共享保证不同用户设计过程中信息的同步性；数据并发控制机制保证参数表数据的一致性和有效性；参数容错机制触发实时监控提交参数的合理性。以应用服务层为核心，将客户的需求参数转换为产品模型结构参数，合理的确定产品模型结构，根据现有的设计规范和标准，编制设计计算程序，保证尺寸参数来源的可靠性，通过程序将参数提交到数据库服务器。以应用系统层为输出终端，与用户层直接交互作为其显示形式，设计计算与参数设置模块构成人机交互平台，模型驱动与配置设计完成新产品模型的更新，有限元分析模块用于对输出结果的有效性进行检验评估，工程图优化调整模块完成输出图纸的后期处理，保证图纸的规范性和实用性，参数化文档管理模块依托PDM思想，以项目为单位，进行文档信息管理。
(3)用户层
用户层是集成设计平台的最终体现形式。用户通过人机交互界面向数据库服务器提交设计参数，交互界面具有良好的用户信息提示，可以实现半自动化式的操作。参数化设计文档通过Checkin模块检入到PDM电子仓库，具有既定的版本方案和全生命周期解决方案，用户通过PDM客户端或PDM查阅器审阅文档。
2.2 基于Message模块的信息交互
通过辅助开发的Message信息模块，实现信息共享，彼此通讯，工作指令顺畅传递，指令或信息流向如图5所示。具体通讯机制如下：
协同小组设计成员在客户端工作组通过参数设置程序完成其所属部件的参数设置、设计计算、有限元分析设置，并将设计参数提交到数据库服务器中；数据库服务器实时接收数据并更新部件参数表状态值；工作站工作组循环遍历项目状态表特征值的变化情况，根据既定条件触发程序工作，进行参数化模型驱动、参数化有限元分析校核、工程图优化调整和工艺信息统计等工作，生成产品数据文档(三维模型、工程图、BOM表、工艺信息表、分析报告等)，通过Checkin模块将其检入到文件服务器的电子仓库中；此时对应部件的参数表information字段值发生变化，表征产品数据文档已经生成并上传至文件服务器中；设计人员通过PDMWW客户端查阅或检出所属权限的产品数据文档，进行修改更新。其中客户端工作组负责产品数据提交及文档修改与检阅；服务器端主要负责产品数据存储与维护，产品文档管理，并传递信息提示和工作指令；工作站主要负责参数化模型驱动、参数化有限元分析校核和工程图优化调整，根据用户的设计要求生成相应的模型和工程图，并将生成的产品文档自动检入到文件服务器中。
图5 基于Message信息模块的通讯机制
3 参数化协同设计过程框架模型
基于上述设计思想，以某型号四梁四轨铸造起重机的金属结构为前期基础模块，利用面向对象的开发工具Visual Basic 6.0，以SolidWorks 2011为三维设计平台，以MS Access2007、SQL Server 2000为数据库管理软件，以具有混合网络模式的三层体系结构为框架，搭建以“多客户端/单服务器/多工作站”(C/S/W)为工作模式的面向多用户的铸造起重机参数化协同设计模型。主要包括：角色权限分配、三维结构设计、参数化设计、数据库管理四个功能模块，如图6所示。下面逐一对其进行介绍。
图6 面向多用户的铸造起重机参数化协同设计模型框架
3.1 角色权限分配模块
支持多用户的网络化协同设计平台，提供以项目为单位的操作文件读写权限控制，子项目可以从父组获取相应的操作权限，系统用户只对某一个或某些项目具有可读、可写或读写权限，同时可以对具有相同设计权限的协同小组一次性赋予操作权限，所有的授权操作仅限于库管理员pdmwadmin。在此基础上，开发面向客户端工作组的铸造起重机数字化设计平台将用户分为一般用户、主任设计师、系统管理员、超级用户，不同的用户类型具有不同的操作权限。按照产品部件进一步细分协同小组成员的设计权限，根据不同的图标来区分设计工程师所具有的操作权限。不同角色的用户具有不同类型的操作权限，以主任设计师新建项目、分配设计人员为设计任务的起点。
3.2 三维结构设计模块
以客户需求驱动为基础，根据行业现有的设计标准和设计经验，结合企业需求，对产品功能模块进行详细分析，根据质量机能展开原理(QFD)实现功能模块到产品结构的映射；按照产品模块划分方法和原则，将铸造起重机金属结构划分为多级模块，定义模块之间的接口；根据模板最大化原则，采用布局草图装配和动态全息模型的方法建立参数化模型模板和工程图模板；编制关键部件的设计计算程序(强度、刚度校核计算)。在Visual Basic 6.0编译环境下，建立求解计算对象的人机交互界面，编制后台设计计算程序，将各种计算常数、公式以及一些经验值均用参数变量进行表征出来并写入到设计计算模块中。协同小组成员根据图形界面动态更新设计参数表(部件参数表、系统数据表等)，对工作站发出工作指令。
3.3 参数化设计模块
以模板图纸为依据，合理划分零部件的参数等级(一级参数、二级参数等)以及主从关系，并确定其合理的参数变化区间和结构变化空间，确定整机及各零部件之间的约束关系、关联尺寸和尺寸传递方向；添加全息模型的几何信息与非几何信息，并且与图纸相关联；定制参数设置界面(人机交互界面)，并添加二维、三维动态预览功能，用于动态提交设计参数；开发参数化驱动程序、参数化有限元分析程序(命令流文件编制、产品数据导入、分析结果导出、计算书生成等)以及工程图优化调整程序(视图位置调整、视图比例调整、尺寸位置调整、零件序号调整、注释类调整、悬空内容删除等)，生成新模型并对其进行同参数有限元分析校核，根据校核结果判断是否进行工程图优化调整，合理则调优出图，否则重新提交或修改设计参数；将产品数据文档通过Checkin模块检入到电子仓库，进行版本控制和全生命周期管理。
3.4 数据库管理模块
以MS SQL Server 2000与MS Access 2007为数据库系统管理软件，将所有的产品数据参数表、标准件参数表、工艺信息统计表、有限元分析参数表以及设计知识都存储在服务器同一数据库HRCraneDB_2011中。涉及到数据连接、数据表创建、数据库的备份与恢复、数据并发处理和数据容错与容灾等功能模块。为了避免出现误读、误写、不完整和不一致的产品数据，采取事务处理和锁机制的方式控制用户对数据库进行读写访问。
4 工程实例应用
以某型号四梁四轨铸造起重机小车架的设计过程为例，简要说明面向多用户的铸造起重机参数化协同设计系统在机械产品研发中的应用。小车架通过台车组或车轮架运行在桥架的主梁轨道上，承载着起升机构及小车运行机构。根据设计任务量的权重系数组织项目，分配协同小组成员的工作，配置工作环境及硬件设施，成员之间通过Message信息模块相互通讯，依托系统相互调用或借鉴彼此的设计文档。以不同的基本参数为界限，分别创建不同的项目和产品，以项目为单位组织设计任务，通过角色权限设置模块将设计任务细分到部件分配给协同小组成员，如A负责小车架总装参数的确定、B负责小车端梁的设计、C负责定滑轮组梁的设计、D负责卷筒组梁的设计、E负责电机梁的设计、F负责运行机构支架、车轮架、起升减速器座子的设计、G负责审核、H负责会签等等。
通过客户端工作组动态设置小车架的装配尺寸及各部件的位置尺寸，各个子部件根据总参表读取上级尺寸并设置其详细尺寸，提交到各自参数表中，如tb_Main_T，其参数设置界面如图7所示；同时定义用于有限元分析的相关参数(材质、单元类型、网格划分方式等)存储在相应的数据表中；实时遍历项目状态表及部件参数表，向闲置待命的工作站发出工作指令，设计任务合理分配到各工作站，并行完成驱动运算任务，包括生成新的三维模型，如图8所示，对其进行同参数有限元分析校核，根据分析结果判断是否要对工程图进行调优，并将产品文档检入到PDM电子仓库中。
图7 小车架总装参数设置界面
图8 驱动后小车架总装模型
5 结束语
本文将分布式模块化设计、参数化设计与网络化协同设计等方法有机地结合起来，提出了具有混合网络模式的MCSSMW体系架构，基于Message信息模块构建了面向多用户分布式并行驱动的参数化协同设计过程模型。根据铸造起重机结构型式固化程度高的特点，开发了面向多用户的铸造起重机参数化协同设计系统。依托该系统能够实现“参数提交—设计计算—模型驱动—有限元分析校核—工程图优化调整”的一体化设计。该方法的应用与推广能够显著提高起重机产品的设计效率达三倍以上。
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本文标题：基于C/S/W的参数化协同设计平台研究
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