图1 中北大学机械与动力学院CAD/CAM室主任王宗彦
一、前言
在移动互联网时代，制造企业与客户的距离越来越近，客户甚至可以直接定制产品，驱动制造。这也就是移动互联为制造业带来一种新的设计模式——定制设计。所以今天我的演讲题目是“面向定制的模块化和参数化设计”，将围绕模块化设计和参数化设计技术，讨论如何进一步提升机械产品的设计效率。
目前模块化产品平台是企业信息化的基础工作，在未来定制设计模式下企业的核心业务就是面向快速定制的设计方式，即在产品开发设计中应该尽量减少新设计零部件和适应性设计零部件的数量，加大变型设计零部件和标准件的比例，用尽可能少的零部件种类组合成尽可能多种类的产品，即以尽可能少的产品内部多样化，产生尽可能多的产品外部多样化。
图2 通过内部模块化实现外部多样化
达到这种通过最少内部模块化实现外部多样化的一种有效的解决方法就是将模块化设计与参数化设计相结合，实现快速定制的目的。目前在模块化与参数化设计中还存在着一些不足：
第一，产品系列化、标准化程度低，特别是单件小批量生产模式的产品；
第二，还没有一种有效的模块划分方法和划分粒度评价方法，缺少一个有效的支持模块化设计的人机协作的环境；
第三，当前的参数驱动技术，大多还停留在零件模型上，产品级的参数化设计还未见报道，基于特征的参数化变型设计、变型设计尺寸参数的来源（设计计算或设计经验）还未见研究，对提高设计效率不明显；
第四，现有的模块化设计和基于实例推理技术的变型设计方法，缺乏有效的数据搜索功能，还不能解决企业设计资源重用问题，尚缺少行之有效的实施手段；
第五，当前的参数化变型设计研究尚未和有限元分析进行集成分析，模型变型设计后的工程有效性没有校核，因此，导致三维参数化变型设计技术应用范围受到限制；
第六，还没有建成一套完整的模块化和参数化有机结合的方法体系，尚未建立某一产品的快速定制平台；
第七，设计从3D开始认识不足，2D依然为考核手段。
因此我们必须进一步深入研究模块化和参数化设计来实现机械产品的快速设计。
二、模块化设计
模块化设计思想起源于上个世纪，1900年德国的家具公司想要生产一种“理想书架”，由底座、架体和顶板三种模块，强调在几何尺寸上可以实现连接和互换。可组合成不同书架产品。到1920年，德国一家公司把铣床进行了模块划分，可以方便的组装成用户需求的产品，得到了比较好的效果。到20世纪50年代，欧美一些专家把模块化设计作为一种先进的设计方法提出来。目的是为了提高设计效率，使设计经验能够传递和继承，以利于进一步提高设计和生产水平，在汽车等产品设计中得到广泛应用。到20世纪70-80年代，大量模块化产品进入实用阶段，特别是电子设备中得到成功应用（大规模集成电路），模块化理论取得了很大进展。
模块是模块化产品的基本元素，模块定义为一组同时具有相同功能和相同结合要素，具有不同性能或用途甚至不同结构特征，但能互换的单元。模块化一般是指使用模块的概念对产品或系统进行规划设计和组织。模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能结构分析的基础上，划分并设计出一系列模块，通过模块的选择和组合可以构成不同的产品，以满足市场不同需求的设计方法。
模块化设计的优点体现在这种方法具有采用互换性的一定功能和联接要素的单元进行组合而形成产品的特征，它强调以功能分析为基础，以市场预测为导向，把功能不同或者功能相同而性能不同的模块进行组合和互换，形成多种通用、变形的产品，使产品系列具有很大的适应性，所设计的产品便于维修。这种设计方法不仅能满足用户多品种的要求，而且缩短设计周期，使企业在市场竞争中获得主动权。
模块化设计的支撑理论有以下三个：第一个是系统论原理，任何模块化的事或物都可看成是一个系统，开展模块化工作要善于运用系统论的原理才能取得良好的系统效果；第二个是相似性原理，分析和识别大量不同产品和过程中的相似性，挖掘存在于产品和过程中的几何相似性、结构相似性、功能相似性和过程相似性，利用标准化、系列化方法减少产品内部的多样化，提高零部件和生产过程的可重用性；第三个是重用性与标准化原理，通过采用标准化、系列化、通用化的方法，充分挖掘和利用这些单元，将定制产品的生产问题通过产品重组和过程重组，全部或部分转化为批量生产的问题，从而以较低的成本、较高的质量和较快的速度生产出个性化产品。
不同层次的模块化有产品级模块化、部件级模块化、零件级模块化三种。一个典型的产品级模块化例子，大众有这样一个产品开发平台对帕萨特与迈腾作为一个统一的产品进行开发，同时实现这两款车型的快速开发。其理念是“同级别车之间，看得见的地方都不同，而看不见的地方都相同”。部件级模块化比如发动机、内啮合齿轮泵、汽车轮胎等的开发。零件级模块化比如SolidWorks中的标准件库。
图3 大众PQ46平台实现产品级模块化设计
三、参数化设计
参数化技术的研究始于20世纪60年代，Sutherland在开发Sketchpad系统中，提出了利用几何约束技术进行图形修改的思想。1978年麻省理工学院机械工程系的一篇“CAD零件的特征表示”揭开了特征设计的序幕。20世纪90年代PTC公司的Pro/E实现了三维参数化造型理论，SDRC的I-DEAS实现了三维变量化造型理论，形成了基于特征的实体建模技术。美国波音公司的747就采用CAD技术实现了无纸化设计，后面出现的所有CAD系统都是采用该技术。
参数化技术是以几何约束关系建立产品的参数化模型，修改参数化模型的参数可得到同系列不同尺寸的产品。参数化技术是实现设计自动化的一种有效方法。参数化设计是以约束来表达产品模型的形状特征，以一组参数来控制设计结果，从而能通过变换一组参数值方便的创建一系列相似的零部件，这种参数驱动的方式便于用户的修改和设计。而我的报告主题就是要将模块化与参数化的结合，利用参数化技术将模块“变活”“变异”实现变型设计的关键，将参数添加到模块中，可实现模块结构尺寸参数化，更易于模块匹配和连接。
参数化技术利用三维平台本身具备的参数驱动机制，可以对模板模型的几何数据进行参数化修改，实现模型和工程图的关联驱动。将设计知识与经验融入三维模型是实现快速设计的关键。实现模型的全约束十分复杂，为实现模块参数化，需确定模块的主从参数，明确参数变化规律，并建立参数化模板模型。由用户控制的，即能够独立变化的参数一般只有几个，称之为主参数或主约束；其他约束可由图形结构特征确定或与主约束有确定关系，称它们为次约束。
产品级参数化设计流程中，首先进行零件几何形状分析，然后进行零件参数分析，依次建立零部件的主模型、主文档、主结构，最后实现产品级参数化设计。
图4 模块化产品族的主结构示意图
四、关键技术
选择典型产品为模板，按照模块化设计的原理，把产品分解成相对独立的模块，对每一模块实现参数化设计，将设计知识和经验融入三维模型，并实现的模型驱动、分析校核以及二维工程图的自动更新。它不仅包括传统参数化所涵盖的由特征尺寸的修改而形成的结构相同但尺寸不同的零部件的参数化，而且包括局部结构有变化的相似零部件的变型设计，同时标准件、工程图相关信息自动快速更新，并实现零部件尺寸、数量、重量等的精确设计，实现快速定制设计。
这其中涉及三项关键技术：
基于模板的参数化设计技术：模板是参数化设计的对象，选择典型产品作为模板。在创建参数化模板的过程中需要采用相似性原则和最大化原则，应尽可能多的考虑模型可能发生的变化，同时考虑采用配置设计时可能存在的各种配置组合，使模板的功能最全，通过不同情况对模板进行相应的程序处理而得到所需的变型结果。
参数化有限元分析技术：利用APDL的程序语言或第三方开发语言（如VB）组织管理ANSYS的有限元分析命令流，就可以实现参数化建模、加载参数化载荷与求解以及参数后处理结果的显示，从而实现参数化有限元分析的全过程。在参数化的分析过程中可以修改其中的参数达到反复分析各种尺寸、不同载荷大小的多种设计方案或者系列化产品，极大的提高分析效率，减少分析成本。
工程图调整技术：参数化后直接生成的工程图布局较差、视图位置交叉、视图范围超出图纸边界、尺寸飘移、注释错位等缺陷而不适于直接指导实际生产，所以必须对其进行优化，以满足实际生产的需要。调整内容包括：位置自动调整。主要包括视图位置调整、尺寸位置调整、注解（零件序号、焊接符号、粗糙度、各种注释等）位置调整；比例自动调整；视图自动断裂；悬空内容自动删除；中心线、中心符号线自动添加；BOM表信息自动处理。
图5 工程图调整技术
C/S/W体系结构技术：C-客户端安装应用程序主要负责设计数据的创建与维护；S-服务器负责设计数据与设计文档的管理；W-工作站安装模型驱动工程图优化程序，负责设计文档和工艺信息的生成。
图6 C/S/W体系结构技术
本文根据中北大学机械与动力学院CAD/CAM室主任王宗彦在“第十届中国制造业产品创新数字化国际峰会”上的发言整理而成，已经本人确认。
核心关注：拓步ERP系统平台是覆盖了众多的业务领域、行业应用，蕴涵了丰富的ERP管理思想，集成了ERP软件业务管理理念，功能涉及供应链、成本、制造、CRM、HR等众多业务领域的管理，全面涵盖了企业关注ERP管理系统的核心领域，是众多中小企业信息化建设首选的ERP管理软件信赖品牌。
转载请注明出处：拓步ERP资讯网http://www.toberp.com/
本文标题：面向定制的模块化参数化设计
相关文章
