1??基于參數(shù)化、模塊化、智能化的系列產(chǎn)品變型設(shè)計方法及其實現(xiàn)

1.1  系列產(chǎn)品參數(shù)化設(shè)計及其與產(chǎn)品變型設(shè)計關(guān)系分析

參數(shù)化設(shè)計是規(guī)格化、系列化產(chǎn)品設(shè)計的一種簡單、高效、優(yōu)質(zhì)的設(shè)計方法。它一般是指對形狀比較定型的零件或部件，用一組參數(shù)約束該模型的結(jié)構(gòu)尺寸與拓撲關(guān)系，參數(shù)與設(shè)計對象的控制尺寸有顯式對應(yīng)關(guān)系，當賦予不同的參數(shù)序列值時，就可驅(qū)動典型模型，達到滿足設(shè)計要求的零件模型, 通過對現(xiàn)有產(chǎn)品局部結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)的變異可以滿足不同工作性能的需求。

產(chǎn)品變型過程的實質(zhì)是變型參數(shù)在整個產(chǎn)品模型中的傳遞，最終反映到某些零部件的變型上。而零部件的變型包括特征變型、裝配關(guān)系變型、相同零部件配置數(shù)目變化和零部件的選配等。產(chǎn)品的變型設(shè)計首先要解決的是產(chǎn)品變型參數(shù)的選擇。產(chǎn)品變型參數(shù)分析是通過對產(chǎn)品或整個產(chǎn)品系列的調(diào)研，確定整個產(chǎn)品模型的變型參數(shù)即產(chǎn)品級變型參數(shù)。 而零部件的變型參數(shù)分析是根據(jù)產(chǎn)品的變型要求來確定零部件所需的變型參數(shù)，相應(yīng)零部件的變型參數(shù)就稱為零件(部件)級變型參數(shù)。變型關(guān)系分析所做的工作之一就是根據(jù)產(chǎn)品的變型特點，分析所有零部件的變型參數(shù)和產(chǎn)品級變型參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。進而確定參數(shù)傳遞關(guān)系，根據(jù)產(chǎn)品的建模結(jié)構(gòu)及其參數(shù)傳遞結(jié)構(gòu)，用戶輸入客戶定制參數(shù)就可迅速派生出新產(chǎn)品實例。參數(shù)化設(shè)計是針對系列產(chǎn)品的每個開發(fā)模塊開發(fā)的，通過參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)來得到一個模塊化的系列產(chǎn)品。

1.2  系列產(chǎn)品模塊化設(shè)計、CBR 推理技術(shù)及其與產(chǎn)品變型設(shè)計關(guān)系分析

產(chǎn)品的模塊化設(shè)計是在對一定范圍內(nèi)的不同功 能或相同功能不同性能、不同規(guī)格的產(chǎn)品進行功能 結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計出一系列模塊，通過 模塊的選擇和組合可以構(gòu)成不同的產(chǎn)品，以滿足市 場不同需求的設(shè)計方法。

系列產(chǎn)品模塊化設(shè)計是廣義的模塊化設(shè)計即參數(shù)化的模塊化設(shè)計，所謂廣義的模塊化設(shè)計，是以傳統(tǒng)模塊化設(shè)計基本理論為基礎(chǔ)，引人參數(shù)化設(shè)計方法，通過對一系列產(chǎn)品進行功能分析并結(jié)合其在設(shè)計、制造、維護中的特點，劃分并構(gòu)造具有更大適應(yīng)性的廣義模塊和廣義產(chǎn)品平臺，通過廣義模塊的組合或廣義產(chǎn)品平臺的衍生實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計。廣義模塊化設(shè)計通過零部件的拓撲結(jié)構(gòu)標準化及尺寸參數(shù)化構(gòu)建模塊化的產(chǎn)品體系。通過廣義模塊既可以實現(xiàn)固定的、標準的剛性模塊化設(shè)計(當參數(shù)為固定系列值時),又可以根據(jù)個性化用戶的需求，通過模塊參數(shù)化定制實現(xiàn)柔性模塊設(shè)計(當參數(shù)值實時改變時)。

系列產(chǎn)品廣義模塊化設(shè)計從模塊入手，將模塊作為產(chǎn)品的基本單元，產(chǎn)品由模塊組合而成，模塊結(jié)構(gòu)再進一步分為子模塊，然后分解為零部件等。系列產(chǎn)品的模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分為3個層次：產(chǎn)品層、模塊層、零部件層，如圖1所示。

圖1 模塊化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖

隨著人工智能的發(fā)展，產(chǎn)品的智能設(shè)計逐漸滲透到產(chǎn)品變型設(shè)計當中。而基于實例的推理CBR 這 一 人工智能技術(shù)由于具有相對簡單和方便的知識獲取和重用方法，受到了很多研究人員的重視?；趯嵗脑O(shè)計CBD(case-based design)就是采用CBR的方法進行產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)。其主要思想就是在以前成功設(shè)計的實例庫中搜索與客戶需求的設(shè)計目標特征最匹配的一個或多個設(shè)計實例并對其進行修正的過程。基于實例推理的設(shè)計方法與人類的決策思維過程類似，都是通過聯(lián)想以前類似問題的解決方法，并對其進行適當?shù)男拚詰?yīng)用于新問題的解決。其核心在于用過去的實例和經(jīng)驗來解決目前的問題。將CBD設(shè)計技術(shù)融合到模塊化設(shè)計中使模塊體成為包含設(shè)計實例和設(shè)計知識等信息的智能模塊體，最終形成基于智能模塊體的變型設(shè)計模式，如圖2所示。

圖 2 基于智能模塊體的變型設(shè)計模式

1.3 系列產(chǎn)品變型設(shè)計的實現(xiàn)

系列產(chǎn)品的設(shè)計是一個漸進的過程 ，一般經(jīng)過概念設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計和詳細設(shè)計3個階段，這種漸進的設(shè)計過程稱為自頂向下設(shè)計。自頂向下的設(shè)計方法增加了零件之間的關(guān)聯(lián)性，設(shè)計層次清楚，實現(xiàn)了設(shè)計信息的傳遞、共享、繼承。這種方法是從分析客戶需求開始，在概念設(shè)計時充分考慮系列產(chǎn)品的設(shè)計而不是單個產(chǎn)品的設(shè)計，并根據(jù)產(chǎn)品的功能進行模塊劃分，從而設(shè)計出產(chǎn)品平臺和系列產(chǎn)品， 這是一種“事先”的設(shè)計方法，適合于一個新產(chǎn)品系列的開發(fā)。包括產(chǎn)品方案設(shè)計和詳細設(shè)計兩個階段。產(chǎn)品方案設(shè)計階段根據(jù)用戶需求進行功能分解形成反映用戶需求的功能模塊，進一步形成基于CBR的智能模塊或子模塊，并確定產(chǎn)品方案的模塊組成以及模塊的設(shè)計參數(shù)；詳細設(shè)計階段則是根據(jù)模塊的設(shè)計和功能要求進行模塊的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計。 其中產(chǎn)品方案設(shè)計階段是最具創(chuàng)造性的階段，是決定產(chǎn)品質(zhì)量、產(chǎn)品市場競爭力以及企業(yè)能否獲利最為關(guān)鍵的階段。圖3所示為基于智能模塊體產(chǎn)品實例的自頂向下的變型設(shè)計流程。其主要過程是在模塊化產(chǎn)品實例的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶需求提取相似實例，通過相似實例中部分模塊的替換、修改和創(chuàng)建即可快速實現(xiàn)變型設(shè)計。

圖 3 基于智能模塊體產(chǎn)品實例的自頂向下模式的變型設(shè)計流程

在具體的實現(xiàn)方法上，現(xiàn)在普遍采用的變型設(shè)計都是通過一一地改變零部件的參數(shù)來完成設(shè)計，但是對于零部件很多的產(chǎn)品來說，這種設(shè)計方法并不能提高設(shè)計效率。所以我們采用整體控制局部的參數(shù)化設(shè)計思想，例如，在Solidworks平臺下利用關(guān)系草圖控制零部件的裝配關(guān)系以及尺寸關(guān)系，通過Solidworks的關(guān)系方程式將所有零部件的尺寸及相互關(guān)系都反映在裝配草圖內(nèi)，然后利用程序控制關(guān)系草圖，通過關(guān)系草圖的變化來完成所有零部件的變型設(shè)計。這種方法的程序?qū)崿F(xiàn)也比較容易，直接利VB程序調(diào)用Solidworks API函數(shù)來完成對草圖的控制，將Solidworks中的關(guān)系方程式轉(zhuǎn)換為VB程序中的程序等式，通過關(guān)系等式驅(qū)動模型，實現(xiàn)對零部件的變型設(shè)計。

進而，將變型設(shè)計融合于模塊化設(shè)計中，使模塊體包含了設(shè)計實例，形成模塊化的變型設(shè)計。在模塊化產(chǎn)品實例的基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶需求提取相似實例，通過相似實例中部分模塊的替換、修改和創(chuàng)建即可快速實現(xiàn)模塊化的變型設(shè)計。模塊化的變型設(shè)計有利于企業(yè)資源的共享和重用，對于提高設(shè)計質(zhì)量、加快設(shè)計進程具有重要作用。

2  門式起重機門架系列產(chǎn)品變型設(shè)計開發(fā)實例

門式起重機是碼頭、貨場等露天作業(yè)中實現(xiàn)生產(chǎn)自動化，提高生產(chǎn)率的重要物品裝卸搬運設(shè)備，目前具有廣泛的市場潛力。在重型機械產(chǎn)品中，其標準化、系列化位于前列，具有良好的參數(shù)化設(shè)計基礎(chǔ)。利用模塊化、智能化技術(shù)及參數(shù)化設(shè)計的自頂向下模式可實現(xiàn)門式起重機系列產(chǎn)品的變型設(shè)計開發(fā)。

2.1  門式起重機門架變型設(shè)計的自頂向下的設(shè)計模式

考慮到參數(shù)化設(shè)計“自底向上”和“自頂向下”的優(yōu)缺點，門式起重機門架采用“自向下”的設(shè)計方式，這主要體現(xiàn)在整體設(shè)計和裝配建模上。在整體設(shè)計時采用“自頂向下”的設(shè)計方法，綜合考慮客戶需求、產(chǎn)品功能結(jié)構(gòu)及系列產(chǎn)品變型的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，逐步細化，層次分明，便于從總體上把握設(shè)計變更，避免了設(shè)計思緒混亂。當某一子裝配體變更時，只需改變該模塊的計算關(guān)系，而與其它裝配體模塊無任何關(guān)系。圖4為門式起重機門架系列產(chǎn)品整體設(shè)計結(jié)構(gòu)。

圖4  門式起重機門架基于智能模塊體的自頂向下的變型設(shè)計整體結(jié)構(gòu)

由于自頂向下設(shè)計是從產(chǎn)品的頂層開始，通過在裝配中建立零件來完成整個產(chǎn)品設(shè)計的方法，為此，我們在產(chǎn)品設(shè)計的最初階段，按照該產(chǎn)品的最基本的功能和要求，在設(shè)計頂層構(gòu)筑布局草圖，用這個布局草圖來充當產(chǎn)品的頂層骨架。布局草圖是實現(xiàn)參數(shù)化建模的最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。在裝配體布局草圖中，用草圖表示每個零部件的位置可以自上而下地設(shè)計一個裝配體，設(shè)計人員可以在生成零件之前建立和修改設(shè)計意圖，可以很自由地對裝配中的零件進行修改和替換，并經(jīng)布局草圖參數(shù)的控制驅(qū)動整個門架模型，實現(xiàn)其三維實體模型和工程圖的生成。如果更改了布局草圖，則裝配體及其零件都會隨之自動更新。且僅需改變一處即可快速地完成修改，這也正是布局草圖的優(yōu)點所在。圖5是門式起重機門架某部件裝配時的布局草圖。其具體實現(xiàn)過程如下：

(1)新建一裝配體文件，在“前視”基準面上繪制圖5所示的草圖，并標注與零部件相關(guān)的位置尺寸。

(2)在裝配體中插人圖5所示的零部件，并使該零部件與草圖和前視面建立約束關(guān)系。

與建立其他一般視圖不同，在建立布局草圖時， 更注重在最初的產(chǎn)品總體布局中捕獲和抽取各子裝配和零件間的相互關(guān)聯(lián)性和依賴性。這也正是布局草圖的真正內(nèi)涵。

圖5 門式起重機門架某部件裝配布局草圖

2.2  門式起重機門架變型設(shè)計中的模塊體的劃分及構(gòu)成

采用模塊化設(shè)計方法可以實現(xiàn)門式起重機門架的快速設(shè)計，縮短設(shè)計周期，提高設(shè)計質(zhì)量。按照門式起重機門架的功能與結(jié)構(gòu)，根據(jù)企業(yè)實際需求，采用自頂向下方式即分級模塊的思想，把一定級別的門架模塊用分級系統(tǒng)中低一級的模塊組成。據(jù)此可將某型號門架分為一系列模塊，包括：主梁、剛性支腿一/二、撓性支腿一/二、下橫梁、拱架一/二、主橫梁、斜梯、標準件、通用件庫等。隨著設(shè)計手段的不斷更新，起重機的參數(shù)化設(shè)計逐漸向智能化、數(shù)字化、集成化方向發(fā)展。為了滿足變型設(shè)計需求，門架參數(shù)化的模塊中不僅包括CAD模型及其幾何信息，還包括設(shè)計標準、設(shè)計公式、校驗公式、產(chǎn)品的尺寸關(guān)聯(lián)、尺寸約束、工程約束、特征關(guān)聯(lián)等內(nèi)容的產(chǎn)品知識庫。通過面向?qū)ο蟮闹R表示方法對其進行封裝，實現(xiàn)基于知識的尺寸驅(qū)動和特征驅(qū)動，大大提高產(chǎn)品設(shè)計的效率并實現(xiàn)智能化。

圖 6  起重機門架智能模塊體的構(gòu)成

圖6為某型號門式起重機門架智能模塊體的構(gòu)成?？梢钥闯?，該門架主要由設(shè)計計算模塊和CAD參數(shù)化模塊組成。設(shè)計計算模塊的設(shè)計計算知識是由工程師總結(jié)表述后提煉出來的。如在計算分析模塊中主梁截面的參數(shù)計算包含了知識庫中方案庫、方法庫及推理機制的應(yīng)用。方案庫主要記錄了以往設(shè)計的不同噸位的門架參數(shù)。方法庫記錄了主梁截面的計算方法、起重機設(shè)計標準、尺寸約束與關(guān)聯(lián)、約束標準、特征關(guān)聯(lián)。其中計算方法即計算公式：各種載荷計算公式、門架不同點的應(yīng)力、彎矩計算公式、強度、剛度、穩(wěn)定性計算公式、優(yōu)化與評估方法等。參數(shù)設(shè)置模塊主要完成新產(chǎn)品參數(shù)的設(shè)置并存入數(shù)據(jù)庫。參數(shù)管理模塊用程序控制Excel實現(xiàn)參數(shù)傳遞和路徑存儲，用程序控制Word生成說明書、計算書等技術(shù)文檔。另外還有有限元分析模塊可對關(guān)鍵部件進行有限元分析。CAD參數(shù)化模塊主要包括模型庫和工程圖庫(對于成系列的零件要建立相應(yīng)的系列零件庫)并定義好零件和工程圖屬性信息(如密度、材料、零件號等)。驅(qū)動模塊包括建立布局草圖及其與零件之間的關(guān)系，整理各零件尺寸與布局草圖的主參數(shù)之間的關(guān)系，并通過編程實現(xiàn)布局草圖參數(shù)與門架設(shè)計計算模塊得到的各種參數(shù)交互，實現(xiàn)用計算優(yōu)化后得到的各種參數(shù)驅(qū)動部件的生成。模塊采用基于布局草圖的自頂向下的模塊化設(shè)計思想，設(shè)計人員可以很自由地對裝配中的零件進行修改和替換，并可經(jīng)布局草圖參數(shù)的控制驅(qū)動整個門架模型，實現(xiàn)其三維實體模型和工程圖的生成。標準件庫及通用件庫為裝配體提供大量的標準件和通用件 。

2.3  門式起重機門架系列產(chǎn)品開發(fā)實現(xiàn)過程

門架模塊化參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)首先建立門架零部件的三維參數(shù)化模型和相應(yīng)工程圖模板，并總結(jié)用戶特征建立用戶特征庫和根據(jù)相關(guān)標準建立標準件庫，然后基于裝配布局草圖采用自頂向下的參數(shù)化設(shè)計方法建立各主模塊的裝配模型，最后開發(fā)參數(shù)化系統(tǒng)程序各模塊，程序的開發(fā)是門架參數(shù)化設(shè)計的實現(xiàn)方法，同時也是門架變型設(shè)計的實現(xiàn)方法。利用VB語言編寫程序，設(shè)計人機交互界面來完成最終設(shè)計任務(wù)并利用VB語言和Solidworks提供的API接口函數(shù)編寫程序，生成*.dll 文件，作為插件集成于Solidworks環(huán)境中。通過各程序模塊或者在已有產(chǎn)品實例的基礎(chǔ)上對不滿足要求的結(jié)構(gòu)作變型設(shè)計，或者以模塊為單位進行組合變型設(shè)計，并將經(jīng)過變型設(shè)計的模塊存入模塊庫。然后將實體模型參數(shù)化擴展到二維工程圖，通過建立參數(shù)化工程圖模板、視圖比例調(diào)整、視圖位置調(diào)整、尺寸位置調(diào)整等實現(xiàn)參數(shù)化驅(qū)動后工程圖的自動調(diào)整，最終得到滿足生產(chǎn)要求的工程圖。系統(tǒng)開發(fā)完成，生成.exe 文件，運行，逐步輸入相關(guān)參數(shù)、自定義選型即可生成新產(chǎn)品數(shù)據(jù)資料。主要包括新產(chǎn)品主要驅(qū)動參數(shù)表、新產(chǎn)品工程圖紙、新產(chǎn)品Word文檔等。

圖 7  門架總裝參數(shù)化系統(tǒng)運行主界面

圖 8  門架新產(chǎn)品總裝模型

圖7、圖8、圖9為模型號新設(shè)計門架參數(shù)化系統(tǒng)運行主界面、總裝經(jīng)變型后的新模型及某部件經(jīng)程序自動調(diào)整后的圖紙。

圖9 門架下橫梁經(jīng)程序優(yōu)化后的工程圖

3  結(jié)束語

(1)利用模塊化技術(shù)對產(chǎn)品進行功能分解和結(jié)構(gòu)重組，通過模塊間的靈活組合與拆分實現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動過程，為產(chǎn)品實例的表達和實現(xiàn)變型提供良好的支持。而CBR技術(shù)可以作為變型設(shè)計的智能推理工具，實現(xiàn)系列產(chǎn)品的快速變型設(shè)計。最終形成了參數(shù)化、模塊化、智能化相結(jié)合的變型設(shè)計方法。

(2)在與廣州起重機械有限公司技術(shù)中心合作開發(fā)的門式起重機參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng)中很好地將模塊化技術(shù)、CBR技術(shù)與參數(shù)化技術(shù)結(jié)合起來。實際應(yīng)用表明，該設(shè)計系統(tǒng)增強了變型設(shè)計的規(guī)范性和智能性，提高了產(chǎn)品設(shè)計速度和設(shè)計質(zhì)量，進而增強了企業(yè)對市場的快速響應(yīng)能力。