隨著市場(chǎng)競(jìng)爭的日趨激烈，能夠在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出滿足客戶個(gè)性化需求、性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠的產(chǎn)品已成為企業(yè)制勝的關(guān)鍵。Meyer和Alvin等人指出在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，約有70%的產(chǎn)品設(shè)計(jì)是在已有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上，根據(jù)用戶新的需求做局部的結(jié)構(gòu)變化或參數(shù)調(diào)整來完成的，即屬于變型設(shè)計(jì)的范疇。變型設(shè)計(jì)一般基于已有的工作原理，按照實(shí)際功能需求對(duì)結(jié)構(gòu)等進(jìn)行重新調(diào)整布局，以產(chǎn)生適應(yīng)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)技術(shù)，它可以充分利用企業(yè)已有的設(shè)計(jì)資源和設(shè)計(jì)人員良好的經(jīng)驗(yàn)，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量。變型設(shè)計(jì)在滿足客戶個(gè)性化需求，特別是產(chǎn)品多樣化的需求有顯著的優(yōu)勢(shì)。
門式啟閉機(jī)是一種專用于啟閉水工建筑物、閘門、發(fā)電廠與攔污柵用的起重機(jī)械，門式啟閉機(jī)作為一種典型的非標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)類產(chǎn)品，針對(duì)不同的工況，其結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵承載部件，例如小車架結(jié)構(gòu)型式多變，具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)隨意性和靈活性。而且門式啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)一般是在已有的產(chǎn)品基礎(chǔ)上進(jìn)行變型設(shè)計(jì)，知識(shí)重用度極高，然而現(xiàn)階段門式啟閉機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)制造部門缺乏專用的工具，難以數(shù)字化保存和重用已有的設(shè)計(jì)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，造成每一次新的設(shè)計(jì)只能重新設(shè)計(jì)計(jì)算和繪圖，延長開發(fā)周期，增加開發(fā)成本。因此，現(xiàn)階段構(gòu)建門式啟閉機(jī)快速變型設(shè)計(jì)平臺(tái)意義重大。
1 基于模塊化的產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)
1.1 模塊化設(shè)計(jì)
模塊化設(shè)計(jì)是在對(duì)一定范圍內(nèi)功能相同但性能、規(guī)格不同的產(chǎn)品進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，劃分構(gòu)建出一系列模塊，通過模塊的選擇和組合迅速構(gòu)成滿足不同需求產(chǎn)品的一種設(shè)計(jì)方法，模塊化設(shè)計(jì)一般分為以下3個(gè)步驟。
1.1.1 模塊的劃分
根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行功能分析，分解抽象出設(shè)計(jì)模塊。具體是將一套復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品分解成若干個(gè)一級(jí)模塊，一級(jí)模塊又可以分解成若干個(gè)二級(jí)模塊，依次類推，每個(gè)模塊下包含了多個(gè)具有某種共同性質(zhì)的零部件，這些零部件具有較強(qiáng)的互換性，便于設(shè)計(jì)時(shí)替換，如圖1所示。
圖1 產(chǎn)品的模塊劃分
模塊劃分時(shí)一般要考慮以下幾方面問題：
(1)模塊在功能和結(jié)構(gòu)上具有獨(dú)立性和完整性。模塊劃分是對(duì)產(chǎn)品的總體功能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析、分解后得到若干個(gè)基本模塊，每個(gè)模塊應(yīng)具有一定的獨(dú)立性和完整性，這樣有利于模塊之間的組合，可以構(gòu)成多樣化的產(chǎn)品。
(2)零部件之間的相關(guān)度。產(chǎn)品所有零部件之間的相關(guān)度計(jì)算是模塊劃分的重要依據(jù)。假設(shè)零部件之間的相關(guān)類型有n種，第k種相關(guān)對(duì)相關(guān)度的影響因子為rk，則零部件mi和mj之間的相關(guān)度為：
相關(guān)度
式中：當(dāng)mi和mj之間不滿足第k種相關(guān)時(shí)，mi，j=0；當(dāng)mi和mj之間滿足第七種相關(guān)時(shí)，mi，j=1。
(3)零部件聚合成模塊。將分解得到的零部件與各個(gè)模塊進(jìn)行比較，判斷其是否滿足該模塊的結(jié)構(gòu)和功能要求，據(jù)此可以將所有零部件劃分到相應(yīng)的模塊中，完成初步劃分模塊。
(4)模塊劃分的級(jí)數(shù)。模塊劃分的級(jí)數(shù)越多，單個(gè)模塊的成本會(huì)下降，但模塊之間的接口會(huì)更加復(fù)雜，接口成本也會(huì)急劇上升；相反如果模塊的級(jí)數(shù)過少，則單個(gè)模塊的成本較高，且不利于設(shè)計(jì)的靈活性。因此，在劃分模塊時(shí)需要根據(jù)產(chǎn)品自身的特點(diǎn)及實(shí)際設(shè)計(jì)需求來確定合理的級(jí)數(shù)。
文中以門式啟閉機(jī)為例對(duì)其進(jìn)行模塊劃分，根據(jù)門式啟閉機(jī)各部分的功能特點(diǎn)可將其劃分成起升機(jī)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)構(gòu)等3大部分組成，再依次向下劃分，結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2 門式啟閉機(jī)的模塊劃分
1.1.2 模塊的構(gòu)建
模塊劃分完成后，要對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行具體的構(gòu)建，主要包括以下4方面的內(nèi)容：
(1)模塊管理。主要確定各模塊的名稱、功能及零部件數(shù)目等。
(2)模塊構(gòu)成。確定各模塊內(nèi)部包含的零部件名稱、特點(diǎn)及性能等。
(3)幾何造型。確定描述零部件結(jié)構(gòu)的幾何形狀和尺寸參數(shù)，并根據(jù)設(shè)計(jì)需求將部分參數(shù)設(shè)為驅(qū)動(dòng)參數(shù)。
(4)接口處理。產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，各模塊的零部件要根據(jù)設(shè)計(jì)需求的不同而替換，模塊之間并不是獨(dú)立的，而是有一定的約束聯(lián)系，因此，必須定義好模塊之間的接口關(guān)系以解決好裝配問題。例如圖3所示，若產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，在一級(jí)模塊下選擇“零件11”，由于模塊1對(duì)模塊3有一定的約束，會(huì)使得模塊3只能選擇“零件32”而不能選擇“零件31”等。
圖3 模塊之間的約束關(guān)系
1.1.3 模塊的重組
這一步是模塊劃分和構(gòu)建的目的，體現(xiàn)在具體的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員根據(jù)具體要求在各個(gè)模塊下選擇滿足條件的零部件組合成新的產(chǎn)品。
1.2 門式啟閉機(jī)小車架的變型設(shè)計(jì)
門式啟閉機(jī)的小車架結(jié)構(gòu)形式多變，設(shè)計(jì)較靈活，文中系統(tǒng)采用了基于模塊化的變型設(shè)計(jì)方法，首先根據(jù)功能將小車架劃分成7個(gè)模塊，用戶可以通過以下兩種方式實(shí)現(xiàn)小車架的變型設(shè)計(jì)。
(1)產(chǎn)品庫中存在相似模板的情況下，設(shè)計(jì)人員可以通過調(diào)用模板并對(duì)其進(jìn)行修改以得到目標(biāo)產(chǎn)品，原理如圖4所示。
圖4 小車架模塊化變型原理圖1
(2)當(dāng)產(chǎn)品庫中沒有任何相似模板的情況下，設(shè)計(jì)人員按照規(guī)定的順序依次選擇每個(gè)模塊下某種結(jié)構(gòu)形式的零部件，將不同模塊組合在一起，得到滿足要求的產(chǎn)品。原理如圖5所示。
圖5 小車架模塊化變型原理圖2
通過上述方法，設(shè)計(jì)人員可以很靈活地根據(jù)設(shè)計(jì)需求，合理地利用已有的設(shè)計(jì)資源和經(jīng)驗(yàn)，快速實(shí)現(xiàn)小車架的變型設(shè)計(jì)。
2 復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)平臺(tái)
2.1 平臺(tái)的體系
復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品快速變型設(shè)計(jì)平臺(tái)是一個(gè)支持虛擬設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)，支持產(chǎn)品變型與分析集成應(yīng)用系統(tǒng)。文中系統(tǒng)在AutoCAD和ANSYS軟件平臺(tái)基礎(chǔ)上，以Access為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理。運(yùn)用Visual C++開發(fā)環(huán)境，綜合ARX編程技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和數(shù)據(jù)庫操作技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)模型和分析模型的無縫集成，最終實(shí)現(xiàn)門式啟閉機(jī)可視化、數(shù)字化的快速響應(yīng)變型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員在平臺(tái)引導(dǎo)下，按照規(guī)范的設(shè)計(jì)流程，在交互界面下輸入設(shè)計(jì)參數(shù)、選擇零部件類型，系統(tǒng)通過參數(shù)關(guān)聯(lián)、傳遞和判斷，驅(qū)動(dòng)生成產(chǎn)品CAD與CAE模型，完成模型的變型設(shè)計(jì)與分析，并將產(chǎn)品實(shí)例的三維虛擬原型、主要技術(shù)參數(shù)、有限元分析結(jié)果及零部件的二維圖信息全部保存。系統(tǒng)所包含的功能如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)的功能模塊構(gòu)成
2.2 平臺(tái)的設(shè)計(jì)流程
平臺(tái)的流程如圖7所示。設(shè)計(jì)人員首先根據(jù)用戶需求和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)判斷產(chǎn)品庫中是否已經(jīng)存在相似的產(chǎn)品，如果有則調(diào)用相似產(chǎn)品在CAD模塊下對(duì)其進(jìn)行修改，接著進(jìn)入CAE模塊中進(jìn)行有限元分析；如果沒有則新建產(chǎn)品，根據(jù)初始條件的參數(shù)在CAD模塊中依次設(shè)計(jì)出門式啟閉機(jī)的起升機(jī)構(gòu)、小車架和門架，然后進(jìn)入CAE模塊對(duì)設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行有限元分析。通過上述兩種方法，用戶根據(jù)CAE模塊分析的結(jié)果做出判斷并反饋設(shè)計(jì)，直至分析結(jié)果滿足設(shè)計(jì)需求，即得到目標(biāo)產(chǎn)品，并將本次設(shè)計(jì)產(chǎn)品存入產(chǎn)品庫，供下次設(shè)計(jì)調(diào)用，提高了知識(shí)的重用度。
圖7 平臺(tái)的設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖
2.3 關(guān)鍵技術(shù)
2.3.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)
參數(shù)化技術(shù)是變型設(shè)計(jì)中重要的技術(shù)之一。運(yùn)用ObjectARX技術(shù)和APDL語言分別對(duì)AutoCAD和ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，構(gòu)建了完整的門式啟閉機(jī)三維參數(shù)化CAD和CAE模型，并開發(fā)出了友好的設(shè)計(jì)界面，設(shè)計(jì)人員不用具體建模，只需要在相應(yīng)的界面下輸入合理的設(shè)計(jì)參數(shù)即可生產(chǎn)相應(yīng)的模型，極大地提高了設(shè)計(jì)效率。
2.3.2 CAD/CAE集成
CAD/CAE系統(tǒng)集成分為專用數(shù)據(jù)接口集成、中性文件集成、基于統(tǒng)一產(chǎn)品模型的集成等方式，其中前兩種方法難以消除模型轉(zhuǎn)換“理想化”處理過程。文中采用了第3種方式實(shí)現(xiàn)CAD/CAE集成，原理如圖8所示。
圖8 CAD/CAE集成原理圖
運(yùn)用ObjectARX語言和APDL語言分別編寫出各零部件的CAD模型和CAE模型，并基于特征轉(zhuǎn)換的原理，將兩種模型的參數(shù)一一對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，通過數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理，設(shè)計(jì)人員在輸人參數(shù)后，程序會(huì)通過ARX命令流構(gòu)建CAD模型，并將參數(shù)寫入數(shù)據(jù)庫中保存，同時(shí)修改APDL命令流中對(duì)應(yīng)的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的傳遞和共享，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)CAD/CAE集成。
例如，定義小車架總體結(jié)構(gòu)的APDL命令流中“寬度”與“跨距”參數(shù)的賦值代碼為：
圖9所示為輸入小車架寬度和跨距界面。當(dāng)用戶通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)產(chǎn)品輸入?yún)?shù)值時(shí)，單擊“確定”后，后臺(tái)程序會(huì)將數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫保存，然后再讀取出將APDL命令流中的chejia_kuaju及chejia_kuan改成用戶輸入的值，主要編程代碼如下：
圖9 用戶輸入寬度與跨距參數(shù)
代碼中changeWord()函數(shù)為自定義函數(shù)，作用是讓程序讀APDL命令流時(shí)找到需要修改的代碼標(biāo)識(shí)，例如“chejia_kuaju=”，并將其后面的值修改為用戶輸入的參數(shù)，函數(shù)原型如下：
3 應(yīng)用實(shí)例
文中開發(fā)的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了變結(jié)構(gòu)小車架模型的設(shè)計(jì)與分析，如圖10和圖11分別為一種結(jié)構(gòu)形式的雙吊點(diǎn)小車架的三維設(shè)計(jì)模型和有限元分析模型，其寬度為5.2m，跨距為7.6m，起重量為2×630kN，設(shè)計(jì)人員通過平臺(tái)進(jìn)一步進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算、修改等，最終得到符合要求的產(chǎn)品實(shí)例，導(dǎo)出零件的二維工程圖，并將產(chǎn)品保存到平臺(tái)的實(shí)例庫中，供下次設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用。
圖10 啟閉機(jī)小車架三維設(shè)計(jì)模型
圖11 啟閉機(jī)小車架有限元模型
4 結(jié)束語
給出了一種基于模塊化的復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)與分析的方法，在此基礎(chǔ)上，以門式啟閉機(jī)為例，以AutoCAD為圖形平臺(tái)，ANSYS為分析平臺(tái)，并融入啟閉機(jī)設(shè)計(jì)流程，開發(fā)出了門式啟閉機(jī)變型設(shè)計(jì)平臺(tái)。實(shí)踐證明，該平臺(tái)滿足啟閉機(jī)設(shè)計(jì)多樣化的需求，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了知識(shí)重用度和設(shè)計(jì)人員的效率，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：基于模塊化方法的復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品變型設(shè)計(jì)
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