面向模块化、智能化、参数化的产品 变型设计技术研究

1  基于参数化、模块化、智能化的系列产品变型设计方法及其实现

1.1  系列产品参数化设计及其与产品变型设计关系分析

参数化设计是规格化、系列化产品设计的一种简单、高效、优质的设计方法。它一般是指对形状比较定型的零件或部件，用一组参数约束该模型的结构尺寸与拓扑关系，参数与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，当赋予不同的参数序列值时，就可驱动典型模型，达到满足设计要求的零件模型, 通过对现有产品局部结构形式和参数的变异可以满足不同工作性能的需求。

产品变型过程的实质是变型参数在整个产品模型中的传递，最终反映到某些零部件的变型上。而零部件的变型包括特征变型、装配关系变型、相同零部件配置数目变化和零部件的选配等。产品的变型设计首先要解决的是产品变型参数的选择。产品变型参数分析是通过对产品或整个产品系列的调研，确定整个产品模型的变型参数即产品级变型参数。 而零部件的变型参数分析是根据产品的变型要求来确定零部件所需的变型参数，相应零部件的变型参数就称为零件(部件)级变型参数。变型关系分析所做的工作之一就是根据产品的变型特点，分析所有零部件的变型参数和产品级变型参数之间的关联关系。进而确定参数传递关系，根据产品的建模结构及其参数传递结构，用户输入客户定制参数就可迅速派生出新产品实例。参数化设计是针对系列产品的每个开发模块开发的，通过参数化设计系统来得到一个模块化的系列产品。

1.2  系列产品模块化设计、CBR 推理技术及其与产品变型设计关系分析

产品的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。

系列产品模块化设计是广义的模块化设计即参数化的模块化设计，所谓广义的模块化设计，是以传统模块化设计基本理论为基础，引人参数化设计方法，通过对一系列产品进行功能分析并结合其在设计、制造、维护中的特点，划分并构造具有更大适应性的广义模块和广义产品平台，通过广义模块的组合或广义产品平台的衍生实现产品的快速设计。广义模块化设计通过零部件的拓扑结构标准化及尺寸参数化构建模块化的产品体系。通过广义模块既可以实现固定的、标准的刚性模块化设计(当参数为固定系列值时),又可以根据个性化用户的需求，通过模块参数化定制实现柔性模块设计(当参数值实时改变时)。

系列产品广义模块化设计从模块入手，将模块作为产品的基本单元，产品由模块组合而成，模块结构再进一步分为子模块，然后分解为零部件等。系列产品的模块化产品结构分为3个层次：产品层、模块层、零部件层，如图1所示。

图1 模块化产品结构示意图

随着人工智能的发展，产品的智能设计逐渐渗透到产品变型设计当中。而基于实例的推理CBR 这 一 人工智能技术由于具有相对简单和方便的知识获取和重用方法，受到了很多研究人员的重视。基于实例的设计CBD(case-based design)就是采用CBR的方法进行产品设计的技术。其主要思想就是在以前成功设计的实例库中搜索与客户需求的设计目标特征最匹配的一个或多个设计实例并对其进行修正的过程。基于实例推理的设计方法与人类的决策思维过程类似，都是通过联想以前类似问题的解决方法，并对其进行适当的修正以应用于新问题的解决。其核心在于用过去的实例和经验来解决目前的问题。将CBD设计技术融合到模块化设计中使模块体成为包含设计实例和设计知识等信息的智能模块体，最终形成基于智能模块体的变型设计模式，如图2所示。

图 2 基于智能模块体的变型设计模式

1.3 系列产品变型设计的实现

系列产品的设计是一个渐进的过程 ，一般经过概念设计、参数化设计和详细设计3个阶段，这种渐进的设计过程称为自顶向下设计。自顶向下的设计方法增加了零件之间的关联性，设计层次清楚，实现了设计信息的传递、共享、继承。这种方法是从分析客户需求开始，在概念设计时充分考虑系列产品的设计而不是单个产品的设计，并根据产品的功能进行模块划分，从而设计出产品平台和系列产品， 这是一种“事先”的设计方法，适合于一个新产品系列的开发。包括产品方案设计和详细设计两个阶段。产品方案设计阶段根据用户需求进行功能分解形成反映用户需求的功能模块，进一步形成基于CBR的智能模块或子模块，并确定产品方案的模块组成以及模块的设计参数；详细设计阶段则是根据模块的设计和功能要求进行模块的具体结构设计。 其中产品方案设计阶段是最具创造性的阶段，是决定产品质量、产品市场竞争力以及企业能否获利最为关键的阶段。图3所示为基于智能模块体产品实例的自顶向下的变型设计流程。其主要过程是在模块化产品实例的基础上，根据用户需求提取相似实例，通过相似实例中部分模块的替换、修改和创建即可快速实现变型设计。

图 3 基于智能模块体产品实例的自顶向下模式的变型设计流程

在具体的实现方法上，现在普遍采用的变型设计都是通过一一地改变零部件的参数来完成设计，但是对于零部件很多的产品来说，这种设计方法并不能提高设计效率。所以我们采用整体控制局部的参数化设计思想，例如，在Solidworks平台下利用关系草图控制零部件的装配关系以及尺寸关系，通过Solidworks的关系方程式将所有零部件的尺寸及相互关系都反映在装配草图内，然后利用程序控制关系草图，通过关系草图的变化来完成所有零部件的变型设计。这种方法的程序实现也比较容易，直接利VB程序调用Solidworks API函数来完成对草图的控制，将Solidworks中的关系方程式转换为VB程序中的程序等式，通过关系等式驱动模型，实现对零部件的变型设计。

进而，将变型设计融合于模块化设计中，使模块体包含了设计实例，形成模块化的变型设计。在模块化产品实例的基础上，根据用户需求提取相似实例，通过相似实例中部分模块的替换、修改和创建即可快速实现模块化的变型设计。模块化的变型设计有利于企业资源的共享和重用，对于提高设计质量、加快设计进程具有重要作用。

2  门式起重机门架系列产品变型设计开发实例

门式起重机是码头、货场等露天作业中实现生产自动化，提高生产率的重要物品装卸搬运设备，目前具有广泛的市场潜力。在重型机械产品中，其标准化、系列化位于前列，具有良好的参数化设计基础。利用模块化、智能化技术及参数化设计的自顶向下模式可实现门式起重机系列产品的变型设计开发。

2.1  门式起重机门架变型设计的自顶向下的设计模式

考虑到参数化设计“自底向上”和“自顶向下”的优缺点，门式起重机门架采用“自向下”的设计方式，这主要体现在整体设计和装配建模上。在整体设计时采用“自顶向下”的设计方法，综合考虑客户需求、产品功能结构及系列产品变型的内在关联，逐步细化，层次分明，便于从总体上把握设计变更，避免了设计思绪混乱。当某一子装配体变更时，只需改变该模块的计算关系，而与其它装配体模块无任何关系。图4为门式起重机门架系列产品整体设计结构。

图4  门式起重机门架基于智能模块体的自顶向下的变型设计整体结构

由于自顶向下设计是从产品的顶层开始，通过在装配中建立零件来完成整个产品设计的方法，为此，我们在产品设计的最初阶段，按照该产品的最基本的功能和要求，在设计顶层构筑布局草图，用这个布局草图来充当产品的顶层骨架。布局草图是实现参数化建模的最为关键的技术之一。在装配体布局草图中，用草图表示每个零部件的位置可以自上而下地设计一个装配体，设计人员可以在生成零件之前建立和修改设计意图，可以很自由地对装配中的零件进行修改和替换，并经布局草图参数的控制驱动整个门架模型，实现其三维实体模型和工程图的生成。如果更改了布局草图，则装配体及其零件都会随之自动更新。且仅需改变一处即可快速地完成修改，这也正是布局草图的优点所在。图5是门式起重机门架某部件装配时的布局草图。其具体实现过程如下：

(1)新建一装配体文件，在“前视”基准面上绘制图5所示的草图，并标注与零部件相关的位置尺寸。

(2)在装配体中插人图5所示的零部件，并使该零部件与草图和前视面建立约束关系。

与建立其他一般视图不同，在建立布局草图时， 更注重在最初的产品总体布局中捕获和抽取各子装配和零件间的相互关联性和依赖性。这也正是布局草图的真正内涵。

图5 门式起重机门架某部件装配布局草图

2.2  门式起重机门架变型设计中的模块体的划分及构成

采用模块化设计方法可以实现门式起重机门架的快速设计，缩短设计周期，提高设计质量。按照门式起重机门架的功能与结构，根据企业实际需求，采用自顶向下方式即分级模块的思想，把一定级别的门架模块用分级系统中低一级的模块组成。据此可将某型号门架分为一系列模块，包括：主梁、刚性支腿一/二、挠性支腿一/二、下横梁、拱架一/二、主横梁、斜梯、标准件、通用件库等。随着设计手段的不断更新，起重机的参数化设计逐渐向智能化、数字化、集成化方向发展。为了满足变型设计需求，门架参数化的模块中不仅包括CAD模型及其几何信息，还包括设计标准、设计公式、校验公式、产品的尺寸关联、尺寸约束、工程约束、特征关联等内容的产品知识库。通过面向对象的知识表示方法对其进行封装，实现基于知识的尺寸驱动和特征驱动，大大提高产品设计的效率并实现智能化。

图 6  起重机门架智能模块体的构成

图6为某型号门式起重机门架智能模块体的构成。可以看出，该门架主要由设计计算模块和CAD参数化模块组成。设计计算模块的设计计算知识是由工程师总结表述后提炼出来的。如在计算分析模块中主梁截面的参数计算包含了知识库中方案库、方法库及推理机制的应用。方案库主要记录了以往设计的不同吨位的门架参数。方法库记录了主梁截面的计算方法、起重机设计标准、尺寸约束与关联、约束标准、特征关联。其中计算方法即计算公式：各种载荷计算公式、门架不同点的应力、弯矩计算公式、强度、刚度、稳定性计算公式、优化与评估方法等。参数设置模块主要完成新产品参数的设置并存入数据库。参数管理模块用程序控制Excel实现参数传递和路径存储，用程序控制Word生成说明书、计算书等技术文档。另外还有有限元分析模块可对关键部件进行有限元分析。CAD参数化模块主要包括模型库和工程图库(对于成系列的零件要建立相应的系列零件库)并定义好零件和工程图属性信息(如密度、材料、零件号等)。驱动模块包括建立布局草图及其与零件之间的关系，整理各零件尺寸与布局草图的主参数之间的关系，并通过编程实现布局草图参数与门架设计计算模块得到的各种参数交互，实现用计算优化后得到的各种参数驱动部件的生成。模块采用基于布局草图的自顶向下的模块化设计思想，设计人员可以很自由地对装配中的零件进行修改和替换，并可经布局草图参数的控制驱动整个门架模型，实现其三维实体模型和工程图的生成。标准件库及通用件库为装配体提供大量的标准件和通用件 。

2.3  门式起重机门架系列产品开发实现过程

门架模块化参数化设计系统的开发首先建立门架零部件的三维参数化模型和相应工程图模板，并总结用户特征建立用户特征库和根据相关标准建立标准件库，然后基于装配布局草图采用自顶向下的参数化设计方法建立各主模块的装配模型，最后开发参数化系统程序各模块，程序的开发是门架参数化设计的实现方法，同时也是门架变型设计的实现方法。利用VB语言编写程序，设计人机交互界面来完成最终设计任务并利用VB语言和Solidworks提供的API接口函数编写程序，生成*.dll 文件，作为插件集成于Solidworks环境中。通过各程序模块或者在已有产品实例的基础上对不满足要求的结构作变型设计，或者以模块为单位进行组合变型设计，并将经过变型设计的模块存入模块库。然后将实体模型参数化扩展到二维工程图，通过建立参数化工程图模板、视图比例调整、视图位置调整、尺寸位置调整等实现参数化驱动后工程图的自动调整，最终得到满足生产要求的工程图。系统开发完成，生成.exe 文件，运行，逐步输入相关参数、自定义选型即可生成新产品数据资料。主要包括新产品主要驱动参数表、新产品工程图纸、新产品Word文档等。

图 7  门架总装参数化系统运行主界面

图 8  门架新产品总装模型

图7、图8、图9为模型号新设计门架参数化系统运行主界面、总装经变型后的新模型及某部件经程序自动调整后的图纸。

图9 门架下横梁经程序优化后的工程图

3  结束语

(1)利用模块化技术对产品进行功能分解和结构重组，通过模块间的灵活组合与拆分实现参数驱动过程，为产品实例的表达和实现变型提供良好的支持。而CBR技术可以作为变型设计的智能推理工具，实现系列产品的快速变型设计。最终形成了参数化、模块化、智能化相结合的变型设计方法。

(2)在与广州起重机械有限公司技术中心合作开发的门式起重机参数化设计系统中很好地将模块化技术、CBR技术与参数化技术结合起来。实际应用表明，该设计系统增强了变型设计的规范性和智能性，提高了产品设计速度和设计质量，进而增强了企业对市场的快速响应能力。